热轧轧件下弯机理与影响因素研究

张雪松，狄恩仓，魏金营，赵永杰

（1.中原工学院机电学院，河南 郑州 450007；2.中州大学 工程技术学院，河南 郑州 450044；3.郑州市公共交通总公司，河南郑州 450054）

1 引言

在热轧生产过程中，由于多种因素的影响，可能出现轧件的上翘和下扣现象。这两种弯曲现象均对设备具有一定的危害，轧件上翘时的危害较小，主要影响钢坯下一道次的咬入。轧件下扣的危害较大，首先由于空间的限制，下扣轧件出机架后会与机架辊相撞，并在机架辊的作用下轧件被强制矫直，机架辊的使用寿命大大缩短；其次头部下弯的轧件在辊道上运输时还会与运输辊发生冲击，从而影响运输辊道的使用寿命；再者严重扣头轧件与机架辊发生撞击会在主传动系统上产生扭振，轧件头部与护板相撞卡死时，扭矩放大到一定程度则会造成联接轴断裂等重大事故。由于生产中轧件的弯曲可能会造成如此之多的不利影响，有必要正确认识轧件弯曲的机理，明确各个影响因素的影响机制，指定合理的措施以减少现有的轧件弯曲现象。

由于造成轧件头部翘曲变形的原因十分的复杂，国外现有的理论与分析方法，如Kennedy和Slamar的平面变形法，Tanaka等的曲率半径法等都是针对某种因素，从某个角度进行分析和探讨的，而这些因素，比如温度、异速轧制、异径轧制、轧件导入角、变形区几何形状系数等，往往不是单独作用的，相互之间是存在着密切的联系和影响。所以这些方法的分析结果适用范围窄，理论与实际的吻合度较差。试验法与经验法难以对轧制过程进行分析，也无法准确预测轧件的变形情况。而数值分析法由于能将多种因素综合考虑，模拟轧制过程等优点，具有很好的仿真效果，得到了广泛的应用。选取影响轧件头部翘曲变形的众多因素中的机械不对称因素来进行仿真分析，找出其不对称轧制的原因，从而指导实际生产。

以武钢二热轧2250连续热轧带钢轧机为例来研究轧件的下弯现象。该机组是本世纪初由德国西门子引进的成套设备。其中R1轧机为二辊不可逆式轧机，投产以来轧件上翘和下扣的弯曲现象时有发生。实际生产中测得的上下辊扭矩的部分数据，如表1所示。

表1 武钢二热轧R1轧机轧制力能参数测试数据Tab.1 The Rolling Strength Parameters Testing Data of R1 Mill of WuGang No.2 Hot Strip Rolling Mill

2 有限元模型的建立

采用MARC软件来分析轧件的弯曲变形情况，MARC软件具有很强的模拟仿真功能，特别是在非线性、温度场等方面具有强大的功能。由于只是对轧机不对称的机理进行研究，以分析轧制过程中钢板在垂直方向的弯曲变形情况，为简化计算过程，将基本模型钢板的宽度只取为20mm，同时长度只取为1200mm，入口厚度为220mm，出口厚度为200mm；整个模型节点数为19903个，单元格数为18773个。由于热轧时，轧辊的弹性压扁很小，所以这里将轧辊简化为刚性辊，在模型中上下辊可分别用一个刚性环形接触边界元来构造（辊基本直径为1150mm）[1-2]。

对边界条件做如下处理：（1）在钢板尾部截面中性层节点上施加高度方向的位移约束的方式模拟辊道对钢坯的作用；（2）在钢板横向中心的纵向截面的节点上施加横向位移的对称约束。因为模型钢板厚度有限，该约束条件是为了防止由于钢板横向较柔容易发生位移，从而导致仿真失败；（3）在模型运算之前将均匀温度以温度载荷的方式直接施加在钢坯的节点上；（4）为了有利于计算过程中钢板的咬入，模型定义了两个工况来进行计算，第一个工况在钢板的尾部截面的各个节点上施加了一个向前的推力，第二个工况在钢板正常咬入后，尾部截面的各个节点的推力为零。钢板的材料模型可以直接在Marc软件的材料库中读取，这里选用的材料模型是45号钢，材料的屈服准则使用的是米塞斯（Mises）屈服准则[3]，强化准则使用的是混合强化规律来建模。

3 异径同转速异步热轧的不对称机理

异径同转速异步轧制是指上下轧辊半径不同而转速相同，因此上下轧辊的线速度不同，导致轧件变形区内上下表面的摩擦力方向相反，形成了“搓轧区”，使得轧件发生弯曲。在本异径同转速异步热轧模型当中使用上下辊直径为1050mm和1150mm。

