邵建平 聞成才 張勃洋 孔寧

（1：馬鞍山鋼鐵股份有限公司 安徽馬鞍山 243003；2：北京科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 北京 100083）

1 前言

隨著鋼鐵市場的激烈競爭，用戶對熱軋帶鋼產(chǎn)品的質(zhì)量要求越來越高，尤其是熱軋帶鋼重要尺寸精度之一的板形，其質(zhì)量的好壞直接影響下游工序的產(chǎn)品質(zhì)量［1－4］。在熱軋帶鋼生產(chǎn)過程中，側(cè)彎現(xiàn)象比較常見，它對軋制過程的穩(wěn)定性危害極大，輕則造成邊部切損過大，降低成材率，重則出現(xiàn)廢品或損害推床等設(shè)備。造成側(cè)彎的因素很多，如坯料楔形、坯料寬度方向溫度分布不均勻、軋機(jī)兩側(cè)剛度存在差異、推床不對中和輥形不合理等。即使操作人員在軋制過程中反復(fù)調(diào)節(jié)軋輥兩側(cè)傾斜量，但這種調(diào)節(jié)在某些情況下不是一直有效。目前針對側(cè)彎的檢測儀表和自動(dòng)控制設(shè)備比較少，而且造價(jià)昂貴，所以需要針對這種現(xiàn)狀分析熱軋高強(qiáng)鋼的側(cè)彎形成原因，并采取行之有效的方法減少此種現(xiàn)象的發(fā)生以提高生產(chǎn)效率［5］。

長期以來，國內(nèi)外學(xué)者針對鋼板側(cè)彎情況進(jìn)行了很多研究，并取得了顯著的成果。文獻(xiàn)［6］為了研究某熱軋線汽車大梁鋼分條后出現(xiàn)側(cè)彎的問題，通過分析分條后各窄條與基準(zhǔn)的實(shí)測距離值，研究出一套符合該問題研究的方法，并推導(dǎo)出相應(yīng)的一組計(jì)算公式，表明窄條出現(xiàn)側(cè)彎是熱軋卷板形不對稱以及呈現(xiàn)邊浪趨勢造成的。文獻(xiàn)［7］針對軋汽車大梁用鋼板縱剪分條時(shí)產(chǎn)生偏彎缺陷問題，找到鋼卷冷卻過程中殘余應(yīng)力的計(jì)算方法并進(jìn)行計(jì)算，分析鋼板精整過程矯直工藝對殘余應(yīng)力的影響，再通過矯直工藝的確定方法計(jì)算重新確定矯直工藝，從而防止大梁板縱剪分條時(shí)產(chǎn)生偏彎缺陷。YOSHIHARA等［8］通過調(diào)整層流冷卻過程中的邊部遮擋量，使帶鋼縱向內(nèi)應(yīng)力在寬度方向的分布趨于均勻，有效改善了帶鋼縱切后各分條的彎曲缺陷問題。YOSHIDA 等［9］和HIDVEGHY等［10］分別建立了帶鋼縱切后各分條側(cè)彎與內(nèi)應(yīng)力關(guān)系的解析模型，并通過試驗(yàn)進(jìn)行對比，驗(yàn)證了解析模型的準(zhǔn)確性。PARK等［11－12］提出殘余應(yīng)力是帶鋼縱切后各分條彎曲缺陷產(chǎn)生的直接原因，結(jié)合試驗(yàn)測量和解析方法，驗(yàn)證了帶鋼縱切后變形與初始內(nèi)應(yīng)力分布的關(guān)系，并通過調(diào)整平整工藝參數(shù)，改善了帶鋼縱切后各分條彎曲缺陷問題。由上述研究可知，學(xué)者們對帶鋼內(nèi)應(yīng)力橫向分布不均造成縱切側(cè)彎影響進(jìn)行了大量研究，而在帶鋼軋制過程中，對平整工藝的系統(tǒng)研究也會(huì)影響到熱軋高強(qiáng)鋼的板形質(zhì)量。因此，通過對平整工藝的開發(fā)實(shí)現(xiàn)熱軋高強(qiáng)鋼帶鋼的平整從而保證熱軋高強(qiáng)鋼的板形質(zhì)量迫在眉睫。

