平整機(jī)輥型優(yōu)化研究與開發(fā)

陳 春，陳方丹

(1.四川機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系，四川 攀枝花 617000;2.四川省十九冶集團(tuán)物業(yè)服務(wù)有限公司工程部，四川 攀枝花 617000)

0 前言

帶鋼的板形質(zhì)量主要是依靠合理的輥型加以保證的，因此，輥型是熱平整帶鋼軋機(jī)最重要的工藝制度之一。設(shè)計(jì)合理的輥型對(duì)提高板形質(zhì)量至關(guān)重要。西南某鋼鐵企業(yè)1 450熱軋板廠軋制的帶鋼原料板形較差，且板凸度偏差較大，軋制計(jì)劃編排存在不合理等問題，傳統(tǒng)的輥型配置不能滿足生產(chǎn)需要，因此需根據(jù)熱軋現(xiàn)有狀況開發(fā)適合本機(jī)組的平整輥型配置。

1 平整軋制壓力模型開發(fā)

由于平整機(jī)的延伸率較小，一般情況下為0.3%～4%，因此需要一個(gè)迥然不同的軋制壓力模型去描述平整軋制過程，在建模中不但要考慮軋輥的彈性變形，而且要考慮軋件的彈性變形。具體說，即在計(jì)算過程中不僅考慮軋輥彈性壓扁的塑性變形區(qū)長(zhǎng)度，而且要考慮軋件出入口彈性變形區(qū)長(zhǎng)度，并計(jì)算與之對(duì)應(yīng)的塑性變形區(qū)單位壓力及彈性變形區(qū)單位壓力，從而建立適合于平整機(jī)軋制的較準(zhǔn)確的軋制壓力模型。通過使用此計(jì)算軋制力的模型，同時(shí)考慮到由于小的壓下率和相對(duì)較大的摩擦，并由此而引起的帶材沿著厚度方向的非均勻變形，得出典型規(guī)格產(chǎn)品軋制壓力計(jì)算值見表1。

表1 典型規(guī)格產(chǎn)品總軋制壓力計(jì)算結(jié)果Tab.1 Calculated results of total rolling pressure of typical products

2 輥型優(yōu)化設(shè)計(jì)的基本原理

通常，四輥軋機(jī)的工作輥與支承輥沿輥身是全長(zhǎng)接觸的，這樣在板寬以外形成一個(gè)有害的接觸區(qū)(如圖1所示)，使得軋機(jī)的橫向剛度降低，從而影響軋制成品的板形與板凸度，同時(shí)也使得彎輥對(duì)板形的調(diào)節(jié)能力大為降低。為了消除這個(gè)有害接觸區(qū)，一方面，可以采用HC以及其他軋輥軸移式軋機(jī)，但是這樣對(duì)設(shè)備要求較高，制造成本較大。另一方面，可以通過設(shè)計(jì)出一種合適的支承輥與工作輥輥廓曲線，使得兩者的接觸寬度適應(yīng)板寬的變化而變化，從而達(dá)到提高板形和橫向厚差控制能力的目的。對(duì)于該企業(yè)1450平整機(jī)，經(jīng)大量的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)資料分析和理論論證，采用輥型優(yōu)化技術(shù)來提高軋機(jī)對(duì)板形及板凸度的控制能力，提高產(chǎn)品的成材率和軋輥的使用壽命。

圖1 四輥軋機(jī)示意圖Fig.1 Schematic diagram of four-roll rolling mill

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)可知，對(duì)于軋后帶材出口厚度分布值hi函數(shù)可表示為:

式中，P為總軋制壓力;S為彎輥力;ΔDwi，ΔDbi為工作輥及支承輥的凸度分布值;Hi為帶材來料的厚度橫向分布值;σ1i、σ0i為在軋制過程中帶材的前后張力;在冷軋生產(chǎn)實(shí)踐中，板形控制的目標(biāo)是使帶材橫向前張力差最小。在分析時(shí)可以把板形控制的目標(biāo)函數(shù)定義為

