平整机辊型优化研究与开发

陈 春，陈方丹

(1.四川机电职业技术学院机械工程系，四川 攀枝花 617000;2.四川省十九冶集团物业服务有限公司工程部，四川 攀枝花 617000)

0 前言

带钢的板形质量主要是依靠合理的辊型加以保证的，因此，辊型是热平整带钢轧机最重要的工艺制度之一。设计合理的辊型对提高板形质量至关重要。西南某钢铁企业1 450热轧板厂轧制的带钢原料板形较差，且板凸度偏差较大，轧制计划编排存在不合理等问题，传统的辊型配置不能满足生产需要，因此需根据热轧现有状况开发适合本机组的平整辊型配置。

1 平整轧制压力模型开发

由于平整机的延伸率较小，一般情况下为0.3%～4%，因此需要一个迥然不同的轧制压力模型去描述平整轧制过程，在建模中不但要考虑轧辊的弹性变形，而且要考虑轧件的弹性变形。具体说，即在计算过程中不仅考虑轧辊弹性压扁的塑性变形区长度，而且要考虑轧件出入口弹性变形区长度，并计算与之对应的塑性变形区单位压力及弹性变形区单位压力，从而建立适合于平整机轧制的较准确的轧制压力模型。通过使用此计算轧制力的模型，同时考虑到由于小的压下率和相对较大的摩擦，并由此而引起的带材沿着厚度方向的非均匀变形，得出典型规格产品轧制压力计算值见表1。

表1 典型规格产品总轧制压力计算结果Tab.1 Calculated results of total rolling pressure of typical products

2 辊型优化设计的基本原理

通常，四辊轧机的工作辊与支承辊沿辊身是全长接触的，这样在板宽以外形成一个有害的接触区(如图1所示)，使得轧机的横向刚度降低，从而影响轧制成品的板形与板凸度，同时也使得弯辊对板形的调节能力大为降低。为了消除这个有害接触区，一方面，可以采用HC以及其他轧辊轴移式轧机，但是这样对设备要求较高，制造成本较大。另一方面，可以通过设计出一种合适的支承辊与工作辊辊廓曲线，使得两者的接触宽度适应板宽的变化而变化，从而达到提高板形和横向厚差控制能力的目的。对于该企业1450平整机，经大量的现场实测资料分析和理论论证，采用辊型优化技术来提高轧机对板形及板凸度的控制能力，提高产品的成材率和轧辊的使用寿命。

图1 四辊轧机示意图Fig.1 Schematic diagram of four-roll rolling mill

根据相关文献可知，对于轧后带材出口厚度分布值hi函数可表示为:

式中，P为总轧制压力;S为弯辊力;ΔDwi，ΔDbi为工作辊及支承辊的凸度分布值;Hi为带材来料的厚度横向分布值;σ1i、σ0i为在轧制过程中带材的前后张力;在冷轧生产实践中，板形控制的目标是使带材横向前张力差最小。在分析时可以把板形控制的目标函数定义为

式中，T1为平均前张力。

辊型优化的目的是通过设计一种合适的辊型，使得轧辊在轧制状态时，对于所有规格的产品(在实际生产中，一般选择经常生产的m个规格的产品来进行优化，而且应该根据其出现概率进行加权，越是经常生产的产品，加权系数取得越大)最佳弯辊力都在基态附近，这样既能适当的降低弯辊力，又可以使弯辊力在轧制过程中有足够的上下调节范围，从而大大提高弯辊力对板形的控制能力。

辊型优化的目标函数可以表示为:

式中，Sai为在特定辊型下，第i个规格产品满足目标函数F(X)最小的最佳弯辊力;S0为基态弯辊力，对于该企业1 450平整机S0=0。

弯轴力优化计算流程如图2所示。辊型优化计算流程如图3所示。

3 1 450平整机辊型优化结果

根据优化，工作辊采用如图4a所示辊型曲线，其特征为正弦曲线。支撑辊采用如图4b所示辊型即可满足要求。

图4 辊型曲线示意图Fig.4 Schematic diagram of roll shape curves

图4中，L为支承辊辊身长;D为支承辊直径;lz、δ为辊型优化后支承辊削肩长度与深度。

为了分析辊型开发的效果，特模拟出二种典型规格产品在不同凸度、轧制压力(强度、延伸率)下辊型优化前后最佳弯辊力与对应的最佳板形情况。汇总见表2。

通过模拟可以看出:

(1)辊型优化前，在板凸度≤0.05 mm的情况下，最佳弯辊力基本都是采用正弯，这样弯辊对板形的调节范围就降低了;而经过辊型优化之后，基态弯辊力基本控制在0左右，使得弯辊力可调节范围大大增加，从而板形控制能力也大大增强。

(2)在弯辊力都设定为最佳弯辊力的前提下，采用优化辊型与普通辊型相比，其对应的最佳板形前者要比后者好得多。

(3)在正常板凸度(≤0.05 mm)、正常轧制压力(2.5～5 MN/m)下，采用优化辊型后，弯辊力设定为最佳弯辊力的前提下，板形能够控制在6 I以下，平均在4～5 I左右。

表2 典型规格产品辊型优化前后最佳弯辊力与最佳板形对比Tab.2 Contrast of optimum bending roll force and steel trip shape of typical products before and after optimization

4 辊型优化成果的应用效果

热轧板厂新增1450平整机组自投产以来，通过辊型优化和弯辊力、轧辊倾斜的配合使用，消除了由于轧制过程中调整不当、控制系统故障产生的板形缺陷，自该机组投产以来，板形异议为“0”，其对比效果见表3。

表3 平整前后板形效果对比Tab.3 Contrast of steel strip shapes before and after flattening

［1］芮肯法，殷建庆.热轧平整机对带钢轧制延伸率的控制和计算［J］.江苏冶金，2005(4):10－11.

［2］蔡丽芳.热轧带钢平整机工作辊磨损问题研究［J］.冶金设备，2007(2):38－41.

［3］白振华.1 450热轧平整机辊型理论及工程应用的研究［J］.冶金设备，2006(2):4－6.

［4］白振华等.宝钢2 050热轧厂平整机辊型优化技术的研究［J］.钢铁，2002(9):35－38.