搜索
2007年全国塑性加工理论与新技术学术研讨会2007年5月沈阳220热轧酸洗板平整机辊型曲线研究李俊洪（攀枝花钢铁研究院,四川攀枝花617000）摘要：针对热轧酸洗板的生产工艺特点，以带材前张应力横向分布均匀和辊间接触压力分布均匀作为目标函数，建立了一套针对热轧酸洗板平整机辊型优化数学模型，并将其应用到攀钢热轧酸洗板平整机辊型优化，提高了热轧酸洗板的平整质量。关键词：热轧酸洗板，平整机，辊型曲线StudyofRollShapeforHot-RolledPicklingSheetTemperMillLIJunhong(.PanzhihuaIron&SteelResearchInstitute,Panzhihua617000,Sichuan,China)Abstract：Accordingtothecharacteristicsofproductiontechnologyofhot-rolledpicklingsheet,amathematicmodelthatdesigntherollshapeofhot-rolledpicklingsheettempermillisconstruct．Inthismodel,theuniformityofthedistributionoffronttensionandcontactpressurebetweenrollsistakenastheobjectivefunction.Themodelhasbeenusedtodesigntherollshapofhot-rolledpicklingsheettempermillinPZHSteel.Thisworkimprovesthequalityofhot-rolledpicklingsheet.Keywords：hot-rolledpicklingsheet;tempermill;rollshape1引言板形是板带钢的重要质量指标。随着其它工业部门对板带材板形的要求日趋严格，板形控制技术也得到了长足发展，出现了许多新的板形控制方式。但无论采用何种板形控制工艺和设备，为了获得良好的板形，必须使轧机的工作辊负载辊缝与带钢断面形状相适应。因此，正确合理的辊型曲线是获得良好板形的基本条件，辊型优化技术作为提高板形控制能力的手段得到越来越广泛的应用[1,2,3]。平整是生产热轧酸洗板的重要工序。对于热轧酸洗板平整过程，不仅要保证带钢板形平直，而且要控制带钢表面质量。为了保证热轧酸洗板的机械性能，一般采用较小的平整延伸率。但由于热轧来料板凸度较大，在较小的延伸率情况下，经常出现非平整边缺陷，降低了热轧酸洗板的表面质量。本文针对热轧酸洗板的生产工艺特点，以带材前张应力横向分布均匀作为目标函数，同时兼顾工作辊与支撑辊间接触压力横向分布均匀，建立热轧酸洗板平整机的辊型优化数学模型并将其应用到攀钢热轧酸洗板平整机的辊型优化，不仅提高了酸洗带材板形和表面质量，而且使支承辊和工作辊间接触压力分布均匀，从而起到均匀磨损，延长轧辊使用寿命的目的。2平整机板形和断面形状计算模型平整机板形和断面形状计算模型主要包括金属塑性变形模型和辊系弹性变形模型。金属塑性变形模型主要是计算单位轧制压力和前后张应力横向分布，辊系弹性变形模型计算负载辊缝形状。2.1单位轧制压力和前后张应力的计算单位轧制压力的计算采用文献[4]的精确模型。该模型不仅考虑了轧件弹性变形对冷轧薄板单位轧制压力和接触弧长的影响，还考虑了粘着区对单位轧制压力的影响。2007年全国塑性加工理论与新技术学术研讨会2007年5月沈阳221前张应力横向分布采用文献[5]的模型])()()()(1[1)(211bbyuLyLHyHhyhEyΔ−′+−−+−+=υσσ(1))(),(yhyH—入、出口板厚横向分布函数；υ,E—带材弹性模量和泊松比；1σ—带材的平均前张应力；)(yL—来料长度横向分布函数；−−−LhH,,—)(),(),(yLyhyH的平均值；)(yu—带材出口横向位移函数；bΔ—带材宽展量；式中)(yu—出口横向位移函数。