某廠1580平整機(jī)組工作輥采用平輥輥形，其在軋制汽車大梁鋼并分條后，發(fā)生了鋼板側(cè)彎的現(xiàn)象。針對該問題本文通過現(xiàn)場跟蹤測量及研究發(fā)現(xiàn)，鋼板經(jīng)縱切分條后（從帶鋼傳動(dòng)側(cè)向操作側(cè)切條），側(cè)彎量超出允許誤差范圍（最大側(cè)彎量≤5mm）的一般發(fā)生在第一條和第四條，最大側(cè)彎量大概在6mm～8mm左右，而中間兩條的側(cè)彎程度均在允許誤差范圍內(nèi)。將鋼板縱切分條后的側(cè)彎情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并通過現(xiàn)場跟蹤發(fā)現(xiàn)工作輥負(fù)彎情況下，帶鋼縱切后第一條和第四條側(cè)彎量明顯減小。針對以上問題，本文采用現(xiàn)場測試、理論分析、數(shù)值仿真等方法展開研究，分析發(fā)現(xiàn)熱軋高強(qiáng)鋼縱切分條側(cè)彎根本原因在于平整軋制過程來料帶鋼凸度與平整機(jī)輥縫不匹配導(dǎo)致其縱向延伸沿寬度方向分布不均勻。針對此，本文改進(jìn)了平整機(jī)組原工作輥輥形，設(shè)計(jì)了工作輥CVC輥形，以期增加該機(jī)組的輥縫凸度調(diào)節(jié)域，使其能更好的適應(yīng)來料凸度變化，確保平整軋制過程帶鋼縱向塑性延伸分布均勻，然后將改進(jìn)后輥形進(jìn)行上機(jī)試用，有效降低了軋后帶鋼側(cè)彎問題的產(chǎn)生。

2 問題原因分析

通過對某廠1580平整機(jī)組的現(xiàn)場勘察，發(fā)現(xiàn)來料帶鋼具有較大凸度，如圖1所示，由此導(dǎo)致帶鋼平整軋制過程中，帶鋼中部產(chǎn)生的縱向塑性延伸較大，而帶鋼邊部產(chǎn)生的縱向塑性延伸較小，如圖2所示。帶鋼平整軋制后中部與邊部縱向塑性延伸分布不均，使得帶鋼縱切分條時(shí)，第一條和第四條內(nèi)側(cè)的纖維條伸長量要比外側(cè)的長，導(dǎo)致第一條和第四條切條后鋼板向外側(cè)彎曲，而當(dāng)平整機(jī)組工作輥采用較大的負(fù)彎輥力時(shí)，帶鋼縱切分條后側(cè)彎量顯著減小。

圖1 帶鋼板廓形狀

圖2 平整前后帶鋼縱向纖維條的伸長情況

針對汽車大梁鋼分條后發(fā)生直線度缺陷的問題，盡管采取提高工作輥負(fù)彎輥力的調(diào)節(jié)手段產(chǎn)生了一定的效果，但是其調(diào)控能力有限，因此，本文從工作輥輥形設(shè)計(jì)入手，同時(shí)考慮到工作輥的綜合輥形影響軋制時(shí)的承載輥縫，故采用負(fù)凸度工作輥輥形制造正凸度形承載輥縫軋制帶鋼，使其對來料帶鋼起到一定的包容作用。同時(shí)，為了進(jìn)一步提高平整機(jī)輥系的凸度調(diào)節(jié)能力，在原有輥形的基礎(chǔ)上，對平整機(jī)工作輥進(jìn)行CVC輥形設(shè)計(jì)，但盡量不使用工作輥彎輥力，以保持軋制力和延伸率穩(wěn)定，并期望增加該機(jī)組的輥縫凸度調(diào)節(jié)域，使其能更好的適應(yīng)來料凸度變化，確保平整軋制過程帶鋼縱向塑性延伸分布均勻，最終達(dá)到降低平整后帶鋼分條側(cè)彎的效果。

3 輥形優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 三次CVC輥形介紹

CVC技術(shù)的核心思想是通過設(shè)計(jì)特殊的工作輥輥廓曲線，利用軋輥的軸向橫移來改變輥縫形狀，同時(shí)均勻軋輥的磨損［13－16］。

通過CVC輥的橫移，可獲得從中凹到中凸連續(xù)變化的輥縫形狀，將此輥縫形狀假設(shè)為二次曲線，則根據(jù)數(shù)學(xué)分析，所采用的CVC輥形為一個(gè)三次曲線。圖3為CVC輥形分析圖，CVC輥的半徑坐標(biāo)y（x）可采用式（1）和（2）的三次多項(xiàng)式表示。

