14辊轧机辊系变形的有限元分析

14辊轧机辊系变形的有限元分析
杨森;沈晓辉;章静;阎军
【摘要】针对现场应用的14辊轧机,利用三维有限元软件MSC.MARC建立三维辊系弹性变形有限元模型,求解三维辊系复杂变形,分析第一中间辊抽动和中间辊凸度对承载辊缝的影响.研究得出第一中间辊抽动量在0～50 mm时,带材边部厚度的调节范围；中间辊凸度与轧后板凸度呈线性关系,即中间辊凸度越大,辊系的横向刚度也越大.%For 14-high mill of field application, 3-D finite element model of elastic deformation of roll system was built with MSC.MARC finite element software. The complex elastic deformation of rool system was solved. Effects of the first intermediate roll shifting and intermediate roll crown on loaded-gap were analyzed. It follows the adjustment range of strip edge thickness in 0~50 mm twitch quantity of the first intermediate roll, and a linear relationship between intermediate roll crown and rolled plate crown, the greater the intermediate roll crown, the greater the lateral stiffness of the roll system.
【期刊名称】《安徽工业大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2012(029)004
【总页数】4页(P323-326)
【关键词】14辊轧机;承载辊缝;中间辊凸度
【作者】杨森;沈晓辉;章静;阎军
【作者单位】安徽工业大学材料科学与工程学院,安徽马鞍山243002;安徽工业大学材料科学与工程学院,安徽马鞍山243002;安徽工业大学材料科学与工程学院,安徽马鞍山243002;安徽工业大学材料科学与工程学院,安徽马鞍山243002
【正文语种】中文
【中图分类】TG333.17
近年来用户对板带产品,尤其是对冷轧产品的平直度要求越来越高,这对板带轧制中辊缝的控制精度提出了更高的要求。

承载辊缝的形状决定了轧件的断面形状,故板形研究的核心是对承载辊缝形状的研究[1-3]。

复杂条件下辊系变形的计算和分析是研究多辊轧机板形调节性能的关键[4-7]。

14辊轧机是我国设计研制的多辊轧机,其目的是简化20辊轧机并通过大尺寸的支撑辊来提高轧机的刚度[8],但在实际应用中,轧机的板形控制能力没有充分发挥。

为进一步弄清14辊轧机的板形控制特性,利用有限元软件建立轧机的辊系仿真计算模型,研究典型工况下的承载辊缝曲线形状,分析14辊轧机的板形调控能力。

14辊轧机的辊系排列为1-2-3-1型,如图1。

第一层为1个工作辊,第二层为2个第一中间辊,第三层由1个中间辊和2个边部背衬轴承辊组成,第四层是1个强有力的大支撑辊。

在工作辊直径及背衬轴承直径相同的条件下,14辊轧机的辊系刚度和承载能力与20辊轧机相近,但辊系受力更合理,结构更简单,便于制造和维护[9]。

(1)14辊轧机属于复合多辊轧机,最外层支撑辊、机架、压下及传动方式与4辊轧机基本相同,1～3层轧辊的排列与20辊轧机相同,具有20辊轧机的性能。

(2)采用整体铸钢机架,轧机的横向刚度和纵向刚度较好。

(3)具有完善的辊型调节系统。

其中第二层的2个第一中间辊辊身一端磨有锥形面,可进行轴向抽动调节；中间辊的拆卸方便,可根据轧制工艺的要求将其磨削成带有一定凸度的抛物线辊型,以提高轧制带材的平直度。

以某厂的14辊轧机辊系为研究对象,采用MSC.MARC有限元分析软件,建立辊系三维有限元分析模型,考虑辊系的上下对称性,建立的模型如图2。

考虑到计算精度和计算速度的需要,轧辊整体单元划分要对称（每个轧辊在进行单元的初划分时,保证单元关于过圆心的水平线和垂直线对称）,在每个轧辊的辊间接触区、工作辊和带钢接触区的载荷加载处对单元进行细化。

在背衬轴承辊和支撑辊的辊颈两侧和背衬轴承辊的辊轴上施加x方向的位移边界条件ux=0；在支撑辊的辊颈上施加y方向位移边界条件uy=0；在所有轧辊的辊轴两端施加z方向位移边界调节uz=0；在工作辊与带钢的接触区域施加y方向的等效载荷。

y方向的载荷就是板带轧制时的轧制压力,轧制压力的大小根据现场轧制时实测压力值确定,轧制压力在工作辊长度方向的分布状况根据有限元模拟分析的结果确定。

轧辊直径和辊身长度如表1所示。

(1)第一中间辊锥度cif=0.3/100。

(2)根据实际生产设定带钢宽度B=300,350,400 mm。

(3)第一中间辊抽动量Tshift=0,25,50 mm。

(4)轧制压力的大小根据现场轧制时的实测压力值确定,其中B=300,350,400 mm 时,p=554,646,713 kN。

(5)根据实际生产情况选择中间辊凸度cw=40,60,80µm。

图3为cif=0.3/100,Tshift=0,25,50 mm,B=300,350,400 mm,cw=40 μm时承载辊缝的形状。

从图3可以看出,随着第一中间辊的抽动,承载辊缝的形状发生变化,板带边部的厚度不同程度地增加,对板带边浪的调节作用显著；板宽越大,第一中间辊抽动的调节效果越好；当板宽较大且Tshift达到一定值时会出现边部比中部厚的情况,如图3(c)中当Tshift＞34.5 mm时轧后板凸度为负。

