板形調控工藝對軋輥間接觸及磨損的影響

吳 瓊，秦曉峰

(1.寶山鋼鐵股份有限公司中央研究院，上海 201900；2.太原理工大學 機械與運載工程學院，太原 030024)

高品質冷軋帶鋼產品作為汽車、航天、家電生產的主要消耗鋼種，其消費需求量巨大，雖然國內生產廠家眾多，但市場競爭異常激烈；因此，提高帶鋼產品的質量、降低生產成本成為提高相關企業產品競爭力的主要任務。

在生產高質量帶鋼產品方面，六輥UCM冷軋機因其良好的凸度和平坦度調控能力在冷軋帶鋼生產中得到了廣泛的應用[1-2]，如我國的寶武鋼鐵集團和鞍鋼股份公司等均有采用。為了進一步提高六輥UCM冷軋機板形調控能力，國內針對六輥UCM冷軋機的板形調控策略如輥形設計、工作輥彎輥、中間輥橫移和彎輥等進行了針對性地研究，如牛山等[3-4]為提高六輥UCM冷軋機的板形調控能力，設計了不同的工作輥、中間輥和支承輥輥形曲線并對輥形曲線進行了綜合優化；戴競舸[5]通過設計中間輥6次曲線端部輥形，有效的改善了軋制帶鋼的橫向厚差，且一定程度上降低了輥間接觸應力分布的不均勻性。呂翔[6]對工作輥彎輥及中間輥彎輥、橫移對板形的調控能力進行了研究；張世權等[7]對UCM冷軋機中間輥的最優軸向橫移進行了研究。張殿華等[8]研究并確定了UCM冷軋機中間輥橫移阻力、橫移速度與軋制力之間的關系，并利用中間輥橫移控制模型實現了對冷軋帶鋼板形的高精度控制。鄭見等[9]對軋輥偏移條件下六輥冷軋機的板形調控特性進行了研究，分析了竄輥對板凸度等的影響規律。基于已有對板形調控策略的優化研究成果，UCM冷軋機的板形調控能力得到了一定程度的提高。在生產成本控制方面，主要通過不同的降本增效措施以降低生產成本，人力資源成本、設備折舊以及資源消耗等影響帶鋼生產成本的因素逐漸受到各大鋼鐵生產廠的關注；由于人力資源和設備折舊等因素的可控性較低，因此作為影響生產成本因素的軋輥消耗受到了越來越多的關注。

目前在正常的帶鋼生產中，軋輥的消耗主要包含生產性磨損和下機修磨兩部分[10]。下機修磨的主要目的在于去除生產過程中輥間交變接觸載荷作用引起的接觸疲勞損傷層，恢復原始輥形；輥間接觸應力的大小是影響軋輥磨損和接觸疲勞損傷的關鍵因素之一[11-12]，因此在采用不同的板形調控策略保證板形質量的同時，分析調控措施對輥間接觸應力的影響，對分析現有生產工藝條件下工藝參數對軋輥磨損和接觸疲勞的影響，制定合理的控制策略，以降低軋輥的磨損和疲勞損傷具有重要指導意義。

本文針對某廠2130冷軋產線六輥UCM冷軋機所采用的板形調控策略，通過采用有限元法研究板形調控工藝對六輥UCM冷軋機輥間接觸的影響，分析所采用的板形調控工藝在保證板形質量的基礎上對軋輥磨損的影響規律。

1 六輥UCM冷軋機輥系有限元建模

某廠2130冷軋產線采用五機架六輥UCM冷軋機串列方式配置，其輥系中各軋輥采用的輥形曲線分別為：工作輥采用中間平輥身與端部L×θ為40 mm×15 °直線倒角組合的輥身曲線；支承輥采用中間平輥身與端部兩段式L×θ為30 mm×3 °加10 mm×45 °直線倒角組合的輥身曲線；中間輥采用中間平輥身與端部L×R為50 mm×1 000 mm圓弧倒角組合的輥身曲線。機組采用UCM冷軋機常用的工作輥竄輥、中間輥竄輥和彎輥等板形調控手段對所軋制板形調控，其工作輥、中間輥和支承輥輥身尺寸如表1所示；板形調控工藝參數范圍如表2所示。

