熱軋軋件下彎機(jī)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(xué)院機(jī)電學(xué)院，河南 鄭州 450007；2.中州大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)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(chǎn)過程中，由于多種因素的影響，可能出現(xiàn)軋件的上翹和下扣現(xiàn)象。這兩種彎曲現(xiàn)象均對(duì)設(shè)備具有一定的危害，軋件上翹時(shí)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(jī)架后會(huì)與機(jī)架輥相撞，并在機(jī)架輥的作用下軋件被強(qiáng)制矯直，機(jī)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(yùn)輸時(shí)還會(huì)與運(yùn)輸輥發(fā)生沖擊，從而影響運(yùn)輸輥道的使用壽命；再者嚴(yán)重扣頭軋件與機(jī)架輥發(fā)生撞擊會(huì)在主傳動(dòng)系統(tǒng)上產(chǎn)生扭振，軋件頭部與護(hù)板相撞卡死時(shí)，扭矩放大到一定程度則會(huì)造成聯(lián)接軸斷裂等重大事故。由于生產(chǎn)中軋件的彎曲可能會(huì)造成如此之多的不利影響，有必要正確認(rèn)識(shí)軋件彎曲的機(jī)理，明確各個(gè)影響因素的影響機(jī)制，指定合理的措施以減少現(xiàn)有的軋件彎曲現(xiàn)象。

由于造成軋件頭部翹曲變形的原因十分的復(fù)雜，國外現(xiàn)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(duì)某種因素，從某個(gè)角度進(jìn)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(dǎo)入角、變形區(qū)幾何形狀系數(shù)等，往往不是單獨(dú)作用的，相互之間是存在著密切的聯(lián)系和影響。所以這些方法的分析結(jié)果適用范圍窄，理論與實(shí)際的吻合度較差。試驗(yàn)法與經(jīng)驗(yàn)法難以對(duì)軋制過程進(jìn)行分析，也無法準(zhǔn)確預(yù)測軋件的變形情況。而數(shù)值分析法由于能將多種因素綜合考慮，模擬軋制過程等優(yōu)點(diǎn)，具有很好的仿真效果，得到了廣泛的應(yīng)用。選取影響軋件頭部翹曲變形的眾多因素中的機(jī)械不對(duì)稱因素來進(jìn)行仿真分析，找出其不對(duì)稱軋制的原因，從而指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)。

以武鋼二熱軋2250連續(xù)熱軋帶鋼軋機(jī)為例來研究軋件的下彎現(xiàn)象。該機(jī)組是本世紀(jì)初由德國西門子引進(jìn)的成套設(shè)備。其中R1軋機(jī)為二輥不可逆式軋機(jī)，投產(chǎn)以來軋件上翹和下扣的彎曲現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。實(shí)際生產(chǎn)中測得的上下輥扭矩的部分?jǐn)?shù)據(jù)，如表1所示。

表1 武鋼二熱軋R1軋機(jī)軋制力能參數(shù)測試數(shù)據(jù)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(qiáng)的模擬仿真功能，特別是在非線性、溫度場等方面具有強(qiáng)大的功能。由于只是對(duì)軋機(jī)不對(duì)稱的機(jī)理進(jìn)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(jì)算過程，將基本模型鋼板的寬度只取為20mm，同時(shí)長度只取為1200mm，入口厚度為220mm，出口厚度為200mm；整個(gè)模型節(jié)點(diǎn)數(shù)為19903個(gè)，單元格數(shù)為18773個(gè)。由于熱軋時(shí)，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(gè)剛性環(huán)形接觸邊界元來構(gòu)造（輥基本直徑為1150mm）[1-2]。

對(duì)邊界條件做如下處理：（1）在鋼板尾部截面中性層節(jié)點(diǎn)上施加高度方向的位移約束的方式模擬輥道對(duì)鋼坯的作用；（2）在鋼板橫向中心的縱向截面的節(jié)點(diǎn)上施加橫向位移的對(duì)稱約束。因?yàn)槟Ｐ弯摪搴穸扔邢?，該約束條件是為了防止由于鋼板橫向較柔容易發(fā)生位移，從而導(dǎo)致仿真失??；（3）在模型運(yùn)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(jié)點(diǎn)上；（4）為了有利于計(jì)算過程中鋼板的咬入，模型定義了兩個(gè)工況來進(jìn)行計(jì)算，第一個(gè)工況在鋼板的尾部截面的各個(gè)節(jié)點(diǎn)上施加了一個(gè)向前的推力，第二個(gè)工況在鋼板正常咬入后，尾部截面的各個(gè)節(jié)點(diǎn)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(hào)鋼，材料的屈服準(zhǔn)則使用的是米塞斯（Mises）屈服準(zhǔn)則[3]，強(qiáng)化準(zhǔn)則使用的是混合強(qiáng)化規(guī)律來建模。

