熱軋軋件下彎機理與影響因素研究

張雪松，狄恩倉，魏金營，趙永杰

（1.中原工學院機電學院，河南 鄭州 450007；2.中州大學 工程技術學院，河南 鄭州 450044；3.鄭州市公共交通總公司，河南鄭州 450054）

1 引言

在熱軋生產過程中，由于多種因素的影響，可能出現軋件的上翹和下扣現象。這兩種彎曲現象均對設備具有一定的危害，軋件上翹時的危害較小，主要影響鋼坯下一道次的咬入。軋件下扣的危害較大，首先由于空間的限制，下扣軋件出機架后會與機架輥相撞，并在機架輥的作用下軋件被強制矯直，機架輥的使用壽命大大縮短；其次頭部下彎的軋件在輥道上運輸時還會與運輸輥發生沖擊，從而影響運輸輥道的使用壽命；再者嚴重扣頭軋件與機架輥發生撞擊會在主傳動系統上產生扭振，軋件頭部與護板相撞卡死時，扭矩放大到一定程度則會造成聯接軸斷裂等重大事故。由于生產中軋件的彎曲可能會造成如此之多的不利影響，有必要正確認識軋件彎曲的機理，明確各個影響因素的影響機制，指定合理的措施以減少現有的軋件彎曲現象。

由于造成軋件頭部翹曲變形的原因十分的復雜，國外現有的理論與分析方法，如Kennedy和Slamar的平面變形法，Tanaka等的曲率半徑法等都是針對某種因素，從某個角度進行分析和探討的，而這些因素，比如溫度、異速軋制、異徑軋制、軋件導入角、變形區幾何形狀系數等，往往不是單獨作用的，相互之間是存在著密切的聯系和影響。所以這些方法的分析結果適用范圍窄，理論與實際的吻合度較差。試驗法與經驗法難以對軋制過程進行分析，也無法準確預測軋件的變形情況。而數值分析法由于能將多種因素綜合考慮，模擬軋制過程等優點，具有很好的仿真效果，得到了廣泛的應用。選取影響軋件頭部翹曲變形的眾多因素中的機械不對稱因素來進行仿真分析，找出其不對稱軋制的原因，從而指導實際生產。

以武鋼二熱軋2250連續熱軋帶鋼軋機為例來研究軋件的下彎現象。該機組是本世紀初由德國西門子引進的成套設備。其中R1軋機為二輥不可逆式軋機，投產以來軋件上翹和下扣的彎曲現象時有發生。實際生產中測得的上下輥扭矩的部分數據，如表1所示。

表1 武鋼二熱軋R1軋機軋制力能參數測試數據Tab.1 The Rolling Strength Parameters Testing Data of R1 Mill of WuGang No.2 Hot Strip Rolling Mill

2 有限元模型的建立

采用MARC軟件來分析軋件的彎曲變形情況，MARC軟件具有很強的模擬仿真功能，特別是在非線性、溫度場等方面具有強大的功能。由于只是對軋機不對稱的機理進行研究，以分析軋制過程中鋼板在垂直方向的彎曲變形情況，為簡化計算過程，將基本模型鋼板的寬度只取為20mm，同時長度只取為1200mm，入口厚度為220mm，出口厚度為200mm；整個模型節點數為19903個，單元格數為18773個。由于熱軋時，軋輥的彈性壓扁很小，所以這里將軋輥簡化為剛性輥，在模型中上下輥可分別用一個剛性環形接觸邊界元來構造（輥基本直徑為1150mm）[1-2]。

對邊界條件做如下處理：（1）在鋼板尾部截面中性層節點上施加高度方向的位移約束的方式模擬輥道對鋼坯的作用；（2）在鋼板橫向中心的縱向截面的節點上施加橫向位移的對稱約束。因為模型鋼板厚度有限，該約束條件是為了防止由于鋼板橫向較柔容易發生位移，從而導致仿真失敗；（3）在模型運算之前將均勻溫度以溫度載荷的方式直接施加在鋼坯的節點上；（4）為了有利于計算過程中鋼板的咬入，模型定義了兩個工況來進行計算，第一個工況在鋼板的尾部截面的各個節點上施加了一個向前的推力，第二個工況在鋼板正常咬入后，尾部截面的各個節點的推力為零。鋼板的材料模型可以直接在Marc軟件的材料庫中讀取，這里選用的材料模型是45號鋼，材料的屈服準則使用的是米塞斯（Mises）屈服準則[3]，強化準則使用的是混合強化規律來建模。

