冷軋工作輥?zhàn)冃畏治?/h1>
2019-04-18 01:59:16王會(huì)剛王麗元
冶金設(shè)備 2019年1期
崔 鉞 王會(huì)剛 王麗元
(1: 唐山學(xué)院機(jī)電工程系 河北唐山 063000；2: 河鋼集團(tuán)唐鋼公司煉鐵部 河北唐山063016)
1 前言
隨著冷軋板帶及其涂鍍層產(chǎn)品市場空間的不斷提升，對(duì)冷軋板帶的板型要求也逐漸提高。板形問題貫穿于板帶的整個(gè)生產(chǎn)過程，存在于軋制的各個(gè)環(huán)節(jié)。影響板形的因素很多，如軋機(jī)的剛度、軋輥凸度、彎輥力、來料的品種以及原始凸度、軋制工藝等等。而在實(shí)際的軋制過程中，可以進(jìn)行在線調(diào)控的只有軋制力與彎輥力，只有在軋制力與彎輥力在軋制過程中不斷匹配修正，才能實(shí)時(shí)控制軋制過程中有載輥縫，達(dá)到控制冷軋帶鋼最終板型的目的[1-2]。
彎輥力是通過液壓系統(tǒng)向工作輥或中間輥軸頸加載的力，用以改變軋輥的有效凸度，從而通過改變承載輥縫形狀來改變軋后帶鋼沿橫向的延伸變形，達(dá)到板型控制的目的，對(duì)于消除對(duì)稱板帶材缺陷的中浪、邊浪等作用明顯。彎輥力可實(shí)現(xiàn)工作輥的正彎與負(fù)彎，正彎指的是向增大工作輥的接觸凸度；負(fù)彎指減小工作輥的接觸凸度。但一方面考慮到軸承的承載能力，彎輥力不能過大，另一方面，彎輥力對(duì)輥縫邊部的影響大于中部輥縫的影響。
2 軋制力模型
考慮帶鋼冷軋時(shí)彈性變形和塑性變形兩種狀態(tài)，引入Bland-Ford-Hill軋制力模型，其中，總軋制力F由塑性區(qū)軋制力Fp與彈性區(qū)軋制力Fe構(gòu)成[3]：
F=FP+Fe
(1)
(2)
(3)
(4)
ξ=αtin+βtout
(5)
式中：F-軋制力,kN；
Fp-塑性軋制力,kN；
Fe-彈性區(qū)軋制力,kN；
QF-軋制力外摩擦影響系數(shù)；
W-帶鋼寬度,mm；
R′-軋輥壓扁半徑,mm；
hin-帶鋼入口厚度,mm；
hout-帶鋼出口厚度,mm；
v-泊松比；
E-楊氏模量,MPa；
μ-摩擦系數(shù)；
γ-壓下率；
tin-帶鋼入口單位張力,MPa；
tout-帶鋼出口的單位張力,MPa；
α、β-帶鋼入口與出口的張力影響系數(shù)。
km-平均變形抗力,MPa,取決于金屬材料塑性變形時(shí)的物理?xiàng)l件:
(6)
N-軋機(jī)轉(zhuǎn)速,r/min；
t-軋制溫度,℃；
k0-基準(zhǔn)變形阻力,MPa；
a1-a6-回歸系數(shù)。
3 有限元模型：
以唐鋼第一鋼軋廠平整分卷機(jī)組的四輥平整機(jī)為例建模，實(shí)現(xiàn)工作輥正負(fù)彎輥力的四個(gè)鍛鋼彎輥缸塊裝在牌坊之間，并帶有16個(gè)液壓柱塞缸，壓力由比例閥控制。兩個(gè)壓下液壓缸安裝在牌坊和上支承輥軸承座之間。
按照軋輥和軋件的實(shí)際尺寸建立有限元模型,為提高計(jì)算效率，近似模型為上下對(duì)稱，模型參數(shù)見表1，建立的有限元模型見圖1。
表1 模型參數(shù)(mm)
圖1 有限元模型網(wǎng)格劃分
在該模型中，工作輥設(shè)置為彈性體(假設(shè)其初使凸度為0)，用以模擬工作輥的彈性彎曲變形和彈性接觸變形，軋件作為彈塑性體，采用Bland-Ford-Hill軋制力模型與庫倫摩擦模型[4-5]，根據(jù)等效應(yīng)力屈服準(zhǔn)則判定。參數(shù)化建模對(duì)稱穩(wěn)態(tài)求解，板帶下底面加固定約束，加載軋制力與彎輥力的邊界載荷至支撐輥與工作輥的軸頸端面。
4 結(jié)果分析
對(duì)支撐輥軸頸加載4400kN的軋制力，對(duì)工作輥軸頸加載彎輥力-400kN，作工作輥的Von Mises等效應(yīng)力與應(yīng)變分析。
