針對熱軋高強鋼縱切分條側彎問題的平整機工作輥輥形設計研究

邵建平 聞成才 張勃洋 孔寧

（1：馬鞍山鋼鐵股份有限公司 安徽馬鞍山 243003；2：北京科技大學機械工程學院 北京 100083）

1 前言

隨著鋼鐵市場的激烈競爭，用戶對熱軋帶鋼產品的質量要求越來越高，尤其是熱軋帶鋼重要尺寸精度之一的板形，其質量的好壞直接影響下游工序的產品質量［1－4］。在熱軋帶鋼生產過程中，側彎現象比較常見，它對軋制過程的穩(wěn)定性危害極大，輕則造成邊部切損過大，降低成材率，重則出現廢品或損害推床等設備。造成側彎的因素很多，如坯料楔形、坯料寬度方向溫度分布不均勻、軋機兩側剛度存在差異、推床不對中和輥形不合理等。即使操作人員在軋制過程中反復調節(jié)軋輥兩側傾斜量，但這種調節(jié)在某些情況下不是一直有效。目前針對側彎的檢測儀表和自動控制設備比較少，而且造價昂貴，所以需要針對這種現狀分析熱軋高強鋼的側彎形成原因，并采取行之有效的方法減少此種現象的發(fā)生以提高生產效率［5］。

長期以來，國內外學者針對鋼板側彎情況進行了很多研究，并取得了顯著的成果。文獻［6］為了研究某熱軋線汽車大梁鋼分條后出現側彎的問題，通過分析分條后各窄條與基準的實測距離值，研究出一套符合該問題研究的方法，并推導出相應的一組計算公式，表明窄條出現側彎是熱軋卷板形不對稱以及呈現邊浪趨勢造成的。文獻［7］針對軋汽車大梁用鋼板縱剪分條時產生偏彎缺陷問題，找到鋼卷冷卻過程中殘余應力的計算方法并進行計算，分析鋼板精整過程矯直工藝對殘余應力的影響，再通過矯直工藝的確定方法計算重新確定矯直工藝，從而防止大梁板縱剪分條時產生偏彎缺陷。YOSHIHARA等［8］通過調整層流冷卻過程中的邊部遮擋量，使帶鋼縱向內應力在寬度方向的分布趨于均勻，有效改善了帶鋼縱切后各分條的彎曲缺陷問題。YOSHIDA 等［9］和HIDVEGHY等［10］分別建立了帶鋼縱切后各分條側彎與內應力關系的解析模型，并通過試驗進行對比，驗證了解析模型的準確性。PARK等［11－12］提出殘余應力是帶鋼縱切后各分條彎曲缺陷產生的直接原因，結合試驗測量和解析方法，驗證了帶鋼縱切后變形與初始內應力分布的關系，并通過調整平整工藝參數，改善了帶鋼縱切后各分條彎曲缺陷問題。由上述研究可知，學者們對帶鋼內應力橫向分布不均造成縱切側彎影響進行了大量研究，而在帶鋼軋制過程中，對平整工藝的系統(tǒng)研究也會影響到熱軋高強鋼的板形質量。因此，通過對平整工藝的開發(fā)實現熱軋高強鋼帶鋼的平整從而保證熱軋高強鋼的板形質量迫在眉睫。

某廠1580平整機組工作輥采用平輥輥形，其在軋制汽車大梁鋼并分條后，發(fā)生了鋼板側彎的現象。針對該問題本文通過現場跟蹤測量及研究發(fā)現，鋼板經縱切分條后（從帶鋼傳動側向操作側切條），側彎量超出允許誤差范圍（最大側彎量≤5mm）的一般發(fā)生在第一條和第四條，最大側彎量大概在6mm～8mm左右，而中間兩條的側彎程度均在允許誤差范圍內。將鋼板縱切分條后的側彎情況進行統(tǒng)計分析，并通過現場跟蹤發(fā)現工作輥負彎情況下，帶鋼縱切后第一條和第四條側彎量明顯減小。針對以上問題，本文采用現場測試、理論分析、數值仿真等方法展開研究，分析發(fā)現熱軋高強鋼縱切分條側彎根本原因在于平整軋制過程來料帶鋼凸度與平整機輥縫不匹配導致其縱向延伸沿寬度方向分布不均勻。針對此，本文改進了平整機組原工作輥輥形，設計了工作輥CVC輥形，以期增加該機組的輥縫凸度調節(jié)域，使其能更好的適應來料凸度變化，確保平整軋制過程帶鋼縱向塑性延伸分布均勻，然后將改進后輥形進行上機試用，有效降低了軋后帶鋼側彎問題的產生。

