辊式矫直机弯辊设定与辊缝补偿方法

王学敏

(宝钢集团中央研究院，上海，201900)

辊式矫直机弯辊设定与辊缝补偿方法

王学敏

(宝钢集团中央研究院，上海，201900)

基于弹塑性变形理论，可推导出辊式矫直机辊缝计算方法，但负载情况下矫直机本体发生较大的弹性变形，导致实际辊缝比预设定偏大；同时，由于矫直力大小沿带钢宽度方向分布不均匀，设备本体变形沿辊长方向呈一定的挠曲线形状，从而导致辊缝沿辊长方向的不均匀，影响带钢矫直效果，传统二维理论模型无法考虑这部分变形量。本文以某5辊粗矫机为例，对负载情况下设备弹性变形量进行了三维定量计算，并举例介绍了矫直机辊缝补偿方法和弯辊预设定方法。研究成果投入现场应用后，对提高成材率、改善产品质量起到明显的改进作用。

矫直机模型；弯辊技术；辊缝预设定；设备弹跳；热轧板形

0 前言

热轧产品的板形尤其是薄规格超高强钢的板形控制技术日益成为钢铁企业和用户密切关注的关键技术。其中一个重要机组即矫直机机组可以改善板形，消除带钢内部残余应力，尤其是精矫机往往作为钢铁企业钢板或钢卷的最后一道工序，其工艺参数设定精度直接决定出厂产品质量水平。

矫直机主要控制工艺参数包括辊缝设定技术和弯辊设定技术。以某热轧厂粗矫机为例，其结构构成主要包括：立柱、横梁、辊盒、楔块、支承辊座、支承辊、矫直辊等，如图1所示。矫直辊总数为5个(上2下3)，3个下辊可单独自由上下调整，而上辊固定不动，仅用于弯辊调节。支承辊采用分段式的，总数量为：下辊3×10个，上辊5×4个。楔块总数量为8对，其中上辊系5对，下辊系3对，上楔块与下楔块垂直布置，下矫直辊通过液压缸推动楔块来实现矫直辊的上下移动，楔块的水平与垂直位移比为15∶1，即液压缸水平方向每推动15 mm，则矫直辊向上移动1 mm。上矫直辊通过与上辊系垂直摆放的上楔块来实现弯辊。

图1 矫直机结构构成简图Fig.1 Leveler structure

辊缝设定技术是通过下楔块调节来实现，带钢穿过矫直机经过多次反复弯曲，发生较大的弹塑性变形，通过合理的辊缝设定，带钢离开矫直机时残留曲率刚好为零即带钢得以矫直。辊缝设定的实现是通过液压缸推动下楔块，进而推动下矫直辊上下移动。

弯辊设定技术是通过上楔块调节来实现，上楔块与矫直辊垂直布置，通过液压缸推动上楔块，对5对上楔块施加不同的位移量，则负载情况下上矫直辊呈现不同的预弯，一方面可补偿矫直辊在负载情况下沿带钢宽度方向的变形不均匀，同时也有利于消除带钢的边浪和中浪等不良板型缺陷。

国内各研究机构和国外部分设备供应商基于传统弹塑性理论，对辊缝的计算方法开展了一定的研究[1-7]，但由于设备本身弹性变形引起的实际辊缝与预设定辊缝不一致，以及由于变形量沿辊长方向的不均匀而引起的辊缝的不均匀在一定程度上影响矫直效果，对于这部分的研究和应用尚属空白。

1 弯辊设定与辊缝补偿的必要性

实际矫直过程中，矫直机承受较大的矫直力，设备结构尤其是立柱、横梁、辊盒等产生较大的弹性变形，一方面产生竖直方向的纵向拉伸(图2a)，导致实际辊缝大于预设定辊缝，达不到理想的矫直效果；另一方面，设备沿宽度方向会产生变形的不均匀，呈一定的挠度曲线(图2a)，从而导致辊缝沿带钢宽度方向的不均匀，影响带钢矫直效果，因此需通过上楔块调节弯辊量来实现(图2b)，以尽可能地保持辊缝的均匀性。需要指出的是，由于变形挠度的不均匀同时体现在上横梁和下横梁，但由于弯辊系统仅安装在上辊系，补偿这种不均匀仅能通过上楔块来调节，因此调节后的辊缝大小均匀了，却无法满足矫直辊的平直，也就是说实际矫直过程中，矫直辊始终呈现一定的凸度，如图2b所示。