由圖2，工作輥與帶鋼接觸表面處最大Von Mises等效應(yīng)力值出現(xiàn)在帶鋼側(cè)邊與工作輥接觸的位置，最大值450MPa；支撐輥與工作輥的軸頸區(qū)域、帶鋼側(cè)邊與工作輥接觸的位置均出現(xiàn)等效應(yīng)力值的升高。
圖2 軋輥中截面變形高程表達(dá)圖
由圖3軋輥中截面變形高程顯示，軋輥中出現(xiàn)的最大變形發(fā)生在支撐輥輥頸的軋制力加載區(qū)域，最大值約為70μm。沿支撐輥與工作輥的輥徑方向，出現(xiàn)了較明顯的變形區(qū)域。
圖3 工作輥軸線、底面及與板帶接觸位置在鉛直方向的變形(μm)
圖4為整理的工作輥軸線、底面及與板帶接觸位置在鉛垂方向的變形，其變化趨勢類似；工作輥軸頸與工作軸間存在小范圍的撓度突變；工作輥底面變形較軸線位置嚴(yán)重，整體凸度接近-18，而在與1000mm寬度的帶鋼接觸面上凸度變形較小，保持-8左右。
隨后保持4400kN軋制力不變，作不同彎輥力(-400～400kN)工作輥底部變形分析：
圖4 不同彎輥力下工作輥底面變形
圖5 不同軋制力工作輥底面變形
圖6 4400kN軋制力、-400kN彎輥力下不同板帶寬度工作輥底面鉛直方向變形
圖5為控制軋制力4400kN不變，彎輥力由-400kN至400kN下工作輥底面在鉛垂方向的變形，隨著彎輥力的不斷增大，工作輥的整體凸度也隨之增大，最小值發(fā)生在彎輥力-400kN時(shí)，凸度為-20；圖6為控制彎輥力0kN不變時(shí)，軋制力在2000kN至4400kN變化時(shí)工作輥底面在鉛垂方向的變形情況，工作輥底面凸度隨軋制力的增大而減小，其最小值發(fā)生在軋制力4400kN時(shí)，凸度值為-18。
作4400kN軋制力、-400kN彎輥力，得到不同板坯寬度時(shí)工作輥底面在鉛直方向的變形(圖6)，隨著板帶寬度的增大，工作輥底面的凸度也隨之增大；軋輥對(duì)寬板坯的凸度控制更好。
表2 實(shí)測板型參數(shù)與模擬凸度對(duì)比
對(duì)平整機(jī)入口和出口的帶鋼進(jìn)行留樣，對(duì)比實(shí)測板型參數(shù)與模擬參數(shù)，模擬得到的板型凸度與實(shí)測凸度變化規(guī)律相似，且隨著板帶寬度的增加，模擬凸度更貼近于實(shí)測值，最大值為1.36。
5 結(jié)論
以Bland-Ford-Hill軋制力模型為基礎(chǔ)，針對(duì)唐鋼第一鋼軋廠平整分卷機(jī)組的四輥平整機(jī)，以軋制力與彎輥力為相互影響參數(shù)，進(jìn)行了四輥平整機(jī)的有限元計(jì)算，得到結(jié)論如下：
1) 軋輥的最大變形發(fā)生在支撐輥輥頸位置，發(fā)生疲勞失效的可能性較高；
2) 控制軋制力4400kN不變，彎輥力由-400kN增至400kN時(shí)，工作輥的整體凸度也隨之增大，最小凸度為-20；
3) 控制彎輥力0kN不變時(shí)，軋制力在2000kN至4400kN變化時(shí)，工作輥整體凸度隨軋制力的增大而減小，最小值為-18；
4) 對(duì)比實(shí)測板型參數(shù)與模擬參數(shù)，模擬得到的板型凸度與實(shí)測凸度變化規(guī)律相似，且隨著板帶寬度的增加，模擬凸度更貼近于實(shí)測值。
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彎輥力是通過液壓系統(tǒng)向工作輥或中間輥軸頸加載的力，用以改變軋輥的有效凸度，從而通過改變承載輥縫形狀來改變軋后帶鋼沿橫向的延伸變形，達(dá)到板型控制的目的，對(duì)于消除對(duì)稱板帶材缺陷的中浪、邊浪等作用明顯。彎輥力可實(shí)現(xiàn)工作輥的正彎與負(fù)彎，正彎指的是向增大工作輥的接觸凸度；負(fù)彎指減小工作輥的接觸凸度。但一方面考慮到軸承的承載能力，彎輥力不能過大，另一方面，彎輥力對(duì)輥縫邊部的影響大于中部輥縫的影響。
