2010-3-热轧超薄规格工作辊辊端压靠辊系变形模型.pdf

《2010-3-热轧超薄规格工作辊辊端压靠辊系变形模型.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《2010-3-热轧超薄规格工作辊辊端压靠辊系变形模型.pdf（6页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、第 17 卷 第 2 期2010 年 4 月塑性工程学报JOURNAL OF PLASTICITY ENGINEERINGVol117 No12Apr1 2010doi:1013969/j 1 issn11007 22012 1 20101021018热轧超薄规格工作辊辊端压靠辊系变形模型(高效轧制国家工程研究中心 北京科技大学,北京 100083)卢 倩 何安瑞邵 健 杨 荃摘 要:在热轧薄窄料时,工作辊辊端压靠问题十分突出,引起带钢所承受的轧制压力、辊间接触压力和辊缝横向刚度等与非压靠状态有很大不同。文章详细分析压靠工况下的受力和变形特征,建立了工作辊辊端压靠的判别方法,并以影响函数法为基

2、础,研究了压靠工况下的辊系变形模型。并应用该模型对压靠的各工况进行分析,所得结论可用于指导生产。关键词:热轧;板形;压靠;辊系变形;节能环保中图分类号:TG335 1 5 文献标识码:A 文章编号:1007 22012(2010)0220095205Modelling the edge contact of work rollsin hot rolling of ultra2thin stripLU Qian HE An2rui SHAO Jian YANG Quan(Engineering Research Institute,University of Science and Techno

3、logy Beijing,Beijing 100083 China)Abstract:When a narrow thin strip is rolled on hot rolling mills,the edges of the work rolls may touch and deform.In such case,the actual rolling pressure on the strip,the rolls contacting force and the lateral stiffness of groove are different from the normalcondit

4、ions.In this paper,a detailed analysis of the stress and deformation characteristics about edge contact of work rolls had beencarried out,a new identification method and deformation model for edge contact of work rolls in hot rolling was developed basedon influencial function method.In addition,a lo

5、t of working conditions have been discussed and the conclusions derived can beused as guide for production.Key words:hot rolling;strip shape;work roll edge contact;deformation model;energy saving and environmental protection卢 倩 E2mail:luqian0351631com作者简介:卢 倩,女,1984 年生,河北省廊坊市,北京科技大学冶金工程研究院,工学硕士,主要研究

6、方向为热轧超薄规格板形控制收稿日期:2009207229;修订日期:2010 201 219 引 言随着以热代冷和节能降耗的趋势,热轧带钢厚度越 来 越 薄。2000 年,鞍 钢 热 轧 1780 提 出 了0 18mm1250mm 的特薄钢板和 1 1 2mm 1600mm的宽薄钢板轧制技术的目标1。2001 年,日本川崎钢铁公司确立了 0 19mm 110mm 超薄热轧带钢的无头轧制生产技术2。在轧制过程中,有时会出现工作辊在带钢之外接触的现象,称为辊端压靠。有关学者对铝箔轧制、极薄带钢平整轧制和冷轧中的辊端压靠问题进行了深入研究,但对热轧研究较少。而实际热轧轧制中,受带钢规格、磨损、辊形

7、等因素的影响,同样会出现工作辊辊端压靠现象,目前这一现象已十分突出。因此,针对热轧的典型四辊轧机特点,建立辊端压靠的判断和计算模型都十分必要。本文在辊端压靠的工况下,建立了计算模型,对该工况进行了判断,并求得了更接近实际工况下的辊系变形,完善了热轧板形控制系统,因此带钢的板形控制质量得到提高,因压靠存在而误判断的轧制压力损耗得到降低,进一步提高了生产的安全性和效率。1 辊系变形模型工作辊辊端压靠会改变辊系的力学性能,在压靠情况下,辊系变形模型应与传统模型有很大不同。辊端压靠将改变轧制压力的分布、辊间力的分布和辊系变形3。热轧中不同工况下,工作辊是否处于压靠状态需要判断。压靠前后,辊系变形模型不