图2 负载情况下牌坊及工作辊变形示意图Fig.2 Deflection of housing and work roll

2 负载情况下设备变形量计算

为了计算负载情况下设备的弹性变形量，假设矫直机设备所承受的总矫直力为20 MN，按弹塑性变形理论可计算出各单辊矫直力[2]。本文采用三维软件PRO/E进行建模、专业有限元划分网格软件HYPERMESH进行网格划分、利用高度非线性软件MARC进行有限元计算和后处理、分别对辊系、立柱、横梁及楔形块等结构受力进行仿真与计算，获得单辊矫直力为2 MN时所发生的弹性变形量，当矫直力为其它吨位时，其变形量按线性插值规律进行插值计算。

(1)辊系变形量计算。以上辊系为例，建模时辊系主要包括矫直辊、支承辊和支承辊辊座(图3)。为了节省计算时间，采用1/2对称模型进行分网和计算，对称截面处施加对称约束，矫直辊与支承辊之间为接触对，支承辊辊座底部施加全约束，矫直辊施加均匀的矫直力1 MN，由于辊系变形曲线与带钢宽度有一定的关系，根据现场实际生产需要，一般生产带钢宽度范围为1 000～1 800 mm，因此，本文选用带钢宽度为1 674 mm和1 160 mm两种工况进行计算以供参考和选用。

图3 辊系结构Fig.3 roll system structure

图4为单辊矫直力为2 MN、带钢宽度分别为1 160 mm和1 674 mm两种工况时，辊系总变形挠度曲线图。由图可以看出，负载情况下，上辊系呈负凸度形状。其凸度的大小和分布与带钢

宽度以及矫直力的大小有关。由图可以看出，由辊系弹性变形而导致辊缝增大的量约为0.075 mm。当矫直力为其它吨位时，按线性插值进行计算。下辊系的计算方法同上。

图4 辊系变形挠度曲线Fig.4 Deflection of roll system deformation

由于辊系变形的不均匀导致辊缝沿带钢宽度方向的不均匀，为了更好的保证矫直效果，需对矫直辊施加一定的预弯，以尽可能的满足负载时辊缝沿带钢宽度方向的均匀性。当辊系受力大小为2 MN，带钢宽度为1 674 mm时，由图4可得各上楔块所在位置即-800 mm、-400 mm、0、400 mm、800 mm等5处的挠度(即为5个楔形块对应的位置)，如800 mm处挠度为H=0.0447mm。其他见表1。

表1 当辊系受力为2 MN时辊系变形弯辊补偿量Tab.1 Roll system deformation under 2 MN leveling force mm

(2)立柱、横梁、楔块变形量计算。牌坊变形包括立柱、横梁、楔块、辊盒等部分的变形总和。矫直力通过辊系作用在上下楔块上(图5)，当总矫直力为20 MN时，牌坊上下横梁变形挠度曲线如图6所示。结构总变形呈曲线形状，由结构弹性变形而导致辊缝增大的量介于1.2～2.45 mm之间，可取均值约1.825 mm近似代替。当总矫直力为其它吨位时，按线性插值计算。

因楔形块、立柱、横梁等结构的变形同样会引起辊缝沿带钢宽度方向的不均匀，为了更好的保证矫直效果，需施加一定量的弯辊预弯，以尽可能的满足辊缝沿带钢宽度方向的均匀性。当总矫直力为20 MN时，由图6可获得各上楔块所在位置即-800 mm，-400 mm，0，400 mm，800 mm处的挠度，如800 mm处挠度为L1+L2=0.690 6 mm，其他类同(见表2)。

图5 牌坊模型与边界条件Fig.5 Housing model and boundary conditions

mm

图6 总矫直力为20 MN时牌坊变形挠度曲线Fig.6 Deflection of housing

3 算例

以5辊矫直机为例，待矫直带钢规格为宽1600 mm×厚20 mm，屈服强度为400 MPa，抗拉强度500 MPa，弹性模量2.1×105MPa，泊松比0.3，总矫直力为6.37 MN。按模型计算[2]的矫直力见表3。

