论述VC轧机的发展及应用_论述vc轧机

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论述VC轧机的发展及应用

高 园

（安徽工业大学材料科学与工程学院，安徽马鞍山，243002）

摘 要：本文通过对板带钢轧机的发展过程的分析,特别是分析了VC轧机结构对钢板精度的影响,指出了现代板带钢轧机和VC轧机的发展方向。关键词：板带钢轧机；VC轧机；轧制；发展和展望

引言

近年来，随着现代板材加工业向高度自动化方向的发展，以及板带材的使用范围日益广泛,用户对带材平直度公差的要求日趋严格。为了满足用户的需求，国内外涌现出大量的以控制板形质量为目的的新型轧制设备，日本住友金属工业株式会社研制的凸度可变式轧辊系统（Varaiable Crown Roll System简称VC轧辊），即液压胀形轧辊系统就是其中的一种，并已在日本的和歌山钢厂、鹿岛钢厂以及中国的宝山钢铁集团公司等工厂成功地应用于工业生产，在控制带材的板形方面取得了良好的效果。为了给国内VC辊的设计和研制提供必要的理论基础和相关资料，本文一方面通过对VC辊多种结构参数的计算，研究了VC辊各结构参数对凸度形成的影响规律；同时以宝钢1550OCAL平整机为例，对VC辊内部油压与带材平直度的关系进行了定量研究。板带钢轧机发展概述

轧制过程中存在两种变形,既轧机的弹性变形和轧件的塑性变形。我们希望轧件的塑性变形容易从而减少变形功;为保证轧件的尺寸精度,我们希望轧机的弹性变形减小。轧辊的弹性变形包括弹性压缩变形和弯曲变形,弹性压缩影响板带的纵向尺寸精度,可以通过计算弹性变形的大小控制;而弹性弯曲变形影响板带的横向尺寸精度,计算较复杂且不易控制,技术人员在这方面做了很多的工作。现有的板带轧机从受力的角度可以分为两种类型:一种是轴承在轧辊的两端,如二辊、三辊劳特、四辊、CVC 和HC 轧机等;另一种是将背衬轴承分散支撑在轧辊的辊身长度上,以森吉米尔轧机为代表。

板带生产最初都是采用二辊式轧机。为了能以较少的道次轧制更薄更宽的钢板,必须加大轧辊的直径,才能有足够的强度和刚度去承受更大的轧制力,减少轧辊的挠度。但轧辊的增大又反过来使轧制力急剧增大,从而使轧辊弹性压缩变形增大,以致在辊径与板厚之比达到一定值后,使轧件的延伸根本不可能实现。这样在减小轧制力与提高轧辊强度和刚性的两方面之间产生了尖锐的矛盾,从而产生了劳特式三辊轧机,接着又出现了四辊轧机。四辊轧机采用了大直径的支撑辊以提高轧辊的强度和刚度,而采用小直径的工作辊以降低轧制压力和增加轧件的延伸。因此,无论是热轧还是冷轧,四辊轧机得到了广泛的应用。通常四辊轧机多采用工作辊传动,较大的轧制扭矩限制了工作辊直径的继续减小,因而在轧制更薄的板带钢时采用支撑辊传动以便进一步减小工作辊直径,降低轧制压力,提高轧制效率。现代轧机的发展状况

在四辊轧机之后的进一步发展可从两方面来看: 1)轧辊的轴线都在同一个平面内。在此基础之上,减小和控制轧机的变形,如液压弯辊、泰勒轧机、VC 轧机、CVC 轧机、HC 轧机和轧辊交叉轧制等。轧机的刚性不管如何提高,轧机的变形只能减小,总不能完全消除,因而在提高轧机刚性的同时,必须采取措施来控制和利用这种变形,也就是对板带钢的横向和纵向厚度进行控制。板带钢纵向厚度的控制问题迄今可以说已基本解决,近年来着重研究发展的是横向厚度和板形的控制技术。控制板形和横向厚差的传统方法是正确设计辊型和利用调辊温、调压下来控制辊型,但它们的反应缓慢而且能力有限,因此近代广泛采用“液压弯辊”技术,有效地提高精度和保证板形。这种方法存在的问题是在宽带钢的轧制时,弯工作辊的效果不大,弯支撑辊的设备又过于庞大;轧辊轴承和辊颈要承受较大的反弯力影响其寿命和精度;此外,液压装置的使用和维护也比较复杂,且由于板形检测技术尚未过关,目前还很难实现自动控制,即使能实现这种自动控制,这一整套控制系统也相当复杂,造价非常昂贵。所以人们又进一步研究更新的控制板形和横向厚差的方法。