8、同,所以首先在假设不压靠的工况下计算辊系变形,然后进行压靠判断,如果不满足压靠发生的条件,则直接输出结果,否则,在压靠模型中重新进行辊系变形的计算,并将非压靠结果作为其辊形计算的初始值。所以非压靠模型的计算是压靠模型的判断依据和基础,必须保证非压靠模型的正确性和计算的准确性。1 11 非压靠模型原理非压靠模型,即普通的辊系变形模型。该模型仍采用影响函数的离散化方法,其基本思想是将轧辊离散成若干个单元,同时将轧辊所承受的载荷及变形也按相同单元离散化4,如图 1 所示。同时对传统的求辊系变形方法进行了改进,为工作辊边部压靠的判断和计算做好准备。图 1 辊系变形模型Fig 1 1 Beam defl

9、ection model1 11 1 1 离散化处理计算完成后,需要对工作辊压靠进行判断,且工作辊通常比支撑辊长,所以需按工作辊辊身长度划分单元。支撑辊及带钢的离散单元在其各自有效范围内仍与工作辊的离散单元一一对应,在各自的有效范围外(如支撑辊在支撑辊身尺寸外,带钢在带钢的宽度外)的参数设为 0,例如,带钢和工作辊的压扁在带钢之外为 0,支撑辊在支撑辊身尺寸外的辊形为 0。1 11 1 2 力2变形关系轧辊弹性弯曲方程:Yr=Gr5+HrF(1)式中 Yr)轧辊的弯曲变形,对于工作辊,r 用w表示,对于支撑辊 r 用b 表示,下同 Gr)辊身分布力产生的轧辊弹性弯曲影响系数矩阵 Hr)作用在辊

10、径处的集中力 F 产生的轧辊弹性弯曲影响系数矩阵,工作辊受弯辊力,支撑辊受压下力 5)分布载荷向量轧制压力引起的工作辊压扁方程:Yws=GwsP(2)式中 Yws)工作辊与带钢之间的压扁变形 Gws)轧制压力引起工作辊压扁的影响系数矩阵,采用修正后的半无限体模型计算,其表达式见文献 4 P)轧制压力轴向分布矩阵辊间力引起的工作辊和支撑辊的相互压扁方程:ywb=2q1-M2PElnDwb+0 1407+1-M2PElnDbb+01036(3)式中 Dw,Db)工作辊、支撑辊直径 b)1/2 辊间压扁宽度 M)泊松比 E)杨氏模量 q)单元辊间力分布111 13 力平衡关系工作辊受力平衡方程:En

11、mj=1pj+Fw=Enbj=1qj(4)式中 nm)带钢半宽划分单元数 nb)支撑辊半辊划分单元数 Fw)单侧弯辊力(见图 1 中 Fwd,Fwo)支撑辊受力平衡方程:2Enbj=1qj=Pbo+Pbd(5)式中 Pbo,Pbd)操作侧、传动侧压下力(见图1)111 14 变形协调关系工作辊上表面和支撑辊下表面接触变形协调,涉及到两辊的挠曲变形和由于辊间力对两个表面产生的压扁。以向上为正,i 单元的压扁量为ywb(i)=ywb(0)+yb(i)+Cb(i)-yw(i)+Ci(i)(6)式中 ywb(i)i 单元支撑辊和工作辊辊间压扁量 ywb(0)中心压扁量 yb(i)支撑辊 i 单元挠曲变

12、形 Cb(i)支撑辊综合辊形 yw(i)工作辊 i 单元挠曲变形 Cw(i)工作辊综合辊形,包括初始辊形、磨损辊形和热辊形96塑性工程学报第 17 卷根据上述方程组计算辊系的综合变形5,作为压靠模型的判断依据和初始辊缝值。1 12 工作辊辊端压靠模型原理当工作辊发生压靠时,由上述的计算模型计算的辊缝形状如图 2 所示。程序中引入了一个广义辊缝的概念。在带宽尺寸以内,表示带材的出口厚度分布情况;在压靠部分是一个负值,其绝对值表示压靠量的大小,在带宽尺寸以外的非压靠部分,广义辊缝为工作辊辊缝6。压靠量的计算方程:Yww=Yws0-H0+Ywu-Cwu+Ywd-Cwd(7)式中 Yww)工作辊之间的

