熱軋生產線粗軋機輥系配置實踐

曹金生

（山東鋼鐵集團日照有限公司 科技質量中心，山東 日照276800）

1　前言

熱連軋產線粗軋機組環境復雜、惡劣，軋輥長期受高溫鋼坯和軋輥冷卻水交替熱應力的影響，同時在粗軋還承受著較大的軋制壓力，導致了粗軋軋輥下機后經常存在磨損不均勻、軋輥邊部剝落等現象，同時粗軋軋制不穩定（跑偏、鐮刀彎、楔形大等）現象普遍，為此，考慮在粗軋輥系配置上進行相關研究工作，改善上述問題。

2　粗軋軋機輥系配置特點

粗軋軋機輥系配置具體指工作輥和支撐輥采用何種輥型。

與精軋機架相比，粗軋機在斷面形狀控制和軋制穩定性方面有以下特點：1）總軋制壓力大，軋輥撓曲變形嚴重；2）工作輥和支撐輥換輥周期長，在換輥周期內軋制規格多，有害接觸區對板形的影響更加明顯；3）由于需要進行往返軋制，各道次間的軋制壓力差異較大，輥系受力狀態相差大，斷面形狀控制穩定性差；4）由于粗軋采用的是無張力軋制，而張力又可以有效抑制帶鋼跑偏，因此粗軋因帶鋼跑偏導致軋制不穩定現象比精軋機組嚴重；5）帶鋼寬厚比一般較大，操作人員很難及時做到通過調節單側壓下保證軋制穩定性。

3　配置實施方案

3.1　支撐輥變接觸輥型

粗軋支撐輥變接觸輥型的核心是通過在支撐輥上磨削特殊的輥型曲線，使輥系在不同軋制力的作用下，支撐輥和工作輥的輥間接觸長度能夠與所軋帶鋼的寬度相適應，消除或減少輥間有害接觸區，提高承載輥縫的橫向剛度，增加軋機對板形干擾因素（包括來料的板形波動和軋制力波動等）的抵抗能力，抑制板形缺陷的產生，使軋后帶鋼的板形保持穩定。變接觸輥型可以將低橫向剛度的輥縫轉化為高橫向剛度的輥縫，克服常規熱軋機型在這方面的不足。由于有害接觸區的減少，板形控制的穩定性得到了提高。另外，由于變接觸輥型改變了支撐輥與工作輥間的接觸狀態，對改善支撐輥軸向不均勻磨損具有積極的作用。

變接觸支撐輥輥型由兩部分組成：一部分為變接觸段，承擔著變接觸軋制的任務，此部分為6次多項式曲線輥型；第二部分為工藝倒角段，主要是為防止軋輥邊部壓肩造成軋輥邊部大面積剝落。項目提出的支撐輥變接觸輥型軋制技術只是通過磨削特殊的輥型曲線來達到控制板形的目的，無需對設備進行任何改造，實現低成本且操作簡便。

3.2　工作輥輥型配置

軋制穩定性和承載輥縫形狀密切相關，工作輥承載輥縫內帶鋼的受力情況如圖1所示。由于輥系彎曲變形，作用在帶鋼表面的單位軋制壓力的方向與垂直方向有偏角φ，由此產生一個水平方向的分量pnsinφ。由于帶鋼橫向尺寸或性能不對稱、軋輥軸向狀態不同等原因，pn及φ沿帶鋼寬度方向各點均不同。當pn水平分量的合力不等于0時，帶鋼必然存在橫向運動趨勢。假設帶鋼存在向傳動側運動的趨勢，隨之伴生單位摩擦力fm。設pn與fm合力的水平分量為px，其大小如下：

當帶鋼整個寬度上px之和大于0時帶鋼將向傳動側走偏，反之則向操作側走偏。凹形輥縫軋制時，如果帶鋼向傳動側走偏，pnsinφ減小，∑px減小，帶鋼有回到中心線的趨勢。可以看出，大凸形的承載輥縫對帶鋼起包容作用，可以防止帶鋼走偏。