2 問題原因分析

通過對某廠1580平整機組的現場勘察，發(fā)現來料帶鋼具有較大凸度，如圖1所示，由此導致帶鋼平整軋制過程中，帶鋼中部產生的縱向塑性延伸較大，而帶鋼邊部產生的縱向塑性延伸較小，如圖2所示。帶鋼平整軋制后中部與邊部縱向塑性延伸分布不均，使得帶鋼縱切分條時，第一條和第四條內側的纖維條伸長量要比外側的長，導致第一條和第四條切條后鋼板向外側彎曲，而當平整機組工作輥采用較大的負彎輥力時，帶鋼縱切分條后側彎量顯著減小。

圖1 帶鋼板廓形狀

圖2 平整前后帶鋼縱向纖維條的伸長情況

針對汽車大梁鋼分條后發(fā)生直線度缺陷的問題，盡管采取提高工作輥負彎輥力的調節(jié)手段產生了一定的效果，但是其調控能力有限，因此，本文從工作輥輥形設計入手，同時考慮到工作輥的綜合輥形影響軋制時的承載輥縫，故采用負凸度工作輥輥形制造正凸度形承載輥縫軋制帶鋼，使其對來料帶鋼起到一定的包容作用。同時，為了進一步提高平整機輥系的凸度調節(jié)能力，在原有輥形的基礎上，對平整機工作輥進行CVC輥形設計，但盡量不使用工作輥彎輥力，以保持軋制力和延伸率穩(wěn)定，并期望增加該機組的輥縫凸度調節(jié)域，使其能更好的適應來料凸度變化，確保平整軋制過程帶鋼縱向塑性延伸分布均勻，最終達到降低平整后帶鋼分條側彎的效果。

3 輥形優(yōu)化設計

3.1 三次CVC輥形介紹

CVC技術的核心思想是通過設計特殊的工作輥輥廓曲線，利用軋輥的軸向橫移來改變輥縫形狀，同時均勻軋輥的磨損［13－16］。

通過CVC輥的橫移，可獲得從中凹到中凸連續(xù)變化的輥縫形狀，將此輥縫形狀假設為二次曲線，則根據數學分析，所采用的CVC輥形為一個三次曲線。圖3為CVC輥形分析圖，CVC輥的半徑坐標y（x）可采用式（1）和（2）的三次多項式表示。

圖3 CVC輥形分析圖

式中：y1（x）、y2（x）—上下工作輥x點處的半徑；

a1～a3—多項式系數；

L—輥身長度。

3.2 新輥形輥間接觸壓力研究

在帶鋼軋制過程中，輥形的優(yōu)化對產品板形質量有重要影響，而要研究輥形的好壞，對輥間接觸壓力的分布情況研究必不可少，本文根據實際生產情況，設計以下四種三次CVC輥形曲線，探究了不同輥形在支撐輥為平輥，單位軋制力為0.625t／mm，彎輥量與竄輥量為0時的輥間接觸壓力情況，輥形曲線多項式系數如表1所示，各輥形輥間壓力分布情況如圖4所示。

圖4 輥間接觸壓力分布

表1 CVC輥形三次曲線多項式系數

3.3 新輥形承載輥縫凸度調節(jié)域研究

輥縫凸度調節(jié)域，即軋機在一定工藝條件下所能提供的輥縫二次和四次凸度變化范圍。反映了軋機輥縫形狀的調節(jié)柔性，其大小不僅與軋機板形調控執(zhí)行機構的類型及多少有關，還與軋輥尺寸、軋制力大小及帶鋼寬度有關。

根據現場軋機的實際參數和生產情況，生產鋼種主要針對510L高強鋼，寬度主要集中在1200mm～1360mm，因此，根據計算需要和現場生產實際，設定仿真工況如表2所示，得出了不同軋制力下輥縫凸度調節(jié)域，如圖5所示。

圖5 不同軋制力下的輥縫凸度調節(jié)域

表2 仿真工況

據實際生產情況，以及上述CVC輥形對輥間接觸壓力和承載輥縫凸度調節(jié)域的研究，選定了上述的三次CVC輥形1曲線，如圖6所示。

圖6 工作輥輥形半徑差值圖

4 CVC輥形工作輥上機應用試驗

本文針對某廠1580平整機組所生產的鋼板分條側彎問題，根據以上方法設計出CVC工作輥輥形并將其進行了上機應用，對鋼板的橫向厚差、橫向和縱向殘余應力沿帶鋼寬度方向的分布以及CVC輥形上機前后不同鋼板縱切分條后的側彎情況進行了探索研究，觀察新輥形對板形的控制效果。