13、接触压扁变形量(上下辊的压扁量之和),含有 nw-nm个元素,Yww=yww(nm+1),yww(nm+2),yww(nw)T;当yww(i)0 时,工作辊辊间力 p(i)=0,即工作辊之间没有接触,当 yww(i)0 时,即存在压靠 Yws0)带钢与工作辊中心压扁量 H0)带钢厚度分布图 2 广义辊缝Fig12 Generalized gap判断带钢以外的广义辊缝值,若均大于 0,则不压靠,直接输出辊缝,若有小于 0 的单元存在,则认为发生了压靠。以其为初始值,进行考虑压靠的辊缝计算,程序框图如图 3 所示。针对压靠的受力和变形特点,模型在以下 3 个方面做了改进。1 12 1 1 力2变形

14、关系程序中的第 5 步,已知压靠量计算压靠力时,传统方法是根据费普尔公式,使用牛顿迭代法计算得到。根据压靠力和压靠量的曲线特点,用二次多项式对工作辊受压靠力和压扁量进行拟合,并用这个多项式曲线近似表示压靠力和压靠量之间的关系5。得到二者之间的函数和反函数关系后,已知其一,调用相应函数计算,即可得到另一变量,在保证精度的前提下,大大提高了计算速度。yc=b2f2+b1f+b0(8)图 3 压靠计算框图Fig13 Edge contact framef=c2y2c+c1yc+c0(9)式中 yc)压扁量 f)单位分布力 b0,b1,b2,c0,c1,c2)多项式系数112 12 力平衡关系工作辊辊

15、端发生压靠后,要对辊系受力情况进行更新,力的平衡方程变为Enwj=1pj+Fw=Enbj=1qj(10)式中 nw)工作辊半辊划分单元数,包括了压靠的单元 p)上工作辊下表面所受的分布载荷,包括带钢的轧制压力和下工作辊的压靠力112 13 变形协调关系工作辊和支撑辊的变形协调关系与非压靠模型相同,见式(6)。上工作辊下表面和下工作辊上表面接触变形协调,涉及到由于压靠力对两个表面产生的压扁、两辊的挠曲变形和带钢的厚度。式(7)即为该变形协调关系,第 2 步的计算使该方程自动满足。由上述式(1)式(10)即可得到工作辊压靠工况下的辊缝、工作辊和支撑辊辊间接触力、上下工作辊压靠力、轧制压力和压靠长度

16、。2 模型校验以某钢厂的 F7 机架在线模型设定值为已知条97 第 2 期卢 倩 等:热轧超薄规格工作辊辊端压靠辊系变形模型件,应用本文开发的辊系变形程序进行计算,将计算结果和出口板形实测值进行对比。轧制参数与工艺参数如表 1所示。表 1 轧制工艺参数Tab 1 1 Parameters of rolling condition参数数值入口厚度/mm2 1 528出口厚度/mm2 1 231入口温度/e898 1 5出口温度/e886 1 5压下力/kN8409功率/kW3949工作辊串辊/mm-66弯辊力/kN345轧辊速度/m/s11 124板带速度/m/s11 162前滑/%3133摩擦

17、系数0 1 248屈服极限/N/mm2272 1 5工作辊直径/mm600工作辊平均温度/e35 175工作辊热凸度/mm0 1 015工作辊磨损凸度/mm-0 1 23F7 机架出口辊缝计算值与实测值比较如图 4 所示。图 4 模型校验Fig14 Model examination从图 4 中可以看出,该模型的计算结果和实际板形吻合较好。说明新的辊系变形算法十分可靠。3 压靠工况仿真与分析以发生压靠时单位宽度轧制力(简称临界单位轧制力)的大小衡量各轧制因素对压靠的影响,临界单位轧制力越小,说明越易压靠。3 11 带钢规格影响利用上述模型及算法对压靠工况进行计算,取3 种带钢厚度,即 018m

