UCM六輥冷軋機中間輥輥形研究

曹建國，張 勇，楊光輝，孟小明，曹立潮，周學會，王正凱

(1. 北京科技大學 機械工程學院，國家板帶生產先進裝備工程技術研究中心，北京 100083；2. 武漢鋼鐵集團 鄂城鋼鐵有限責任公司，湖北 鄂州，436002)

隨著家電和汽車工業的進一步發展，用戶對帶鋼板形質量要求日趨嚴格。圍繞著板形控制技術的開發，國際上先后出現了以六輥CVC和六輥HC等為代表的新一代軋機機型。UCM軋機是在HC軋機基礎上發展起來并具有較強板形控制能力的冷軋薄板軋機[1-3]，在我國大型工業軋機得到廣泛應用。某1500冷軋薄板生產線采用雙機架UCM六輥可逆冷軋機組，利用雙機座工作輥的正負彎輥系統、中間輥正彎輥系統及竄輥系統等豐富板形控制手段用于滿足工業用戶日趨嚴格的帶鋼板形質量要求。自投產以來，即使現場采用了多種辦法，該軋機存在顯著的帶鋼板形質量難題和嚴重的軋輥輥身剝落：2008年2月生產以來頻繁發生嚴重軋輥剝落，如2008年4月就有13支軋輥發生嚴重剝落；連續統計的2008年6月至7月軋制的冷軋薄板，明顯板形缺陷發生率達到52.78%。UCM軋機借助于中間輥軸向移位技術一方面使工作輥的彎曲和壓扁都有所減緩，另一方面工作輥與中間輥在帶材邊部位置沒有接觸，消除了中間輥與工作輥在帶材邊部位置的有害接觸，形成高剛度輥縫，可提高軋機的板形控制穩定性[4]，并可在一定條件下達到改善冷軋薄板邊降的目的[5]。但是，由于中間輥的軸向移動，輥間易出現接觸壓力尖峰，這個壓力尖峰增加了軋輥的不均勻磨損，增大了輥耗，嚴重時易導致軋輥輥面剝落。為了解決UCM冷連軋機軋機軋制薄規格帶鋼出現板形質量問題和軋輥剝落問題，可合理調整彎輥力設定和中間輥竄輥值[6]、或中間輥使用端部輥形[7]或變接觸輥形[8]技術以較好改善輥間壓力分布，或采用工作輥精細分段冷卻技術[9]。在軋機機型確定的情況下，輥形成為帶鋼板形控制最直接、最有效的手段之一[10-11]。雙機架CCM冷軋薄板機組在國內尚屬板帶軋制新領域，由于CCM軋機單卷可逆式雙機軋制工藝條件苛刻、UCM 六輥軋機輥系力學行為復雜，輥形設計不當易導致前述板形和軋輥剝落問題。在此，本文作者主要對雙機架 UCM 六輥冷軋機中間輥輥形進行研究。

1 有限元仿真模型的建立

為分析UCM六輥冷軋機的板形控制特性和研制中間輥新輥形，采用大型通用有限元軟件ANSYS 11.0建立了三維輥系有限元模型，如圖1所示。由于軋輥輥身的對稱性以及上、下軋輥的反對稱性并考慮到計算資源的限制，建模時采用了輥系結構的1/4作為計算模型。在單元劃分方面，為了兼顧計算精度和計算速度，在軋輥內部，單元劃分較粗；越靠近軋輥表層，單元劃分越細。同時，在接觸單元處理方面，將支持輥表面指定為目標面，使用的單元號為TARGET170，工作輥和中間輥表面指定為接觸面，使用的單元號為CONTACT173，并在輥間接觸區、工作輥與帶鋼接觸區將單元細分，具體建模參數如表1所示。

圖1 輥系三維有限元模型Fig.1 3D finite element model of roll stacks

表1 輥系有限元模型的建模參數Table1 Parameters of finite element model of roll stacks

2 中間輥輥形曲線

UCM軋機根據帶鋼鋼種、規格不同借助于中間輥軸向移位技術可形成高剛度輥縫，但在單卷連續可逆多道次軋制生產中不再改變竄輥位置，實際上，雙機架可逆多軋程多道次的軋制條件明顯不同。本文提出設計合理的中間輥輥形利用軋機的輥系彈性變形特性以滿足雙機架可逆軋機的軋制工藝條件，配合中間輥軸向移位去滿足鋼種和規格的變化。且合理的輥形設計可以緩解輥間接觸壓力的不均勻分布現象，減少軋制過程中的不均勻磨損，改善軋機的受力狀態，提高產品板形質量。

2.1 輥形設計原則

根據原輥形在生產實際中存在的問題，確定輥形設計原則如下：(1) 提高板形調控手段的調節能力，優化軋機的板形控制性能，增強雙機架可逆軋制工藝條件的適應能力，增大輥縫凸度調節域面積，提高輥縫橫向剛度，提高彎輥力的調節效率；(2) 均勻輥間接觸壓力分布，減小接觸壓力尖峰值，從而降低輥耗，減少或避免輥面剝落[12-13]。