3 異徑同轉(zhuǎn)速異步熱軋的不對(duì)稱機(jī)理

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

軋制過程的不對(duì)稱原理可以從兩方面進(jìn)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(diǎn)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(xiàn)兩個(gè)中性點(diǎn)，其中一個(gè)是正常情況下的中性點(diǎn)后移，另一個(gè)在接觸弧前部出現(xiàn)了一個(gè)中性點(diǎn)，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(duì)整個(gè)變形區(qū)材料有一個(gè)明顯的搓軋作用。上下接觸弧的正壓力作用區(qū)域具有比較明顯的位錯(cuò)，下接觸弧的正壓力作用區(qū)域后移，上接觸弧的正壓力作用區(qū)域前移，上接觸弧的一部分正壓力并不對(duì)變形區(qū)材料產(chǎn)生壓下，而起到一個(gè)抵消摩擦力產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩的作用，而下接觸弧的正壓力全部產(chǎn)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(duì)變形區(qū)材料產(chǎn)生更大的壓下量，即異步熱軋時(shí)快速輥的壓下量會(huì)大于慢速輥的壓下量，顯然這會(huì)造成鋼坯下部的變形大于鋼坯上部的現(xiàn)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(xiàn)向上彎曲。其次，可以解釋軋制過程的不對(duì)稱原理的第二個(gè)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(qū)域應(yīng)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(dǎo)致了下接觸弧的應(yīng)力水平高于上接觸弧的應(yīng)力水平，如圖1（g）所示。圖中右邊為大直徑的下輥），等效應(yīng)力水平越高說明該區(qū)域發(fā)生塑性應(yīng)變越大[6-7]），所以下接觸弧附近的應(yīng)力水平高于上接觸弧的應(yīng)力水平的現(xiàn)象造成了鋼坯下部區(qū)域的塑性變形大于上部區(qū)域的塑性變形并最終導(dǎo)致了軋件向慢速輥側(cè)的彎曲。

圖1 異徑同轉(zhuǎn)速異步軋制的不對(duì)稱機(jī)理Fig.1 The Asymmetrical Mechanism of Asynchronous Hot Rolling with Different Diameter and Same Rotational Speed

工藝參數(shù)：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(shù)為0.3、鋼板溫度為1100℃時(shí)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(shí)受到各個(gè)不對(duì)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(zhuǎn)速差、上下軋輥與鋼板接觸的不同摩擦狀態(tài)等。由于是以最終達(dá)到減少軋件的彎曲現(xiàn)象為目的，即提出減少軋件彎曲的措施，因此僅僅只對(duì)機(jī)械不對(duì)稱因素引起的不對(duì)稱軋制進(jìn)行研究，因此主要對(duì)后五種影響因素進(jìn)行研究分析[8-10]。

4.1 相同輥直徑不同輥轉(zhuǎn)速異步軋制

針對(duì)三種不同上下軋輥的轉(zhuǎn)速比（ε上/ε下=1.05、1.1、1.15）進(jìn)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(zhuǎn)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(diǎn)符合上述機(jī)理分析中的第一個(gè)方面。

4.2 上下軋輥與鋼板接觸的不同摩擦狀態(tài)異步軋制

針對(duì)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(shù)分別為0.4、0.35、0.3和下輥與鋼板面接觸的摩擦系數(shù)相應(yīng)分別為0.1、0.15、0.2）進(jìn)行仿真，結(jié)果發(fā)現(xiàn)接觸摩擦系數(shù)較大的一面摩擦較大，鋼板發(fā)生相應(yīng)的塑性變形越大，從而導(dǎo)致鋼板向摩擦系數(shù)較小的一面彎曲，這一點(diǎn)符合上述機(jī)理分析中的第二個(gè)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(jī)牌坊的上下移動(dòng)過程中，軸承座兩側(cè)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(jī)出口4mm和8mm的兩種情況，生產(chǎn)實(shí)際當(dāng)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(jī)出口，上下軋輥的正壓力作用點(diǎn)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(dǎo)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(shí)中心高度和輥縫中心高度一致，而軋機(jī)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(dǎo)致軋件傾斜咬入軋機(jī)，它是導(dǎo)致軋制過程形成彎曲的原因之一。對(duì)三種不同輥縫與軋件中心高度差（分別為10mm、30mm、50mm）進(jìn)行了仿真結(jié)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(duì)比Fig.2 The Contrast of Plates Bending Degree Under Different Rolling Conditions

5 結(jié)論

通過對(duì)均勻溫度場條件下機(jī)械因素不對(duì)稱軋件的軋制過程計(jì)算機(jī)的仿真，分析了機(jī)械因素不對(duì)稱時(shí)造成軋制過程不對(duì)稱的機(jī)理，并通過多種工況的分析得到了各個(gè)影響因素的影響機(jī)制的大小，其中上下軋輥直徑的差異在軋件扣頭的各個(gè)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(jié)論：（1）異步熱軋時(shí)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(shí)靠近快速輥的軋件變形區(qū)的塑性變形大于靠近慢速輥的軋件變形區(qū)，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(huì)造成軋制過程的不對(duì)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(xiàn)象。結(jié)合以上結(jié)論，對(duì)武鋼二熱軋2250連續(xù)熱軋帶鋼軋機(jī)進(jìn)行了調(diào)整。首先對(duì)軋機(jī)的軋制線高度及輥徑差進(jìn)行了合理配置，避免了軋件發(fā)生扣頭現(xiàn)象，并使上、下輥扭矩均衡，同時(shí)減少主傳動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)間隙，降低沖擊扭振。其次在調(diào)整了軋機(jī)機(jī)前輥道輸送速度，使其與軋輥咬入點(diǎn)線速度的水平分量相匹配，減少了主傳動(dòng)系統(tǒng)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(fā)生軋件扣頭及扭矩分配不均的現(xiàn)象。

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