辊形配置对辊间接触压力与板形调控影响分析
尚飞1,2，李申光1，李艳琳3
(1. 内蒙古科技大学机械工程学院， 内蒙古 包头 014010；2. 内蒙古自治区机电系统智能诊断与控制重点实验室， 内蒙古 包头 014010；3. 北京科技大学机械工程学院， 北京 100083)
摘要：为系统分析不同辊形配置下辊间接触压力分布形式与板形调控特性，以某1 800 mm热轧生产线使用的2种典型辊形配置为研究对象，建立对应的辊系有限元模型，计算不同带钢规格与调控手段下辊间接触压力分布形式，分析得出常规凸度支撑辊对应的辊间接触压力分布形式与CVC工作辊辊形呈现出明显的对应性，且压力分布形式受轧制规格与调控手段的影响明显小于CVC支撑辊。利用接触压力峰值和不均匀度表述辊间接触压力分布特征，将不同规格与调控手段对辊间接触压力分布特征的影响进行量化处理，得到更为具体的不同参量在整个变化范围内对分布特征的整体影响趋势。同时还对2种辊形配置下不同辊间接触压力对轧机板形调控特性影响进行分析，得出CVC支撑辊对应辊形配置的弯辊力与窜辊位置在板形调控能力上均强于常规凸度支撑辊辊形配置，而不同辊形配置对辊缝形状的影响表现出较为明显的差异，引入辊间接触压力边中比得到调控特性与辊间接触压力之间的具体关系，并结合现场的实际生产数据对仿真分析结果进行验证，研究结果可为现场辊形配置与板形调控提供较好的理论基础和生产指导。
关键词：辊形配置；辊间接触压力；压力分布；压力峰值；压力不均匀度；压力边中比；凸度调控
1 引言
在板带轧制过程中，辊形配置是直接影响板形质量的重要因素。随着板形质量要求的不断提升和板带规格种类的不断增多，对辊形凸度调控能力的要求也在提高。在此背景下，以凸度控制能力强而著称的CVC辊形成为目前主流工作辊辊形，在进行辊形配置时，多采用工作辊与支撑辊均为CVC辊形或工作辊、CVC辊形配合支撑辊常规凸度辊形。不同的辊形配置形式对辊间接触压力分布的影响十分显著，而辊间接触压力分布形式的不同既影响轧辊使用寿命，同时也对板形控制造成直接影响，因此围绕辊间接触压力分布，国内外学者做了大量研究。DONG Qiang等对某热轧生产线支撑辊表面剥落问题进行仿真分析，并结合检测结果发现支撑辊表面裂纹处与仿真得到的辊间接触压力峰值位置一致，认为辊间接触压力尖峰在支撑辊接触疲劳中起主导作用；李洪波等利用模型仿真分析支撑辊内应力状态，提出支撑辊辊间接触压力分布不均是造成支撑辊不均匀磨损与剥落的主要因素，并分析了不同辊形在不同状态下的辊间接触压力分布形式，最终提出了支撑辊新辊形，在工业试验应用中得到了良好的使用效果；郝建伟等针对武钢2 250 mm支撑辊剥落问题，基于VCR变接触思想，提出中部CVC复合边部VCR辊形的支撑辊新辊形CVR，工业应用结果表明CVR自保持性较好，可使轧制后期辊间接触压力不均匀度较原辊形显著降低；为解决轧辊的局部不均匀磨损问题，曹建国等分别建立了3种典型辊形配置的辊系有限元模型，发现VCR/ASR新辊形配置可有效控制轧辊磨损并使板形质量得到显著提升，其中ASR辊形技术针对常规工作辊的“U”形磨损，利用辊形和窜辊的非对称性并与弯辊力配合，使轧件始终处于辊形较为平坦的区域内，以改善辊缝非对称性和工作辊不均匀磨损，从而实现自由规程轧制；张云锦等等开发了边部带有锥度的工作辊辊形ATR，工业应用结果表明新的辊形配置方案使带钢边降问题得到明显改善；SONG