中厚板軋機非對稱剛度與鋼板非對稱板廓

供稿|鄭治龍，馬煒師，牟凱，徐鵬，耿聰，李洪波

作者單位：1. 五礦營口中板有限責任公司，遼寧 營口 115005；2. 北京科技大學機械工程學院，北京 100083

內(nèi) 容 導 讀

針對某3800 mm軋機軋制6～10 mm規(guī)格鋼板時易出現(xiàn)非對稱板形問題，對現(xiàn)場成品鋼板橫向板廓進行測試與分析，橫向板廓呈現(xiàn)操作側(cè)板厚大于傳動側(cè)板厚的趨勢，分析認為與軋機剛度非對稱有關(guān)。采用壓靠法獲得軋機兩側(cè)剛度值，發(fā)現(xiàn)軋機兩側(cè)相對剛度差達6.43%。利用年檢時間對軋機相關(guān)零部件進行檢查與更換，軋機相對剛度差降至2.83%，同時，鋼板橫向楔形量減小，非對稱板廓有明顯改善。

軋機剛度指的是軋機本身抵抗變形的能力。在軋機輥縫設(shè)定過程中，一般認為軋機兩側(cè)的剛度是相同的，并由此給出各軋制道次的設(shè)定輥縫值。但實際上由于牌坊制造誤差、輥系的不對稱、墊片和壓頭等的影響，軋機兩側(cè)剛度差是始終存在的，且隨著設(shè)備運行時間的延長，軋機兩側(cè)剛度差越來越大。由于軋機兩側(cè)剛度的不同，在進行軋制時，軋機兩側(cè)的彈跳就會不同，從而引起兩側(cè)的輥縫不同，造成兩側(cè)壓下量的不同，鋼板出現(xiàn)橫向非對稱板廓[1]。

某3800 mm熱軋線軋制6～10 mm規(guī)格鋼板在軋制過程中存在橫向非對稱因素從而出現(xiàn)非對稱板形問題。非對稱因素通常包括推床對中不正、來料楔形、軋機兩側(cè)剛度差、鋼板橫向溫度分布不均以及軋輥有載輥縫凸度等[2]。

針對鋼板非對稱板廓及軋機非對稱剛度方面的問題，諸多學者已進行了深入的研究。鄭旭濤等[3]針對帶鋼斷面板廓非對稱性問題，采用壓靠法獲得軋機的彈跳曲線，并利用基于影響函數(shù)法的非對稱輥系變形模型，計算分析軋機剛度差對帶鋼板廓非對稱性的影響。柴簫君等[4]建立了集軋機和軋件為一體的非對稱板形計算模型，指出來料楔形對軋件楔形的影響明顯超過其對軋件平坦度的影響，并且機架剛度非對稱及軋件跑偏對楔形和平坦度均有顯著影響。曹殿政[5]針對寬厚板生產(chǎn)中出現(xiàn)的縱向彎曲、橫向彎曲、邊浪等板形問題，分析了鋼坯加熱不均勻、軋制過程中冷卻不均勻、軋制過程中軋機不穩(wěn)定性等影響因素，并給出了生產(chǎn)實踐解決方案。李長宏等[6]將軋制力計算函數(shù)簡化為壓下量的簡單函數(shù)，把軋輥上的載荷分布簡化成簡單函數(shù)，利用該函數(shù)推導出兩側(cè)剛度差異在軋制階段造成的兩側(cè)彈跳差異，該函數(shù)表明寬厚板兩側(cè)的厚度差隨兩側(cè)剛度差與總剛度差比值的增加而增加。王海玉等[7]使用ABAQUS有限元軟件建立軋輥-軋件靜力學耦合模型，定量計算了不同初始坯料條件下的入口中間坯走偏因素對出口中間坯楔形的影響，并進一步模擬出中間坯鐮刀彎現(xiàn)象，計算了不同初始坯料條件下的入口中間坯走偏因素對出口中間坯鐮刀彎的影響。楊澄[8]從理論上分析認為板形缺陷的成因來源于板寬方向上各條縱向纖維的延伸不均，并分析了鐮刀彎產(chǎn)生的原因，提出相應(yīng)對策及改進措施。

