液压弯辊技术在钢材生产中的使用分析

罗应义

（宝武集团韶关钢铁有限公司，广东 韶关 512123）

板带材广泛应用于汽车制造、精密仪器等多个领域。随着现代工艺技术的发展，对冷轧板带产品规格要求不断提高，板带质量是具有满足用户要求的良好板形，板带纵横向厚度是衡量质量标准指标，随着板形控制系统设计应用完善，自动宽度控制等轧制设备的应用，板形控制技术成为生产中需要解决的关键点。液压弯辊控制涉及分析缺乏基本理论支持，轧机是复杂的设备，多种机构相互联系制约，液压弯辊中受到其他控制系统调整。弯辊目前有一些20世纪60年代生产的轧机，生产产品质量缺乏竞争力，在轧机上进行液压弯辊改造具有很大市场。

1 弯辊板形调节技术的发展

板带产品广泛用于国民经济各部门，相关部门对板带产品质量要求日益严格。纵向厚差精度得到圆满解决，许多技术进入实用阶段。检测技术等方面存在许多问题需要解决。良好的板形是提高生产率的有效手段。控制板形是获得高精度板形的保证，板形控制成为冶金生产迫切需要解决的问题。板形控制研究始于20世纪60～70年代，出现液压弯辊等各种板形控制技术。

1965年，液压弯辊板形控制技术开发成功，补偿轧制压力等因素引起辊缝形状变化。液压弯辊分为工作辊曲面与支承辊弯曲方式，工作辊弯曲具有操作方便等优点。板形控制是轧钢技术发展的热门技术，相比冷带轧制板应用范围较广。目前，板型控制技术成为新建中厚板轧机的基本要求。由于中厚板生产需要转岗操作，板形控制处于发展完善阶段，日本中厚板形控制技术处于领先地位，加强对液压弯辊控制技术研究具有重要意义。

20世纪50年代前，带钢板形控制用磨削轧辊凸度方法实现，通常采用人工控制压下制度弥补不足。60年代，液压弯辊装置应用于钢板轧机，通过弯辊装置达到控制出口带材板形目的。液压弯辊具有提高生产率等优点。70年代，后板形控制技术得到很大发展。1972年，日立公司开发六辊HC轧机，改变工作辊与支撑辊接触长度，使板形理论进入新的时期。日立公司将HC轧机发展为UC轧机，中间辊配有弯辊装置。1974年，日本住友金属公司开发VC轧辊技术，利用液压膨胀原理调整辊间压力分布。新型轧机拥有标志性板形控制技术，辅以多项其他通用板形控制技术，配备板形自动检测装置。

2 钢材生产板形控制理论

板形包含带钢截面几何形状与平坦度，定量描述涉及边部减薄量等多项指标。带钢板形是带材平坦度，轧制是金属在滚动轧辊下发生塑性变形，要求沿板带宽度各部分有均一纵向延伸，由延伸不均在窄条产生相互作用内应力。轧制是复杂的物理过程，板形是板材翘曲程度。

影响带钢板形因素较多，金属在轧制中经过系列弹塑性变形轧制成所需板材，板形影响因素包括金属本性与轧制内外因素，金属本身物理性能影响轧制力，金属几何特性是影响板形的重要因素。影响轧制压力因素会影响板形。常见板形不良现象包括边浪与中间浪形式，轧板形缺陷与轧后板带残余应力横向分布有关。有载辊缝形状为带钢轧制后横截面形状。通过改变工作辊有载辊缝形状控制带钢板形，弯辊将弯辊液压缸产生力传递到辊颈，弯辊力与多种因素有关，如轧辊横向刚度等。应根据轧辊磨损等对弯辊力实时修正。