表1 輥系中不同軋輥平輥身段尺寸Table 1 Length of different roll’s flat body

表2 板形調控工藝參數Table 2 Parameters of plate shape control process

利用彈塑性有限元法，以所研究六輥UCM冷軋機組為研究對象，考慮采用上述板形調控措施等邊界條件，建立如圖1(a)所示的六輥UCM冷軋機輥系1/2接觸計算有限元模型。同時，綜合考慮輥系接觸計算的精度和計算效率，在輥身心部采用六面體結構化網格劃分技術，接觸區網格如圖1(b)所示，采用精細化掃略網格劃分技術，并采用文獻[13]所述有限元網格的三維體單元多級細化技術過渡連接心部粗網格和接觸區細化網格單元，既保證了接觸區計算的精度，亦一定程度上提高了計算效率。

圖1 六輥UCM冷軋機輥系有限元模型Fig.1 Finit element model of roll system of UCM six high mill

計算中考慮輥系的對稱性，建立了六輥UCM冷軋機輥系的1/2模型，板寬尺寸為1 000 mm，厚度為2 mm，模型中支承輥承受軸承鞍座力的輥肩處、中間輥和工作輥兩端軸肩軸徑中心分別設置約束參考點，并分別與支承輥輥肩、中間輥和工作輥軸徑端部耦合連接，同時約束支承輥輥肩、中間輥和工作輥兩端輥間軸徑中心沿軋材移動方向的位移和繞各輥軸線的轉動自由度；所軋制帶鋼中間平面處施加全約束；然后通過支承輥輥肩約束參考點施加大小為2 000 t的軋制力。

2 板形調控工藝對輥間接觸應力的影響

基于建立的六輥UCM冷連軋機輥系接觸計算有限元模型，在所軋制板材尺寸參數和軋制力確定的情況下，分析了采用不同板形調控工藝時的輥間接觸應力分布。

2.1 工作輥竄輥對輥間接觸應力的影響

圖2(a)和2(b)所示分別為采用表2中不同工作輥竄輥量的板形調控工藝時，中間輥與工作輥、中間輥與支承輥間接觸應力沿軸向的分布。

圖2 工作輥竄輥時輥間接觸應力沿中間輥輥身軸線方向的分布Fig.2 Distribution of the content stress between the mork rolls along the axis of the intermediate rolls

圖2(a)為采用不同工作輥竄輥量時中間輥與工作輥間接觸應力沿中間輥輥身軸線方向的分布。由圖2(a)可知，工作輥竄輥量為0 mm時，工作輥與中間輥間接觸應力沿中間輥輥身軸線方向的分布相對于中間輥輥身中截面對稱分布，最大值位于輥身中截面位置；在輥身中截面至距輥身端部約50 mm范圍內，隨著接觸點遠離輥身中截面，接觸應力逐漸減小；而在距離輥身端部約50 mm處出現突然增大的峰值。當采用工作輥竄輥的板形調控工藝后，在中間輥中截面至竄輥方向同側輥身端部間的接觸應力分布不變；在中截面至與竄輥方向相反一側輥身端部間的接觸應力隨竄輥量的增加而增加，且增加幅值與工作輥的竄輥量成正比；當工作輥竄輥量增加到一定值時，中間輥輥身與工作輥竄輥方向相反一側端部附近的應力峰值超過原輥身中截面處的最大值。

圖2(b)為采用不同工作輥竄輥量時中間輥與支承輥間接觸應力沿中間輥輥身軸線方向的分布。由圖2(b)可知，中間輥與支承輥間接觸應力在中間輥輥身軸線方向的分布相對于中間輥輥身中截面對稱，接觸應力的峰值分別位于距中間輥輥身兩側端部約50 mm處；中間輥輥身與竄輥方向相反一側端部附近的接觸應力峰值隨著工作輥竄輥量的增加而減小。