4.1 鋼板橫向厚差分布測量

針對某廠1580平整機工作輥CVC輥形上機試驗，本文對510L鋼種的不同卷號鋼板進行了橫向厚差分布的測量，其工況如表3所示。并將使用測厚儀測得鋼板厚度數據，繪制成橫向厚差分布曲線，如圖7所示。其中，二次凸度隨竄輥量變化與帶鋼縱向塑性延伸分布情況具體如圖8和圖9所示。

圖9 帶鋼縱向塑性延伸分布情況

表3 510L鋼種不同卷號上機工況

圖7 橫向厚差分布情況

圖8 二次凸度與隨竄輥量的變化

根據現場跟蹤測量的二次凸度，本文將其與二維變厚度的仿真結果進行了對比，具體如表4所示。

表4 510L鋼種不同卷號二次凸度測量與仿真對比

從圖表中可以看出，工作輥向傳動側每次竄輥20mm，帶鋼二次凸度約增加5μm，且與10%的正彎輥力對帶鋼二次凸度的影響基本一致。與現場實際測量的二次凸度相比較，二維變厚度有限元仿真結果誤差范圍在4.87%～16.57%左右。

4.2 新輥形上機分條情況研究

分條切割的過程中始終是從平整過程中的DS側向OS側依次進行縱向分條切割，帶鋼切條方案如圖10所示。（注：DS表示平整過程中的傳動側，OS表示平整過程中的操作側）。

圖10 帶鋼縱向分條示意圖

本次現場跟蹤測量中，針對切條后窄鋼板側彎量“+”、“－”號的標定問題同廠內人員進行了統(tǒng)一規(guī)定，規(guī)定向分條后的帶鋼外側彎曲為“+”，反之為“－”。本次測量采用的方法為先在切條后的窄鋼板同側距邊部10mm處標兩個點，然后在這兩個點處引一條細線測量其側彎量，如圖11所示，側彎量為（d－10）mm。

圖11 側彎量測量方法示意圖

通過現場跟蹤測量，針對510L鋼種，將CVC輥形上機前與上機后不同鋼板縱切分條后的側彎情況進行了統(tǒng)計分析，如圖12和圖13所示。

圖12 CVC輥形上機前鋼板分條側彎情況統(tǒng)計

圖13 CVC輥形上機后鋼板分條側彎情況統(tǒng)計

通過對比CVC輥形上機前后側彎量的統(tǒng)計情況，可以發(fā)現CVC輥形對帶鋼縱切分條情況具有顯著的改善作用，也進一步驗證了改進后工藝措施具有良好的板缺陷控制效果。

5 結論

（1）針對某廠1580平整機組生產帶鋼分條側彎問題，通過現場測試、理論分析、數值仿真等方法展開研究，分析發(fā)現熱軋高強鋼縱切分條側彎原因在于帶鋼中部區(qū)域縱向塑性延伸較大，而邊部區(qū)域縱向塑性延伸較小，使得帶鋼縱切分條時發(fā)生側彎問題，究其根本原因在于平整軋制過程來料帶鋼凸度與平整機輥縫不匹配導致其縱向延伸沿寬度方向分布不均勻。

（2）為解決鋼板分條側彎問題，在綜合考慮軋制帶鋼的規(guī)格、彎輥力、工作輥輥形等影響因素下，優(yōu)化設計了工作輥CVC輥形，以期增加該機組的輥縫凸度調節(jié)域，使其能更好的適應來料凸度變化，確保平整軋制過程帶鋼縱向塑性延伸分布均勻。通過進行新輥形的上機應用試驗，觀察510L鋼種不同卷號鋼板的橫向厚差，得出工作輥向傳動側每次竄輥20mm，帶鋼二次凸度大約增加5μm，且與10%的正彎輥力對帶鋼二次凸度的影響基本一致。與現場實際測量的二次凸度相比較，二維變厚度有限元仿真結果的誤差范圍在4.87%～16.57%左右。

（3）通過對CVC輥形上機前后不同鋼板縱切分條后的側彎情況進行了探索研究，對比原工作輥輥形和新工作輥輥形在生產帶鋼過程中的以及下機后帶鋼的分條側彎情況，發(fā)現工作輥采用CVC輥形后軋輥的磨損情況與之前相比影響不大，且對帶鋼縱切分條情況具有顯著的改善作用。