表3 理论计算单辊矫直力Tab.3 Theoretical value of leveling force /MN

(1)辊缝补偿。为了提高计算精度，表4中理论计算辊缝值需补偿负载情况下设备的弹性变形量(包括牌坊、楔形块和辊系等变形)，补偿后的辊缝可直接用于指导现场生产。当总矫直力为20 MN时，需要补偿的辊缝大小为1.825 mm，按线性规律换算，可得牌坊等结构在受力6.37 MN时[2]，牌坊等总变形为0.581 3 mm,需要补偿的辊缝大小为0.581 3 mm。当单辊受力2 MN时，需要补偿的辊缝大小为0.14 mm，单辊受力大小与需要补偿的辊缝大小见表4。其中上辊系即辊2和辊4具有相同的变形量，可将下辊系整体向上调节0.111 3 mm来补偿上辊系的变形，以保证实际辊缝大小与预设定辊缝大小相符。

表4 理论模型计算辊缝与弹跳量补偿后辊缝/mmTab.4 The contrast of roll gap between theoretical value and compensate value

(2)弯辊设定。由于牌坊和辊系变形的不均匀导致辊缝沿带钢宽度方向的不均匀，需对结构变形给予定量补偿，方能得到均匀的辊缝，保证带钢矫直效果。当总矫直力为6.37 MN时，由表2可进行线性换算获得各上楔块所在位置所需的弯辊补偿量(见表5由牌坊、横梁等变形引起的弯辊量)。

各辊系在各自矫直力作用下产生不同的变形量，而弯辊只能通过上辊系来实现，且2个上辊无法单独调整，必须统一实现相同的预弯，因此，为了简化，可取平均值(上辊系和下辊系分别平均)近似代替，以对辊系预弯进行补偿，方法同牌坊预弯补偿，由于本实例带钢宽度为1 600 mm，因此按表1中带宽1 674 mm进行线性换算，结果见表5辊系变形引起的弯辊量。

表5 弯辊量设定Tab.5 Preset value of bending roll mm

对于由牌坊、横梁等变形引起的弯辊量和辊系变形引起的弯辊量进行综合补偿，通过上楔块调节，实现辊系预弯，以达到矫直过程中辊缝的均匀性。

4 应用效果

传统的矫直机辊缝参数理论计算模型为二维简化模型，无法兼顾考虑辊缝沿带钢宽度方向的不均匀性，无法实现弯辊控制，且辊缝计算值偏于保守，矫直过程中，带钢实际发生的变形量比预期变形量要小，对于来料板形尚可，板形要求不高的情况，基本可以满足用户需求。但当板形要求较高，来料板形较差的板带，需对其计算结果进行修正和补偿，以增加辊缝参数计算精度。

将本文研究方法应用于某合金板带工程热矫机，对薄规格Mn13的矫直工艺进行改进与优化，热矫合格率由原来的92.76%提高到96.91%，对于13 mm以下的薄规格板带，热矫合格率由原来的89.42%提高到96.2%。

5 结论

利用三维数值仿真技术获得矫直机整体设备在负载情况下的变形量，掌握了特定矫直力作用下，整体设备在竖直方向的变形量以及辊缝沿带钢宽度方向的不均匀度。在二维理论模型的基础上，对辊缝值进行补偿和优化，通过弯辊调节对辊缝不均匀度进行补偿，实际使用效果表明，该技术对提高产品质量和成材率具有较高的实用价值。

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Method of bending roll presetting and roll gap compensation for leveler

WANG Xue-min

(Baoshan Iron & Steel Co.,Ltd.,Shanghai 201900，China)

Based on the theory of elastic-plastic bending deformation, the calculating method of roll gap can be obtained, but a large elastic deformation occurs under large leveling force, which leads to actual roll gap larger than preset roll gap. At the same time, because of the distribution of the uneven leveling force along the plate width, equipment deformation is in the shape of a certain amount of deflection curve, thus the uneven roll gap occurs along the roll length direction. And the leveling effect must be affected. Traditional two-dimensional theoretical model can not consider this part of deformation. In this paper，a 5 roll rough leveler as an example, equipment elastic-deformation was calculated under leveling force. Roll gap compensation method and the setting method of bending roll were introduced by example. Practical application result showed that the new technology can improve the quality of products.

leveling machine model; roll gap presetting; bending roll technology; elastic deformation; hot rolled plate shape

2015-11-20；

2016-01-05

王学敏(1975-)，女，博士，高级工程师，主要从事冶金设备能力评价及热轧板带板形控制等方面的研究。

TG333

A

1001-196X(2016)02-0006-05