圖3 CVC輥形分析圖

式中：y1（x）、y2（x）—上下工作輥x點(diǎn)處的半徑；

a1～a3—多項(xiàng)式系數(shù)；

L—輥身長度。

3.2 新輥形輥間接觸壓力研究

在帶鋼軋制過程中，輥形的優(yōu)化對產(chǎn)品板形質(zhì)量有重要影響，而要研究輥形的好壞，對輥間接觸壓力的分布情況研究必不可少，本文根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況，設(shè)計(jì)以下四種三次CVC輥形曲線，探究了不同輥形在支撐輥為平輥，單位軋制力為0.625t／mm，彎輥量與竄輥量為0時(shí)的輥間接觸壓力情況，輥形曲線多項(xiàng)式系數(shù)如表1所示，各輥形輥間壓力分布情況如圖4所示。

圖4 輥間接觸壓力分布

表1 CVC輥形三次曲線多項(xiàng)式系數(shù)

3.3 新輥形承載輥縫凸度調(diào)節(jié)域研究

輥縫凸度調(diào)節(jié)域，即軋機(jī)在一定工藝條件下所能提供的輥縫二次和四次凸度變化范圍。反映了軋機(jī)輥縫形狀的調(diào)節(jié)柔性，其大小不僅與軋機(jī)板形調(diào)控執(zhí)行機(jī)構(gòu)的類型及多少有關(guān)，還與軋輥尺寸、軋制力大小及帶鋼寬度有關(guān)。

根據(jù)現(xiàn)場軋機(jī)的實(shí)際參數(shù)和生產(chǎn)情況，生產(chǎn)鋼種主要針對510L高強(qiáng)鋼，寬度主要集中在1200mm～1360mm，因此，根據(jù)計(jì)算需要和現(xiàn)場生產(chǎn)實(shí)際，設(shè)定仿真工況如表2所示，得出了不同軋制力下輥縫凸度調(diào)節(jié)域，如圖5所示。

圖5 不同軋制力下的輥縫凸度調(diào)節(jié)域

表2 仿真工況

據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況，以及上述CVC輥形對輥間接觸壓力和承載輥縫凸度調(diào)節(jié)域的研究，選定了上述的三次CVC輥形1曲線，如圖6所示。

圖6 工作輥輥形半徑差值圖

4 CVC輥形工作輥上機(jī)應(yīng)用試驗(yàn)

本文針對某廠1580平整機(jī)組所生產(chǎn)的鋼板分條側(cè)彎問題，根據(jù)以上方法設(shè)計(jì)出CVC工作輥輥形并將其進(jìn)行了上機(jī)應(yīng)用，對鋼板的橫向厚差、橫向和縱向殘余應(yīng)力沿帶鋼寬度方向的分布以及CVC輥形上機(jī)前后不同鋼板縱切分條后的側(cè)彎情況進(jìn)行了探索研究，觀察新輥形對板形的控制效果。

4.1 鋼板橫向厚差分布測量

針對某廠1580平整機(jī)工作輥CVC輥形上機(jī)試驗(yàn)，本文對510L鋼種的不同卷號鋼板進(jìn)行了橫向厚差分布的測量，其工況如表3所示。并將使用測厚儀測得鋼板厚度數(shù)據(jù)，繪制成橫向厚差分布曲線，如圖7所示。其中，二次凸度隨竄輥量變化與帶鋼縱向塑性延伸分布情況具體如圖8和圖9所示。

圖9 帶鋼縱向塑性延伸分布情況

表3 510L鋼種不同卷號上機(jī)工況

圖7 橫向厚差分布情況

圖8 二次凸度與隨竄輥量的變化

根據(jù)現(xiàn)場跟蹤測量的二次凸度，本文將其與二維變厚度的仿真結(jié)果進(jìn)行了對比，具體如表4所示。

表4 510L鋼種不同卷號二次凸度測量與仿真對比

從圖表中可以看出，工作輥向傳動(dòng)側(cè)每次竄輥20mm，帶鋼二次凸度約增加5μm，且與10%的正彎輥力對帶鋼二次凸度的影響基本一致。與現(xiàn)場實(shí)際測量的二次凸度相比較，二維變厚度有限元仿真結(jié)果誤差范圍在4.87%～16.57%左右。

