液壓彎輥技術在鋼材生產中的使用分析

羅應義

（寶武集團韶關鋼鐵有限公司，廣東 韶關 512123）

板帶材廣泛應用于汽車制造、精密儀器等多個領域。隨著現代工藝技術的發展，對冷軋板帶產品規格要求不斷提高，板帶質量是具有滿足用戶要求的良好板形，板帶縱橫向厚度是衡量質量標準指標，隨著板形控制系統設計應用完善，自動寬度控制等軋制設備的應用，板形控制技術成為生產中需要解決的關鍵點。液壓彎輥控制涉及分析缺乏基本理論支持，軋機是復雜的設備，多種機構相互聯系制約，液壓彎輥中受到其他控制系統調整。彎輥目前有一些20世紀60年代生產的軋機，生產產品質量缺乏競爭力，在軋機上進行液壓彎輥改造具有很大市場。

1 彎輥板形調節技術的發展

板帶產品廣泛用于國民經濟各部門，相關部門對板帶產品質量要求日益嚴格。縱向厚差精度得到圓滿解決，許多技術進入實用階段。檢測技術等方面存在許多問題需要解決。良好的板形是提高生產率的有效手段。控制板形是獲得高精度板形的保證，板形控制成為冶金生產迫切需要解決的問題。板形控制研究始于20世紀60～70年代，出現液壓彎輥等各種板形控制技術。

1965年，液壓彎輥板形控制技術開發成功，補償軋制壓力等因素引起輥縫形狀變化。液壓彎輥分為工作輥曲面與支承輥彎曲方式，工作輥彎曲具有操作方便等優點。板形控制是軋鋼技術發展的熱門技術，相比冷帶軋制板應用范圍較廣。目前，板型控制技術成為新建中厚板軋機的基本要求。由于中厚板生產需要轉崗操作，板形控制處于發展完善階段，日本中厚板形控制技術處于領先地位，加強對液壓彎輥控制技術研究具有重要意義。

20世紀50年代前，帶鋼板形控制用磨削軋輥凸度方法實現，通常采用人工控制壓下制度彌補不足。60年代，液壓彎輥裝置應用于鋼板軋機，通過彎輥裝置達到控制出口帶材板形目的。液壓彎輥具有提高生產率等優點。70年代，后板形控制技術得到很大發展。1972年，日立公司開發六輥HC軋機，改變工作輥與支撐輥接觸長度，使板形理論進入新的時期。日立公司將HC軋機發展為UC軋機，中間輥配有彎輥裝置。1974年，日本住友金屬公司開發VC軋輥技術，利用液壓膨脹原理調整輥間壓力分布。新型軋機擁有標志性板形控制技術，輔以多項其他通用板形控制技術，配備板形自動檢測裝置。

2 鋼材生產板形控制理論

板形包含帶鋼截面幾何形狀與平坦度，定量描述涉及邊部減薄量等多項指標。帶鋼板形是帶材平坦度，軋制是金屬在滾動軋輥下發生塑性變形，要求沿板帶寬度各部分有均一縱向延伸，由延伸不均在窄條產生相互作用內應力。軋制是復雜的物理過程，板形是板材翹曲程度。

影響帶鋼板形因素較多，金屬在軋制中經過系列彈塑性變形軋制成所需板材，板形影響因素包括金屬本性與軋制內外因素，金屬本身物理性能影響軋制力，金屬幾何特性是影響板形的重要因素。影響軋制壓力因素會影響板形。常見板形不良現象包括邊浪與中間浪形式，軋板形缺陷與軋后板帶殘余應力橫向分布有關。有載輥縫形狀為帶鋼軋制后橫截面形狀。通過改變工作輥有載輥縫形狀控制帶鋼板形，彎輥將彎輥液壓缸產生力傳遞到輥頸，彎輥力與多種因素有關，如軋輥橫向剛度等。應根據軋輥磨損等對彎輥力實時修正。

