HC冷連軋機彎輥力飽和分析及調控策略

周一林

（攀鋼集團攀枝花鋼釩有限公司冷軋廠,四川 攀枝花 617023）

0 引言

攀鋼集團攀枝花鋼釩有限公司冷軋廠采用四機架六輥HC 軋機生產冷軋板卷、熱鍍鋅板卷、彩涂卷、冷硬卷四大系列近百個不同規(guī)格的產品，產品廣泛應用于家電、建筑、門業(yè)、汽摩配等制造行業(yè)[1]。HC 軋機是在四輥軋機的基礎上增加一對中間輥，且中間輥可沿軋輥軸向移動，可改變工作輥和支撐輥的接觸應力狀態(tài)，消除有害的接觸應力，使工作輥彎曲減小，具有良好的板凸度和平直度控制能力。近年來用戶對板形質量的要求不斷提高，其中門業(yè)用戶普遍要求浪形高度不大于2 mm，而冷軋實際板形大多在±10 IU（相當于不平度0.64%）[2]，普冷產品浪形高度多數(shù)也在2 mm 以上，板形質量提升的難點在于末機架彎輥力時常處于飽和狀態(tài)，工作輥彎輥缺乏調控余量，導致板形缺陷很難消除或降低。為此，攀鋼立項開展HC 軋機板形質量攻關，針對末機架彎輥控制優(yōu)化了工作輥輥型，通過理論研究、仿真模擬和工業(yè)試驗，大幅度降低了末機架工作輥彎輥力，增強了板形調控能力，板形質量明顯改善。

1 彎輥力飽和現(xiàn)象

對末機架工作輥為平輥時軋制的PDA 數(shù)據(jù)進行分析，可以發(fā)現(xiàn)在軋制出口厚度1.0 mm 及以下規(guī)格時，工作輥彎輥力處于15 MPa 以上的軋制時間高達50%以上，如圖1 所示。由于現(xiàn)場工作輥彎輥最大工作壓力為18 MPa，末機架彎輥力長期持續(xù)處于極限壓力位，一方面增加了設備的工作負荷，容易產生彎輥缸內泄問題，另外也直接導致板形調控能力不足。

圖1 平輥軋制薄規(guī)格時工作輥彎輥力分布Fig.1 Bending force distribution of work rolls when rolling thin gauges with flat rolls

對現(xiàn)場459 卷熱軋來料凸度進行統(tǒng)計（見圖2），發(fā)現(xiàn)熱軋來料凸度整體偏小，熱軋凸度目標控制范圍為30～70 μm，而統(tǒng)計卷凸度均值為37.7 μm，中位數(shù)為33 μm，大于70 μm 和小于30 μm 的比例分別為1.31%和38.56%，介于30～70 μm 的比例為60.13%。結果表明，熱軋來料凸度控制總體偏小、分布又較廣的特點，反映出熱軋凸度控制能力偏弱。

圖2 熱軋來料凸度統(tǒng)計Fig.2 The crown statistics of the hot rolled material

另外，在酸洗出口觀察熱軋板形多為邊浪，操作工為防止軋件跑偏，常在S1 機架施加12 MPa 左右的正彎以獲得微中浪，S2 和S3 機架為防止邊裂，彎輥力一般設置在5 MPa 左右，最終在S4 機架入口形成較為復雜的來料斷面形狀，與S4 機架的承載輥縫形狀不匹配，容易產生邊浪，如圖3 所示。因此末機架常施加大彎輥力來減輕邊浪[3]。

圖3 帶鋼來料與末機架承載輥縫形狀Fig.3 Strip steel incoming material and the shape of the roll gap of the final frame

末機架彎輥力達到飽和時，現(xiàn)場也常采用中間輥負竄的方法來降低彎輥力，即將中間輥竄入端竄到板寬以內（見圖4），但竄入量不能太大，否則容易引起工作輥局部磨損。在目前依據(jù)工作輥輥期由寬到窄編排軋制計劃的情形下，雖然不易引起輥期內鋼卷外觀質量，但容易造成下一輥期軋制寬規(guī)格帶鋼時表面出現(xiàn)寬窄印缺陷。

