陳 林，馮少鵬，王仁忠

(蘇州有色金屬研究院有限公司，江蘇 蘇州 215026)

6輥CVC軋機(jī)和6輥UCM軋機(jī)都具有中間輥橫移、工作輥彎輥、中間輥彎輥、冷卻噴淋等板形調(diào)控手段，且調(diào)節(jié)板形方面能力都比較強(qiáng)。6輥CVC軋機(jī)中間輥呈‘S’形曲線，通過(guò)軋輥軸向移位提供變化的軋輥?zhàn)兾惠佇危褂休d輥縫的凸度在一定范圍內(nèi)可調(diào)，屬于柔性輥縫控制策略［1］;6輥UCM軋機(jī)中間輥為平輥，通過(guò)軋輥軸向移位消除輥間有害接觸區(qū)，提高輥縫形狀剛度，屬于剛性輥縫控制策略。6輥CVC和6輥UCM軋機(jī)各自板形控制技術(shù)決定了采用不同的板形控制策略，為了全面、準(zhǔn)確、定量獲取兩種類(lèi)型軋機(jī)在各種設(shè)備條件下、各種工藝條件下的板形控制性能，采用有限元仿真的方法，進(jìn)行兩類(lèi)軋機(jī)各種板形控制性能分析比較，說(shuō)明機(jī)型區(qū)別，為板帶軋機(jī)的選型和板形控制技術(shù)創(chuàng)新提供支持。

1 6輥CVC軋機(jī)和6輥UCM軋機(jī)有限元仿真模型

1.1 有限元模型的建立

本文根據(jù)某大型鋁加工廠2300mm 6輥軋機(jī)，進(jìn)行6輥CVC和6輥UCM機(jī)型控制性能比較。為了提高計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力和降低求解運(yùn)算時(shí)間，充分考慮到設(shè)備的對(duì)稱(chēng)性，因2300mm6輥CVC和UCM軋機(jī)設(shè)備都具有上下反對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，故取四分之一模型(即上工作輥、上中間輥、上支承輥的一半)作為模擬對(duì)象。［2］，6輥UCM軋機(jī)尺寸模型尺寸與6輥CVC軋機(jī)尺寸模型相同，中間輥進(jìn)行橫向抽動(dòng)改變輥縫形狀，來(lái)調(diào)節(jié)板形。表1為兩種軋機(jī)尺寸參數(shù)對(duì)比;圖1為CVC軋機(jī)中間輥的輥身形狀，呈‘S’形曲線;圖2為CVC軋機(jī)和UCM軋機(jī)的模型，從圖中可知，兩種軋機(jī)的不同之處就在于中間輥的形狀不一樣。

表1 6輥CVC軋機(jī)和6輥UCM軋機(jī)的軋機(jī)尺寸Tab.1 Technical data of 6-hi CVC mill and 6 －h(huán)i UCM mill

圖1 CVC軋輥示意圖Fig.1 Schematic illustration of CVC IMR shift

建立好輥系模型并劃分單元，兩種軋機(jī)輥系有限元模型如圖3所示，對(duì)模型施加以下約束:1)對(duì)模型對(duì)稱(chēng)面上所有節(jié)點(diǎn)施加Z方向的約束;2)在支承輥輥頸兩端節(jié)點(diǎn)施加Y方向的約束;3)在工作輥、中間輥和支承輥身中間節(jié)點(diǎn)施加X(jué)方向的約束。

圖2 CVC軋機(jī)和UCM軋機(jī)的模型Fig.2 Roll system models of CVC mill and UCM mill

圖3 CVC軋機(jī)和UCM軋機(jī)的有限元仿真模型Fig.3 FEM simulation models of roll system of CVC mill and UCM mill

此外，外載為直接作用在工作輥上軋件寬度的軋制力(按均布載荷考慮)。

1.2 仿真模型工況的確定

為了系統(tǒng)的研究和對(duì)比6輥CVC和6輥UCM軋機(jī)板形調(diào)控性能，運(yùn)用所建立的有限元模型，根據(jù)兩種機(jī)型設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)范圍以及實(shí)際生產(chǎn)的產(chǎn)品規(guī)格和力能參數(shù)，對(duì)6輥CVC和6輥UCM軋機(jī)調(diào)控性能行為模擬確定仿真工況參數(shù)如下:板寬為 960、1560、2150mm;軋制力為300、1000、2000t;工作輥(中間輥)彎輥力為－350、0、500kN;6輥CVC中間輥抽動(dòng)量為－150、0、150mm;6輥 UCM 中間輥抽動(dòng)量為 0、200、300mm。

