1420六輥UCM冷連軋機(jī)板形控制性能分析與應(yīng)用

任新意，鄭艷坤，周 歡，高慧敏，羅新龍，黃華貴

(1.首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司，河北 唐山 063200；2.燕山大學(xué)，河北 秦皇島 066004)

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·新技術(shù)新設(shè)備·

1420六輥UCM冷連軋機(jī)板形控制性能分析與應(yīng)用

任新意1，鄭艷坤1，周 歡1，高慧敏1，羅新龍1，黃華貴2

(1.首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司，河北 唐山 063200；2.燕山大學(xué)，河北 秦皇島 066004)

以某1420六輥UCM冷連軋機(jī)為研究對(duì)象，利用Marc大型有限元軟件平臺(tái)建立了六輥UCM軋機(jī)輥系變形三維非線性仿真模型。通過數(shù)值模擬對(duì)各種板形調(diào)節(jié)量作用下的帶鋼彈塑性變形和軋輥彈性變形進(jìn)行耦合分析，并深入研究了六輥UCM軋機(jī)工作輥彎輥、中間輥彎輥和中間輥橫移等板形調(diào)控手段對(duì)帶鋼出口橫向厚差、帶鋼金屬橫向位移和軋機(jī)輥系彎曲的調(diào)控效果，從而為輥型優(yōu)化設(shè)計(jì)和板形在線控制提供了理論基礎(chǔ)和參考依據(jù)。

冷連軋；板形；UCM；調(diào)控性能；Marc

0 前言

電鍍錫板不僅強(qiáng)度高、沖壓成型性好、耐蝕性優(yōu)良、焊接性強(qiáng)和外觀亮澤，同時(shí)具有易于印刷著色和鍍層無毒等特點(diǎn)，因而廣泛應(yīng)用于食品工業(yè)及制作各種容器、沖壓制品、包裝材料等非食品工業(yè)[1]。帶鋼板形是衡量鍍錫基板產(chǎn)品質(zhì)量的重要技術(shù)指標(biāo)之一，直接影響到生產(chǎn)效率、運(yùn)營(yíng)成本和表觀質(zhì)量，從而最終影響到企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。此外，帶鋼初始板形缺陷會(huì)導(dǎo)致帶鋼在退火爐內(nèi)發(fā)生跑偏、瓢曲甚至斷帶[2]，因此良好板形是實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定通板的重要前提。

近年來國(guó)內(nèi)外學(xué)者在UCM軋機(jī)板形控制方面做了大量研究工作。查凱[3]對(duì)UCM可逆軋機(jī)薄規(guī)格產(chǎn)品軋制工藝的分析，通過改進(jìn)和優(yōu)化了相關(guān)的工藝參數(shù)和控制系統(tǒng)等，實(shí)現(xiàn)了薄規(guī)格產(chǎn)品穩(wěn)定軋制。熊文濤[4]等對(duì)冷軋生產(chǎn)無取向硅鋼的適應(yīng)性和UCM軋機(jī)板形調(diào)控性能進(jìn)行分析，顯著提高了無取向硅鋼橫向厚度差控制精度。陳林[5]等對(duì)六輥CVC軋機(jī)和六輥UCM軋機(jī)進(jìn)行了有限元輥系受力對(duì)比分析，為板帶軋機(jī)的選型和板形控制提供技術(shù)支持。孫靜娜[6]等在軋機(jī)剛度分析基礎(chǔ)上給出了中間輥橫移位置設(shè)定模型、彎輥力設(shè)定模型和空載輥縫設(shè)定模型等，建立了六輥UCM軋機(jī)板形板厚綜合設(shè)定模型和設(shè)定策略。

