四辊轧机轧制工艺参数对工作辊有载辊缝凸度的影响

2013-11-05孙蓟泉彭世广单元胜

武汉科技大学学报 2013年1期

孙蓟泉，彭世广，陈永，单元胜，苏岚

（北京科技大学冶金工程研究院，北京，100083）

随着板带材轧制技术的发展，板形控制问题越来越突出［1］。板形的控制归结于对有载辊缝凸度的控制，即通过控制沿板带宽度方向辊缝曲线的几何尺寸和形状，来控制带钢横截面凸度、边部减薄量和平坦度。实际情况表明，有载辊缝凸度的波动主要来自辊型、弯辊力和窜辊量以及由轧件引起的轧制力的波动。本文利用二维等效模型［2］，分析轧制力、弯辊力以及工作辊窜辊量对有载辊缝凸度的影响。

1 有限元模型的建立

1.1 单元和网格划分

采用二维变厚度法，沿轴线方向将辊系划分为若干平行于水平面厚度方向不等的单元，其中支撑辊辊身40个单元，辊径20个单元；工作辊辊身32个单元，辊径14个单元。划分区域分三层：一层为轧制区工作辊的表面，另两层分别为辊间接触区域的支撑辊和工作辊表面。辊系轴线截面图如图1所示。其中，平面单元厚度由等效厚度计算确定，中部单元厚度由单元的惯性矩和实型相等确定，接触边界单元厚度由单元压缩变形与Hertz压扁量相等确定。为避免质量较差的网格出现，采用四面体网格，辊系网格划分如图2所示。其中支撑辊轴向共40个单元，单元长度35 mm；工作辊轴向共32个单元，单元长度30mm。支撑辊3960个单元，单元类型为CPS4R；工作辊9200个单元，单元类型为CPS4R。

图1 辊系轴线截面图Fig.1 Axial sectional drawing of roll system

图2 辊系网格划分图Fig.2Roll system meshing

1.2 辊材属性和模型边界条件

某厂精轧机组工作辊材质为高镍铬无限冷硬铸铁，支撑辊材质为锻钢（w（铬）＝3%）。辊材性能参数如表1所示，轧辊技术参数如表2所示。二维变厚度模型边界条件如图3所示，在工作辊操作侧和传动侧施加x方向约束，在支撑辊两侧施加x、y方向约束，两辊间给予边界接触定义与约束，定义滑动摩擦系数为0.256。

表1 辊材性能参数［3］Table1 Property parameters of roll material

表2 轧辊技术参数Table2 Technical parameters of roll

图3 二维变厚度模型边界条件Fig.3 2－dimensional varying thickness finite element model and force diagram

2 轧制工艺参数对工作辊有载辊缝凸度的影响

2.1 轧制力对有载辊缝凸度的影响

轧制力为14000、18000、22000、26000kN，工作辊接触面节点在y方向的位移如图4所示。由图4中可看出，随轧制力的增大，工作辊接触面节点位移增大。轧制力对工作辊挠度及其接触面凸度的影响如图5所示。由图5中可看出，随轧制力的增大，工作辊挠度及其接触面节点曲线凸度增大。

图4 不同轧制力下工作辊接触面节点在y方向的位移Fig.4 Nodal displacement diagram at different rolling forces

图5 轧制力对工作辊挠度及其接触面凸度的影响Fig.5 Work roll contact surface crown and deflection at different rolling forces

2.2 弯辊力对有载辊缝凸度的影响

轧制力为14000kN，弯辊力为900、1100、1300、1500kN，工作辊接触面节点在y方向的位移如图6所示。由图6可知，随弯辊力的增大，工作辊接触面节点位移增大。弯辊力对工作辊挠度及其接触面凸度的影响如图7所示。从图7中可看出，随弯辊力的增大，工作辊挠度增大，其接触面节点曲线凸度减小。

图6 不同弯辊力下工作辊接触面节点在y方向的位移Fig.6 Nodal displacement diagram at different roll－bending forces

图7 弯辊力对工作辊挠度及其接触面凸度的影响Fig.7 Work roll contact surface crown and deflection at different roll－bending forces

2.3 窜辊量对有载辊缝凸度的影响

轧制力为14000kN，窜辊量为－150、－50、50、150mm（向右窜为正，向左窜为负），工作辊接触面节点在y方向的位移如图8所示。由图8可看出，随窜辊量的增加，工作辊接触面节点位移变化较小。窜辊量对工作辊挠度及其接触面凸度的影响如图9所示。由图9中可看出，随窜辊量的增大，工作辊挠度减小，其接触面节点曲线凸度稍有波动。

图8 不同窜辊量下工作辊接触面节点在y方向的位移Fig.8 Nodal displacement diagram at different roll－shifting amounts

图9 窜辊量对工作辊挠度及其接触面凸度的影响Fig.9 Work roll contact surface crown and deflection at different roll－shifting amounts

2.4 轧制参数波动对有载辊缝凸度的影响

在轧制力为14000kN、弯辊力为1000kN、窜辊量为50mm初始值上，均按20%、40%、60%、80%比率增大，轧制参数变化对轧辊凸度的影响如图10所示。由图10中可看出，轧制力、弯辊力波动5%，辊缝凸度约波动5%，轧制力、弯辊力波动对辊缝凸度的影响是显著的，轧制过程中要得到良好板形，必须保证轧制力和弯辊力波动范围不能太大，或让两者波动量相互抵消以及与别的波动量相抵消。而窜辊量波动对辊缝凸度的影响是微小的，在轧制过程中，改变窜辊量不会造成轧制过程不稳定，因此，通过改变窜辊量，来实现辊缝微调节，进而精确控制板形是合理的。

图10 轧制参数变化对轧辊凸度的影响Fig.10 Effect of rolling parameters on the roll crown

3 TRIP钢轧制过程有载辊缝凸度控制

热轧TRIP钢化学成分如表3所示。热轧TRIP带钢宽度为1478mm，弯辊力为900kN，窜辊量为50mm，热轧过程各道次压下量如表4所示。轧制节奏如表5所示。板形控制基本策略如图11所示。

表3 热轧TRIP钢化学成分（wB／%）Table3 Chemical compositions of hot rolled TRIP steel

表4 各道次压下量Table4 Reduction in rollig process

表5 轧制节奏Table5 Rolling rhythm

图11 板形控制基本策略［4］Fig.11 Shape control strategy

由图11可知，精轧前三道次（F1～F3机架）具有较宽的“平坦死区”，即板形对辊缝凸度要求较低，可不予考虑；F3～F7机架之间，若某一机架轧板比例凸度大于限定范围，将出现中浪；小于限定范围，将出现边浪；处于限定范围，不出现浪形，称为平坦死区。机架轧板比例凸度由压力凸度、弯辊凸度、窜辊凸度、原始辊型凸度、热辊型凸度等构成。忽略轧制结束后带钢的弹性回复，轧辊与带钢接触部位有载辊缝凸度即为出口带钢凸度，通过有限元模拟计算，得出60min时F3～F7机架中部以及与带钢接触边部的热膨胀值，计算出轧辊热凸度以及不同压力、弯辊力、窜辊量下的凸度，通过式（1）计算相应机架的轧板比例凸度。