根據(jù)以上條件，對(duì)不同板形調(diào)控行為進(jìn)行排列組合后組成不同的工況進(jìn)行輥系有限元仿真計(jì)算。

2 6輥CVC軋機(jī)和6輥UCM軋機(jī)調(diào)控性能比較

2.1 輥縫凸度調(diào)節(jié)域

輥縫凸度調(diào)控域Ω(C2，C4)是指軋機(jī)在一定工藝條件下所能提供的輥縫二次和四次凸度變化范圍，它反映了軋機(jī)輥縫形狀的調(diào)節(jié)柔性，具有較大的調(diào)控域面積的軋機(jī)，具有較好的調(diào)節(jié)柔性。調(diào)控域的大小與軋機(jī)板形調(diào)控執(zhí)行機(jī)構(gòu)的類(lèi)型及多少有關(guān)，還與軋輥尺寸、軋制力大小、帶材寬度有關(guān)。運(yùn)用上述6輥軋機(jī)仿真有限元模型對(duì)各工況的承載輥縫進(jìn)行計(jì)算，并提取輥縫二次凸度C2及四次凸度C4，以四次凸度C4為橫坐標(biāo)，二次凸度C2為縱坐標(biāo)，可得圖4所示6輥軋機(jī)輥縫凸度調(diào)控域。該調(diào)控域是在板寬1560mm，軋制力1000t，不同中間輥抽動(dòng)量、不同工作輥彎輥、不同中間輥彎輥工況下的6輥CVC和6輥UCM軋機(jī)凸度調(diào)控域。其中a1～b9含義如表2所示，其中Smax、Smin分別代表代表中間輥抽動(dòng)最大值和最小值，F(xiàn)Wmax、FWmin分別代表工作輥彎輥?zhàn)畲笾岛妥钚≈?，F(xiàn)Imax、FImin分別代表中間輥彎輥?zhàn)畲笾岛妥钚≈怠?/p>

圖4 6輥軋機(jī)輥縫凸度調(diào)控域Fig.4 Domain of roll crown components of 6 － hi mill

表2 6輥軋機(jī)輥縫凸度調(diào)控域a1～b9的含義Tab.2 Definition of domain of roll crown components a1～b9 of 6－h(huán)i mill

對(duì)6輥CVC和6輥UCM軋機(jī)工況下的調(diào)控域?qū)Ρ确治?，可以得到如下結(jié)論:

1)具有同樣尺寸6輥CVC軋機(jī)比6輥UCM軋機(jī)的調(diào)控域要大;

2)6輥CVC軋機(jī)和6輥UCM軋機(jī)都可以提供較大的凸度調(diào)控域，二次凸度從幾微米到四百多微米，四次凸度從負(fù)的十幾微米到二十多微米;

3)各種板形技術(shù)調(diào)控域的形狀不同，反映了6輥CVC軋機(jī)和6輥UCM軋機(jī)在板形控制過(guò)程控制策略將有所不同。

2.2 板形控制特性調(diào)控能力分析

6輥CVC軋機(jī)和6輥UCM軋機(jī)在有限元仿真中分別執(zhí)行中間輥抽動(dòng)、工作輥彎輥、中間輥彎輥這幾種調(diào)控手段。圖5為兩種軋機(jī)中間輥抽動(dòng)與輥縫凸度的關(guān)系對(duì)比，從圖5可以看出，相同的中間輥抽動(dòng)量變化區(qū)間，6輥CVC軋機(jī)的輥縫凸度變化明顯大于6輥UCM軋機(jī)的輥縫凸度，可見(jiàn)6輥CVC軋機(jī)的中間輥抽動(dòng)調(diào)控能力大于6輥UCM軋機(jī)。表3和表4分別為分別改變工作輥彎輥、中間輥彎輥時(shí)，6輥CVC軋機(jī)和6輥UCM軋機(jī)的輥縫凸度變化對(duì)比。

表3 6輥CVC軋機(jī)彎輥輥縫凸度變化表Tab.3 Variation in the roll crown of 6-hi CVC mill

圖5 6輥CVC軋機(jī)和UCM軋機(jī)不同中間輥抽動(dòng)量與輥縫凸度關(guān)系對(duì)比Fig.5 Relationship of IMR shift amounts to roll crown of 6-hi CVC mill and UCM mill