3 異徑同轉速異步熱軋的不對稱機理

異徑同轉速異步軋制是指上下軋輥半徑不同而轉速相同，因此上下軋輥的線速度不同，導致軋件變形區內上下表面的摩擦力方向相反，形成了“搓軋區”，使得軋件發生彎曲。在本異徑同轉速異步熱軋模型當中使用上下輥直徑為1050mm和1150mm。

軋制過程的不對稱原理可以從兩方面進行解釋。首先，由于上下軋輥輥面線速度不等，下輥輥面速度大于上輥輥面速度，造成下接觸弧中性點后移[4-5]，甚至于下接觸弧全部為前滑，如圖1（d）所示。而上接觸弧出現兩個中性點，其中一個是正常情況下的中性點后移，另一個在接觸弧前部出現了一個中性點，如圖1（c）所示。這樣上接觸弧摩擦力合力的方向指向輥縫的入口，下接觸弧摩擦力合力的方向指向輥縫的出口，上下接觸弧的摩擦力對整個變形區材料有一個明顯的搓軋作用。上下接觸弧的正壓力作用區域具有比較明顯的位錯，下接觸弧的正壓力作用區域后移，上接觸弧的正壓力作用區域前移，上接觸弧的一部分正壓力并不對變形區材料產生壓下，而起到一個抵消摩擦力產生的轉矩的作用，而下接觸弧的正壓力全部產生壓下，這樣在正壓力近似相等的情況下，下接觸弧的正壓力將對變形區材料產生更大的壓下量，即異步熱軋時快速輥的壓下量會大于慢速輥的壓下量，顯然這會造成鋼坯下部的變形大于鋼坯上部的現象，鋼坯下部的延長量大于鋼坯上部的延長量，所以鋼坯出現向上彎曲。其次，可以解釋軋制過程的不對稱原理的第二個方面是：接觸弧上正壓力與摩擦力的大小決定了接觸弧附近區域應力水平的高低，由于下接觸弧的摩擦力水平，如圖1（d）所示。大于上接觸弧的摩擦力水平，如圖1（c）所示。如此導致了下接觸弧的應力水平高于上接觸弧的應力水平，如圖1（g）所示。圖中右邊為大直徑的下輥），等效應力水平越高說明該區域發生塑性應變越大[6-7]），所以下接觸弧附近的應力水平高于上接觸弧的應力水平的現象造成了鋼坯下部區域的塑性變形大于上部區域的塑性變形并最終導致了軋件向慢速輥側的彎曲。

圖1 異徑同轉速異步軋制的不對稱機理Fig.1 The Asymmetrical Mechanism of Asynchronous Hot Rolling with Different Diameter and Same Rotational Speed

工藝參數：小輥直徑1050mm、大輥直徑1150mm、入口厚度220mm、出口厚度為200mm、軋輥與鋼板之間的摩擦系數為0.3、鋼板溫度為1100℃時軋制過程的仿真。

4 影響軋件頭部向下彎曲的因素

軋件的彎曲將同時受到各個不對稱因素的影響如：軋件的原始厚度、軋后的厚度、軋件上下表面溫度差、上下工作輥的直徑差、軋制線的高度、軋輥的偏心距、上下工作輥的轉速差、上下軋輥與鋼板接觸的不同摩擦狀態等。由于是以最終達到減少軋件的彎曲現象為目的，即提出減少軋件彎曲的措施，因此僅僅只對機械不對稱因素引起的不對稱軋制進行研究，因此主要對后五種影響因素進行研究分析[8-10]。

