基于冷軋機架輥耗的冶金板材軋制主工藝優化研究

沈 麗

（新鄉職業技術學院數控技術學院，河南 新鄉 453000）

0 引言

進行冷軋處理時，需要使用軋輥來實現壓力與尺寸控制的功能，而軋輥在使用階段會不斷發生損耗，導致設備運行成本明顯增加。為實現對冷軋加工成本的控制，需對軋輥消耗進行有效控制。胡衍生[1]根據工作輥運動控制過程構建了仿真模型，根據仿真結果實現了對輥型的優化，經對比發現，完成輥型改進后，輥耗發生了顯著下降。李碩[2]對軋輥表面磨損作用機制進行了驗證，針對三種磨損機制分別構建了相應的數學模型。任廣峰[3]則根據實際生產過程對軋輥外形結構進行了優化，同時優化了加工工藝。胡正超[4]則對軋輥的斷裂機制進行了分析，結果表明，冷軋軋輥產生微裂紋與斷裂現象是由于軋輥同時受到外部沖擊、熱應力作用以及軋輥本身質量綜合影響的結果，因此需要從工藝操作環節、制輥技術、保養方式等方面來考慮。吳志光[5]構建了軋制力分析模型，采用有限元分析法完成軋輥應力仿真測試。大部分學者在控制輥耗與克服軋輥剝落方面基本都是以調整軋輥輥型、控制參數或對軋輥操作進行優化的方式來實現，很少有學者采用調整軋制主工藝的方式來達到優化效果。根據以上分析，本文從控制軋制主工藝的層面考慮，在確保機組實現穩定生產的條件下減少輥耗，同時有效避免產生爆輥與剝落的情況。

1 輥耗綜合判斷指標

進行冷軋處理時形成較大輥耗的關鍵因素是軋輥表面受到較大峰值力的長期作用。當產生較大輥間壓力或在輥間壓力發生橫向不均勻分布時都會引起輥間壓力形成較大的峰值。因此，為減小輥耗，分析冷連軋階段機架軋輥的輥耗狀態，構建了一個可以對輥耗程度進行表征的參數——輥耗指標γ，該指標的計算式如下：

式中：nmw為工作輥和中間輥存在的輥間條元數量；nmb為支承輥和中間輥包含的輥間條元數量；qmw，j為工作輥和中間輥形成的輥間壓力，kN；qmb，j為輥間壓力分布結果，kN；j 為條元數量。

以γ 表示各個機架輥耗的判斷指標，當指標γ 降低時，說明軋輥達到了更小的輥耗程度，而當輥耗判斷指標γi增大時，則說明發生了更大的軋輥輥耗。

軋輥輥耗以及剝落程度受到軋制壓力、輥間壓力與輥身長度不均勻程度的綜合影響。其中，輥間壓力與軋制壓力提高時，軋輥輥耗也會隨之上升。因此在壓力值較大的部位會產生明顯磨損，從而引起輥耗上升的現象，甚至造成軋輥剝落的問題。

2 軋制主工藝優化模型

為有效控制軋輥輥耗，根據以上輥耗判斷指標，對冷連軋機進行整體分析，從而獲得更優的軋制主工藝，實現輥耗的顯著下降。經綜合分析可以發現，針對特定軋制過程，在保持各項工藝潤滑條件一致的條件下，確定鋼種、軋制與軋輥工藝后，機架輥耗判斷指標γ 與機架壓下量分配ε、張力制度σ 的關系為：

以上研究結果表明，利用對軋制主工藝進行優化來調整機架輥耗判斷指標γ，從而形成更均勻分布的冷連軋機架輥耗判斷指標γ。

定義s 為機架帶鋼出口板形波動率：

式中：si為實際測量板厚，s0為設置板厚。

將控制方程表示為如下形式：

式中：F（X）為優化后的目標函數；i 為機架數量；α 為加權系數；kmw為工作輥和中間輥可允許的最大不均勻度；kmb為支承輥與中間輥許可最大不均勻度系數；smax為末機架出口許可最大板形波動率；ρ 為安全系數。

通過Powell 法[6]完成求解過程，從圖1 中可以看到具體的計算框圖[7]。

圖1 基于冷軋輥耗的軋制主工藝優化流程圖

3 算例分析

對某鋼廠的1420 冷連軋機組進行研究，該機組包含了5 個機架，各機架都是由6 輥軋機構成，為減少輥耗并提升經濟效益，采用上述模型對2.0 mm×810 mm 的MRT-5CA 帶鋼進行軋制工藝優化。同時為便于對比，依次列出了優化前后的張力、壓下制度與輥耗判斷指標，之后在之前計算式中分別代入優化前與優化后得到的參數，同時計算出目標函數值，最后對出口帶材板形參數進行分析，得到表1 所示的結果。對表1 進行分析可知，輥耗程度目標值由0.773減小至0.406，降低了近47.5%；用于評價末機架出口板形狀態的板形波動率則由7.2%減小為6.3%，減小幅度為12.5%；優化前后的板形曲線如圖2 所示，經過優化處理獲得更優板形結構[8]。以上結果表明，采用本文優化方法，可通過調整軋制主工藝的方式使軋制階段形成更均勻的輥間壓力，使輥間壓力與輥耗顯著降低，從而使帶鋼獲得更優出口表面質量，實現機組經濟效益的顯著提升。

表1 優化前后指標結果統計

圖2 優化前后出口板形曲線對比

4 結論

1）為有效控制軋輥輥耗，根據以上輥耗判斷指標，對冷連軋機進行整體分析，從而獲得更優的軋制主工藝，實現輥耗的顯著下降。

2）以某鋼廠1420 冷連軋機組進行算例分析，采用本文優化方法可通過調整軋制主工藝的方式使軋制階段形成更均勻的輥間壓力，使輥間壓力與輥耗發生顯著降低。