2.2 中間輥竄輥對輥間接觸應力的影響

圖3(a)和圖3(b)分別為采用表2所示的不同中間輥竄輥量的板形調控工藝參數時，中間輥分別與工作輥、支承輥間接觸應力沿其輥身軸線方向的分布。

圖3(a)為采用不同中間輥竄輥量的板形調控工藝參數時，中間輥與工作輥間接觸應力沿中間輥輥身軸線方向的分布。由圖2(a)和圖3(a)可知，當采用中間輥竄輥工藝時，隨著中間輥竄輥量的增加，中間輥與工作輥間接觸應力沿中間輥輥身軸線方向的分布逐漸發生偏轉，以中間輥中截面為分界線，在中截面靠近竄輥方向一側輥身的接觸應力隨竄輥量增加而逐漸減小；在竄輥相反方向一側輥身的接觸應力隨竄輥量的增加而增大。

圖3(b)為采用不同中間輥竄輥量的板形調控工藝參數時，中間輥與支承輥間接觸應力沿中間輥輥身軸線方向的分布。由圖2(b)和圖3(b)可知，當采用中間輥竄輥工藝時，隨著中間輥竄輥量的增加，中間輥與支承輥間接觸應力分布逐漸發生偏轉，以中間輥中截面為分界線，中截面靠近竄輥方向一側輥身的接觸應力分布隨竄輥量的增加而逐漸減小，在竄輥相反方向一側輥身接觸應力隨竄輥量增加而增大，且輥身端部附近峰值的增加與竄輥量呈線性關系。

圖3 不同中間輥竄輥量時輥間接觸應力沿中間輥 輥身軸線方向的分布Fig.3 Distribution of the contact stress between rolls along the axis of the middle roll body with different roll displacement

2.3 中間輥彎輥對輥間接觸應力的影響

圖4采用中間輥彎輥板形調控工藝，中間輥與工作輥和支承輥間接觸應力在中間輥輥身沿軸線方向的分布。

圖4(a)為不同中間輥彎輥力情況下，中間輥與工作輥間接觸應力沿中間輥輥身軸線方向的分布。由圖4(a)可知，中間輥彎輥對中間輥與工作輥間接觸應力沿中間輥輥身軸線方向的分布形式沒有影響，僅對輥身兩端部附近的接觸應力峰值有影響，應力峰值隨中間輥彎輥力的增加而逐漸減小。

圖4(b)為不同中間輥彎輥力情況下，中間輥與支承輥間接觸應力沿中間輥輥身軸線方向的分布。由圖4(b)可知，中間輥彎輥對中間輥與支承輥間接觸應力沿中間輥輥身軸線方向的分布形式沒有影響，僅對接觸應力分布的均勻性及輥身兩側端部附近的接觸應力峰值大小有影響；輥身兩側端部接觸應力峰值隨彎中間輥彎輥力的增加而增加，且輥身軸線方向接觸應力分布的均勻性隨彎輥力的增加而增加。

3 板形調控工藝對軋輥磨損的影響

軋輥的磨損和下機修磨是引起軋輥消耗的主要原因，在機磨損會破壞軋輥的原始輥型，進而影響輥間接觸應力分布和軋制板形。實際生產中，鋼鐵生產廠通常依據事先制定的換輥策略對軋輥進行更換和修磨，以恢復因磨損而破壞的輥形，同時去除因接觸疲勞引起的微裂紋。軋輥的表面磨損受輥間接觸應力、軋制板材類型和規格、軋制環境等影響。文獻[14]提出了如下的軋輥磨損深度計算模型：

圖4 不同中間輥彎輥力時輥間接觸應力沿中間輥 輥身軸線方向的分布Fig.4 Distribution of the contact stress between rolls along the axis of intermediate roll body under different bending forces

式中：h為軋輥沿徑向的磨損厚度；Kabr為粘著磨損系數；σ0為軋輥表面接觸應力；x為接觸點的相對滑動距離；D1為磨損分析目標軋輥的直徑；D2為配對軋輥的直徑；H為配對軋輥的硬度比。

