VC輥平整機板形調控性能的研究

魏圣明

(寶山鋼鐵股份有限公司冷軋廠,上海,200941)

VC輥平整機板形調控性能的研究

魏圣明

(寶山鋼鐵股份有限公司冷軋廠,上海,200941)

以某廠連續退火平整機為研究對象,利用ANSYS有限元軟件建立VC輥系靜力學仿真模型,并研究了彎輥力、VC輥油壓、軋輥輥徑和輥套厚度對連續退火平整機板形控制能力的影響。結果表明,無論內、外彎輥如何配合,都不能達到只改變四次凸度的目的,不可能只通過內、外彎輥的配合來消除高次浪形;外彎輥的調控功效比內彎輥增大42%;VC輥油壓的調控效果主要體現在二次凸度的改變上,改變油壓后對四次凸度的影響不大;當VC輥承載時,油壓不能始終保持輥套向外漲,承載時輥套可能發生反彎,向芯輥內凹陷;與大輥徑相比,小輥徑彎輥和油壓的調控效果會增加,但輥縫橫向剛度會降低;輥套壁厚的減小會使VC輥油壓的調控能力有所提高。

VC輥;平整機;板形調控

某廠連續退火平整機采用單機架四輥干式平整機,其上、下支撐輥采用VC輥。VC輥技術是將平整機支撐輥設計成輥套式,在軋輥輥套與軋輥芯輥之間留有環行空腔,以便空腔與高壓液壓系統相連[1]。該平整機VC輥系統設計壓力最大為49 M Pa,工作輥帶設有內、外彎輥,與VC輥配合對板形進行控制,內外彎輥力最大均為1 200 kN。通過對液壓系統壓力的改變(改變輥身凸度),使低壓油進入軸頸部位,可用來冷卻和潤滑旋轉接頭的軸承[2]。已有采用數學模型研究不同輥形下的板形控制水平,但對VC輥平整機板形調控性能的研究少見報道。為此,本文利用ANSYS有限元軟件建立VC輥系靜力學仿真模型,并研究了彎輥力、VC輥油壓、軋輥輥徑和輥套厚度對VC輥平整機板形控制能力的影響,以期為現場VC輥平整機工藝參數的設定提供理論依據。

1 靜力學仿真模型

圖1為VC輥系的上半部彈性變形有限元模型。由圖1可看出,軋輥內部網格劃分稀疏,軋輥表層與輥之間接觸區域網格則劃分細密[3],實體為SOL ID45單元。接觸對設置的三維實體面-面接觸分為CON TA 17單元和 TARGE170單元。將軋輥輥套與軋輥芯輥作為一個整體來考慮,之間留有環形空腔,其中液壓油對輥套的作用簡化為環形空腔表面的面載荷,用指定的剛度桿單元反映軋件實體的存在[4],桿單元選取Link1。軋制力和彎輥力均施加到等效的節點位置上。

圖1 VC輥系的有限元模型Fig.1 Fin ite elementmodel of VC roll

1.2 工況仿真

通過對工況進行仿真,計算得到不同因素下帶鋼板形的大小和控制能力的數值。這些因素包括幾何因素和工藝條件。幾何因素有輥徑、輥套壁厚和帶鋼寬度;工藝條件有軋制力、彎輥力和VC輥油壓。表1為不同因素組合下的工況參數。由表1可看出,采用有限元方法計算的承載輥縫為離散值,把它們擬合為一條曲線后,再計算承載輥縫的二次凸度 Cw和四次凸度 Cw[5]。

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表1 不同因素組合下的工況參數Table 1 Operation condition parametersunder different factor combinations

2 工作輥彎輥力板形調控能力分析

2.1 承載輥縫的調節域

圖2為VC輥平整機內、外彎輥的承載輥縫調節域(圖中:DB=1 400 mm;DW=550 mm;B= 1 080 mm;q=7 kN/mm;p=24.5 M Pa)。由圖2可看出,承載輥縫調節域反映了VC輥平整機內、外彎輥配合使用的調控范圍與調控特性。

圖2 承載輥縫的調節域Fig.2 Adjustment domain of load-bearing roll

2.2 彎輥力的調控功效

圖3為彎輥力調控功效的三維曲面圖。由圖3可看出,輥縫凸度反映了內、外彎輥配合下的彎輥調控路徑和調控能力。

骨腫瘤占全身腫瘤的2%左右，發生與骨骼或鄰近組織中，在臨床表現上良性骨腫瘤與惡性骨腫瘤較為相似，增加臨床診斷難度，而傳統的X攝片，CT平掃等影像學局限性較大[7-8]。螺旋CT掃描能夠準確顯示骨質的破壞、增生、硬化，而MRI無電離輻射，對患者損傷較小，且可準確顯示腫瘤邊緣，及周圍軟組織[9]。以往研究表明，骨腫瘤病灶邊緣狀態，可反應骨反應和骨細胞生長速度，良性腫瘤細胞的生物學活性顯著低于惡性腫瘤，所以一般良性腫瘤病灶邊緣較清晰，與周圍組織有明顯界限；而惡性腫瘤病灶邊緣相對比較模糊[10]。