本文以國(guó)內(nèi)某1420冷連軋機(jī)組為研究對(duì)象，通過數(shù)值模擬對(duì)各種板形調(diào)節(jié)量作用下的帶鋼彈塑性變形和軋輥彈性變形進(jìn)行耦合分析，并深入研究了六輥UCM軋機(jī)工作輥彎輥、中間輥彎輥和中間輥橫移等板形調(diào)控手段對(duì)帶鋼出口橫向厚差、金屬橫向位移和軋輥彎曲的調(diào)控效果，為板形在線控制和軋輥輥型設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)，對(duì)提高冷軋極薄帶鋼的板形控制精度具有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。

1 六輥UCM軋機(jī)輥系有限元建模

以某1420冷連軋機(jī)組六輥UCM精軋機(jī)[7]為

研究對(duì)象，采用非線性彈塑性有限元分析方法，綜合考慮工作輥液壓彎輥力、中間輥液壓彎輥力和中間輥竄輥等邊界條件，利用大型有限元Marc軟件[8]建立了軋機(jī)輥系變形仿真模型，如圖1所示。

圖1 1420六輥UCM軋機(jī)三維有限元模型Fig.1 Three-dimensional finite element model of 1420 six-high UCM mill

其中，軋輥是彈性體，可以模擬彈性彎曲和彈性壓扁變形。帶鋼是彈塑性體，可以模擬金屬的三維彈塑性變形。1420六輥UCM軋機(jī)各輥系主要幾何尺寸參數(shù)如表1所示。選取0.3 mm厚帶鋼進(jìn)行板形控制特性仿真分析，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線通過試驗(yàn)測(cè)得。

表1 1420六輥UCM軋機(jī)軋輥主要尺寸參數(shù)

2 帶鋼出口橫向厚差調(diào)控特性分析

2.1 工作輥彎輥力對(duì)帶鋼出口橫向厚差的影響

通過提取沿板寬方向的上下表面垂直方向位移計(jì)算出口帶鋼的橫向厚差[9]。1420冷連軋機(jī)工作輥彎輥有正彎和負(fù)彎兩種形式，工作輥彎輥力范圍-400～400 kN，選擇寬度分別為960 mm和1 120 mm規(guī)格的帶鋼，計(jì)算不同工作輥彎輥力下帶鋼出口橫向厚差分布如圖2所示。

圖2 工作輥彎輥力對(duì)帶鋼出口橫向厚差的影響Fig.2 Strip transverse thickness difference under different work roll bending force

由圖2可知，工作輥彎輥?zhàn)鳛榘逍握{(diào)控的主要手段對(duì)帶鋼橫向厚差的調(diào)控效果明顯。施加正彎輥力，帶鋼橫向厚差趨于呈凹形，施加負(fù)彎輥力，帶鋼橫向厚差趨于呈凸形。對(duì)于帶鋼寬度方向上確定的一點(diǎn)，隨著工作輥彎輥力的變化，橫向厚差近似呈線性變化。隨著板寬的增大，工作輥彎輥的調(diào)控效果增強(qiáng)。

2.2 中間輥彎輥力對(duì)帶鋼出口橫向厚差的影響

1420冷連軋機(jī)中間輥彎輥只有正彎形式，中間輥彎輥力范圍0～600 kN，選擇寬度分別為960 mm和1 120 mm規(guī)格的帶鋼，計(jì)算不同中間輥彎輥力下帶鋼出口橫向厚差分布如圖3所示。

圖3 中間輥彎輥力對(duì)帶鋼出口橫向厚差的影響Fig.3 Strip transverse thickness difference under different intermediate roll bending force

由圖3可知，作為板形控制的重要手段，中間輥彎輥力對(duì)帶鋼橫向厚差的調(diào)控效果較為明顯，但較相同工作輥彎輥力情況下對(duì)帶鋼橫向厚差的影響要小。隨著中間輥彎輥力的增大，帶鋼橫向厚差逐漸減小。相比于工作輥彎輥力對(duì)帶鋼橫向厚差的影響近似為線性，中間輥彎輥力對(duì)帶鋼橫向厚差的影響含有了相對(duì)較多的非線性成分。