現(xiàn)場非對稱板廓特征及分析

隨機抽取22塊厚度為6～10 mm的成品鋼板，使用數(shù)顯式千分尺對鋼板沿某一寬度方向取點進行厚度測量，繪制鋼板橫向板廓散點圖，采用四次曲線對測量數(shù)據(jù)進行擬合，典型板廓如圖1所示。圖中橫坐標為距鋼板中點距離、縱坐標為板厚，OS代表操作側(cè)，DS代表傳動側(cè)。從圖中可以看出，鋼板橫向板廓圖呈現(xiàn)操作側(cè)板厚大于傳動側(cè)板厚的趨勢，即存在楔形分布，占比達86%，楔形量在100～300 μm，最大可達300 μm。

圖 1 調(diào)整前鋼板橫向板廓圖

現(xiàn)場精軋末道次設(shè)有楔形監(jiān)控，楔形量為操作側(cè)板厚減傳動側(cè)板厚，如圖2所示。通過現(xiàn)場精軋末道次楔形量監(jiān)控來看，精軋末道次鋼板以操作側(cè)較厚為主，并且許多成品鋼板呈現(xiàn)鐮刀彎向操作側(cè)彎曲的現(xiàn)象，與測量的成品板廓具有對應(yīng)關(guān)系。這表明鋼板在軋制過程中存在橫向非對稱因素，如軋機兩側(cè)剛度差、鋼板橫向溫度分布不均、軋制過程鋼板跑偏等。

圖 2 精軋末道次楔形量

針對鋼板橫向溫度分布不均因素，使用紅外熱像儀對精軋來料進行拍攝，通過Smart View軟件處理可得橫向溫度分析圖?？紤]到鋼板表面存在氧化鐵皮等影響因素，對測量數(shù)據(jù)做四次曲線擬合，如圖3所示。從圖中可以看出，精軋來料鋼板橫向溫度分布較均勻，溫差在±10 ℃以內(nèi)，可以排除橫向溫度分布不均。同時現(xiàn)場對操作員進行規(guī)范要求，在對中過程中加強管理，對軋制過程中的跑偏現(xiàn)象具有明顯的抑制作用，但對非對稱板廓缺陷無明顯改善，因此認為現(xiàn)場非對稱板廓與軋機兩側(cè)剛度差有一定關(guān)系。

中厚板軋機剛度測試與分析

為了掌握現(xiàn)場精軋機兩側(cè)剛度差狀況，采用壓靠法進行剛度測定。如圖4所示，在軋機空載情況下，AGC液壓缸緩慢壓下，獲得反饋軋制力后，軋制力以1000 kN/s的變化速率進行階梯控制。當單側(cè)軋制力增大至25000 kN時，AGC液壓缸停止下壓，維持軋制力6～8 s后開始抬升輥縫以卸載軋制力，壓靠實驗完成。

軋機工作輥在壓靠過程中會產(chǎn)生彈跳量，即各側(cè)輥縫值變化量。選取單側(cè)軋制力大于10000 kN的軋制力與對應(yīng)彈跳量，結(jié)合軋機兩側(cè)彈跳量和PT油壓傳感器反饋的軋制力，以彈跳量為橫坐標、軋制力為縱坐標繪制散點圖，如圖5所示。

對散點圖數(shù)據(jù)進行線性擬合，得線性表達式(1)和(2)，式中斜率值KD和KO為軋機兩側(cè)剛度值，即傳動側(cè)剛度為4562 kN/mm，操作側(cè)剛度為4278 kN/mm。

圖 3 鋼板橫向溫度分布圖

圖 4 精軋壓靠過程數(shù)據(jù)變化圖

圖 5 調(diào)整前精軋機兩側(cè)彈跳曲線

式中，F(xiàn)D為傳動側(cè)軋制力測量值，N；FO為操作側(cè)軋制力測量值，N；KD為傳動側(cè)剛度值，kN/mm；KO為 操作側(cè)剛度值，kN/mm；H為彈跳量，mm；SD、SO為常數(shù)項。