彎輥力調控功效系數(見表2)反映了彎輥力的調節能力或調節效率,其表達式為

圖3 彎輥力調控功效的三維曲面圖Fig.3 3D curved surface drawing of roll bending force control efficacy

式中:KIB2、KIB4為內彎輥力二次、四次調控功效系數,μm/kN;KOB2、KOB4為外彎輥力二次、四次調控功效系數,μm/kN;ΔIB、ΔOB為內、外彎輥力的變化量,kN;ΔCw2、ΔCw4為承載輥縫二次、四次凸度變化量,μm。

表2 彎輥力調控功效系數Tabl 2 Roll-bending force con trol efficacy coefficien t

2.3 彎輥力板形的調控能力

彎輥力的調控功效越大,表明彎輥力改變承載輥縫的能力越大;當要改變的承載輥縫量一定時,所需彎輥力越小,增大彎輥力調控,實際上增大了平整機的調節柔性,使得彎輥力調節板形的能力增強。通過計算分析可以得出:①在不考慮壓靠的情況下,內、外彎輥的調節路徑均近似為直線,彎輥力變化所提供的輥縫二次凸度與四次凸度的變化量與彎輥力的變化量呈正比;②外彎的效果比內彎明顯,前者的調控功效比后者平均提高44%左右,100 kN的內彎效果等效于70 kN的外彎效果;③帶鋼越寬,彎輥的調控功效越大;④由圖3可看出,不同內、外彎輥配合的幾種工況計算結果在圖中基本上落在一條直線上,無論內、外彎輥如何配合,都不能達到只改變四次凸度(二次凸度基本上不變)的目的。在板形控制上,若出現高次浪形(邊中浪或四分浪),則不可能只通過內、外彎輥的配合來消除高次浪形,必須通過彎輥與其他調節手段(VC輥油壓、軋制力)的配合才能達到消除高次浪形的目的;⑤內、外彎輥的效果是可以線性疊加的,內彎-600 kN、外彎600 kN的彎輥效果與內彎輥0 kN、外彎180 kN的彎輥效果相同,一正一負的彎輥效果自動抵消。

3 VC輥油壓的板形調控能力分析

3.1 VC油壓的調控功效

圖4為VC輥油壓調控功效隨油壓的變化曲線(圖中:DB=1 400 mm;DW=550 mm;q=7 kN;IB=0 kN;OB=0 kN)。由圖4可看出,輥縫凸度反映了VC輥油壓的調節路徑與調節能力。輥縫凸度大小隨VC輥油壓大小變化的規律,其表達式為

圖4 VC輥油壓調控功效油壓的變化曲線Fig.4 Variation of the hydraulic control efficacy of VC roll with oil pressure

式中:KV2、KV4為VC輥油壓二次、四次調控功效系數,μm/M Pa;Δp為VC輥油壓變化量,M Pa; ΔCw2、ΔCw4為承載輥縫二次、四次凸度變化量, μm。

3.2 VC輥油壓板形的調控能力

VC輥油壓調控功效系數(見表3)越大,表明VC輥油壓改變承載輥縫的能力越大。通過計算可以得出:①由圖4可看出,VC輥油壓的調節路徑均為直線,VC輥油壓變化所提供的輥縫二次凸度與四次凸度的變化量與VC輥油壓的變化量呈正比;②VC輥油壓的調控效果主要體現二次凸度的改變,改變油壓后對四次凸度的影響不大;③帶鋼寬度越大,VC輥油壓的調控效果越強;④當VC輥不受軋制力時,VC輥油壓使支撐輥產生一定凸度;當VC輥承載時,油壓不能始終保持輥套向外漲,在低油壓情況下工作,承載時輥套可能發生反彎,向芯輥內凹陷,如圖5所示(圖中:q =7 kN/mm;DB=1 400 mm;IB=0 kN;Dw=550 mm;OB=0 kN;B=1 080 mm)。

表3 不同帶鋼寬度下VC輥油壓調控功效系數Table 3 Hydraulic control efficacy coefficien t of VC roll at different steel strip widths

圖5 不同油壓下支撐輥承載輥形曲線(下部)Fig.5 Roll shape curves of different hydraulic VC roll (lower)