2.2 輥形曲線設計方法

六輥軋機中間輥橫移對于板形的改善有十分顯著的功效，同時可改善軋件邊降。基于UCM軋機板形控制模式可提出如下中間輥竄輥位移設定值[14]：

式中：s為當前中間輥橫移具體位置，mm； Lm為包括中間輥錐度長度在內的中間輥輥身長度，mm；Lcamber為中間輥單側輥形曲線長度，mm；Wi為當前軋件寬度，mm；Δsop為操作工修正量，mm；δ為與寬度相關的函數。

式中：α和β為經驗值；Wmin為產品大綱中最小軋件寬度，mm。

從以上公式可看出：六輥軋機中間輥橫移位置與當前軋制的軋件寬度和單側輥形曲線密切相關。同時，操作工可以根據生產經驗對設定計算予以小量干預，以獲得良好的中間輥橫移位置。因此，利用該中間輥橫移公式及現場實際情況，設定中間輥橫移量范圍為0~200 mm，軋制帶鋼寬度范圍為800~1 350 mm。同時考慮現場使用情況可以確定適合1 500 mm UCM軋機中間輥端部倒角的寬度范圍。

當 Wi=Wmin=800 mm 時，δ=α，同時令 Δsop=0，Lm=1 530 mm，代入式(1)可得：

即：165-α≤Lcamber≤365-α。

結合現場中間輥端部采用軸向 50 mm寬的圓弧曲線，在此取經驗值α=115 mm，則50≤Lcamber≤250 mm。

輥形優化方法：由上述計算可以得到中間輥單側輥形曲線的寬度范圍為50~250 mm，結合現場使用情況倒角深度范圍為0~1.205 mm。本文根據板形控制性能利用圖2所示的輥形設計流程[15]對中間輥輥形曲線進行設計，通過給定初始數據、改變待定參數，以便能搜索到所有曲線，并利用本文提出的輥形優化原則對其進行評價，從中找出合理值。設計后的合理中間輥輥形曲線如圖3所示。

圖2 UCM 軋機中間輥輥形曲線設計流程Fig.2 Flow chart of intermediate roll profile optimization design of UCM rolling mill

圖3 UCM軋機改進前、后的中間輥輥形曲線Fig.3 Comparison between original and optimized intermediate roll contour for UCM rolling mill

3 板形調控特性分析

3.1 輥間接觸壓力分布

圖4所示是在常軋寬度為1 280 mm，單位軋制力為6 kN/mm，工作輥彎輥力為180 kN、中間輥彎輥力為250 kN，中間輥橫移量為25 mm的條件下，新、舊中間輥輥形下支-中、中-工輥間接觸壓力分布。從圖4可以看出：隨著倒角深度的減小和寬度的增加，支-中、中-工輥間接觸壓力峰值逐漸減小，且峰值的位置隨著倒角寬度的增加逐漸遠離邊部，原輥形的輥間壓力峰值出現在距邊部70 mm左右的位置，新輥形出現在距邊部250 mm左右的位置。新中間輥輥形對于改善軋輥的邊部磨損具有一定的作用。

圖4 UCM軋機不同輥形配置的輥間接觸壓力比較Fig.4 Comparison between different roll contour configurations of contact pressure for UCM rolling mill

UCM 軋機不同輥形配置的輥間壓力峰值不均度系數比較見表2。由表2可見：隨著倒角深度的減小和寬度的增加，支-中、中-工輥間接觸壓力的峰值隨之減小，分別由原來的1.693 GPa和1.330 GPa減小到1.468 GPa和1.288 GPa，減小幅度分別為13.29%和3.16%，而輥間接觸壓力不均勻度系數分別由1.857和1.343減小到1.533和1.309，減小幅度分別為17.45%和 2.53%，可見，采用新的中間輥輥形對于改善支-中輥間接觸狀態具有明顯的效果。

表2 UCM軋機不同輥形配置的輥間壓力峰值和不均度系數比較Table2 Comparison between different roll contour configurations of pressure peak and irregularity coefficient for UCM rolling mill

3.2 輥縫凸度調節域

在軋制過程中，板形的控制實際上是對輥縫形狀的控制，考慮到帶鋼截面基本上是對稱的，所以，在一般情況下，承載輥縫可用4次多項式來表示：

式中：x為以輥縫中心為原點時，相對計算寬度(例如輥身長度或軋件寬度等)的坐標；a0，a2和 a4為各項系數。

輥縫的二次凸度Cw2、四次凸度Cw4分別為：

承載輥縫的二次凸度和四次凸度分別對應帶鋼的二次浪形和四次浪形。以二次凸度為橫坐標，四次凸度為縱坐標，可以繪成一個區域，稱為承載輥縫調節域[16]。一般對于板形控制來說，普遍要求更大、更合理的承載輥縫調節域，以滿足軋機的板形控制。