后张应力横向分布采用文献[6]的模型：])()1)(())(1)(([1)(200LyLbbyHhyuyhHEy−Δ+′+−+=υσσ(2)式中0σ—带材的平均后张应力。公式（1）、（2）的带材宽展量bΔ和横向位移函数)(yu用变分法进行计算[5]。1.2辊系弹性变形模型工作辊与支撑辊的弹性弯曲采用悬臂梁模型影响函数法[5]进行计算。四辊轧机辊系弹性变形影响函数法计算模型见图1。l2/2Lw/2Lb/2l1/2p1p2pmqnq1q2O1O2FwP/2图1影响函数法计算模型Fig.1Thecalculationmodelofinfluencefunctionmethod工作辊垂直方向的弯曲挠度方程为：wwijjnjijwiFapqaf−−=∑=)(1（3）支撑辊垂直方向的弯曲挠度方程为：2007年全国塑性加工理论与新技术学术研讨会2007年5月沈阳222piwnjjijbibFPqbf)2(1++−=∑=（4）工作辊与支承辊变形协调方程：2)(1biwiibiwiDDqqKffΔ+Δ−−+=（5）在公式（3）、（4）中，ija、wia、pib及ijb为影响函数，一般采用材料力学悬臂梁模型进行计算。为了提高计算精度，本文采用有限元法计算结果对材料力学悬臂梁模型计算结果进行修正。公式（5）中K为工作辊与支撑辊间的弹性压扁系数，采用赫兹弹性接触理论计算。wiDΔ、biDΔ分别为工作辊和支撑辊辊身中部与任意位置的直径差，由原始辊型曲线、热凸度及磨损决定。在热轧酸洗板平整机中，由于轧辊温升及磨损较小，可忽略热凸度及磨损的影响。工作辊与轧件间的弹性压扁是影响计算精度的关键因素，通常采用弹性力学半平面或半空间理论进行简化计算。为了提高工作辊与轧件间弹性压扁计算精度，本文采用有限条法计算[7]。2辊型曲线设计基本原理及方案2.1辊型曲线设计基本原理在实际生产中，板形控制目标就是使带钢前张力横向分布尽量均匀，即前张应力最大值与最小值之差)min()max(iiσσ−最小。对任意产品，当弯辊力一定时，必然有一最佳辊型曲线，使得)min()max(iiσσ−最小。而辊型优化的目的，就是设计一种合适的辊型适应所有产品的生产需要，即使得所有规格的产品（N中产品）的最佳弯辊力都在基态附近（对于有正负弯辊的轧机，将基态弯辊力为0）。这样既能较平辊降低弯辊力，又可以使弯辊力有足够的上下调节范围，从而提高弯辊力对板形的控制能力。所以辊型优化的目标函数可以表示为：∑=−=NiiiXg1))min()(max(min)(σσ（6）另外，为了均匀辊间接触压力，在进行辊型曲线优化时增加辊间接触压力均匀为目标函数：∑=−=NiiiqqXG1))min()(max(min)(（7）因此，总的辊型优化目标函数为：)()1()()(xGxgXFαα−+=（8）式中α—加权系数；在热轧酸洗板平整轧制过程中，由于压下率较小，可能出现非平整边。为了提高平整表面质量，必须增加非平整边的约束条件（带钢边部位置轧制压力大于0）。2.2辊型曲线设计方案工作辊辊型曲线采用六次多项式函数：∑=+=3122)2()(iiwiwwLxDxDα(9)式中wD—工作辊原始辊径，mm；wL—工作辊辊身长，mm；i2α—系数。2007年全国塑性加工理论与新技术学术研讨会2007年5月沈阳223支承辊辊型曲线设计成分段函数的形式，支撑辊的辊型曲线中间部分为平辊，两边为幂函数（图2）。辊型曲线函数为：⎪⎩⎪⎨⎧−−−−−≤=)2(||))2(||()2(||)(zkzzbzbblLxllLxRlLxRxRδ(10)式中bR—支撑辊辊身半径，mm；L—支撑辊辊身长度，mm；zl—支承辊削肩长度，mm；k—幂函数次数；δ—支承辊削肩深度，mm。yxzlδL图2支承辊辊型曲线示意图Fig.2Thesketchofback-uprollshape这样，辊型曲线设计最终就是采用优化方法求解参数向量],,,,,[642klXzδααα=，在满足约束条件的前提下使目标函数)(XF最小。