4 輥徑對板形調控能力的影響

4.1 不同輥徑下的計算結果

承載輥縫橫向剛度[5]反映了平整機承載輥縫凸度大小隨軋制力大小變化的規律,其表達式為

式中:Kg為承載輥縫橫向剛度,kN/(mm·μm); Δq為單位板寬軋制力的變化量,kN/mm;ΔCw2為承載輥縫二次凸度的變化量,μm。

各種調控指標的計算結果如表4所示。

表4 不同輥徑下VC輥油壓的調控功效系數Table 4 Hydraulic control efficacy coefficient of VC roll at different roll diameters

4.2 不同輥徑下板形的調控能力

與大輥徑相比,小輥徑輥縫橫向剛度降低了32%左右,輥徑的減小造成輥縫橫向剛度的降低,軋制力的變化易引起輥縫凸度的變化。與大輥徑相比,小輥徑VC輥油壓調控功效系數、彎輥調控功效系數均有不同程度的提高。總之,小輥徑較大輥徑有利有弊,一方面彎輥和油壓的調控效果會增加,另一方面輥縫橫向剛度會降低。另外,小輥徑比大輥徑更易發生壓靠,因為小輥徑的輥系剛度降低了,輥系易發生撓曲,工作輥兩側不與帶鋼接觸的部分也易產生彎曲變形,造成小輥徑的輥系易發生壓靠。

5 輥套壁厚對VC輥油壓調控功效的影響

支撐輥輥徑的變化除了影響輥系的剛度特性外,還會使VC輥輥套壁厚減小,進而影響VC輥油壓的調控性能。為分析輥套壁厚對VC輥油壓調控功效的影響,可分3種情況進行計算:①D W =550 mm、DB=1 300 mm(壁厚為177 mm);②DW=550 mm、DB=1 350 mm(壁厚為202 mm);③DW=550 mm、DB=1 400 mm(壁厚為 227 mm)。

VC支撐輥的輥徑減小,會使輥套壁厚減小。表5為VC輥油壓的調控功效系數。由表5可看出,輥套壁厚越小,VC輥油壓的二次調控功效系數越大,壁厚最小時(177 mm)的調控功效系數比壁厚最大時(227mm)的相應系數增加15%左右。總之,輥套壁厚的減小會使VC輥油壓的調控能力有所提高。

表5 VC輥油壓的調控功效系數Table 5 Hydraulic control efficacy coefficient of VC roll

6 結論

(1)外彎輥的調控功效比內彎輥平均增大44%左右;無論內、外彎輥如何配合,都不能達到只改變四次凸度的目的,不可能只通過內、外彎輥的配合來消除高次浪形;內、外彎輥的效果是可以線性疊加的。

(2)VC輥油壓的調控效果主要體現在二次凸度的改變上,改變油壓后對四次凸度的影響不大;當VC輥承載時,油壓不能始終保持輥套向外漲,承載時輥套可能發生反彎,向芯輥內凹陷。

(3)與大輥徑相比,小輥徑彎輥和油壓的調控效果會增加,但輥縫橫向剛度會降低。

(4)輥套壁厚的減小會使VC輥油壓的調控能力有所提高。

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[3] 孫向明,張清東,白劍,等.六輥CVC冷連軋機支持輥磨損和熱凸度對板形控制性能的影響[C]//2005中國鋼鐵年會論文集.北京:冶金工業出版社, 2005:526-529.

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[5] 周西康.DSR冷軋寬帶鋼軋機板形控制性能研究[D].北京:北京科技大學,2005.

Shape con trol properties of VC m ills

W ei Shengm ing
(Cold Rolling M ill,Baoshan Iron and Steel Co.,L td.,Shanghai 200941,China)

In order to study VC mill shape control characteristics,a continuous annealing line of a certain factory w as studied.ANSYS finite element software was used to build the simulation modelof the static VC roll system,and the influence of such factors as roller diameter,roller thickness,bending fo rce,and oil p ressure on m ill shape control ability was investigated.The results show that,no matter how the outside and inside bending rollers cooperate,it is impossible to achieve the goal of changing the fourth crow n only and it is impossible to eliminate high-order shape wave.It is also found that,the outside bending rollers are more effective than the inside bending rollers in regulation;the regulation effect of the VC roll oil p ressure ismainly found on the second crow n w hile the effect on the fourth one is insignificant.When VC rollersare under load,the oil p ressure cannot guarantee the constant outw ard rising of the roller shellsw hich may bend tow ards the roller co re.Compared w ith largediameter rollers,small-diameter rollersw ith oil p ressure have better regulation effect yet the horizontal stiffnessof the rollersw ill decrease.The reduced w all thicknessof the rollersw ill p romo te the hydraulic capacity of the rollers.

VC ro ll;m ills;shape control

TG335.21

A

1674-3644(2010)06-0580-05

[責任編輯 徐前進]

2010-03-23

魏圣明(1980-),男,寶山鋼鐵股份有限公司工程師.E-mail:w smcsu@sohu.com