18、m、1 1 0mm 和 112mm;4 种带 钢 宽 度,即600mm、900mm、1200mm和1500mm,根据上述各种正交工况,分别计算工作辊边部接触情况,其中,道次压下量为 0129mm,弯辊力为 0,其余参数见表 1。各规格带钢工作辊临界单位轧制力如图 5 所示。图 5 各种规格带钢工作辊辊端压靠临界单位轧制力Fig 1 5 Rolling pressure when work rolls contact从图 5 中可以看出,带钢越薄,临界单位宽度轧制力越小,即越易压靠。对于 1 1 2mm 以上的带钢,临界单位宽度轧制力很大,实际轧制中达不到,所以不可能发生压靠。对于各厚度规格的带

19、钢均存在一个易压靠的宽度范围,带钢太宽或太窄均不易压靠。900mm1200mm 宽带钢的压靠临界轧制压力较小,说明当单位宽度轧制力相同时,带钢在该宽度范围内易压靠,宽度增加或减小时均不易压靠。带钢较宽时,两端有害接触区减小,轧机刚度变大7,挠曲变形减小,所以工作辊端部不易压靠;带钢较窄时,总轧制力减小,挠曲变形减小,所以工作辊端部不易压靠,实际轧制中,带钢越窄,单位轧制压力设定值也会减小,所以实际更不易压靠。312 工作辊辊形影响对于 1200mm 的带钢,取 4 种工作辊辊形,即0mm、-011mm、-012mm 和-0 13mm,产生压靠的临界轧制压力如图 6 所示。图 6 工作辊辊形对辊

20、端压靠的影响Fig 1 6 Rolling pressure when workrolls contact98塑性工程学报第 17 卷从图 6 中可以看出,工作辊辊形与临界单位轧制力基本成正比,即负凸度越大,压靠越严重。3 13 弯辊力影响对于 1200mm110mm 的带钢,取单侧弯辊力为 0kN、100kN、200kN、500kN 和 1500kN,产生压靠的临界轧制压力如图 7 所示。图 7 各种弯辊力下工作辊辊端压靠临界单位轧制力Fig 1 7 Rolling pressure when work rolls contact从图 7 中可以看出,弯辊力与临界单位轧制力基本成正比,即弯辊

21、力越大,压靠越轻。因此可以通过加大弯辊力减轻或消除辊端压靠。3 14 窜辊影响对于 1200mm 的带钢,取 7 种窜辊长度,即0mm、50mm、100mm、150mm、200mm、250mm和 300mm,产生压靠的临界轧制压力如图 8 所示。图 8 工作辊窜辊对辊端压靠的影响Fig18 Rolling pressure when workrolls contact从图 8 中可以看出,增大窜辊时,临界单位轧制力增大,且曲线的斜率逐渐增大,即窜辊较大时,可明显减轻或消除辊端压靠。以上分析可用于指导实际生产减轻或避免压靠,当在如上所述工况下,末机架轧制压力超过临界单位轧制力时,可适当调整弯辊和

22、窜辊;可将负荷向上游机架分配,降低末机架负荷;或者调整辊形等。当压靠不可避免的发生时,轧制力调控对压靠发生具有一定的抵消功效,但不是唯一的方法。对于 1200mm 1 10mm 的带钢,改变轧制力,承载辊缝二次凸度如图 9 所示。从图 9 中可以看出,在以临界轧制压力为分界图 9 承载辊缝横向刚度Fig 1 9 Rolling gap configuration stiffness点,曲线左侧的斜率较大,即横向刚度较小,右侧的曲线变缓,即横向刚度增大,且对于 0 18mm 厚带钢压靠最严重的薄规格这一趋势更加明显。说明压靠的发生确实可以在一定程度上抵消轧制压力增大的影响,对稳定板形有利8。但在