计算流程见图3。图3计算流程图Fig.3Theflowdiagramofcalculation3热轧酸洗平整机辊型优化应用效果攀钢冷轧厂热轧酸洗板平整机原工作辊采用40mμ余弦函数辊型曲线，支撑辊采用平辊。虽然在2007年全国塑性加工理论与新技术学术研讨会2007年5月沈阳224生产时基本满足板形要求，但容易出现非平整边的表面质量缺陷。采用上述辊型曲线优化理论对该平整机的工作辊和支撑辊进行辊型曲线设计，并于2005年10月上机运行，效果显著，不但能保证产品的板形质量，而且能将非平整边的表面质量缺陷也能控制到用户认可的范围内。为了定量说明辊型优化的效果，以两种典型规格产品为例，模拟出辊型优化前后带材的出口张应力、轧制压力及辊间接触压力的横向分布情况。相关轧制工艺参数见表1，带材的出口张应力、轧制压力和辊间接触压力的横向分布见图4、图5。表1典型产品平整工艺参数Table1Thetechnicalparametersoftypicalproduction典型产品1（STW22）典型产品2（STW22）规格(mm×mm)2.3×10003.2×1250轧制压力(T)1501800100200300400500离板宽中心距离(mm)190200210220230240250260前张应力横向分布(MPa)优化前优化后0100200300400500离板宽中心距离(mm)-1,000-50005001,0001,5002,0002,500轧制压力横向分布(N/mm)优化后优化前0100200300400500600700离工作辊中心距离(mm)8001,2001,6002,0002,400辊间接触压力分布(N/mm)优化后优化前图4产品1前张应力、轧制压力和辊间接触压力横向分布Fig.4DistributionofNo.1production’sfronttension,rollingpressandcontactpressurebetweenrolls从图4、图5可以看出，采用优化辊型曲线之后，在保证带材板形良好（带材前张应力横向分布更加均匀）的前提下，带材边部位置单位轧制压力得到相应提高，减小了非平整边缺陷。而且辊间接触压力横向分布更加均匀，从而可起到均匀磨损，延长轧辊使用寿命的目的。2007年全国塑性加工理论与新技术学术研讨会2007年5月沈阳2250100200300400500600700离板宽中心距离(mm)90100110120130140150160前张应力横向分布(MPa)优化后优化前0100200300400500600700离板宽中心距离(mm)4008001,2001,6002,0002,400轧制压力横向分布(N/mm)优化后优化前0100200300400500600700离工作辊中心距离(mm)5001,0001,5002,0002,5003,000辊间接触压力分布(N/mm)优化后优化前图5产品2前张应力、轧制压力和辊间接触压力横向分布Fig.5DistributionofNo.2production’sfronttension,rollingpressandcontactpressurebetweenrolls4结论针对热轧酸洗板平整工艺特点，以带材前张应力横向分布均匀和辊间接触压力分布均匀作为目标函数，建立了热轧酸洗板平整机辊型曲线优化模型。经攀钢冷轧厂热轧酸洗板平整机实际应用表明，采用该模型优化设计的辊型曲线，在保证带材板形良好（带材前张应力横向分布更加均匀）的前提下，单位轧制压力横向分布均匀度得到相应改善，提高了平整表面质量。而且辊间接触压力横向分布更加均匀，从而起到均匀磨损，延长轧辊使用寿命的目的。参考文献[1]白振华,连家创,刘峰.宝钢2050热轧厂平整机辊型优化技术的研究[J].钢铁,2002,37(9):35-38.[2]李立新.四辊轧机辊型曲线的理论