宽带钢热连轧机自由规程轧制的板形控制技术_曹建国.pdf

宽带钢热连轧机自由规程轧制的板形控制技术曹建国1) 轧 楠1) 米凯夫1) 宋 平2) 鄢檀力2) 蔡海斌2)1)北京科技大学机械工程学院, 北京 100083 2)武汉钢铁( 集团) 公司, 武汉 430083摘 要 针对无取向硅钢连续自由编排“批量同宽”的自由规程轧制要求, 自主开发了 ASR- C 非对称自补偿工作辊技术.采用ANSYS 建立了三维辊系有限元模型. 有限元分析和工业应用试验发现, ASR- C 工作辊无论是在带钢宽度变化时, 还是在轧制单位完整服役期内, 均具有稳定的凸度和磨损控制双重能力, 同时 ASR- C 工作辊增强了辊缝横向刚度和弯辊力的调节效率. 在武钢 1700mm 热连轧机进行了 2. 55mm×1280mm 宽幅无取向硅钢“批量同宽”轧制的 ASR- C 工作辊工业试验.结果表明, 凸度≤45μ m 的带钢比例由常规工作辊的 41. 8%提高到 98. 2%, 凸度>53μ m 的带钢比例从 33. 9%下降到 1. 8%,ASR- C工作辊辊形自保持性达到 88%. ASR- C 技术取得显著稳定的凸度和磨损控制效果, 实现了“ 批量同宽”的自由规程轧制.关键词 热连轧机; 板形控制;轧辊磨损; 有限元分析分类号 TG333. 7Profile and flatness control technology for schedule-free rolling in hot wide strip millsCAO Jian-guo1), Y A Nan1), MI Kai-fu1), SONGPing2), Y AN Tan-li2), CAI Hai-bin2)1)School of Mechanical Engineering , University of Science and Technology Beijing , Beijing 100083, China2)Wuhan Iron profile and flatness control;roller wear ; finite element analysis收稿日期: 2008 -10-07基金项目: 北京科技大学科技发展专项基金资助项目( No . 20050311890)作者简介: 曹建国( 1971—) , 男, 副教授, 博士, E-mail: geocao @ me . ustb. edu. cn热连轧是板带生产流程中的重要环节. 提高热连轧生产组织灵活性和追求最大生产效率的途径之一就是实现自由规程轧制 . 自由规程轧制即带钢宽度可连续变化— — —由宽到窄、同宽或由窄到宽进行轧制 ,主要是指可“同宽轧制”或“大逆宽轧制” . 自由规程轧制本质上还是一个板形控制问题[ 1]. 制约第 31卷 第 4期 2009 年 4 月北京科技大学学报 Journal of University of Science and Technology BeijingVol. 31 No. 4 Apr. 2009D OI : 10. 13374/ j . issn1001 - 053x. 2009. 04. 015轧制计划灵活编排的最直接因素是热连轧机下游机 架轧制过程中产生的工作辊严重凹槽型“U”磨损 .要实现自由规程轧制, 首要问题就是要求轧机必须具备分散轧辊磨损和热凸度的能力 ; 同时,还要求轧机具备足够的板凸度控制能力. 近年来 , 对于严重 凹槽型“U”磨损 ,有关文献提出在精轧 F7 机架采用平辊或低凸度辊控制, 而其引发的最大问题就是板形控制能力不足[ 2]. 实际上, 平辊窜辊仍然是低刚 度辊缝,不具有凸度控制功能 . 所以, 在实现“同宽轧制”和“大逆宽轧制”的同时 ,提高热连轧机下游机架弯辊力的板形调节效率 ,保证板形质量,是实现自由规程轧制的关键. 冷轧硅钢片作为国家优先发展的高效节能、优秀软磁功能材料 ,是我国钢铁工业品种结构调整的重点. 