魏圣明

(寶山鋼鐵股份有限公司冷軋廠,上海,200941)

VC輥平整機(jī)板形調(diào)控性能的研究

魏圣明

(寶山鋼鐵股份有限公司冷軋廠,上海,200941)

以某廠連續(xù)退火平整機(jī)為研究對(duì)象,利用ANSYS有限元軟件建立VC輥系靜力學(xué)仿真模型,并研究了彎輥力、VC輥油壓、軋輥輥徑和輥套厚度對(duì)連續(xù)退火平整機(jī)板形控制能力的影響。結(jié)果表明,無(wú)論內(nèi)、外彎輥如何配合,都不能達(dá)到只改變四次凸度的目的,不可能只通過(guò)內(nèi)、外彎輥的配合來(lái)消除高次浪形;外彎輥的調(diào)控功效比內(nèi)彎輥增大42%;VC輥油壓的調(diào)控效果主要體現(xiàn)在二次凸度的改變上,改變油壓后對(duì)四次凸度的影響不大;當(dāng)VC輥承載時(shí),油壓不能始終保持輥套向外漲,承載時(shí)輥套可能發(fā)生反彎,向芯輥內(nèi)凹陷;與大輥徑相比,小輥徑彎輥和油壓的調(diào)控效果會(huì)增加,但輥縫橫向剛度會(huì)降低;輥套壁厚的減小會(huì)使VC輥油壓的調(diào)控能力有所提高。

VC輥;平整機(jī);板形調(diào)控

某廠連續(xù)退火平整機(jī)采用單機(jī)架四輥干式平整機(jī),其上、下支撐輥采用VC輥。VC輥技術(shù)是將平整機(jī)支撐輥設(shè)計(jì)成輥套式,在軋輥輥套與軋輥芯輥之間留有環(huán)行空腔,以便空腔與高壓液壓系統(tǒng)相連[1]。該平整機(jī)VC輥系統(tǒng)設(shè)計(jì)壓力最大為49 M Pa,工作輥帶設(shè)有內(nèi)、外彎輥,與VC輥配合對(duì)板形進(jìn)行控制,內(nèi)外彎輥力最大均為1 200 kN。通過(guò)對(duì)液壓系統(tǒng)壓力的改變(改變輥身凸度),使低壓油進(jìn)入軸頸部位,可用來(lái)冷卻和潤(rùn)滑旋轉(zhuǎn)接頭的軸承[2]。已有采用數(shù)學(xué)模型研究不同輥形下的板形控制水平,但對(duì)VC輥平整機(jī)板形調(diào)控性能的研究少見(jiàn)報(bào)道。為此,本文利用ANSYS有限元軟件建立VC輥系靜力學(xué)仿真模型,并研究了彎輥力、VC輥油壓、軋輥輥徑和輥套厚度對(duì)VC輥平整機(jī)板形控制能力的影響,以期為現(xiàn)場(chǎng)VC輥平整機(jī)工藝參數(shù)的設(shè)定提供理論依據(jù)。

1 靜力學(xué)仿真模型

圖1為VC輥系的上半部彈性變形有限元模型。由圖1可看出,軋輥內(nèi)部網(wǎng)格劃分稀疏,軋輥表層與輥之間接觸區(qū)域網(wǎng)格則劃分細(xì)密[3],實(shí)體為SOL ID45單元。接觸對(duì)設(shè)置的三維實(shí)體面-面接觸分為CON TA 17單元和 TARGE170單元。將軋輥輥套與軋輥芯輥?zhàn)鳛橐粋€(gè)整體來(lái)考慮,之間留有環(huán)形空腔,其中液壓油對(duì)輥套的作用簡(jiǎn)化為環(huán)形空腔表面的面載荷,用指定的剛度桿單元反映軋件實(shí)體的存在[4],桿單元選取Link1。軋制力和彎輥力均施加到等效的節(jié)點(diǎn)位置上。

圖1 VC輥系的有限元模型Fig.1 Fin ite elementmodel of VC roll

1.2 工況仿真

通過(guò)對(duì)工況進(jìn)行仿真,計(jì)算得到不同因素下帶鋼板形的大小和控制能力的數(shù)值。這些因素包括幾何因素和工藝條件。幾何因素有輥徑、輥套壁厚和帶鋼寬度;工藝條件有軋制力、彎輥力和VC輥油壓。表1為不同因素組合下的工況參數(shù)。由表1可看出,采用有限元方法計(jì)算的承載輥縫為離散值,把它們擬合為一條曲線后,再計(jì)算承載輥縫的二次凸度 Cw和四次凸度 Cw[5]。