圖4 中間輥負竄示意Fig.4 Schematic diagram of the negative channel of the middle roller

2 工作輥輥型設計

為消除末機架工作輥彎輥力飽和，減小中間輥負竄現(xiàn)象，同時增大彎輥力調控范圍以提升板形控制水平[4]，特將末機架工作輥輥型設計為“五段式凸度輥”，如圖5 所示。輥型參數(shù)由中部凸度C1、邊部凸度C2、端部凸度C3及相應的長度參數(shù)L1、L2和L3構成。其中中部凸度C1用于控制中浪和肋浪，邊部凸度C2用于控制肋浪和邊浪，端部凸度C3用于控制邊浪[5]，L3實為工作輥輥面長度，C1、C2和C3凸度值是根據(jù)設計經(jīng)驗并結合影響函數(shù)法來確定初值，L1和L2初值是利用2020 年現(xiàn)場板形歷史數(shù)據(jù)，通過基于網(wǎng)格和密度的數(shù)據(jù)聚類方法[6]確定出雙肋浪作用范圍而給出的。工作輥輥型參數(shù)通過多輪在線輥型試驗和板形指標改善效果判定進行持續(xù)優(yōu)化并最終定型。

為使上述五段式輥型連續(xù)光滑，結合現(xiàn)場磨床的輥型加工能力，根據(jù)圖5 中七個特征點的坐標，將輥型擬合為六次多項式曲線。首先以(0，C3)，((L3-L2)/2，C2)，(L3，C3)三點構造二次函數(shù)y′=以 ((L3-L2)/2，C2)，((L3-L1)/2，C1)，((L3+L2)/2，C2)三點構造二次函數(shù)以((L3-L1)/2，C1)，(L3/2，0)，((L3+L1)/2，C1)三點構造二次函數(shù)接著在輥面長度范圍[0，(L3-L2)/2]和[(L3+L2/2)，L3]內分別以二次函數(shù)y′均勻生成N 組數(shù)據(jù)，在[(L3-L2)/2，(L3-L1)/2]和[(L3+L1)/2,(L3+L2)/2] 長度范圍內分別以二次函數(shù)y′′均勻生成N 組數(shù)據(jù)，在[(L3-L1)/2,(L3+L1)/2] 長度范圍內以二次函數(shù)y′′′均勻生成2 N組數(shù)據(jù)；最后采用最小二乘法將上述6 N 組數(shù)據(jù)進行六次多項式擬合，即：

圖5 多段式工作輥輥型示意Fig.5 Schematic diagram of multi-segment work roll profile

式中，y為工作輥半徑差，x為工作輥輥面長度橫向坐標，a0～a6為回歸系數(shù)。

3 輥型參數(shù)對板形的影響分析

為掌握凸度輥輥型參數(shù)變化對板形的影響，基于正交試驗法確定輥型參數(shù)的變化范圍（見表1），對每一組輥型參數(shù)可采用影響函數(shù)法[7-8]，計算出如表2 所示的軋制參數(shù)下的板形變化，如圖6 所示。

表1 輥型參數(shù)變化范圍Table 1 Variation range of roll contour parameters

表2 板形計算用軋制參數(shù)示例Table 2 Rolling parameters for flatness calculation

圖6 輥型參數(shù)變化對板形的影響Fig.6 The influence of the change of roll shape parameters on the shape of the plate