根據(jù)式(3)可以得出軋機兩側(cè)剛度差ΔK：

定義軋機傳動側(cè)與操作側(cè)相對剛度差δK為[3]：

將傳動側(cè)剛度值與操作側(cè)剛度值代入式(3)和(4)，得到精軋機兩側(cè)相對剛差：

根據(jù)上述軋機兩側(cè)剛度差結(jié)果，可知精軋機操作側(cè)剛度大于傳動側(cè)剛度，相對剛度差為6.43%。由于傳動側(cè)剛度值大于操作側(cè)，導致在同樣的輥縫值設(shè)定下，軋機操作側(cè)彈跳量更大，軋機不能根據(jù)預(yù)先設(shè)定的輥縫差精準控制橫向板厚，最終呈現(xiàn)出操作側(cè)板厚大于傳動側(cè)的楔形板廓，這與測量的成品鋼板橫向板廓分布狀況相互印證。

中厚板軋機設(shè)備剛度調(diào)整

關(guān)于軋機剛度的整修與維護，首先要清楚軋機哪些零部件為受力部件，受力部件自身剛度及尺寸精度出現(xiàn)問題時就會影響軋機剛度水平[7]，在進行軋機剛度維護時需要對上述零部件進行檢修與更換，同時軋機間隙的氧化物、異物也會影響軋機的剛度變化，需要定期清理。

3800 mm熱軋線利用年檢時間對影響軋機剛度的因素逐一檢測與排查，包括軋機垂直方向作用的上下承壓板、下支撐輥軸承座下的階梯墊板、弧形墊的完整性和尺寸精度等，對于水平方向作用的軸承座襯板、牌坊襯板的相對位置及平面度，可使用激光跟蹤儀分別對軋機兩側(cè)帶襯板狀態(tài)下的相對幾何位置進行測量[8]，確定軋機剛度整頓對策。排查過程中主要發(fā)現(xiàn)以下問題：

(1)鋼板軋制過程中，易產(chǎn)生許多氧化物，并且其容易沉積在下支撐輥弧形墊與階梯調(diào)整墊上，造成軋機剛度下降，為此，在檢修過程中重點對相關(guān)區(qū)域進行了詳細清理。

(2)對有明顯變形和磨損的階梯墊等進行了更換。

(3)改善軋機工作輥、支撐輥窗口及軸承座間隙超標問題。結(jié)合軋輥軸承座及機架對中狀態(tài)測量數(shù)據(jù)可知，精軋機下支撐輥與上、下工作輥傳動側(cè)均向軋機出口側(cè)偏移，且相對操作側(cè)偏移1.2 mm以上。因此，對精軋機兩側(cè)襯板實施更換定制襯板、研磨安裝面及墊片調(diào)整等改善措施。

對整修后的軋機同樣采用壓靠法進行剛度測試并分析，如圖6所示。傳動側(cè)剛度值約為4583 kN/mm，操作側(cè)剛度值約為4455 kN/mm。與年檢前的精軋機兩側(cè)剛度值對比可知，兩側(cè)剛度值均有提高，且操作側(cè)剛度值提高明顯，相對剛度差下降至2.83%，說明精軋機剛度非對稱性有明顯改善。

圖 6 調(diào)整后精軋機兩側(cè)彈跳曲線

板廓非對稱性改進效果

采用同樣的橫向板廓測試方法，隨機抽取15塊厚度為6～10 mm的年檢后軋制成品鋼板，繪制鋼板橫向板廓散點圖并對數(shù)據(jù)進行擬合，如圖7所示。從圖中可以看出，鋼板橫向不對稱板廓有明顯改善，且楔形程度明顯減小，楔形量控制在0～50 μm，可見通過調(diào)整軋機兩側(cè)剛度差值可以對不對稱板廓的控制起到積極作用。

圖 7 調(diào)整后鋼板橫向板廓圖

結(jié)束語

(1)通過對成品板廓的測試與分析發(fā)現(xiàn)，鋼板普遍存在操作測板厚大于傳動側(cè)板厚的不對稱板廓，并且與軋機兩側(cè)剛度不對稱有對應(yīng)關(guān)系。

(2)采用壓靠法對精軋機進行剛度測試，發(fā)現(xiàn)操作側(cè)剛度低于傳動側(cè)，相對剛度差達6.43%。利用軋線年檢時間，對精軋機相關(guān)零部件進行檢查與更換，相對剛度差降至2.83%。

(3)通過減小軋機兩側(cè)剛度差，鋼板橫向不對稱板廓有明顯改善，且楔形程度明顯減小，因此軋機兩側(cè)剛度差值的減小可以對不對稱板廓的控制起到積極作用。