由上式可知:軋輥的磨損深度與粘著磨損系數、輥間接觸應力、滑動距離以及直徑比成正比，與兩軋輥間的硬度比成反比；當軋輥材質確定時，其粘著磨損系數及兩軋輥間的硬度比確定。根據已有文獻對輥間接觸應力與軋輥直徑比間關系的分析可知：輥間接觸應力隨直徑比增加而增加；根據上式及前述軋制過程中六輥UCM冷軋機工作輥與中間輥間接觸應力、中間輥與支承輥間接觸應力分析結果，以及如圖5中所示，在相同軋制參數情況下未施加板形調控工藝時工作輥與帶鋼之間接觸應力沿工作輥輥身軸線方向的分布可知：軋輥轉動一周時工作輥輥身表面磨損由工作輥與帶鋼及工作輥與中間輥間的接觸引起，中間輥輥身磨損由中間輥與工作輥及中間輥與支承輥間接觸引起，而支承輥輥身表面的磨損由支承輥與中間輥間的接觸引起。因此三者在轉動一周引起的工作輥輥身最大磨損深度最大，中間輥次之，支承輥最小。

圖5 工作輥與帶鋼間接觸應力沿工作輥輥身軸線方向的分布Fig.5 Distribution of contact stess between work roll and strip along the axis of work roll body

由施加不同板形調控工藝時輥間接觸應力的分布可知，工作輥竄輥時會引起工作輥與中間輥間接觸應力分布發生偏轉，且反竄輥方向中間輥與工作輥間接應力峰值隨竄輥量增加而急劇增加，在周期性軋制過程中將導致中間輥與工作輥接觸引起的中間輥輥身磨損深度分量在中間輥輥身軸線方向的分布產生不對稱性，進一步引起接觸應力分布不均勻性增加和磨損量增加；采用中間輥竄輥工藝時，中間輥與工作輥和支承輥間接觸應力均發生偏轉，導致反竄輥側接觸應力沿中間輥輥身軸線方向接觸應力峰值急劇增加；在周期性軋制過程中，由于中間輥竄輥、工作輥、中間輥和支承輥輥身軸線方向的磨損量深度均會在中間輥反竄輥方向發生急劇增加，進而導致輥間接觸應力分布不均勻性和磨損的不均勻性進一步增加；而中間輥彎輥工藝的施加使得中間輥與工作輥和支承輥間接觸應力分布均勻性增加，有助于改善輥間接觸引起的輥身方向磨損量分布的不均勻性。

4 結論

不同軋制產線通過優化輥型，采用不同的板形調控工藝以保證軋制板形質量。在六輥UCM冷軋機中通常采用工作輥竄輥、中間輥竄輥和彎輥等用于調控冷軋板材的板形質量，但采用不同的板形調控工藝會對輥間接觸應力分布及大小產生不同的影響，本文以某冷軋廠六輥UCM冷軋機及軋制所采用板形調控工藝參數為基礎，分析了板形調控工藝對輥間接觸應力分布及軋輥磨損的影響，主要結論如下：

1) 六輥UCM冷軋機中，工作輥竄輥和中間輥竄輥均會導致其自身及與其直接接觸軋輥表面接觸應力沿輥身軸線方向的分布發生偏轉，且不均勻性增加；軋輥彎輥工藝實施會引起與其余兩接觸軋輥間表面接觸應力沿軸線方向分布的均勻性增加。

2) 在正常軋制過程中，六輥UCM冷軋機中工作輥輥身軸線方向磨損量分布的最大值最大，中間輥次之，支承輥最小。

3) 六輥UCM冷軋機中，工作輥和中間輥竄輥會引起竄輥軋輥表面磨損的不均勻性，且不均勻性隨竄輥量增加而增加；中間輥彎輥不僅有助于提高軋制板形質量，同時能夠增加軋輥表面磨損的均勻性。