轧制过程的不对称原理可以从两方面进行解释。首先，由于上下轧辊辊面线速度不等，下辊辊面速度大于上辊辊面速度，造成下接触弧中性点后移[4-5]，甚至于下接触弧全部为前滑，如图1（d）所示。而上接触弧出现两个中性点，其中一个是正常情况下的中性点后移，另一个在接触弧前部出现了一个中性点，如图1（c）所示。这样上接触弧摩擦力合力的方向指向辊缝的入口，下接触弧摩擦力合力的方向指向辊缝的出口，上下接触弧的摩擦力对整个变形区材料有一个明显的搓轧作用。上下接触弧的正压力作用区域具有比较明显的位错，下接触弧的正压力作用区域后移，上接触弧的正压力作用区域前移，上接触弧的一部分正压力并不对变形区材料产生压下，而起到一个抵消摩擦力产生的转矩的作用，而下接触弧的正压力全部产生压下，这样在正压力近似相等的情况下，下接触弧的正压力将对变形区材料产生更大的压下量，即异步热轧时快速辊的压下量会大于慢速辊的压下量，显然这会造成钢坯下部的变形大于钢坯上部的现象，钢坯下部的延长量大于钢坯上部的延长量，所以钢坯出现向上弯曲。其次，可以解释轧制过程的不对称原理的第二个方面是：接触弧上正压力与摩擦力的大小决定了接触弧附近区域应力水平的高低，由于下接触弧的摩擦力水平，如图1（d）所示。大于上接触弧的摩擦力水平，如图1（c）所示。如此导致了下接触弧的应力水平高于上接触弧的应力水平，如图1（g）所示。图中右边为大直径的下辊），等效应力水平越高说明该区域发生塑性应变越大[6-7]），所以下接触弧附近的应力水平高于上接触弧的应力水平的现象造成了钢坯下部区域的塑性变形大于上部区域的塑性变形并最终导致了轧件向慢速辊侧的弯曲。

图1 异径同转速异步轧制的不对称机理Fig.1 The Asymmetrical Mechanism of Asynchronous Hot Rolling with Different Diameter and Same Rotational Speed

工艺参数：小辊直径1050mm、大辊直径1150mm、入口厚度220mm、出口厚度为200mm、轧辊与钢板之间的摩擦系数为0.3、钢板温度为1100℃时轧制过程的仿真。

4 影响轧件头部向下弯曲的因素

轧件的弯曲将同时受到各个不对称因素的影响如：轧件的原始厚度、轧后的厚度、轧件上下表面温度差、上下工作辊的直径差、轧制线的高度、轧辊的偏心距、上下工作辊的转速差、上下轧辊与钢板接触的不同摩擦状态等。由于是以最终达到减少轧件的弯曲现象为目的，即提出减少轧件弯曲的措施，因此仅仅只对机械不对称因素引起的不对称轧制进行研究，因此主要对后五种影响因素进行研究分析[8-10]。

4.1 相同辊直径不同辊转速异步轧制

针对三种不同上下轧辊的转速比（ε上/ε下=1.05、1.1、1.15）进行仿真，获得的轧件头部600mm中心层的垂直位移分布情况，如图2（a）所示。轧件的弯曲程度随着上下轧辊的转速比的增加而增加（ε上/ε下=1.15最大，ε上/ε下=1.05最小），辊速差异决定了钢坯的弯曲方向，即钢坯总是向慢速辊方向弯曲，这一点符合上述机理分析中的第一个方面。

4.2 上下轧辊与钢板接触的不同摩擦状态异步轧制

针对三种不同上下轧辊与钢板接触的摩擦（上辊与钢板面接触的摩擦系数分别为0.4、0.35、0.3和下辊与钢板面接触的摩擦系数相应分别为0.1、0.15、0.2）进行仿真，结果发现接触摩擦系数较大的一面摩擦较大，钢板发生相应的塑性变形越大，从而导致钢板向摩擦系数较小的一面弯曲，这一点符合上述机理分析中的第二个方面，如图2（b）所示。

4.3 上下轧辊轴线偏心异步轧制

由于轧辊轴承座随压下在与轧机牌坊的上下移动过程中，轴承座两侧的摩擦不一，必然造成上下轧辊的中心轴线不在同一条垂直线上，它是造成轧件弯曲的因素之一，仿真了上辊比下辊更靠近轧机出口4mm和8mm的两种情况，生产实际当中上下辊的偏心小于8mm，如图2（c）所示。由于上辊更靠近轧机出口，上下轧辊的正压力作用点的水平距离就是轧辊的偏心距离，两正压力以该距离为力臂形成轧件的弯曲力矩，导致轧件向下弯曲；其中正压力和偏心距越大，弯曲程度越大。

4.4 不同轧制线高度异步轧制

简单轧制要求轧件入口时中心高度和辊缝中心高度一致，而轧机的辊缝中心高度一般高出在辊道上的轧件中心高度（10～50）mm，两者中心高度的不等，容易导致轧件倾斜咬入轧机，它是导致轧制过程形成弯曲的原因之一。对三种不同辊缝与轧件中心高度差（分别为10mm、30mm、50mm）进行了仿真结果，如图2（d）所示。图中显示中心高度差越大，形成的轧件弯曲程度也越大。