第一中间辊不同抽动量下,板边部的厚度增加量(图3(b)中的y值)与板辊比(板宽和辊长的比值)之间的关系如图4。

由图4可看出,板辊比越大,第一中间辊抽动对板边部厚度的影响越大；梯形ABCD 为所有宽度情况下抽辊的可调节区域,抽辊量0～25 mm的调节区域要比25～50 mm的调节区域小很多。

板辊比与轧后板边部厚度增加量之间近似满足如下关系：
式中：x为板辊比；y1和y2是抽辊量分别为25,50 mm时板边部厚度增加量,μm。

cw=40,60,80 μm,B=350 mm,Tshift=0 mm时承载辊缝的形状如图5。

由图5可看出,中间辊凸度cw=40 μm时,轧后板凸度δ=49.7 μm；cw=60 μm 时,δ=47.4 μm；cw=80 μm时,δ=44.8 μm。

由此可以看出中间辊凸度每增加20 μm,轧后板凸度约减小2.5 μm(1/8 cw),即轧后板凸度的减小量约为cw增加量的
1/8。

中间辊凸度增大,其接触状态改变,弹性压扁也改变,造成轧后板材厚度发生变化。

图5中距离板左侧1/4 B处与板中心厚度的差值变化情况为cw=40 μm
时,δ1/4=8.2 μm；cw=60 μm时,δ1/4=7.5 μm；cw=80 μm时,δ1/4=6.7 μm。

即中间辊凸度每增加20 μm,δ1/4的值仅减小0.8 μm左右,中间辊凸度调节对承
载辊缝1/4浪形的改善较小。

可见,改变中间辊的凸度可以调节中浪和边浪,但是对
1/4浪效果有限。

将轧后板凸度与中间辊凸度的关系绘制成曲线,如图6。

从图6可见,增大中间辊凸
度对带钢的中浪和边浪有明显的调节作用。

所以在实际轧制过程中,使用带凸度的
中间辊可增强带钢的整体形状调控能力,使之适应较大范围的原料凸度和板形变化。

随着中间辊凸度的变大,轧后板凸度变小,且符合线性关系。

拟合曲线为
中间辊凸度增大会改变中间辊与其它轧辊的接触状态,使辊间接触压力发生改变,从
而影响辊系的弹性压扁和弹性弯曲。

中间辊凸度cw与辊系横向刚度st关系如图7。

由图7可知,中间辊凸度变大,辊系的横向刚度也随之增大,两者近似呈线性关系。

近似满足线性方程
(1)采用弹塑性有限元法,建立14辊轧机辊系三维弹性变形有限元模型,求解14辊轧机辊系变形,为板形分析和控制提供参考数据。

(2)第一中间辊的横向抽动可以改善带材板形,尤其是改善带材的边部形状,板宽越大,调节效果越明显；抽动量25～50 mm的调节区域要比0～25 mm的大。

(3)中间辊凸度调节也是板形调控的重要手段,中间辊凸度增加,轧后板凸度线性减小,辊系横向刚度线性增大,但中间辊凸度对1/4浪的调节能力有限。

【相关文献】
[1]Migual A C,Marcela B G,Eduardo N D.Finite element analysis of steel rolling
process[J].Computers and Structures,2001,79(22/25)：2075-2089.
[2]Jiang Z Y,Zhu H T,Tieu A K.Effect of rolling parameters on cold rolling of thin strip during work roll edge contact[J].Journal of Materials Processing
Technology,2003,140(1/2/3)：535-541.
[3]黄贞益,李胜祗,孙中建,等.板形控制技术探讨[J].安徽工业大学学报：自然科学版,2002,19(4)：272-277.
[4]张连军,张清东,于孟.20辊森吉米尔轧机板形调控性能研究[J].冶金设备,2008(1)：40-43.
[5]许健勇.薄板冷轧厚度预板形高精度控制技术[J].钢铁,2002,37(1)：73-77.
[6]王崇涛,方康玲.森吉米尔轧机的板形控制[J].轧钢,2005,22(4)：14-16.
[7]潘纯久.二十辊轧机及高精度冷轧带钢生产[M].北京：冶金工业出版社,2003.
[8]Yu Hai-liang,Liu Xiang-hua,Gyoo-Taek L.Contact Element Method with Two Relative Coordinations and Its Application of Prediction for Strip Profile for a Sendzimir Mill[J].ISIJ International,2007,47(7)：996-1005.
[9]罗付华.十四辊轧机在铜带生产中的应用[J].有色金属加工,2007,36(4)：22-23.。