2)塔形辊系

对于轧辊轴线配置在同一垂直面内的轧机而言,纵然采用支撑辊传动或中间辊传动,其工作辊也不可能太小。因为当直径小到一定程度时,其水平方向的刚性即感不足,轧辊会产生水平弯曲,使板型和尺寸精度变坏,甚至使轧制过程无法进行。这样在此类轧机上降低轧制力与保证轧辊刚性之间又产生了新的矛盾。为了进一步减小轧辊直径,就必须设法防止工作辊水平弯曲。塔形辊系的六辊轧机就是为了解决这一矛盾而产生的。从防止工作辊水平弯曲的效果来看,塔形辊系的轧机要比轧辊轴线配置在同一垂直面内的轧机好的多。因此,出现了罗恩型轧机,又迅速发展了森吉米尔轧机。这种轧机成为世界公认的高精度冷轧带钢轧机。森吉米尔型轧机的牌坊为一个内部装有塔形辊系的整体结构。因此保证了小直径工作辊沿其辊身长度方向在垂直面和水平面上具有很高的刚度;加之配备了工作过程型控制机构,使得其可以在轧制过程中控制轧辊和支撑辊的辊型,从而保证了带材具有很高的精度、良好的板型和表面质量,使得森吉米尔型轧机得到广泛的应用。

3.VC辊结构简介

VC辊由芯轴和套筒两部分组成，在芯轴与套筒之间有一个环形的油腔，如图1所示。套筒两端紧密地热装在芯轴上，当油压连续变化时，就会在辊面上获得连续的凸度变化。选择不同的油压，就可获得不同的辊凸度，以补偿轧辊的挠度，实现板形控制。

VC辊的主要参数分基本参数和结构参数两类。（1）基本参数

主要包括辊身直径D和辊身长度L。（2）结构参数

主要有套筒厚度h、芯轴直径d、油隙值C以及油腔长度l等参数。其中d, h, D, C 为相关参数，满足以下方程：

D+2h+2C=D

由于在对现有轧机进行改造或设计新的轧机时，其基本参数与结构参数中的油腔长度l 都是由工艺确定的，所以VC辊的凸度仅取决于其结构参数中的h d C的选择。

4.解析法求解VC辊凸度分布

从VC轧辊诞生以来，国内外许多学者就VC轧辊在不同油压下的凸度分布问题进行了许

多研究，但至今尚未发现一个实用的解析方法见诸于文献，几乎所有研究者都采用有限元法来进行近似求解［1,2］。然而，由于有限元法计算量过大，运算时间比较长，所以只能用于离线分析，不能够应用于在线控制。为了解决这个矛盾，笔者经过大量的分析与研究，提出了一套简单的解析方法，推导出一个计算VC辊在不同油压下凸度分布的实用公式（见式（2）），并将其应用于分析宝钢1550CAL平整机的VC辊，发现所得结果与日方提供的实测数据很好吻合。

4.1 VC辊凸度形成公式 经研究与推导，VC辊的凸度可用下式表示：

4.2 辊凸度公式的验证

为了考察公式（2）的准确性，以宝钢1550CAL平整机为例，对公式进行验证。有关计算参数如下：d=940mm, D=1400mm, C=3mm, l=700mm, K在油压为49MPa 时取0.87，其他情况下都取0.9。理论计算结果与实测结果如图2 和图3 所示。图中1 号曲线中油压为49MPa；2号曲线油压为39.2MPa； 3 号曲线油压为29.4MPa；4 号曲线油压为19.6MPa；5 号曲线油压为9.8 通过将计算结果（图2）与日方所提供的现场实测数据（图3）相对比，发现两者误差小于3%。因而公式（2）是可信的。5 油隙值C 与辊面凸度生成的关系