4.1 相同輥直徑不同輥轉速異步軋制

針對三種不同上下軋輥的轉速比（ε上/ε下=1.05、1.1、1.15）進行仿真，獲得的軋件頭部600mm中心層的垂直位移分布情況，如圖2（a）所示。軋件的彎曲程度隨著上下軋輥的轉速比的增加而增加（ε上/ε下=1.15最大，ε上/ε下=1.05最小），輥速差異決定了鋼坯的彎曲方向，即鋼坯總是向慢速輥方向彎曲，這一點符合上述機理分析中的第一個方面。

4.2 上下軋輥與鋼板接觸的不同摩擦狀態異步軋制

針對三種不同上下軋輥與鋼板接觸的摩擦（上輥與鋼板面接觸的摩擦系數分別為0.4、0.35、0.3和下輥與鋼板面接觸的摩擦系數相應分別為0.1、0.15、0.2）進行仿真，結果發現接觸摩擦系數較大的一面摩擦較大，鋼板發生相應的塑性變形越大，從而導致鋼板向摩擦系數較小的一面彎曲，這一點符合上述機理分析中的第二個方面，如圖2（b）所示。

4.3 上下軋輥軸線偏心異步軋制

由于軋輥軸承座隨壓下在與軋機牌坊的上下移動過程中，軸承座兩側的摩擦不一，必然造成上下軋輥的中心軸線不在同一條垂直線上，它是造成軋件彎曲的因素之一，仿真了上輥比下輥更靠近軋機出口4mm和8mm的兩種情況，生產實際當中上下輥的偏心小于8mm，如圖2（c）所示。由于上輥更靠近軋機出口，上下軋輥的正壓力作用點的水平距離就是軋輥的偏心距離，兩正壓力以該距離為力臂形成軋件的彎曲力矩，導致軋件向下彎曲；其中正壓力和偏心距越大，彎曲程度越大。

4.4 不同軋制線高度異步軋制

簡單軋制要求軋件入口時中心高度和輥縫中心高度一致，而軋機的輥縫中心高度一般高出在輥道上的軋件中心高度（10～50）mm，兩者中心高度的不等，容易導致軋件傾斜咬入軋機，它是導致軋制過程形成彎曲的原因之一。對三種不同輥縫與軋件中心高度差（分別為10mm、30mm、50mm）進行了仿真結果，如圖2（d）所示。圖中顯示中心高度差越大，形成的軋件彎曲程度也越大。

圖2 不同軋制條件鋼板頭部向下彎曲的程度對比Fig.2 The Contrast of Plates Bending Degree Under Different Rolling Conditions

5 結論

通過對均勻溫度場條件下機械因素不對稱軋件的軋制過程計算機的仿真，分析了機械因素不對稱時造成軋制過程不對稱的機理，并通過多種工況的分析得到了各個影響因素的影響機制的大小，其中上下軋輥直徑的差異在軋件扣頭的各個影響因素中排在首位，其次是上下軋輥速度差等因素；并得出了以下結論：（1）異步熱軋時軋件彎曲程度的大小隨異步值的增大而增大。（2）異步熱軋時靠近快速輥的軋件變形區的塑性變形大于靠近慢速輥的軋件變形區，即快速輥的扭矩大于慢速輥的扭矩。（3）軋件的傾斜咬入亦會造成軋制過程的不對稱，如果軋件爬坡咬入則將造成軋件向下彎曲與下扭矩大于上扭矩的現象。結合以上結論，對武鋼二熱軋2250連續熱軋帶鋼軋機進行了調整。首先對軋機的軋制線高度及輥徑差進行了合理配置，避免了軋件發生扣頭現象，并使上、下輥扭矩均衡，同時減少主傳動系統傳動間隙，降低沖擊扭振。其次在調整了軋機機前輥道輸送速度，使其與軋輥咬入點線速度的水平分量相匹配，減少了主傳動系統的咬入沖擊扭振。再次改善了鋼坯加熱制度，使上下鋼坯溫度一致。通過以上措施，較好的解決了發生軋件扣頭及扭矩分配不均的現象。

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