Guang-yi等建立了板带轧辊耦合的三维模型，分析了常规凸度辊辊形对辊间接触压力的影响，并结合现场工业试验得出，相较于工作辊与支撑辊均采用平辊的形式，正凸度工作辊配合可变接触支撑辊可有效改善辊间接触压力峰值和不均匀度；LI Guang-tao等以均匀辊间接触压力为目的，设计了一种新的R-CVC支撑辊辊形并对其参数进行了优化，对比分析了不同辊形在不同窜辊位置时的辊间接触压力分布，得到R-CVC支撑辊辊形可以有效均匀辊间接触压力分布的结论；文杰等为提升辊间接触压力的均匀性，在支撑辊上采用VCL 辊形技术，并将平辊辊形应用于工作辊，从而优化四辊 CVC 平整机辊形配置，改进后的辊形配置在提升板形控制能力、辊形自保持性方面表现良好；WANG Xiao-dong等结合CVC支撑辊与VCR支撑辊的特点设计了新的支撑辊辊形，有效改善了辊间接触压力分布，并提升了辊缝刚度，使带钢断面控制更加稳定，提高了轧机的板形控制能力。对于热轧带钢下游机架工作辊磨损不均匀问题，目前针对辊间接触压力的研究虽然很多，但主要集中在不同辊形配置下辊间接触压力分布形式以及优化支撑辊辊形、均匀辊间接触压力分布形式上，而对于不同调控手段对辊间接触压力分布影响的量化研究较少，同时在辊间接触压力分布形式对板形控制性能影响方面的研究也较少，而上述两方面均在指导工业生产中具有一定的意义，因此本文以某1 800 mm热轧生产线为研究对象，通过对生产过程中2种典型辊形配置形式在不同调控手段下的辊间接触压力分布特征及其对板形调控性能的影响进行分析，力求为现场生产提供理论支持。
2 精选图表
3 结论
(1)以某1 800 mm热轧生产线的2种典型辊形配置为研究对象，建立了辊系有限元模型并进行多种工况的仿真计算，分析得到常规凸度支撑辊配合CVC工作辊时辊间接触压力分布形式与CVC工作辊辊形呈现出明显的对应性，且不同规格与调控手段对辊间接触压力分布形式的影响较小；而对于CVC支撑辊配合CVC工作辊的情况，不同轧制规格与调控手段对辊间接触压力分布形式影响较大且影响区域并不相同，主要表现为轧制力变化会使辊间接触压力整体放大或缩小、带钢宽度变化主要影响轧辊中部辊间接触压力分布、弯辊力变化主要影响轧辊边部的辊间接触压力、而窜辊位置不同会使轧辊全长的辊间接触压力分布发生变化。
(2)利用接触压力峰值与不均匀度表述辊间接触压力分布特征，并将不同轧制规格与调控手段对其产生的影响进行量化处理，经分析得到对于常规凸度支撑辊的辊形配置，轧制规格与调控手段对压力分布特征的影响近似为线性影响，而对于CVC支撑辊的辊形配置，窜辊对辊间接触压力分布特征的影响表现出先减小后增大的趋势，其余参量影响近似为线性变化，计算得到的量化值可分析不同参量在整个变化范围中产生的影响。
(3)对2种辊形配置下不同辊间接触压力分布对轧机板形调控特性影响进行了分析，并引入辊间接触压力边中比参数，经分析得到弯辊力调控下带钢凸度变化与辊间接触压力边中比成反比，而在窜辊调控下，带钢凸度变化与辊间接触压力边中比成正比，且相较于常规凸度支撑辊CVC支撑辊在2种调控手段下的变化程度均更为剧烈。对现场2种辊形配置下的实际生产数据进行统计分析，得到了与理论仿真分析相一致的结论，验证了前述分析的可靠性。研究得到的结论可以为现场的辊形配置与板形调控过程提供较好的理论分析基础与生产指导。