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表1 不同因素組合下的工況參數(shù)Table 1 Operation condition parametersunder different factor combinations

2 工作輥彎輥力板形調(diào)控能力分析

2.1 承載輥縫的調(diào)節(jié)域

圖2為VC輥平整機(jī)內(nèi)、外彎輥的承載輥縫調(diào)節(jié)域(圖中:DB=1 400 mm;DW=550 mm;B= 1 080 mm;q=7 kN/mm;p=24.5 M Pa)。由圖2可看出,承載輥縫調(diào)節(jié)域反映了VC輥平整機(jī)內(nèi)、外彎輥配合使用的調(diào)控范圍與調(diào)控特性。

圖2 承載輥縫的調(diào)節(jié)域Fig.2 Adjustment domain of load-bearing roll

2.2 彎輥力的調(diào)控功效

圖3為彎輥力調(diào)控功效的三維曲面圖。由圖3可看出,輥縫凸度反映了內(nèi)、外彎輥配合下的彎輥調(diào)控路徑和調(diào)控能力。

骨腫瘤占全身腫瘤的2%左右，發(fā)生與骨骼或鄰近組織中，在臨床表現(xiàn)上良性骨腫瘤與惡性骨腫瘤較為相似，增加臨床診斷難度，而傳統(tǒng)的X攝片，CT平掃等影像學(xué)局限性較大[7-8]。螺旋CT掃描能夠準(zhǔn)確顯示骨質(zhì)的破壞、增生、硬化，而MRI無(wú)電離輻射，對(duì)患者損傷較小，且可準(zhǔn)確顯示腫瘤邊緣，及周圍軟組織[9]。以往研究表明，骨腫瘤病灶邊緣狀態(tài)，可反應(yīng)骨反應(yīng)和骨細(xì)胞生長(zhǎng)速度，良性腫瘤細(xì)胞的生物學(xué)活性顯著低于惡性腫瘤，所以一般良性腫瘤病灶邊緣較清晰，與周圍組織有明顯界限；而惡性腫瘤病灶邊緣相對(duì)比較模糊[10]。

彎輥力調(diào)控功效系數(shù)(見(jiàn)表2)反映了彎輥力的調(diào)節(jié)能力或調(diào)節(jié)效率,其表達(dá)式為

圖3 彎輥力調(diào)控功效的三維曲面圖Fig.3 3D curved surface drawing of roll bending force control efficacy

式中:KIB2、KIB4為內(nèi)彎輥力二次、四次調(diào)控功效系數(shù),μm/kN;KOB2、KOB4為外彎輥力二次、四次調(diào)控功效系數(shù),μm/kN;ΔIB、ΔOB為內(nèi)、外彎輥力的變化量,kN;ΔCw2、ΔCw4為承載輥縫二次、四次凸度變化量,μm。

表2 彎輥力調(diào)控功效系數(shù)Tabl 2 Roll-bending force con trol efficacy coefficien t

2.3 彎輥力板形的調(diào)控能力

彎輥力的調(diào)控功效越大,表明彎輥力改變承載輥縫的能力越大;當(dāng)要改變的承載輥縫量一定時(shí),所需彎輥力越小,增大彎輥力調(diào)控,實(shí)際上增大了平整機(jī)的調(diào)節(jié)柔性,使得彎輥力調(diào)節(jié)板形的能力增強(qiáng)。通過(guò)計(jì)算分析可以得出:①在不考慮壓靠的情況下,內(nèi)、外彎輥的調(diào)節(jié)路徑均近似為直線,彎輥力變化所提供的輥縫二次凸度與四次凸度的變化量與彎輥力的變化量呈正比;②外彎的效果比內(nèi)彎明顯,前者的調(diào)控功效比后者平均提高44%左右,100 kN的內(nèi)彎效果等效于70 kN的外彎效果;③帶鋼越寬,彎輥的調(diào)控功效越大;④由圖3可看出,不同內(nèi)、外彎輥配合的幾種工況計(jì)算結(jié)果在圖中基本上落在一條直線上,無(wú)論內(nèi)、外彎輥如何配合,都不能達(dá)到只改變四次凸度(二次凸度基本上不變)的目的。在板形控制上,若出現(xiàn)高次浪形(邊中浪或四分浪),則不可能只通過(guò)內(nèi)、外彎輥的配合來(lái)消除高次浪形,必須通過(guò)彎輥與其他調(diào)節(jié)手段(VC輥油壓、軋制力)的配合才能達(dá)到消除高次浪形的目的;⑤內(nèi)、外彎輥的效果是可以線性疊加的,內(nèi)彎-600 kN、外彎600 kN的彎輥效果與內(nèi)彎輥0 kN、外彎180 kN的彎輥效果相同,一正一負(fù)的彎輥效果自動(dòng)抵消。

