摘要:针对某1420mm冷连轧机组生产中出现的轧制状态不稳定和板形异常问题,通过测量轧辊磨损与机组来料板廓,确定了机组轧制状态的影响因素-----热轧来料楔形,并利用有限元软件求解了承载辊缝形状的变化，定量计算了不同凸度支撑辊的辊系对楔形来料的抵抗能力。研究结果对异常来料的工艺问题具有指导意义。   

关键词:板形控制,热轧来料;有限元

1      1420mm机组概况

    某冷连轧机组共有5架轧机，S_l～S₃为四辊CVC、S₄～S₅为六辊CVC的机列设置形式。各机架的工作辊及中间辊均设有正负液压弯辊，S₅机架的工作辊还设有25个区域的分段冷却装置。

    S_l与S₅机架后设有板形测量辊，两机架各自构成独立的板形闭环控制系统。在轧制过程中，L₁板形计算机开始执行对S_l、S₅机架的闭环控制，同时以每6s的周期将实时数据传递给过程计算机L₂；L₂修改其中有关的设定参数，并将计算结果返回L₁，由此实现对机架S₂～S₄的开环控制。

    第1机架使用的是CVC工作辊以及变接触支撑辊。变接触支撑辊(Varying Contact—Length，简称VCL)技术的核心是在支撑辊上磨出特殊的辊型曲线，使得辊系在轧制力作用下，支撑辊和工作辊的辊间接触长度能与所轧带钢的宽度相适应，消除或减少辊间“有害接触区”，提高承载辊缝的横向刚度，增加轧机对板形干扰因素的抵抗能力，抑制板形缺陷的产生，使轧后带钢的板形保持稳定。

    热轧时为使带钢稳定顺行，带钢横截面要保持一定的凸度。要求供冷轧的热卷凸度一般控制在0～60μm，DI材为0~40μm。要使带钢在宽度方向上均匀延伸，各轧制道次必须保持带材截面比例凸度不变。

2    机组存在的问题

    一段时间以来，机组的轧制状态很不稳定，出现了严重的压下倾斜,而且一直是DS侧大于WS侧。与此同时，DS侧产品出现1／4浪。实测也证明，轧机上、下支撑辊均为DS侧磨损严重。

    支撑辊磨损异常是由于辊间接触压力异常引起的，在轧制相同规格、材质的带钢时，辊间接触压力异常一般起因于轧制力分布的变化。初步推断，机组压下倾斜严重与产品板形异常是来料楔形造成的，同时引起了严重的压下倾斜。

3机组数据采集

    对带钢在机组人口板廓与该卷带钢通过第l架轧机时压下倾斜程度进行了测量，采集约200卷，其中约85％以上数据有类似趋势。图1为有代表性的某卷带钢人口板廓形状和压下倾斜差值。

    由图1a可看出，来料DS侧平均厚度大于WS侧厚度，这说明来料呈现明显的楔形分布。

    图1b显示某段时间内的两侧轧制力差值，控制系统默认为DS侧减去WS侧的差值。图中轧机压下倾斜力平均达到0．17MN，即DS侧比WS侧的压力大0．17MN，而该状态对应的带钢厚度分布为楔形分布。

4     热轧来料楔形对冷轧机的影响

    对现场的跟踪测量得出，楔形热轧来料对冷轧机的主要影响表现在对轧辊使用寿命的影响和对机架出口板形的影响。

4．1热轧楔形来料对轧辊使用寿命的影响

    四辊CVC轧机辊系辊型特点和以往现场测量磨损情况表明：通常上下支撑辊磨损呈反对称情况，这与CVC工作辊曲线的特点一致。

    一段时间以来，通过对第1机架下支撑辊磨损情况的测量，发现支撑辊磨损分布严重不均，即上下辊驱动侧磨损严重，且轧辊服役周期存在缩短现象。图2a、b分别为第1机架上下支撑辊的磨损曲线。来料的板廓存在严重的楔形，以至造成严重的压下倾斜进而影响到轧辊的磨损状态。

    支撑辊磨损受辊间接触压力影响，在相同轧制宽度下，辊间接触压力较大处的磨损严重。压下倾斜是一个可直接改变辊间接触压力分布的因素。例如，当来料有一定的楔形，DS侧厚度大于WS侧厚度时，必将引起轧制力不对称，导致压下倾斜，即支撑辊DS侧压下力大于WS侧压下力，导致DS侧辊间接触压力较大，进而造成DS侧支撑辊磨损较大。

    现场对轧辊寿命跟踪表明：支撑辊寿命有一定程度的降低，原可轧制6．5万t的轧辊现只能轧制5万t。

4．2楔形热轧来料对板形的影响

    为了研究VCL支撑辊在不对称轧制力下的辊系变形和承载辊缝特点，利用有限元分析软件ANSYS8．0分别建立两类辊系的有限元模型。

    (1)模型基本参数的确定

    为了定量计算VCL支撑辊抵抗轧制力不对称的能力，对第1机架常用的2种支撑辊VCL和平辊(前者凸度大于后者)的工况条件进行了设计，以进行承载辊缝计算。2种轧辊的工作辊辊径为Φ420mm，支撑辊辊径为Φ1250mm，带钢宽度为700、1230mm，总轧制力为10455kN。