2.3 中間輥橫移量對(duì)帶鋼出口橫向厚差的影響

1420冷連軋機(jī)的中間輥可以橫向移動(dòng)，中間輥橫移量的范圍為0～320 mm。選擇寬度分別為960 mm和1 120 mm規(guī)格的帶鋼，計(jì)算不同中間輥橫移量下帶鋼出口橫向厚差分布如圖4所示。

圖4 中間輥橫移量對(duì)帶鋼出口橫向厚差的影響Fig.4 Strip transverse thickness difference under different intermediate roll transverse shifting

由圖4可知，隨著中間輥橫移量的增加，帶鋼橫向厚差變化量逐漸增大，這是由于隨著中間輥橫移量的增加，軋機(jī)橫向剛度呈指數(shù)形式逐漸增大造成的。中間輥橫移量由0 mm變化到80 mm時(shí)，軋機(jī)橫向剛度變化很小，因此帶鋼橫向厚差變化較小。隨著中間輥橫移量的增加，帶鋼橫向厚差由凸形逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榘夹巍т搶挾仍酱螅虚g輥橫移對(duì)橫向厚差的影響越大。

3 帶鋼金屬橫向位移調(diào)控特性分析

3.1 工作輥彎輥力對(duì)金屬橫向位移的影響

在典型軋制工況下，不同工作輥彎輥力對(duì)金屬橫向位移[10]的影響如圖5所示。

由圖5可知，金屬有從帶鋼中部向邊部流動(dòng)的趨勢(shì)。隨著工作輥彎輥力增大，金屬橫向位移明顯減小。

3.2 中間輥彎輥力對(duì)金屬橫向位移的影響

在典型軋制工況下，不同中間輥彎輥力對(duì)金屬橫向位移的影響如圖6所示。

圖5 工作輥彎輥力對(duì)金屬橫向位移的影響Fig.5 Metal transverse displacement under different work roll bending force

圖6 中間輥彎輥力對(duì)金屬橫向位移的影響Fig.6 Metal transverse displacement under different intermediate roll bending force

由圖6可知，隨著中間輥彎輥力的增大，在帶鋼中部區(qū)域，金屬的橫向位移由向帶鋼邊部流動(dòng)的趨勢(shì)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橄驇т撝胁苛鲃?dòng)。在帶鋼邊部區(qū)域，金屬的橫向位移仍然有向邊部流動(dòng)的趨勢(shì)。

3.3 中間輥橫移量對(duì)金屬橫向位移的影響

在典型軋制工況下，不同中間輥橫移量對(duì)金屬橫向位移的影響如圖7所示。

圖7 中間輥橫移量對(duì)金屬橫向位移的影響Fig.7 Metal transverse displacement under different intermediate roll transverse shifting

由圖7可知，隨著中間輥橫移量的增大，在帶鋼中部區(qū)域，金屬的橫向位移由向帶鋼邊部流動(dòng)的趨勢(shì)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橄驇т撨呏胁苛鲃?dòng)。在帶鋼邊部區(qū)域，金屬的橫向位移仍然有向邊部流動(dòng)的趨勢(shì)。

4 軋輥彎曲調(diào)控特性分析

4.1 工作輥彎輥力對(duì)軋輥彎曲的影響

不同工作輥彎輥力情況下，各個(gè)軋輥彎曲變形[11]情況如圖8所示。

圖8 工作輥彎輥力對(duì)軋輥彎曲的影響Fig.8 Roll bending curves under work roll bending force

由圖8可知，隨著工作輥彎輥力的增加，工作輥和中間輥的彎曲程度變化明顯。工作輥彎輥力變化引起的軋輥彎曲變形量工作輥?zhàn)畲螅虚g輥次之，支撐輥?zhàn)钚　?/p>

4.2 中間輥彎輥力對(duì)軋輥彎曲的影響

不同中間輥彎輥力情況下，各個(gè)軋輥彎曲變形情況如圖9所示。

圖9 中間輥彎輥力對(duì)軋輥彎曲的影響Fig.9 Roll bending curves under intermediate roll bending force