3 VC輥油壓的板形調(diào)控能力分析

3.1 VC油壓的調(diào)控功效

圖4為VC輥油壓調(diào)控功效隨油壓的變化曲線(圖中:DB=1 400 mm;DW=550 mm;q=7 kN;IB=0 kN;OB=0 kN)。由圖4可看出,輥縫凸度反映了VC輥油壓的調(diào)節(jié)路徑與調(diào)節(jié)能力。輥縫凸度大小隨VC輥油壓大小變化的規(guī)律,其表達(dá)式為

圖4 VC輥油壓調(diào)控功效油壓的變化曲線Fig.4 Variation of the hydraulic control efficacy of VC roll with oil pressure

式中:KV2、KV4為VC輥油壓二次、四次調(diào)控功效系數(shù),μm/M Pa;Δp為VC輥油壓變化量,M Pa; ΔCw2、ΔCw4為承載輥縫二次、四次凸度變化量, μm。

3.2 VC輥油壓板形的調(diào)控能力

VC輥油壓調(diào)控功效系數(shù)(見(jiàn)表3)越大,表明VC輥油壓改變承載輥縫的能力越大。通過(guò)計(jì)算可以得出:①由圖4可看出,VC輥油壓的調(diào)節(jié)路徑均為直線,VC輥油壓變化所提供的輥縫二次凸度與四次凸度的變化量與VC輥油壓的變化量呈正比;②VC輥油壓的調(diào)控效果主要體現(xiàn)二次凸度的改變,改變油壓后對(duì)四次凸度的影響不大;③帶鋼寬度越大,VC輥油壓的調(diào)控效果越強(qiáng);④當(dāng)VC輥不受軋制力時(shí),VC輥油壓使支撐輥產(chǎn)生一定凸度;當(dāng)VC輥承載時(shí),油壓不能始終保持輥套向外漲,在低油壓情況下工作,承載時(shí)輥套可能發(fā)生反彎,向芯輥內(nèi)凹陷,如圖5所示(圖中:q =7 kN/mm;DB=1 400 mm;IB=0 kN;Dw=550 mm;OB=0 kN;B=1 080 mm)。

表3 不同帶鋼寬度下VC輥油壓調(diào)控功效系數(shù)Table 3 Hydraulic control efficacy coefficien t of VC roll at different steel strip widths

圖5 不同油壓下支撐輥承載輥形曲線(下部)Fig.5 Roll shape curves of different hydraulic VC roll (lower)

4 輥徑對(duì)板形調(diào)控能力的影響

4.1 不同輥徑下的計(jì)算結(jié)果

承載輥縫橫向剛度[5]反映了平整機(jī)承載輥縫凸度大小隨軋制力大小變化的規(guī)律,其表達(dá)式為

式中:Kg為承載輥縫橫向剛度,kN/(mm·μm); Δq為單位板寬軋制力的變化量,kN/mm;ΔCw2為承載輥縫二次凸度的變化量,μm。

各種調(diào)控指標(biāo)的計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 不同輥徑下VC輥油壓的調(diào)控功效系數(shù)Table 4 Hydraulic control efficacy coefficient of VC roll at different roll diameters

4.2 不同輥徑下板形的調(diào)控能力

與大輥徑相比,小輥徑輥縫橫向剛度降低了32%左右,輥徑的減小造成輥縫橫向剛度的降低,軋制力的變化易引起輥縫凸度的變化。與大輥徑相比,小輥徑VC輥油壓調(diào)控功效系數(shù)、彎輥調(diào)控功效系數(shù)均有不同程度的提高?？傊?小輥徑較大輥徑有利有弊,一方面彎輥和油壓的調(diào)控效果會(huì)增加,另一方面輥縫橫向剛度會(huì)降低。另外,小輥徑比大輥徑更易發(fā)生壓靠,因?yàn)樾≥亸降妮佅祫偠冉档土?輥系易發(fā)生撓曲,工作輥兩側(cè)不與帶鋼接觸的部分也易產(chǎn)生彎曲變形,造成小輥徑的輥系易發(fā)生壓靠。