    不均匀轧制力分布Q(x)：这里假设轧制力分布和热轧料人口板廓分布规律一致，即轧制力分布与厚度分布成正比。根据所取人口板廓平均厚度分布拟合出入口带钢板廓曲线：

    y(x)=(0．81x⁴一17．48x²+9．4x+1969．73)／1000    (2)

式中，x为带钢宽度方向归一化处理的坐标；y为与x对应的厚度值，mm。

    ∫Q(x)dl=F                  (3)

式中，l为带钢宽度；F为总轧制力。

    Q(x)=ky(x)                   (4)

    由式(2)、式(3)、式(4)可得轧制力分布，根据载荷移植求得各节点的轧制力。

    辊系受力简图见图3。轧制力大小的分布趋势和辊型曲线函数的分布值在上、下辊完全相反，即上工作辊直径较大区域作用了较大轧制力；而下工作辊直径较小区域作用了较大轧制力。

    上、下工作辊受力状况不同，导致上、下CVC工作辊的承载辊缝完全不同，既不是对称分布，也非反对称分布。

    (2)模型的建立和有限元计算

    辊系变形模型建立和网格划分，考虑到工况数目和节省计算资源，取半辊系的1／2作为计算模型。为精确得到有载辊缝曲线结果和兼顾计算速度，可将支撑辊网格划得稀疏一些，工作辊和靠近辊缝的位置划分得密一些。

    由于上、下工作辊受力状况不同，上、下辊系需分别建立模型，才能求得各自承载辊缝。有限元模型如图4所示。

     将分布载荷通过计算移植到辊缝各个受力节点。根据辊系受力特点，设置模型约束和辊间接触对。由于辊间接触属于不规则平面接触问题，合理的接触对设置是建立模型的关键。分别计算上、下辊系的辊缝变形量，叠加后可得承载辊缝的形状。由上、下承载辊缝曲线可得到板廓形状。

  图5为各工况下仿真板廓厚度颁布图。  

根据计算所得的出口板廓，拟合成4次曲线，求得各工况下板带的楔形度和轧辊抵抗轧制力不对称能力。VCL支撑辊与平辊辊系抵抗轧制力不对称能力相差很小，VCL略低。在带钢宽度为700mm时，前者比后者抗轧制力不对称能力低2．2％左右；在带钢宽度为1230mm时，前者比后者低2．5％左右，见表1。

    综合考虑VCL支撑辊在改善板形方面的优点，S₁机架仍采用VCL支撑辊。

  从上述有限元计算结果看，楔形热轧来料直接造成出口板廓的异常。根据保持板形良好的几何条件：

  C_H／H=C_h／h            (5)

式中，C_H／H为人口轧件截面的比例凸度；G_h/h为出口轧件截面的比例凸度。

    要使带钢宽度方向延伸均匀，各轧制道次必须保持带钢截面比例凸度不变。在冷轧生产中，由于轧件宽厚比很大，带钢除边部外基本没有宽展，在中心区必须保持比例凸度不变以保证带钢平坦度。

5    解决措施

    在实际生产中，当楔形来料造成承载辊缝偏离控制目标时，机组的板形控制系统会根据第1机架板形目标曲线通过压下倾斜来调节承载辊缝形状，造成机架人、出口轧件截面比例凸度的差值，产生沿宽度方向的不均匀延伸，导致板形问题。在上述规格的生产中，也因此使产品在DS侧易产生1／4浪。

    该冷连轧机组可根据产品选用不同的轧制模式。采用C方式轧制时，带钢的总变形量几乎集中在前4个机架上，S₅的变形量只占总变形量的0．3％左右，其相对变形率小于10％。将最末机架S₅当作平整机，保持机架轧制力恒定则有利于对带钢最终板形的控制。

    对于楔形来料采取的措施是：S₁机架强制达到比例凸度的目标值，在后续机架，控制比例凸度互等，均等于比例凸度的目标值。

    此外，机组对楔形热轧来料的适应性是有限度的，需根据下游生产中不同用途和规格产品种类和现场轧制实际，制定不同的热轧来料楔形度要求。由于楔形热轧来料对支撑辊磨损和板形都存在不良影响。综合考虑并根据生产实际，给出基于统计学的常见规格来料的楔形度控制标准。以常见规格：钢种编号SECC，入口规格为2．620mm×1033mm，出口规格0．498mm×1044mm来料为例，要求其高点与低点的厚度差应小于0．2mm(基于板形问题考虑)；厚度高点在某一单侧(如DS侧)，并且差值为0．15～0．20mm的来料，应不超过来料总数的70％(基于支撑辊磨损考虑)。

    还可根据热轧不同楔形度来料修改和制定与之适应的板形目标曲线。

6结论

    (1)在生产中，引起冷轧机支撑辊不对称异常磨损的原因是热轧来料存在规律性的楔形。支撑辊不对称异常磨损降低了其使用寿命。

    (2)楔形来料易造成出口板廓呈现不对称的高次形态，控制系统强制调整的结果更易出现1／4浪，严重影响板形质量。

    (3)使用小凸度的支撑辊可在一定程度上提高辊系消化楔形不对称来料的能力，但会大大削弱轧机对板形的控制能力。