3 液壓彎輥控制系統研究

液壓伺服控制是液壓技術的重要分支，許多工業部門對高精度液壓控制系統需求加大，工程控制理論應用從軍工領域普及到民工部門，電子技術應用使元件系統更加完善。目前液壓伺服控制成為控制技術的重要發展方向。水電站動力設備隨著液壓伺服控制室發展，工業技術發展促進液壓伺服控制技術的進步。液壓伺服控制技術成為現代控制工程的基本構成。液壓伺服控制系統根據液壓傳動原理建立自動控制系統，執行元件跟隨控制元件運動控制。

液壓彎輥調節裝置出現于20世紀60年代，最早用于橡膠塑料造紙等供應部門，逐漸發展成為有效的板形控制方法。現代軋機有液壓彎輥裝置調整工作輥形，通過施加液壓彎輥使軋輥產生附加彎曲，補償軋制壓力等工藝因素變化產生輥縫變化。液壓彎輥在板形控制中起到了重要作用。制定有效彎輥力是提高帶鋼表面質量的關鍵。液壓彎輥是應用最早的板形控制技術，彎輥裝置增大軋輥彎曲力矩，液壓彎輥曲線二二次曲線，板寬范圍外彎輥效果差，增大彎輥力導致減少軸承壽命。液壓彎輥減小板凸度，提高生產率等優點，成為現代化帶鋼軋機的重要標志。

4 熱軋液壓彎輥改造設備關鍵技術

某廠1700mm熱軋1968年建成投產，設計生產坯料重量為20t，中間坯厚度30～45mm。鋼種包括普通鋼等。板形控制系統是多專業的復雜控制系統。用彎輥裝置作為板形控制參數是彎輥力。老軋機改造彎輥力受到輥系結構參數制約，精軋機工作輥直徑為700/660mm。彎輥力是詢價數要求項目。原工作輥軸承采用四列圓錐滾子軸承。改造液壓彎輥與工作輥轉換裝置、上下工作輥軸承關系，壓下裝置運行，上下工作輥開口度大等因素有關，綜合考慮相關因素，制作符合實際的牌坊窗口關系。確定彎輥缸行程，上下工作輥軸承座最小間隙為6mm。機內提升軌道與固定軌道間關系等。工作輥要承受彎輥力，使工作輥軸承滿足壽命，如何合理確定工作輥軸承是面臨的難題。軸承座強度要求保持最小壁厚；工作輥軸頸處強度要求軸承內徑不能過小。軸承寬度加長要維持軋機傳動主軸關系。設計中進行多個方案比較，決定選用日本NSK四列圓錐輥子軸承，參數為外徑580mm。牌坊窗口關系圖如圖1。

圖1 牌坊窗口關系圖

根據計算，軸承選擇滿足要求。無線冷硬合金鑄鐵輥比傳統半鋼輥較好，輥身表面具有不同化學分布。機械性能為輥徑硬度35～40Hs。液壓彎輥改造前使用工作輥材料為無線冷硬合金鑄鐵，要求抗拉強度為230MPa,。液壓輥改造后，工作輥徑處受力為彎扭合成應力，彎扭合成應力計算截面為440mm，為每個工作輥計算扭矩，F2機架工作輥徑安全系數最小。根據牌坊窗口關系圖（如圖1）確定零件外形尺寸，軸承座內控為工作輥軸承外徑。通過有限元法計算軸承座最大應力出現部位，對軸承座設計優化，選擇合適的截面，合理的熱處理方法（如表1、表2）。

表1 無線冷硬合金鑄鐵化學成分%

表2 徑向負荷

約束情況是軸承支座有限元分析計算中的難點，僅在軸向由鎖緊裝置無法位移。應按軸承支座主要受力區域約束，液壓彎輥改造工作輥中車頂作以有限元分析方法設計。軸承座最大應力出現在過度圓角處，對軸承座應力大區域超聲探傷。根據牌坊窗口輥系圖確定彎輥安裝位置，設計牌坊加工圖，得到牌坊綜合應力，約束按牌坊安裝面固定考慮。加工彎輥處牌坊立柱設計應力值。目前某廠液壓彎輥改造中機械設備投用，產品質量比改造前改善。換輥時間減少到平均15min。液壓彎輥系統改造中，工作輥設計等是研究關鍵技術。