3 液压弯辊控制系统研究

液压伺服控制是液压技术的重要分支，许多工业部门对高精度液压控制系统需求加大，工程控制理论应用从军工领域普及到民工部门，电子技术应用使元件系统更加完善。目前液压伺服控制成为控制技术的重要发展方向。水电站动力设备随着液压伺服控制室发展，工业技术发展促进液压伺服控制技术的进步。液压伺服控制技术成为现代控制工程的基本构成。液压伺服控制系统根据液压传动原理建立自动控制系统，执行元件跟随控制元件运动控制。

液压弯辊调节装置出现于20世纪60年代，最早用于橡胶塑料造纸等供应部门，逐渐发展成为有效的板形控制方法。现代轧机有液压弯辊装置调整工作辊形，通过施加液压弯辊使轧辊产生附加弯曲，补偿轧制压力等工艺因素变化产生辊缝变化。液压弯辊在板形控制中起到了重要作用。制定有效弯辊力是提高带钢表面质量的关键。液压弯辊是应用最早的板形控制技术，弯辊装置增大轧辊弯曲力矩，液压弯辊曲线二二次曲线，板宽范围外弯辊效果差，增大弯辊力导致减少轴承寿命。液压弯辊减小板凸度，提高生产率等优点，成为现代化带钢轧机的重要标志。

4 热轧液压弯辊改造设备关键技术

某厂1700mm热轧1968年建成投产，设计生产坯料重量为20t，中间坯厚度30～45mm。钢种包括普通钢等。板形控制系统是多专业的复杂控制系统。用弯辊装置作为板形控制参数是弯辊力。老轧机改造弯辊力受到辊系结构参数制约，精轧机工作辊直径为700/660mm。弯辊力是询价数要求项目。原工作辊轴承采用四列圆锥滚子轴承。改造液压弯辊与工作辊转换装置、上下工作辊轴承关系，压下装置运行，上下工作辊开口度大等因素有关，综合考虑相关因素，制作符合实际的牌坊窗口关系。确定弯辊缸行程，上下工作辊轴承座最小间隙为6mm。机内提升轨道与固定轨道间关系等。工作辊要承受弯辊力，使工作辊轴承满足寿命，如何合理确定工作辊轴承是面临的难题。轴承座强度要求保持最小壁厚；工作辊轴颈处强度要求轴承内径不能过小。轴承宽度加长要维持轧机传动主轴关系。设计中进行多个方案比较，决定选用日本NSK四列圆锥辊子轴承，参数为外径580mm。牌坊窗口关系图如图1。

图1 牌坊窗口关系图

根据计算，轴承选择满足要求。无线冷硬合金铸铁辊比传统半钢辊较好，辊身表面具有不同化学分布。机械性能为辊径硬度35～40Hs。液压弯辊改造前使用工作辊材料为无线冷硬合金铸铁，要求抗拉强度为230MPa,。液压辊改造后，工作辊径处受力为弯扭合成应力，弯扭合成应力计算截面为440mm，为每个工作辊计算扭矩，F2机架工作辊径安全系数最小。根据牌坊窗口关系图（如图1）确定零件外形尺寸，轴承座内控为工作辊轴承外径。通过有限元法计算轴承座最大应力出现部位，对轴承座设计优化，选择合适的截面，合理的热处理方法（如表1、表2）。

表1 无线冷硬合金铸铁化学成分%

表2 径向负荷

约束情况是轴承支座有限元分析计算中的难点，仅在轴向由锁紧装置无法位移。应按轴承支座主要受力区域约束，液压弯辊改造工作辊中车顶作以有限元分析方法设计。轴承座最大应力出现在过度圆角处，对轴承座应力大区域超声探伤。根据牌坊窗口辊系图确定弯辊安装位置，设计牌坊加工图，得到牌坊综合应力，约束按牌坊安装面固定考虑。加工弯辊处牌坊立柱设计应力值。目前某厂液压弯辊改造中机械设备投用，产品质量比改造前改善。换辊时间减少到平均15min。液压弯辊系统改造中，工作辊设计等是研究关键技术。