低牌号无取向硅钢是目前国内产量最大 、用 途最广泛的冷轧硅钢材料. 近年来, 板形控制已成为冷轧硅钢片生产的关键性难题之一 . 热轧是低牌号无取向硅钢板形控制的关键工序 ,因此武钢和北京科技大学合作成立课题组, 研究低牌号无取向硅 钢热轧板形控制的 ASR- Y[ 3 ]和 ASR- N[ 4 ]技术 , 先后分别应用于 2. 3 mm ×1 050 mm 常规宽度和 2. 3mm×1280 mm 宽幅无取向硅钢热轧板形控制 , 并取得了显著而稳定的效果 . 为了更好地满足市场需 求,武钢 1700mm 热连轧机已经轧制 1210, 1225,1245, 1280,1300mm 等多种宽度无取向硅钢板[ 5 ],且根据合同要求采取连续混合编排方式组织同宽轧 制. 大规模批量生产及板宽变化范围大使无取向硅钢的生产编排面临着极大的挑战. 因此 , 自主开发多种宽度连续混合编排实现批量同宽轧制的自由规程轧制技术,具有重要的理论意义和实际价值 .1 自由规程轧制 ASR- C技术的板形控制性 能在 2. 3mm ×1050mm 常规宽度无取向硅钢研制ASR- Y 工作辊和 2. 3mm ×1280mm 宽幅无取向硅钢的 ASR- N 工作辊的基础上, 针对无取向硅钢热轧品种多样性及混合编排轧制的要求, 提出了 自由规程轧制的 ASR- C 技术; 根据轧制过程中轧辊的磨损规律以及多宽度带钢轧制的不同要求 , 设定特殊控制功能和窜辊方式, 使不同宽度带钢连续 混合编制轧制过程中的工作辊磨损由“ ∪”形变为“ ”形, 使轧件始终处于辊形较为平坦的区域内, 打破“由宽至窄”的“Coffin”轧制规程约束 ,在实现自由批量同宽轧制的同时实现带钢板形良好控制 . 为了进一步分析大批量同宽轧制无取向硅钢条件下 ASR技术的调控特性 ,利用 ANSYS 有限元软 件建立了辊系弹性变形有限元模型, 建模时采用了辊系结构的 1/4,如图 1 所示 . 模型在计算过程中,将支持辊表面指定为目标面 , 使用单元号为 TAR-GET170 ; 工作辊表面指定为接触面 , 使用单元号为 CONTACT174 . 以上两单元均为面- 面接触单元.所有参数均根据多宽度轧制单位连续自由编排的“批量同宽”轧制条件, 且ASR在整个服役期内不断 变化的控制方法而动态设定 ,建模所需参数见表 1.图 1 1 700mm 热连轧机四辊轧机辊系变形有限元模型Fig. 1 Three-dimensional finite element roll system model of a 1700mm 4 -hi mill表1 辊系有限元模型的建模参数Table 1 Modeling parameters for a finite element model of roll systems参数项参数值工作辊辊身尺寸, DW×LW700mm×2000mm工作辊辊颈尺寸, DN×LN420 mm×650mm支持辊辊身尺寸, DB×LB 1 500 mm×1700mm支持辊辊颈尺寸, DE×LE 980 mm×800mm单位宽度轧制力, P/( kN·mm- 1)8～ 11工作辊弯辊力, FW/kN0～ 2 0001. 1 凸度调节域评价辊缝凸度调节域是指轧机各板形调控手段对承载辊缝的二次凸度 Cw2和四次凸度 Cw4的最大调节范围 ,反映了承载辊缝调节柔性[ 6- 13]. 图 2 为不同 带宽的情况下 ,ASR- C 的辊缝凸度调节域 . 由图可知 ,随着板宽的增加, ASR 的辊缝凸度调节域形状相似 ,面积逐渐增大. 在实际生产中, 使用常规辊以 及其他工作辊轧制时, 为了保证良好板形 ,轧制末期往往要依靠较大弯辊力的使用. 对于 ASR工作辊,如图 2 所示 ,在沿窜辊量变化( 即轧制阶段变化) 的方向上, 当 ASR 在其特殊的窜辊策略下进行窜辊 时 ,辊缝调节特性曲线所辖的凸度调节域相对服役初期平均上移幅度仅为 0. 