5 輥套壁厚對(duì)VC輥油壓調(diào)控功效的影響

支撐輥輥徑的變化除了影響輥系的剛度特性外,還會(huì)使VC輥輥套壁厚減小,進(jìn)而影響VC輥油壓的調(diào)控性能。為分析輥套壁厚對(duì)VC輥油壓調(diào)控功效的影響,可分3種情況進(jìn)行計(jì)算:①D W =550 mm、DB=1 300 mm(壁厚為177 mm);②DW=550 mm、DB=1 350 mm(壁厚為202 mm);③DW=550 mm、DB=1 400 mm(壁厚為 227 mm)。

VC支撐輥的輥徑減小,會(huì)使輥套壁厚減小。表5為VC輥油壓的調(diào)控功效系數(shù)。由表5可看出,輥套壁厚越小,VC輥油壓的二次調(diào)控功效系數(shù)越大,壁厚最小時(shí)(177 mm)的調(diào)控功效系數(shù)比壁厚最大時(shí)(227mm)的相應(yīng)系數(shù)增加15%左右?？傊?輥套壁厚的減小會(huì)使VC輥油壓的調(diào)控能力有所提高。

表5 VC輥油壓的調(diào)控功效系數(shù)Table 5 Hydraulic control efficacy coefficient of VC roll

6 結(jié)論

(1)外彎輥的調(diào)控功效比內(nèi)彎輥平均增大44%左右;無(wú)論內(nèi)、外彎輥如何配合,都不能達(dá)到只改變四次凸度的目的,不可能只通過(guò)內(nèi)、外彎輥的配合來(lái)消除高次浪形;內(nèi)、外彎輥的效果是可以線性疊加的。

(2)VC輥油壓的調(diào)控效果主要體現(xiàn)在二次凸度的改變上,改變油壓后對(duì)四次凸度的影響不大;當(dāng)VC輥承載時(shí),油壓不能始終保持輥套向外漲,承載時(shí)輥套可能發(fā)生反彎,向芯輥內(nèi)凹陷。

(3)與大輥徑相比,小輥徑彎輥和油壓的調(diào)控效果會(huì)增加,但輥縫橫向剛度會(huì)降低。

(4)輥套壁厚的減小會(huì)使VC輥油壓的調(diào)控能力有所提高。

[1] 白振華,連家創(chuàng),楊杰.1 550 mm CAL VC輥平整機(jī)板形控制技術(shù)研究[J].軋鋼,2003,20(1):8-10.

[2] 劉華鵬,康貴信.可變凸度軋輥(VC輥)在不同油壓下的應(yīng)力和變形分析[J].天津冶金,1994(3):30-33.

[3] 孫向明,張清東,白劍,等.六輥CVC冷連軋機(jī)支持輥磨損和熱凸度對(duì)板形控制性能的影響[C]//2005中國(guó)鋼鐵年會(huì)論文集.北京:冶金工業(yè)出版社, 2005:526-529.

[4] 魏鋼城,張清東,陳先霖.2 250 mm帶鋼熱連軋機(jī)板形調(diào)控性能改善與提高[J].鋼鐵,2007,42(4):46-49.

[5] 周西康.DSR冷軋寬帶鋼軋機(jī)板形控制性能研究[D].北京:北京科技大學(xué),2005.

Shape con trol properties of VC m ills

W ei Shengm ing
(Cold Rolling M ill,Baoshan Iron and Steel Co.,L td.,Shanghai 200941,China)

In order to study VC mill shape control characteristics,a continuous annealing line of a certain factory w as studied.ANSYS finite element software was used to build the simulation modelof the static VC roll system,and the influence of such factors as roller diameter,roller thickness,bending fo rce,and oil p ressure on m ill shape control ability was investigated.The results show that,no matter how the outside and inside bending rollers cooperate,it is impossible to achieve the goal of changing the fourth crow n only and it is impossible to eliminate high-order shape wave.It is also found that,the outside bending rollers are more effective than the inside bending rollers in regulation;the regulation effect of the VC roll oil p ressure ismainly found on the second crow n w hile the effect on the fourth one is insignificant.When VC rollersare under load,the oil p ressure cannot guarantee the constant outw ard rising of the roller shellsw hich may bend tow ards the roller co re.Compared w ith largediameter rollers,small-diameter rollersw ith oil p ressure have better regulation effect yet the horizontal stiffnessof the rollersw ill decrease.The reduced w all thicknessof the rollersw ill p romo te the hydraulic capacity of the rollers.

VC ro ll;m ills;shape control

TG335.21

A

1674-3644(2010)06-0580-05

[責(zé)任編輯 徐前進(jìn)]

2010-03-23

魏圣明(1980-),男,寶山鋼鐵股份有限公司工程師.E-mail:w smcsu@sohu.com