圖1　承載輥縫內帶鋼受力

基于以上分析，和支撐輥配對的工作輥的選擇應考慮以上因素。支撐輥采用變接觸輥型技術后，相應工作輥的配置通常可選用平輥、常規二次曲線（或SIN曲線）凸形工作輥、常規二次曲線凹形工作輥等。采用平工作輥或者凸形工作輥，由于可以對輥縫形狀進行補償，可以進一步提高橫斷面形狀控制能力。但是采用此類工作輥后，由于支撐輥和工作輥邊部有一段不接觸區域，導致工作輥在帶鋼寬度范圍以外部分撓曲量變小，且和凹形工作輥相比，承載輥縫邊部開口度增大，這些因素均導致軋制穩定性變差。采用常規二次曲線（或SIN曲線）凹形工作輥可提高軋制穩定性。

輥型配置具體技術方案如下：在支撐輥服役的前期和中期，支撐輥磨損小，輥型保持性較好，為了兼顧軋制穩定性和斷面形狀控制的需求，采用變接觸輥型支撐輥和常規二次負凸度工作輥配合。在支撐輥服役后期，支撐輥磨損大，輥型保持性變差，修改工作輥的負凸度大小。配置方案如圖2所示。

圖2　粗軋輥系支撐輥配置結構

上述粗軋輥系配置特點是在支撐輥不同的服役周期，選擇不同的工作輥配置方式。在支撐輥服役前期，邊部輥型高度較大，雖然橫斷面形狀控制能力得到提高，但軋制穩定性變差，為此選用負凸度工作輥加以配合，可以有效抑制帶鋼跑偏引起的軋制不穩定現象；在支撐輥服役后期，隨著軋輥磨損的增加，支撐輥邊部輥型高度減小，軋制穩定性得到提高，但橫斷面控制能力下降，為此減小工作輥輥型的負凸度值，此工作輥補償了支撐輥磨損后橫斷面控制能力下降的缺陷，同時又保證了軋制穩定性。支撐輥曲線外形在輥身中部近似為平段，輥身邊部為曲線段，支撐輥輥身中間輥徑大于邊部輥徑，中間近似平段寬度與主軋規格有關，可通過優化設計得到。采用此支撐輥的配置方法可以保證多規格下板形控制的穩定性，抵抗軋制壓力大幅度波動對斷面形狀的影響，均勻化輥間接觸壓力等。

在支撐輥上機服役初期，由于軋輥邊部高度較大，雖然橫斷面控制能力得到增強，但支撐輥邊部和工作輥有不接觸區域，軋制穩定性變差，此時工作輥配置較大負凸度工作輥，一旦帶鋼發生走偏現象，邊部承載輥縫的受力情況可以起到糾偏作用，到達軋制穩定性和斷面形狀控制兼顧的目的。

在支撐輥服役中后期，由于支撐輥磨損嚴重，原先設計的支撐輥輥型曲線邊部高度變小，中部平段長度增加，且平段部分存在磨損箱型孔，輥系在受力狀態下，支撐輥與工作輥的輥間接觸長度增加，原先設計的斷面形狀調控能力削弱，但軋制穩定性得到提升。為了彌補斷面形狀控制能力的不足，在支撐輥服役中后期，較小負凸度工作輥，通過直接補償邊部的軋輥撓曲進而提高斷面形狀控制能力，彌補了支撐輥磨損以后在斷面形狀控制能力方面的不足。同時根據最大應力的分析，上下工作輥服役環境的不一樣，另一方面可考慮在上工作輥輥型類型保持不變的情況下，減小下工作輥的負輥型量。

4　應用效果

此輥系配置方案在不同軋制壓力作用下，支撐輥與工作輥之間的接觸長度可變，帶鋼寬度越大，軋制壓力也越大，接觸線長度也越長，反之越短。可以做到輥間接觸長度與帶鋼寬度近似相適應，減小有害接觸區及軋制壓力波動對承載輥縫的影響，彎輥力的調控效果也得到了提高。曲線系數的確定方法可按照產品大綱主要規格為對象，以提高軋機板形控制功能和均勻化輥間壓力為目標函數，并以輥間接觸長度和板形良好為約束條件，聯立輥系變形模型和遺傳算法對曲線系數進行尋優計算。