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F=FP+Fe
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按照軋輥和軋件的實(shí)際尺寸建立有限元模型,為提高計(jì)算效率，近似模型為上下對(duì)稱，模型參數(shù)見表1，建立的有限元模型見圖1。
表1 模型參數(shù)(mm)
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由圖2，工作輥與帶鋼接觸表面處最大Von Mises等效應(yīng)力值出現(xiàn)在帶鋼側(cè)邊與工作輥接觸的位置，最大值450MPa；支撐輥與工作輥的軸頸區(qū)域、帶鋼側(cè)邊與工作輥接觸的位置均出現(xiàn)等效應(yīng)力值的升高。
圖2 軋輥中截面變形高程表達(dá)圖
由圖3軋輥中截面變形高程顯示，軋輥中出現(xiàn)的最大變形發(fā)生在支撐輥輥頸的軋制力加載區(qū)域，最大值約為70μm。沿支撐輥與工作輥的輥徑方向，出現(xiàn)了較明顯的變形區(qū)域。
圖3 工作輥軸線、底面及與板帶接觸位置在鉛直方向的變形(μm)
圖4為整理的工作輥軸線、底面及與板帶接觸位置在鉛垂方向的變形，其變化趨勢類似；工作輥軸頸與工作軸間存在小范圍的撓度突變；工作輥底面變形較軸線位置嚴(yán)重，整體凸度接近-18，而在與1000mm寬度的帶鋼接觸面上凸度變形較小，保持-8左右。
隨后保持4400kN軋制力不變，作不同彎輥力(-400～400kN)工作輥底部變形分析：
圖4 不同彎輥力下工作輥底面變形
圖5 不同軋制力工作輥底面變形
圖6 4400kN軋制力、-400kN彎輥力下不同板帶寬度工作輥底面鉛直方向變形
圖5為控制軋制力4400kN不變，彎輥力由-400kN至400kN下工作輥底面在鉛垂方向的變形，隨著彎輥力的不斷增大，工作輥的整體凸度也隨之增大，最小值發(fā)生在彎輥力-400kN時(shí)，凸度為-20；圖6為控制彎輥力0kN不變時(shí)，軋制力在2000kN至4400kN變化時(shí)工作輥底面在鉛垂方向的變形情況，工作輥底面凸度隨軋制力的增大而減小，其最小值發(fā)生在軋制力4400kN時(shí)，凸度值為-18。
作4400kN軋制力、-400kN彎輥力，得到不同板坯寬度時(shí)工作輥底面在鉛直方向的變形(圖6)，隨著板帶寬度的增大，工作輥底面的凸度也隨之增大；軋輥對(duì)寬板坯的凸度控制更好。
表2 實(shí)測板型參數(shù)與模擬凸度對(duì)比
對(duì)平整機(jī)入口和出口的帶鋼進(jìn)行留樣，對(duì)比實(shí)測板型參數(shù)與模擬參數(shù)，模擬得到的板型凸度與實(shí)測凸度變化規(guī)律相似，且隨著板帶寬度的增加，模擬凸度更貼近于實(shí)測值，最大值為1.36。
5 結(jié)論
以Bland-Ford-Hill軋制力模型為基礎(chǔ)，針對(duì)唐鋼第一鋼軋廠平整分卷機(jī)組的四輥平整機(jī)，以軋制力與彎輥力為相互影響參數(shù)，進(jìn)行了四輥平整機(jī)的有限元計(jì)算，得到結(jié)論如下：
1) 軋輥的最大變形發(fā)生在支撐輥輥頸位置，發(fā)生疲勞失效的可能性較高；
2) 控制軋制力4400kN不變，彎輥力由-400kN增至400kN時(shí)，工作輥的整體凸度也隨之增大，最小凸度為-20；
3) 控制彎輥力0kN不變時(shí)，軋制力在2000kN至4400kN變化時(shí)，工作輥整體凸度隨軋制力的增大而減小，最小值為-18；
4) 對(duì)比實(shí)測板型參數(shù)與模擬參數(shù)，模擬得到的板型凸度與實(shí)測凸度變化規(guī)律相似，且隨著板帶寬度的增加，模擬凸度更貼近于實(shí)測值。
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