4.2 新輥形上機(jī)分條情況研究

分條切割的過程中始終是從平整過程中的DS側(cè)向OS側(cè)依次進(jìn)行縱向分條切割，帶鋼切條方案如圖10所示。（注：DS表示平整過程中的傳動(dòng)側(cè)，OS表示平整過程中的操作側(cè)）。

圖10 帶鋼縱向分條示意圖

本次現(xiàn)場跟蹤測量中，針對切條后窄鋼板側(cè)彎量“+”、“－”號的標(biāo)定問題同廠內(nèi)人員進(jìn)行了統(tǒng)一規(guī)定，規(guī)定向分條后的帶鋼外側(cè)彎曲為“+”，反之為“－”。本次測量采用的方法為先在切條后的窄鋼板同側(cè)距邊部10mm處標(biāo)兩個(gè)點(diǎn)，然后在這兩個(gè)點(diǎn)處引一條細(xì)線測量其側(cè)彎量，如圖11所示，側(cè)彎量為（d－10）mm。

圖11 側(cè)彎量測量方法示意圖

通過現(xiàn)場跟蹤測量，針對510L鋼種，將CVC輥形上機(jī)前與上機(jī)后不同鋼板縱切分條后的側(cè)彎情況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，如圖12和圖13所示。

圖12 CVC輥形上機(jī)前鋼板分條側(cè)彎情況統(tǒng)計(jì)

圖13 CVC輥形上機(jī)后鋼板分條側(cè)彎情況統(tǒng)計(jì)

通過對比CVC輥形上機(jī)前后側(cè)彎量的統(tǒng)計(jì)情況，可以發(fā)現(xiàn)CVC輥形對帶鋼縱切分條情況具有顯著的改善作用，也進(jìn)一步驗(yàn)證了改進(jìn)后工藝措施具有良好的板缺陷控制效果。

5 結(jié)論

（1）針對某廠1580平整機(jī)組生產(chǎn)帶鋼分條側(cè)彎問題，通過現(xiàn)場測試、理論分析、數(shù)值仿真等方法展開研究，分析發(fā)現(xiàn)熱軋高強(qiáng)鋼縱切分條側(cè)彎原因在于帶鋼中部區(qū)域縱向塑性延伸較大，而邊部區(qū)域縱向塑性延伸較小，使得帶鋼縱切分條時(shí)發(fā)生側(cè)彎問題，究其根本原因在于平整軋制過程來料帶鋼凸度與平整機(jī)輥縫不匹配導(dǎo)致其縱向延伸沿寬度方向分布不均勻。

（2）為解決鋼板分條側(cè)彎問題，在綜合考慮軋制帶鋼的規(guī)格、彎輥力、工作輥輥形等影響因素下，優(yōu)化設(shè)計(jì)了工作輥CVC輥形，以期增加該機(jī)組的輥縫凸度調(diào)節(jié)域，使其能更好的適應(yīng)來料凸度變化，確保平整軋制過程帶鋼縱向塑性延伸分布均勻。通過進(jìn)行新輥形的上機(jī)應(yīng)用試驗(yàn)，觀察510L鋼種不同卷號鋼板的橫向厚差，得出工作輥向傳動(dòng)側(cè)每次竄輥20mm，帶鋼二次凸度大約增加5μm，且與10%的正彎輥力對帶鋼二次凸度的影響基本一致。與現(xiàn)場實(shí)際測量的二次凸度相比較，二維變厚度有限元仿真結(jié)果的誤差范圍在4.87%～16.57%左右。

（3）通過對CVC輥形上機(jī)前后不同鋼板縱切分條后的側(cè)彎情況進(jìn)行了探索研究，對比原工作輥輥形和新工作輥輥形在生產(chǎn)帶鋼過程中的以及下機(jī)后帶鋼的分條側(cè)彎情況，發(fā)現(xiàn)工作輥采用CVC輥形后軋輥的磨損情況與之前相比影響不大，且對帶鋼縱切分條情況具有顯著的改善作用。