23、热轧中,这是以轧机的消耗为代价的,所以应权衡利弊,可采取其他手段,如采用窜辊、弯辊、CVC 或 LVC10特殊工作辊辊形和负荷向上游机架分配等方法以尽量避免。通过大量计算发现,影响工作辊辊端压靠有多方面的因素。1)普通辊形较 CVC,LVC9等辊形更易发生压靠,且负凸度越大,压靠越严重,热辊形可减轻压靠,磨损辊形则加重压靠。2)弯辊力较小时,易发生压靠。3)不窜辊时,易发生压靠。4)当单位宽度轧制力相同时,存在一个易压靠的宽度范围,带钢太宽或太窄均不易压靠。一般确定宽度范围偏向窄规格。5)存在一个临界压靠厚度,不同工况,临界压靠厚度不同,但基本上厚度都在 1 1 2mm 以下;临界厚度以 下,

24、带钢越 薄,压靠 急剧 加剧。对 于018mm厚度的带钢,施加 4kN/mm 的轧制压力即可能发生压靠。本文辊系模型的压靠仿真分析结果,与某厂2250mm 热连轧机组末机架发生的压靠情况相符合,说明本文模型的计算精度十分可靠。4 结 论1)在热轧极薄带时,工作辊辊端的压靠,导致辊系受力情况的巨大改变,严重影响了板形的控制质量,因此有必要对工作辊辊端压靠进行预测和判别。(下转第 104页)99 第 2 期卢 倩 等:热轧超薄规格工作辊辊端压靠辊系变形模型 11 王新洲,付兴,时旭等.四辊轧机辊系压扁的有限元分析 J.塑性工程学报,2006.13(6):83 286 12 时旭,李山青,刘相华等.

25、薄带钢冷轧过程带钢变形的有限元分析 J.钢铁,2004.39(11):45274 13 Sun Jingna.Elasto 2plastic finite element simulation ofskin2pass and temper rolling processes A.Proceedingsof the 8thInternational Conference on Frontiers of De 2sign and Manufacturing C.Tianjin,China,2008.Sep2tember:23226 14 Sun Jingna.FEM simulation of t

26、he roll deformation ofsix2high CVC mill in cold strip rolling A.2008 Inter2national Workshop on Modelling,Simulation and Opti2mization C.HONGKONG,2008,December 27228 15 MSC.Marc help,volume A M,Theory and User In2formation.Version 2007r1.16 杜凤山.三维弹塑性有限元法模拟板带轧制过程 D.秦皇岛:东北重型机械学院,1990 17 P Buessler,P S

27、choenberger.Analysis of hot rolling byon elasto 2viso2plastic finite element method.4thInter.Steel Rolling Conf C.(F8112F8 1 7)France.1987(上接第 99 页)2)建立了考虑压靠的辊系变形模型,通过大量的计算与理论研究,验证了该模型的准确性,完善了热轧板形控制模型。3)对压靠发生的临界条件进行了仿真研究,分析各轧制因素对压靠的影响,所得结论可用于指导生产。参考文献 1 刘军,张志勤.日本热轧带钢无头轧制工艺与设备的开发 J.鞍钢技术,2000.(8):18 2

28、22 2 山田信男(日),张朝生.采用无头轧制技术生产超薄热轧带钢 J.鞍钢技术,2001.(6):45 248 3 Z Y Jiang,H T Zhua,DB Weia,et al.An approach toanalyse the special rolling of thin strip J.Journal ofMaterials Processing Technology,2006.177:130 2133 4 王国栋.板形控制和板形理论 M.北京:冶金工业出版社,1986 5 董立杰.热连轧机辊系纵向刚度在线计算模型研究 D.北京:北京科技大学硕士学位论文,2008 6 白振华,蒋岳峰,李兴东等.极薄带钢平整轧制过程辊端压靠问题 J.机械工程学报,2006.42(8):224 2228 7 何安瑞,杨荃,陈先霖等.变接触轧制技术在热轧带钢轧机上的应用 J.钢铁,2007.42(2):31234 8 刘华,杨荃,何安瑞.铝箔轧制中辊端压靠的有限元分析 J.塑性工程学报,2005.12(5):78281 9 王仁忠,何安瑞.LVC 工作辊辊型的板形控制性能研究 J.钢铁,2006.41(5):41244104塑性工程学报第 17 卷