表4 6輥UCM軋機(jī)彎輥輥縫凸度變化表Tab.4 Variation in the roll crown of 6-hi UCM mill

從表3、4中可以看出，工作輥彎輥力大小變化區(qū)間相同時(shí)，6輥CVC軋機(jī)的輥縫凸度變化略大于6輥UCM軋機(jī)的輥縫凸度;而相同的中間輥彎輥力大小變化區(qū)間，6輥CVC軋機(jī)的輥縫凸度變化與6輥UCM軋機(jī)的輥縫凸度變化差別不大。

以上幾種調(diào)控手段的調(diào)控功效可以用板形調(diào)控功效曲線來(lái)表示，板形調(diào)控功效是指板形執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的單位作用(如10kN彎輥力，10mm抽動(dòng)量μ)所引起的承載輥縫形狀的變化量。圖6反映了6輥CVC和6輥UCM板形調(diào)控各項(xiàng)板形控制技術(shù)的調(diào)控功效曲線。板形調(diào)控功效曲線E(x)反映了板形控制技術(shù)調(diào)節(jié)作用在板寬方向上的分布，需要用多項(xiàng)式描述，橫坐標(biāo)代表板寬系數(shù)，板寬兩邊部別用1和－1表示，板寬中間用0表示，縱坐標(biāo)為經(jīng)過(guò)計(jì)算的板形調(diào)控功效曲線的值。從圖6中可知，兩種類(lèi)型軋機(jī)各板形控制技術(shù)的板形調(diào)控功效的大小，再次印證了前面的分析。兩種軋機(jī)在工作輥彎輥和中間輥彎輥兩種調(diào)節(jié)方法上調(diào)控功效差別不大，尤其是中間輥彎輥調(diào)控功效基本相同;工作輥彎輥調(diào)控功效CVC軋機(jī)略大于UCM軋機(jī);而在中間輥抽動(dòng)這一調(diào)控手段上就能明顯看到兩種軋機(jī)的差別，6輥CVC軋機(jī)的中間輥抽動(dòng)調(diào)控效果明顯強(qiáng)于6輥UCM軋機(jī)，這也是CVC軋機(jī)和普通UCM軋機(jī)相比較的優(yōu)勢(shì)所在，也是CVC軋機(jī)的一個(gè)突出的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。

圖6 6輥CVC軋機(jī)和UCM軋機(jī)的基本凸度控制特性對(duì)比Fig.6 Comparison of crown control performance of 6－h(huán)i CVC mill and UCM mill

3 結(jié)束語(yǔ)

運(yùn)用有限元方法對(duì)6輥CVC軋機(jī)和6輥UCM軋機(jī)中間輥抽動(dòng)、工作輥彎輥、中間輥彎輥等主要板形控制技術(shù)的調(diào)控功效進(jìn)行了仿真計(jì)算，研究了各種軋制工藝條件對(duì)板形調(diào)控功效的影響，分析對(duì)比了6輥CVC軋機(jī)和6輥UCM軋機(jī)板形控制技術(shù)的調(diào)控特性。比較研究表明，雖然配備相同的板形控制技術(shù)手段，兩類(lèi)板帶軋機(jī)各有優(yōu)劣，6輥CVC軋機(jī)與6輥UCM軋機(jī)相比具有以下優(yōu)點(diǎn):

1)工作輥彎輥、中間輥彎輥、中間輥抽動(dòng)這幾種板形調(diào)控手段結(jié)合起來(lái)，具有同樣尺寸的6輥CVC軋機(jī)比6輥UCM軋機(jī)的板形調(diào)控能力強(qiáng)，具有較好的調(diào)節(jié)柔性;

2)6輥CVC軋機(jī)的中間輥抽動(dòng)調(diào)控效果明顯強(qiáng)于6輥UCM軋機(jī)。

同時(shí)，6輥CVC軋機(jī)由于中間輥為“S”型曲線，輥間接觸壓力不均，輥耗相對(duì)較大;而6輥UCM軋機(jī)通過(guò)支承輥與工作輥邊部輥型的優(yōu)化能減小抽輥后輥間接觸壓力尖峰，因此輥耗相對(duì)較小;相同條件下，6輥CVC軋機(jī)一般需要進(jìn)口，投資成本比6輥UCM軋機(jī)的大。

［1］張?jiān)迄i，吳慶海，王長(zhǎng)松.6輥CVC冷軋機(jī)板形控制性能研究［J］.冶金設(shè)備，1998(6):8－10.

［2］張清東，孫向明，白劍.6輥CVC軋機(jī)輥系變形的有限元分析［J］.中國(guó)機(jī)械工程，2007.18(7):789 －792.

［3］高林林，陳璽.UCM6輥軋機(jī)的板形調(diào)整特點(diǎn)分析研究［J］.重型機(jī)械，2007增刊:5－8.