由圖9可知，由于彎輥力施加在中間輥，中間輥的彎曲變化明顯。工作輥彎曲變化量較直接在工作輥施加彎輥力時(shí)要小得多，由于中間輥的彎曲呈非對(duì)稱分布，工作輥的彎曲也呈非對(duì)稱分布。支撐輥的彎曲變化很小，且彎曲增大主要發(fā)生在帶鋼寬度以外。

4.3 中間輥橫移量對(duì)軋輥彎曲的影響

不同中間輥橫移量情況下，各個(gè)軋輥彎曲變形情況如圖10所示。

由圖10可知，中間輥橫移量較小時(shí)，工作輥?zhàn)髠?cè)彎曲向下變化，右側(cè)彎曲向上變化，且大小相近。隨著中間輥橫移量的增大，工作輥右側(cè)的彎曲程度呈逐漸向上變化，而工作輥?zhàn)髠?cè)的彎曲程度基本不變。隨著中間輥橫移量的增大，中間輥右側(cè)彎曲程度呈增大的趨勢(shì)，而中間輥?zhàn)髠?cè)的彎曲程度基本不變。隨著中間輥橫移量的增大，支撐輥彎曲程度變化較小。

圖10 中間輥橫移量對(duì)軋輥彎曲的影響Fig.10 Roll bending curves under intermediate roll transverse shifting

5 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

某1420六輥UCM高剛度冷連軋機(jī)裝備了板形檢測(cè)系統(tǒng)，與液壓壓下、彎輥裝置、分段冷卻結(jié)合起來，完成板形控制閉環(huán)回路，可以獲得良好的板形。通過優(yōu)化二級(jí)彎輥和竄輥預(yù)設(shè)定值，配合板形目標(biāo)曲線和邊部覆蓋率調(diào)整，薄規(guī)格帶鋼邊浪大大減小，如圖11所示。

圖11 優(yōu)化前后板形對(duì)比情況Fig.11 Comparison of the strip flatness before and after improvement

經(jīng)過板形預(yù)設(shè)定參數(shù)優(yōu)化，鍍錫基板邊部平均幅值由12IU降低為5IU，整卷板形不良段的比例降低為0.5%，最終產(chǎn)品合格率增加至99.46%。此外，由于鍍錫基板的板形問題所導(dǎo)致的連退處理線停車從2次/月減少至1次/3月，取得了良好的實(shí)用效果。

6 結(jié)論

(1)工作輥彎輥對(duì)帶鋼橫向厚差的調(diào)控效果明顯，且近似呈線性變化。隨著板寬的增大，工作輥彎輥的調(diào)控效果增強(qiáng)。中間輥彎輥對(duì)帶鋼橫向厚差的調(diào)控效果較工作輥彎輥要小，中間輥彎輥對(duì)帶鋼橫向厚差的影響呈非線性。隨著中間輥橫移量增加，帶鋼橫向厚差變化量逐漸增大。帶鋼寬度越大，中間輥橫移對(duì)橫向厚差的影響越大。

(2)隨著工作輥彎輥力的增大，金屬有從帶鋼中部向邊部流動(dòng)的趨勢(shì)，金屬橫向位移明顯減小。隨著中間輥彎輥力和橫移量的增大，帶鋼中部區(qū)域的金屬橫向位移由向帶鋼邊部流動(dòng)的趨勢(shì)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橄驇т撝胁苛鲃?dòng)。帶鋼邊部區(qū)域的金屬橫向位移仍然是向邊部流動(dòng)的趨勢(shì)。

(3)隨著工作輥彎輥力的變化，工作輥和中間輥的彎曲變化明顯，支撐輥?zhàn)兓^小。隨著中間輥彎輥力的變化，中間輥彎曲變化明顯，工作輥彎曲相對(duì)較小，且呈非對(duì)稱分布，支撐輥的彎曲變化很小。隨著中間輥橫移量的變化，工作輥右側(cè)彎曲程度呈增大趨勢(shì)，而工作輥?zhàn)髠?cè)彎曲程度先減小后基本保持不變。中間輥右側(cè)彎曲程度呈增大趨勢(shì)，而中間輥?zhàn)髠?cè)彎曲程度基本不變，支撐輥的彎曲變化很小。

[1] 王曉東,黃久貴，李建中，等.國(guó)內(nèi)外鍍錫板生產(chǎn)發(fā)展?fàn)顩r[J].上海金屬,2008, 30(4):45-48.