圖5所示為常軋寬度為1 280 mm時新舊輥形下承載輥縫調節域比較。從圖5可以看出：隨著新輥形倒角寬度增加和深度減小，輥縫凸度調節域的面積逐漸增大，新輥形的輥縫凸度調節域面積增大75.26%；同時，新輥形使得承載輥縫調節域向二次凸度減小而四次凸度增大的方向移動。此規律可為輥形的合理配置提供理論依據。

3.3 彎輥調控功效

彎輥調控功效[17-18]表示彎輥力的調節效率。彎輥調控功效越強，表明彎輥力對板形的控制能力越強，同時，有利于降低彎輥力的使用幅值，增加軸承的使用壽命。彎輥調控功效可用下式表示：

式中：k為彎輥調控功效，μm/kN；ΔBF為彎輥力的變化量，kN；ΔCw為彎輥力變化導致的承載輥縫凸度的變化量，μm。

圖5 UCM軋機不同輥形配置的輥縫凸度調節域比較Fig.5 Comparison of roll gap crown adjustable zone between different roll contour configurations for UCM rolling mill

新、舊輥形下的工作輥彎輥調控功效計算值如表3所示。對于不同寬度的帶鋼，UCM軋機采用中間輥新輥形比原輥形下的工作輥彎輥調控功效有明顯增大，寬度為1 280 mm帶鋼彎輥調控功效值從0.365 8μm/kN增大到0.494 6 μm/kN，增大幅度達到35.21%。在相同條件下可以降低彎輥力的使用值，有利于工作輥彎輥對板形的調節，對于寬帶鋼，彎輥調控功效的改善尤為明顯。

表3 UCM軋機不同輥形配置的工作輥彎輥調控功效Table3 Comparison of work roll bending controlling efficiency between different roll contour configurations for UCM rolling mill μm·kN-1

3.4 輥縫橫向剛度

承載輥縫的橫向剛度Kg表示：

式中：Kg為承載輥縫的橫向剛度，kN/μm；Δq為軋制力的波動量；ΔCg為承載輥縫凸度的變化量，在這里用二次凸度表示，μm。

在相同彎輥作用下，改變軋制力和中間輥橫移量，計算分析可得新舊輥形輥縫橫向剛度特性如圖 6所示。其中：曲線1，2和5為采用中間輥原輥形時、中間輥橫移分別為100，125和150 mm時的輥縫橫向剛度特性曲線；曲線3，4和6為采用中間輥新輥形、中間輥橫移分別為100，125和150 mm時的輥縫橫向剛度特性曲線。從圖6可以看出：隨著中間輥橫移量的增加，Kg逐漸增大，當s接近某一值時，Kg急劇增加并趨于無窮；進一步增加中間輥的橫移量，Kg將變為負值；使Kg趨于無窮時的s在125 mm附近，即中間輥輥端與軋件邊部對齊的位置。這也驗證了UCM軋機通過恰當的軋輥軸向橫移，可完全消除板寬以外輥身間的有害接觸區域，獲得接近于無窮大的橫向剛度，使輥縫不受軋制力變化的影響。

表4所示為新舊中間輥輥形下輥縫橫向剛度的比較。對于初始輥形在不同橫移量下的橫向剛度分別為81.97，218.21和-99.46 kN/μm，而對于新設計輥形，它們分別為86.96，244.93和-108.25 kN/μm，橫向剛度分別提高了6.1%，12.25%和 8.4%。因此，通過新設計的中間輥輥形可以克服軋制力波動帶來的不利影響，使軋機輥縫的穩定性得到有效的控制。

圖6 UCM軋機不同輥形配置的輥縫橫向剛度比較Fig.6 Comparison of roll gap stiffness characteristics between different roll contour configurations for UCM rolling mill

表4 UCM軋機不同輥形配置的輥縫橫向剛度對比Table4 Comparison of roll gap stiffness characteristics between different roll contour configurations for UCM rolling mill kN·μm-1

4 結論

(1) 采用有限元軟件 ANSYS建立了六輥軋機輥系彈性變形有限元模型；利用UCM軋機中間輥竄輥特性以及板形控制性能提高的原則，設計了雙機架可逆式UCM六輥冷軋機中間輥新輥形。

(2) UCM軋機中間輥新輥形與原輥形相比，軋機板形控制能力明顯提高，工作輥彎輥調控功效提高35.21%，輥縫橫向剛度增強12.25%，常軋寬度1 280 mm的輥縫凸度調節域面積增大75.26%；軋機輥間壓力分布得到改善，中間輥和工作輥的輥間接觸壓力峰值和輥間接觸壓力不均勻度系數分別下降 3.16%和2.53%，支承輥和中間輥輥間接觸壓力峰值和輥間接觸壓力不均勻度系數分別下降 13.29%和 17.45%。研究結果為開展UCM軋機中間輥新輥形實驗提供了理論依據。

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