一般而言，油隙值C 远远小于芯轴直径d，也就是说可以认为d+2C=d，所以根据公式（2）可知，C 值对辊面凸度基本没有影响。但是，从结构分析，C 值增大后，势必引起VC 辊刚度的下降，因此，在VC 辊的结构设计中，应尽量选择小的油隙值。

6.VC辊轧机板形控制技术

如图1所示，与普通实心辊相比，由套筒与芯轴热装而成的VC轧辊的特点在于其内部有一个可以进油的空腔。这样，在轧制过程中，可以通过控制油腔内部液压油的压力来调整VC辊套筒的外廓形状，最终达到控制板形的目的。由于VC轧辊内部油腔的存在，使得在轧制过程中，当受到辊间压力作用时，套筒除了产生一个整体的挠度之外（类似普通实心轧辊），还将在受力区域产生一个塌陷位移（见图1的虚线部分）。这样，VC辊轧机板形控制的关键技术就主要在于定量计算VC辊在不同油压下的凸度分布和定量求解轧制过程中VC轧辊套筒的塌陷位移。7 VC轧机板形控制模型的研究

由于带材的板形取决于轧件在辊缝中的三维变形，同时轧件变形又与轧辊的变形(决定辊缝形状)有密切的关系，所以板形控制模型应该包括带材的塑性变形模型和轧辊的弹性变性模型，并将二者统一联立求解。

7．1金属变形模型

对于金属变形模型，文献[1，2]已有详细介绍，其中心思想是将轧制过程中带材的前后张力分别用式(1)和式(2)的函数来表示

式中 h一带材出口厚度横向分布值

H一带材来料的厚度横向分布值 L一表示来料板形的长度横向分布值 B一带材的宽度 T0一平均后张力 T1一平均前张力

7.2辊系变形模型

与普通四辊轧机相比，VC轧机的辊系弹性变形模型，既具有共性的一面，又有其特殊性，以下将详细分析(图1)。

首先，采用分段离散法，将轧制压力q’(x)分成k段，辊间压力q(x)分成n段，每段宽度i段的挠度fwi可表，段内压力分别用集中力q' j和qj代替，则工作辊第式中，wij,bij为第J段载荷引起i段工作辊与支承辊挠度的影响系数，由材料力学知识可推导出[3,4]；wsj，为弯辊力S对i段工作辊挠度的影响系数,bpi为压下载荷对i段支承辊挠度的影响系数。

在建立了一套针对VC轧机的板形控制模型的基础上，通过把前张力横向分布均匀作为优化目标函数，提出了一套新的辊型优化的数学模型，并将此模型应用到国内某厂VC轧机的辊型优化设计。现场跟踪试验表明，采用新辊型使用效果良好，经济效益明显。因而，该项技术为国内其它板带轧机的辊型改造提供了思路，可进一步推广使用。

8.发展趋势

随着机械、电子等工业的发展,用户对板带材的厚度精度和板型提出了高精度和高稳定性的要求。板带厚度精度包括纵向精度和横向精度,板带材的纵向厚度精度随着各种形式的AGC 技术的发展,目前已经可以达到微米级精度,但横向厚度精度的控制至今仍未得到很好的解决。横向厚度相对变化率比纵向厚度相对变化率大得多,且横向厚度与板型密切相关,所以如何改善横向厚差和控制板形是目前国内轧制技术发展的重大课题。因此,提高板带横向厚度精度的新一代轧机的研究,也成为目前的轧机设计重要课题。

9.对板形控制技术的见解与分析

目前的各项板形控制技术都同时具有优势和不足。这一方面给板形控制技术的选型和板形控制技术的配置带来了难度，另一方面也留下了板形控制技术较大的创新空间。故此，近年来有关板形的研究始终都是前沿和热点，从以轧机为主的板形控制技术的考法个延伸到兼顾板形的轧制道次设定、动态负荷分配、热轧层流冷却、热轧精整、冷轧酸洗和平整。在热轧和冷轧机得机型配置、辊型设计、工艺制度和控制模型为一体的板形综合控制技术也受到了人们的重视！

参考文献

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[2］李本利，刘助柏等.液压涨形轧辊凸度的弹性有限元分析.锻压机械.1993，（5）：24~26

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