[2] 張利祥，李俊，張理揚(yáng). 連續(xù)退火/熱鍍鋅帶鋼瓢曲機(jī)理研究[J].金屬熱處理, 2012, 37(3):77-80.

[3] 查凱. UCM可逆式冷軋機(jī)組極薄規(guī)格生產(chǎn)實(shí)踐[J].安徽冶金, 2016(1):43-46.

[4] 熊文濤，郭德福，丁美良，等. 冷軋無取向硅鋼橫向厚度差控制技術(shù)[J]. 鋼鐵, 2016, 51(1):65-69.

[5] 陳林，馮少鵬，王仁忠.基于ABAQUS有限元仿真對(duì)6輥CVC軋機(jī)和6輥UCM軋機(jī)板形調(diào)控性能的比較[J].有色金屬加工, 2015, 44(4):48-51.

[6] 孫靜娜，薛濤，杜鳳山，等. 基于剛度特性分析的UCM冷軋機(jī)板形板厚綜合設(shè)定模型[J]. 鋼鐵, 2014, 49(8):64-69.

[7] 杜波. 首鋼1420冷軋建設(shè)工程進(jìn)度管理研究[D].沈陽：東北大學(xué), 2010.

[8] 孫靜娜，薛濤，杜鳳山.六輥CVC軋機(jī)接觸應(yīng)力與凸度控制的有限元分析[J].鋼鐵, 2012, 47(2):49-52.

[9] 令狐克志，宋浩源，王永強(qiáng)，等. 六輥CVC冷軋機(jī)凸度控制能力分析及應(yīng)用[J].鋼鐵, 2014, 49(11):53-58.

[10]杜鳳山，薛濤，孫靜娜.六輥CVC 軋機(jī)軋輥彎曲和壓扁變形的有限元分析[J]. 燕山大學(xué)學(xué)報(bào), 2011, 35(5):396-401.

[11]薛濤. UCM軋機(jī)連軋過程仿真及其非線性在線模型的研究[D].秦皇島：燕山大學(xué), 2014.

Analysis and application of strip shape control performance of 1420 six-high UCM cold tandem mill

REN Xin-yi1, ZHENG Yan-kun1, ZHOU Huan1, GAO Hui-min1, LUO Xin-long1, HUANG Hua-gui2

(1. Shougang Jingtang United Iron and Steel Company, Tangshan 063200 China; 2. Yanshan University, Qinhuangdao 066004 China)

Take the 1420 six-high cold tandem mill with roll profile of UCM as research object, a three dimensional nonlinear simulation model of the roll system deformation of the six roll UCM mill is established on the Marc finite element software platform. Coupling characteristics of elastic-plastic deformation of strip and elastic deformation of roll are analyzed under the action of various shape regulation according to numerical simulation. And the control effects by means of work roll bending, intermediate roll bending and intermediate roll shifting to lateral thickness difference, strip metal lateral displacement and rolling mill roll bending are thoroughly researched. It provides theoretical basis and application reference for the on-line control of strip flatness and the optimization design of roll profile.

cold tandem rolling; strip flatness; UCM; regulation performance; Marc

2016-05-02；

2016-06-10

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51027003，51005197)

任新意(1982-)，男，漢族，高級(jí)工程師，博士，研究方向：軋制過程自動(dòng)化。

TG333

A

1001-196X(2016)05-0010-07