平整機輥型優化研究與開發

陳 春，陳方丹

(1.四川機電職業技術學院機械工程系，四川 攀枝花 617000;2.四川省十九冶集團物業服務有限公司工程部，四川 攀枝花 617000)

0 前言

帶鋼的板形質量主要是依靠合理的輥型加以保證的，因此，輥型是熱平整帶鋼軋機最重要的工藝制度之一。設計合理的輥型對提高板形質量至關重要。西南某鋼鐵企業1 450熱軋板廠軋制的帶鋼原料板形較差，且板凸度偏差較大，軋制計劃編排存在不合理等問題，傳統的輥型配置不能滿足生產需要，因此需根據熱軋現有狀況開發適合本機組的平整輥型配置。

1 平整軋制壓力模型開發

由于平整機的延伸率較小，一般情況下為0.3%～4%，因此需要一個迥然不同的軋制壓力模型去描述平整軋制過程，在建模中不但要考慮軋輥的彈性變形，而且要考慮軋件的彈性變形。具體說，即在計算過程中不僅考慮軋輥彈性壓扁的塑性變形區長度，而且要考慮軋件出入口彈性變形區長度，并計算與之對應的塑性變形區單位壓力及彈性變形區單位壓力，從而建立適合于平整機軋制的較準確的軋制壓力模型。通過使用此計算軋制力的模型，同時考慮到由于小的壓下率和相對較大的摩擦，并由此而引起的帶材沿著厚度方向的非均勻變形，得出典型規格產品軋制壓力計算值見表1。

表1 典型規格產品總軋制壓力計算結果Tab.1 Calculated results of total rolling pressure of typical products

2 輥型優化設計的基本原理

通常，四輥軋機的工作輥與支承輥沿輥身是全長接觸的，這樣在板寬以外形成一個有害的接觸區(如圖1所示)，使得軋機的橫向剛度降低，從而影響軋制成品的板形與板凸度，同時也使得彎輥對板形的調節能力大為降低。為了消除這個有害接觸區，一方面，可以采用HC以及其他軋輥軸移式軋機，但是這樣對設備要求較高，制造成本較大。另一方面，可以通過設計出一種合適的支承輥與工作輥輥廓曲線，使得兩者的接觸寬度適應板寬的變化而變化，從而達到提高板形和橫向厚差控制能力的目的。對于該企業1450平整機，經大量的現場實測資料分析和理論論證，采用輥型優化技術來提高軋機對板形及板凸度的控制能力，提高產品的成材率和軋輥的使用壽命。

圖1 四輥軋機示意圖Fig.1 Schematic diagram of four-roll rolling mill

根據相關文獻可知，對于軋后帶材出口厚度分布值hi函數可表示為:

式中，P為總軋制壓力;S為彎輥力;ΔDwi，ΔDbi為工作輥及支承輥的凸度分布值;Hi為帶材來料的厚度橫向分布值;σ1i、σ0i為在軋制過程中帶材的前后張力;在冷軋生產實踐中，板形控制的目標是使帶材橫向前張力差最小。在分析時可以把板形控制的目標函數定義為

式中，T1為平均前張力。

輥型優化的目的是通過設計一種合適的輥型，使得軋輥在軋制狀態時，對于所有規格的產品(在實際生產中，一般選擇經常生產的m個規格的產品來進行優化，而且應該根據其出現概率進行加權，越是經常生產的產品，加權系數取得越大)最佳彎輥力都在基態附近，這樣既能適當的降低彎輥力，又可以使彎輥力在軋制過程中有足夠的上下調節范圍，從而大大提高彎輥力對板形的控制能力。

輥型優化的目標函數可以表示為:

式中，Sai為在特定輥型下，第i個規格產品滿足目標函數F(X)最小的最佳彎輥力;S0為基態彎輥力，對于該企業1 450平整機S0=0。

彎軸力優化計算流程如圖2所示。輥型優化計算流程如圖3所示。

3 1 450平整機輥型優化結果

根據優化，工作輥采用如圖4a所示輥型曲線，其特征為正弦曲線。支撐輥采用如圖4b所示輥型即可滿足要求。

圖4 輥型曲線示意圖Fig.4 Schematic diagram of roll shape curves

圖4中，L為支承輥輥身長;D為支承輥直徑;lz、δ為輥型優化后支承輥削肩長度與深度。

為了分析輥型開發的效果，特模擬出二種典型規格產品在不同凸度、軋制壓力(強度、延伸率)下輥型優化前后最佳彎輥力與對應的最佳板形情況。匯總見表2。

通過模擬可以看出:

(1)輥型優化前，在板凸度≤0.05 mm的情況下，最佳彎輥力基本都是采用正彎，這樣彎輥對板形的調節范圍就降低了;而經過輥型優化之后，基態彎輥力基本控制在0左右，使得彎輥力可調節范圍大大增加，從而板形控制能力也大大增強。

(2)在彎輥力都設定為最佳彎輥力的前提下，采用優化輥型與普通輥型相比，其對應的最佳板形前者要比后者好得多。

(3)在正常板凸度(≤0.05 mm)、正常軋制壓力(2.5～5 MN/m)下，采用優化輥型后，彎輥力設定為最佳彎輥力的前提下，板形能夠控制在6 I以下，平均在4～5 I左右。

表2 典型規格產品輥型優化前后最佳彎輥力與最佳板形對比Tab.2 Contrast of optimum bending roll force and steel trip shape of typical products before and after optimization

4 輥型優化成果的應用效果

熱軋板廠新增1450平整機組自投產以來，通過輥型優化和彎輥力、軋輥傾斜的配合使用，消除了由于軋制過程中調整不當、控制系統故障產生的板形缺陷，自該機組投產以來，板形異議為“0”，其對比效果見表3。

表3 平整前后板形效果對比Tab.3 Contrast of steel strip shapes before and after flattening

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