0354mm ,体现了良好的控制稳定性. 原因在于, ASR 工作辊依据不同的带·482·北 京 科 技 大 学 学 报第 31 卷钢宽度,制定不同的窜辊策略 ,并且在轧制过程中不 断通过窜辊补偿轧辊磨损的影响 ,使得轧件一直在与轧制初期“相似”的上下工作辊中进行轧制, 体现了ASR在磨损控制方面的特点,因此不会存在轧制末期板形恶化和过度依靠弯辊力的问题 . 对于常规 工作辊甚至一些特殊设计的辊形如 CVC ( continu-ously variable crown) 等连续变凸度辊形 ,其凸度调节域随带钢宽度的变小而急剧减小是难以克服的问 题,如图3 所示. 与此同时,CVC 工作辊的磨损对服役期内的凸度控制稳定性具有较大影响, 是导致工作辊服役后期窜辊 、 弯辊失去低凸度控制能力的主要原因 . 尤其在硅钢的同宽轧制中, 由于硅钢本身 材质问题 ,对轧辊磨损量较大 ,其下机辊形如图 4 所示,当工作辊表面磨损曲线呈箱形或“猫耳型”时, 已失去 CVC 工作辊原有的几何特征 ,承载辊缝曲线形 状发生畸变,使各种调控手段都不能有效对此补偿 ,造成带钢板形恶化[ 14].图 2 不同板宽 ASR 轧辊凸度调节域Fig. 2 Roll gap adjustment area of ASR with different widths ofstrips图 3 不同板宽 CVC 轧辊凸度调节域Fig. 3 Roll gap adjustment area of CVC with different widths ofstrips值得说明的是, 当板宽变化时 ,ASR 的辊缝凸度调节域的变化量并不大 ,其变化程度远小于 CVC 等轧辊凸度调节域随板宽的变化量 . 由此证明 ASR轧辊不存在轧制窄带钢时凸度调节域急剧减小的问题,且随着板宽的变化,较小的板宽承载辊缝调节域图 4 CVC 工作辊在轧制初期及末期时的综合辊形Fig. 4 Shapes of a CVC work roll before and after service包含在板宽较大的承载辊缝调节域中 ,ASR 辊形对不同宽度的带材 , 其板形的调节能力具有连续性. 可见,在使用 ASR 轧辊轧制时 ,无论是宽带钢还是窄带钢都可以实现批量同宽轧制 ,调控性能良好 ,可用于不同宽度连续混合编制轧制 . 1. 2 弯辊力调节的效率分析通过对相应工况下仿真结果的对比分析 ,可以发现: ASR工作辊的辊缝凸度与弯辊力呈现较好的线性关系[ 15], 其服役期内不同阶段带钢凸度随弯辊 力施加的变化情况如图 5所示.图5 服役期内弯辊力调控系数Fig. 5 Variation of roll gap crown as function of bending force dur -ing enlistment通过对比分析常规辊与 ASR 辊形在轧制初期及末期辊缝凸度可知 , 在使用 ASR 的整个服役期 内 ,各个阶段的弯辊力调控功效基本保持一致, 轧制初期与末期的弯辊力影响差别很小 . 分析表明,ASR 在其特殊的窜辊控制策略下 , 可以有效地打开凹槽型磨损槽箱的一个边 ,使轧件始终处于辊形较为平坦的区域内, 并结合工作辊强力弯辊保证承载 辊缝形状的正常可控 , 有效避免了常规辊等辊形因末期的严重磨损所导致凸度控制能力的削弱. 无论轧制初期与末期,ASR 的轧辊凸度控制能力都大于常规工作辊 ,ASR 新辊形前期 、 后期辊缝凸度比常 规辊的分别小 81μ m 和 528μ m , 尤其到了后期凸度·483·第 4 期曹建国等: 宽带钢热连轧机自由规程轧制的板形控制技术调控范围比常规辊大 41. 1 %. 所以 ,要实现同等凸 度控制能力 ,ASR 所需的弯辊力远低于常规凸度辊,弯辊力的利用率高,同时也避免了轧制末期过度施加弯辊力所带来的能耗 .1. 3 辊缝横向刚度评价 辊缝横向刚度 ,是衡量承载辊缝在轧制压力变动时的稳定性 .。