图2 不同轧制条件钢板头部向下弯曲的程度对比Fig.2 The Contrast of Plates Bending Degree Under Different Rolling Conditions

5 结论

通过对均匀温度场条件下机械因素不对称轧件的轧制过程计算机的仿真，分析了机械因素不对称时造成轧制过程不对称的机理，并通过多种工况的分析得到了各个影响因素的影响机制的大小，其中上下轧辊直径的差异在轧件扣头的各个影响因素中排在首位，其次是上下轧辊速度差等因素；并得出了以下结论：（1）异步热轧时轧件弯曲程度的大小随异步值的增大而增大。（2）异步热轧时靠近快速辊的轧件变形区的塑性变形大于靠近慢速辊的轧件变形区，即快速辊的扭矩大于慢速辊的扭矩。（3）轧件的倾斜咬入亦会造成轧制过程的不对称，如果轧件爬坡咬入则将造成轧件向下弯曲与下扭矩大于上扭矩的现象。结合以上结论，对武钢二热轧2250连续热轧带钢轧机进行了调整。首先对轧机的轧制线高度及辊径差进行了合理配置，避免了轧件发生扣头现象，并使上、下辊扭矩均衡，同时减少主传动系统传动间隙，降低冲击扭振。其次在调整了轧机机前辊道输送速度，使其与轧辊咬入点线速度的水平分量相匹配，减少了主传动系统的咬入冲击扭振。再次改善了钢坯加热制度，使上下钢坯温度一致。通过以上措施，较好的解决了发生轧件扣头及扭矩分配不均的现象。

［1］周伟鹏，邹光明，王兴东.三辊减径机架有限元分析与结构改进研究［J］.机械设计与制造，2015（3）：117-120.（Zhou Wei-peng，Zou Guang-ming，Wang Xing-dong.Finite element analysis and structural improvement of three-roll reducing rack［J］.Machinery Design&Manufacture，2015（3）：117-120.）

［2］陈林，李晓谦.板带热轧三维有限元热力耦合仿真分析［J］.机械设计与制造，2007（9）：106-108.（Chen Lin，Li Xiao-qian.The three-dimensioned thermo-mechanical coupled simulation analysis of hot rolling process of the aluminum alloy strip［J］.Machinery Design&Manufacture，2007（9）：106-108.）

［3］矫志杰，杨红，何纯玉.首钢中厚板轧机的轧件跟踪［J］.冶金自动化，2004，28（4）：44-46.（Jiao Zhi-jie，Yang Hong，He Chun-yu.Plate tracking function for Shougang plate mill［J］.Metallurgical Industry Automation，2004，28（4）：44-46.）

［4］戴江波，张清东，陈先霖.2800mm中厚板轧机轧制力模型研究［J］.北京科技大学学报，2002，24（3）：318-321.（Dai Jiang-bo，Zhang Qing-dong，Chen Xian-Lin.Development of rolling force model for 2800mm steel plate finishing mill［J］.Journal of University of Science and Technology Beijing，2002，24（3）：318-321.）

［5］Ichiro Chikushi.Ultrafine grained steel production at the new nakayama hot strip mill［J］.AISE Steel Technology，2002（6）：42-48.

［6］高山凤，刘鸿飞，郗安民.热轧板带横向厚度分布的预测与控制［J］.哈尔滨工业大学学报，2016，48（1）：180-183.（Gao Shan-feng，Liu Hong-fei，Xi An-min.Prediction and control of thickness transverse distribution in hot rolling strip［J］.Journal of Harbin Institute of Technology，2016，48（1）：180-183.）

［7］刘华，顾廷权，缪明华.带钢断面形状检测与特征参数识别方法［J］.钢铁研究学报，2012，24（2）：59-62.（Liu Hua，Gu Ting-quan，Miao Ming-hua.Transversal thickness deviation detection and characteristic parameters identification of strip［J］.Journal of Iron and Steel Research，2012，24（2）：59-62.）

［8］Meyer A，Wietbrock B，Hirt G.Increasing of the drawing depth using tailor rolled blanks-numerical and experimental analysis［J］.International Journal of Machine Tools and Manufacture，2008，48（5）：522-531.

［9］张广基，刘相华，胡贤磊.变厚度轧制轧件水平速度变化规律［J］.东北大学学报：自然科学版，2013，34（1）：75-79.（Zhang Guang-ji，Liu Xiang-hua，Hu Xian-lei.Research on variation of work piece horizontal velocity for variable gauge rolling［J］.Journal of Northeastern University：Natural Science，2013，34（1）：75-79.）

［10］杨静，樊百林，杨连生.减（定）径机轧辊机架有限元分析及优化设计［J］.机械工程师，2007（11）：96-98.（Yang Jing，Fan Bai-lin，Yang Lian-sheng.Reducing and sizing mill rollframe finite element analysis and optimization design［J］.Journal of Mechanical Engineering，2007（11）：96-98.）