由圖6(a)可見，當其他參數(shù)不變時，隨著中部凸度C1值的增大，帶鋼板形逐漸由雙肋浪向中浪轉變，帶鋼邊部浪形無明顯變化；由圖6(b)可知，隨著邊部凸度C2值的增大，雙肋浪形狀沒有發(fā)生變化，但中部和邊部壓應力明顯增大，為保持應力平衡，端部拉應力也逐漸增大；由圖6(c)可知，端部凸度C3對中浪和肋浪均無明顯影響，隨著C3值的增大，端部平直度負值逐漸減小，即拉應力逐漸增大；由圖6(d)可知，隨著L1長度的增加，帶鋼板形逐漸由中浪演變?yōu)槔呃耍瞬繜o明顯變化；由圖6(e)可知，L2長度的變化并沒有改變肋浪形狀，但隨著L2值的增大，肋浪浪高逐漸減小并且邊浪開始增大。

綜上所述，輥型參數(shù)C1和L1可調控中浪缺陷，C1、C2、L1和L2可調控肋浪缺陷，C2、C3和L2可對邊浪進行調控，而軋制品種、軋制厚度和寬度規(guī)格的變化將產生不同的板形缺陷，因此需要通過輥型試驗，根據(jù)板形指標變化情況來確定較佳的輥型參數(shù)。

4 在線輥型試驗

在線輥型試驗時，末機架工作輥曾選用最大凸度為20 μm 的六次多項式輥型先后對78 卷罩退料和116 卷鍍鋅料進行了三個輥期軋制，軋制厚度為0.5～2.5 mm，軋制寬度為840～1 142 mm。同時也收集了末機架工作輥采用平輥軋制的53 卷薄規(guī)格鋼卷（軋制厚度≤1.0 mm，寬度930～1 059 mm）和37 卷厚規(guī)格鋼卷（軋制厚度>1.0 mm，寬度905～1 055 mm）的軋制參數(shù)和板形數(shù)據(jù)。對凸度輥與平輥軋制時的末機架工作輥彎輥力變化范圍進行統(tǒng)計和對比，如圖7 所示。圖中A、B 分別代表平輥和凸度輥軋制厚度大于1.0 mm 的厚規(guī)格帶鋼情形，而C 和D 分別代表平輥和凸度輥軋制厚度小于等于1.0 mm 的薄規(guī)格帶鋼情形。

由圖7(a)可見，相較平輥而言，利用凸輥軋制薄規(guī)格帶鋼時S4 機架彎輥力降低3～7 MPa，軋制厚規(guī)格帶鋼時彎輥力減小3～6 MPa。顯然，凸度工作輥的應用改變了末機架輥縫區(qū)邊部形狀，可降低帶鋼邊部的壓應力，從而富余彎輥力，可確保工作輥彎輥處于較佳的調節(jié)位置，保持對板形缺陷的調控能力。由圖7(b)可見，采用凸度工作輥后，中間輥竄輥值也相對增大了10～20 mm，這也表明操作工通過中間輥負竄來富余彎輥力的情形也降低了，末機架竄輥值更多設置在正常竄輥位置（半板寬+20 mm），有利于降低工作輥局部磨損，使得工作輥磨損更均勻，也就避免了板面寬窄印缺陷的產生。

圖7 平輥與凸輥軋制力與竄輥值對比Fig.7 Comparison of rolling force and roll shifting value between flat roll and convex roll

5 結論

1）HC 冷軋機組末機架彎輥力飽和主要是因為熱軋來料凸度偏小，使得來料形狀與承載輥縫形狀不匹配，為避免邊浪的產生，對工作輥施加較大的初始彎輥力，導致板形缺陷調控時彎輥力明顯不足。

2）將末機架工作輥設計為五段式變接觸凸度輥型，采用凸度參數(shù)C1、C2、C3，長度參數(shù)L1和L2來表征輥型，可顯著增強輥型調整的柔性。輥型參數(shù)C1、L1主要影響帶鋼中浪缺陷，C1、L1、C2、L2主要影響帶鋼肋浪缺陷，C2、C3主要影響帶鋼邊浪缺陷。

3）在末機架應用凸度工作輥，可明顯增大工作輥彎輥力的調節(jié)能力，消除彎輥力飽和現(xiàn)象，同時可促使中間輥竄輥更多設置在正常位置，有利于降低工作輥局部磨損，避免板面寬窄印缺陷的產生。