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格的產品，產品廣泛應用于家電、建筑、門業、汽摩配等制造行業[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，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，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化了工作輥輥型，通過理論研究、仿真模擬和工業試驗，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 彎輥力飽和現象

對末機架工作輥為平輥時軋制的PDA 數據進行分析，可以發現在軋制出口厚度1.0 mm 及以下規格時，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

對現場459 卷熱軋來料凸度進行統計（見圖2），發現熱軋來料凸度整體偏小，熱軋凸度目標控制范圍為30～70 μm，而統計卷凸度均值為37.7 μm，中位數為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格帶鋼時表面出現寬窄印缺陷。

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。輥型參數由中部凸度C1、邊部凸度C2、端部凸度C3及相應的長度參數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凸度值是根據設計經驗并結合影響函數法來確定初值，L1和L2初值是利用2020 年現場板形歷史數據，通過基于網格和密度的數據聚類方法[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優化并最終定型。

為使上述五段式輥型連續光滑，結合現場磨床的輥型加工能力，根據圖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y′=以 ((L3-L2)/2，C2)，((L3-L1)/2，C1)，((L3+L2)/2，C2)三點構造二次函數以((L3-L1)/2，C1)，(L3/2，0)，((L3+L1)/2，C1)三點構造二次函數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y′均勻生成N 組數據，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y′′均勻生成N 組數據，在[(L3-L1)/2,(L3+L1)/2] 長度范圍內以二次函數y′′′均勻生成2 N組數據；最后采用最小二乘法將上述6 N 組數據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。

3 輥型參數對板形的影響分析

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

表1 輥型參數變化范圍Table 1 Variation range of roll contour parameters

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

圖6 輥型參數變化對板形的影響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為肋浪，端部無明顯變化；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，根據板形指標變化情況來確定較佳的輥型參數。

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 卷薄規格鋼卷（軋制厚度≤1.0 mm，寬度930～1 059 mm）和37 卷厚規格鋼卷（軋制厚度>1.0 mm，寬度905～1 055 mm）的軋制參數和板形數據。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，利用凸輥軋制薄規格帶鋼時S4 機架彎輥力降低3～7 MPa，軋制厚規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C1、C2、C3，長度參數L1和L2來表征輥型，可顯著增強輥型調整的柔性。輥型參數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能力，消除彎輥力飽和現象，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。