式中，T1為平均前張力。

輥型優(yōu)化的目的是通過設(shè)計(jì)一種合適的輥型，使得軋輥在軋制狀態(tài)時(shí)，對(duì)于所有規(guī)格的產(chǎn)品(在實(shí)際生產(chǎn)中，一般選擇經(jīng)常生產(chǎn)的m個(gè)規(guī)格的產(chǎn)品來進(jìn)行優(yōu)化，而且應(yīng)該根據(jù)其出現(xiàn)概率進(jìn)行加權(quán)，越是經(jīng)常生產(chǎn)的產(chǎn)品，加權(quán)系數(shù)取得越大)最佳彎輥力都在基態(tài)附近，這樣既能適當(dāng)?shù)慕档蛷澼伭Γ挚梢允箯澼伭υ谲堉七^程中有足夠的上下調(diào)節(jié)范圍，從而大大提高彎輥力對(duì)板形的控制能力。

輥型優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)可以表示為:

式中，Sai為在特定輥型下，第i個(gè)規(guī)格產(chǎn)品滿足目標(biāo)函數(shù)F(X)最小的最佳彎輥力;S0為基態(tài)彎輥力，對(duì)于該企業(yè)1 450平整機(jī)S0=0。

彎軸力優(yōu)化計(jì)算流程如圖2所示。輥型優(yōu)化計(jì)算流程如圖3所示。

3 1 450平整機(jī)輥型優(yōu)化結(jié)果

根據(jù)優(yōu)化，工作輥采用如圖4a所示輥型曲線，其特征為正弦曲線。支撐輥采用如圖4b所示輥型即可滿足要求。

圖4 輥型曲線示意圖Fig.4 Schematic diagram of roll shape curves

圖4中，L為支承輥輥身長(zhǎng);D為支承輥直徑;lz、δ為輥型優(yōu)化后支承輥削肩長(zhǎng)度與深度。

為了分析輥型開發(fā)的效果，特模擬出二種典型規(guī)格產(chǎn)品在不同凸度、軋制壓力(強(qiáng)度、延伸率)下輥型優(yōu)化前后最佳彎輥力與對(duì)應(yīng)的最佳板形情況。匯總見表2。

通過模擬可以看出:

(1)輥型優(yōu)化前，在板凸度≤0.05 mm的情況下，最佳彎輥力基本都是采用正彎，這樣彎輥對(duì)板形的調(diào)節(jié)范圍就降低了;而經(jīng)過輥型優(yōu)化之后，基態(tài)彎輥力基本控制在0左右，使得彎輥力可調(diào)節(jié)范圍大大增加，從而板形控制能力也大大增強(qiáng)。

(2)在彎輥力都設(shè)定為最佳彎輥力的前提下，采用優(yōu)化輥型與普通輥型相比，其對(duì)應(yīng)的最佳板形前者要比后者好得多。

(3)在正常板凸度(≤0.05 mm)、正常軋制壓力(2.5～5 MN/m)下，采用優(yōu)化輥型后，彎輥力設(shè)定為最佳彎輥力的前提下，板形能夠控制在6 I以下，平均在4～5 I左右。

表2 典型規(guī)格產(chǎn)品輥型優(yōu)化前后最佳彎輥力與最佳板形對(duì)比Tab.2 Contrast of optimum bending roll force and steel trip shape of typical products before and after optimization

4 輥型優(yōu)化成果的應(yīng)用效果

熱軋板廠新增1450平整機(jī)組自投產(chǎn)以來，通過輥型優(yōu)化和彎輥力、軋輥傾斜的配合使用，消除了由于軋制過程中調(diào)整不當(dāng)、控制系統(tǒng)故障產(chǎn)生的板形缺陷，自該機(jī)組投產(chǎn)以來，板形異議為“0”，其對(duì)比效果見表3。

表3 平整前后板形效果對(duì)比Tab.3 Contrast of steel strip shapes before and after flattening

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