變接觸支持輥在熱軋1450mm上的應用

劉鵬宇，林泰安，楊 彪，陳鐵男，張海華

（吉林建龍鋼鐵有限責任公司軋鋼廠，吉林 吉林 132001）

為了延長支持輥在線使用的周期同時得到良好的板形控制效果，在吉林建龍1450熱軋生產線上采用了針對于CVC輥形的變接觸支持輥輥形技術（Varying Contact-Length Backup Roll Plus，簡稱VCR+輥形）[2，3]。變接觸支持輥輥形技術可以提高軋機板形調控能力，均勻輥間接觸應力分布，降低支持輥與工作輥的輥間接觸應力峰值，降低軋制疲勞失效的風險，達到延長軋制公里數的目的。

1 輥形配置及仿真條件

1.1 輥形配置

吉林建龍1450mm精軋機組工作輥采用兩套CVC輥形，F1-F4采用輥縫凸度調節范圍為[0.71，-0.58]mm的CVC1-4輥形，F5～F7采用輥縫凸度調節范圍為[-0.29，0.58]mm的CVC5-7輥形，具體參數如表1所示。

表1 精軋F1-F7機架CVC輥形參數

精軋機組支持輥采用VCR+輥形，中部VCR輥形與CVC輥形疊加而成，邊部圓弧式倒角，倒角長度150mm，倒角高度半徑1.8mm，F1-F7機架上輥輥形配置如圖1所示，其中WR_CVC表示CVC工作輥輥形，BR_VCR+表示VCR+支持輥輥形。

圖1 F1-F7輥形配置圖

在上游使用凸度調節范圍較大的CVC工作輥輥形時為了保證上游機架具有較強的凸度控制能力，在前4個機架能夠迅速使得機架出口凸度命中目標凸度的比例凸度值。下游機架采用較小的凸度控制范圍是因為下游機架主要采用等比例凸度軋制以保證出口平直度良好。

2 VCR+輥形的有限元仿真

基通過建立有限元模型對軋機的板形控制性能進行仿真，分析與評估模擬結果，主要包括軋機的橫向剛度、輥間接觸壓力分布、彎輥力調節效率、凸度調節域、板形調節曲線等性能指標。

2.1 離線仿真模型

二維變厚度有限元模型如圖2所示。二維變厚度有限元模型可根據不同輥形、竄輥位置、彎輥力等工況下進行仿真計算，簡單易行，求解高效迅速，仿真結果接近工業軋制實際，精度可以滿足工程分析需要[4]。

圖2 輥形變形有限元模型

2.1.1 軋輥離散化

首先將工作輥進行離散化處理，將支持輥表面在長度方向劃分為80個單元格，工作輥表面在長度方向劃分為96個單元格，為節約計算時間和提高計算精度，由軋輥表面向芯部的網格劃分密度逐漸稀疏。

2.1.2 單元剛度矩陣的建立

剛度矩陣如式（1）所示：

E：彈性模量；μ：泊松比；t：單元格厚度；bi，ci：與單元的幾何性質有關的常量（即與兩節點間的坐標差有關）；Δ：單元的面積。

圖3 各機架過鋼量與軋制公里數

2.1.3 總體剛度矩陣

總體剛度矩陣如式（2）、（3）所示：

2.2 輥形控制能力分析

2.2.1 承載輥縫的橫向剛度

軋制時，軋制力因帶鋼材質、溫度、來料厚度、板形等發生變化而出現波動，導致機架承載輥縫形狀與出口帶鋼板形的變化。理想的承載輥縫形狀會在軋制過程中保持穩定，對軋制力的變化不敏感，且機架出口板形變化可控。為了描述承載輥縫的穩定性，引用輥縫橫向剛度指標，用軋制力的變化量△F與機械凸度的變化量△C的比值來表示，如式（4）所示。

KF：承載輥縫橫向剛度；：軋制力的變化量；：承載輥縫凸度變化量，在這里用輥縫中心凸度來表示。

KF表示生產過程中輥縫凸度在軋制力發生變化時的保持能力。由公式可知，KF越大，承載輥縫形狀越穩定，對生產過程中的帶鋼板形控制穩定性越有利。

2.2.2 彎輥力調節效率

彎輥力調節效率指的是單位彎輥力變化時，輥縫凸度的變化量。該值越大，代表彎輥力對凸度的調控效率越高。同時，還有利于降低彎輥力極限的出現概率和增加工作輥軸承壽命。其表達式如下：

kf：彎輥力調節效率，△Cg：輥縫凸度變化量，△Fbend：彎輥力變化量。

2.2.3 輥間接觸壓力分布

輥間接觸壓力分布反映了工作輥與支持輥之間的應力分布情況，其表現形式主要為兩種：一為輥間接觸應力峰值；二為工作輥與支持輥接觸范圍內的應力變化幅度。輥間接觸壓力分布越均勻，支持輥越趨于均勻磨損，越不易產生疲勞失效，有助于延長支持輥的軋制公里數。

3 應用效果

針對VCR+輥形，吉林建龍1450mm熱軋廠進行了相應的實驗和推廣。使用效果如下。

3.1 軋制公里數提升

從軋制噸數來看，F1～F3由原有的20萬t提升到30萬t，F4～F7由原有的10萬t提升到20萬t。軋制公里數F1由原有的900km提升到1233km、F2由原有的1703km提升到1941km、F3由原有的2350km提升到3196km、F4由原有的1862km提升到3753km、F5由原有的2492km提升到5037km、F6由原有的3077km提升到6260km、F7由原有的3652km提升到7185km。從數字上看整體軋制公里數與軋制噸數都有了明顯的提升。具體數據如圖3所示。圖中各個標記點為各次支持輥換輥周期內的過鋼量和軋制公里數，綠線分割開的是支持輥平輥與VCR+輥形過鋼量。從圖中可以看出，各個機架使用VCR+輥形后過鋼量都在逐漸增加。

3.2 單位公里磨損量減小

從支持輥的磨損量來看，隨著軋制公里數的延長，支持輥的輥耗量逐漸增加，但是單位軋制公里磨損量明顯下降。在圖3中，綠色虛線前后的標記點分別為支持輥為平輥與VCR+輥形上機后的總輥耗與單位軋制公里磨損量。單位軋制公里的磨損量在VCR+輥形上機后逐漸減小。這主要是由于VCR+輥形起到了均勻磨損的作用。