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1、森吉米尔轧机轧制过程板形翘曲控制研究张清东2，张晓峰2（1宁波宝新；2北京科技大学机械工程学院，北京 10008）摘 要：本文针对某厂单机架不锈钢轧机生产过程中存在的板形翘曲问题。建立了轧制过程二维有限元仿真模型，仿真分析轧制过程中变形区的接触应力和摩擦应力情况，揭示了轧制过程中不对称因素存在是导致翘曲产生的内在机理，同时对摩擦系数、辊径和轧辊偏移等轧制过程中的工艺上非对称因素对翘曲的影响规律进行了研究。在此基础上，提出了控制轧制过程中翘曲产生的方法，并应用于实际生产，绩效明显。关键词：森吉米尔轧机，不锈钢，翘曲引言不锈钢是功能性材料，也是现代结构材料，具有高耐蚀与耐热性、易成形性、高强度和易
2、表面加工性，是钢铁材料中的高端产品，生产工艺较为复杂，生产过程和产品质量控制的难度较大，属于技术密集型产业。随着需求量增长，不锈钢工艺技术和新产品开发也在不断发展，有效降低成本是重要任务。随着用户对板带材产品的尺寸精度，平直度，表面质量和机械性能等方面的质量要求越来越高。而在板带冷轧机轧制中，板带翘曲是常见的板形缺陷之一。目前对板形翘曲变形缺陷的产生机理从力学理论，轧辊轧机等机械设备，轧制过程中的各项工艺参数设定以及带钢本身的材质和力学性能等各方面的研究都还处于初级阶段，没有形成统一的理论和研究方法；而且由于本身的生产条件和实验条件所限，对生产轧制过程中出现的翘曲问题并没有特别好的控制和应对改
3、善方法。本文针对某厂不锈钢轧制过程中普遍存在带钢产生翘曲的现象，如图1所示。以20辊森吉米尔轧机为研究对象，对不锈钢带钢翘曲和轧制过程进行了有限元仿真研究，对轧制过程中可能引起的带钢翘曲产生的不对称因素和影响翘曲程度的轧制工艺参数进行了分析。在此基础上，提出了一系列翘曲控制技术，并应用于实际生产，取得了令人满意的效果。图1 翘曲带钢1轧制过程有限元仿真模型根据文献1-4对翘曲产生机理的研究， 在不锈带钢的生产中，带钢翘曲的产生也很可能是由于上下辊轧制条件的不一致，也就是非对称轧制引起的沿厚度方向塑性延伸的不一致导致的。引起非对称轧制的条件很多，如上下辊系的润滑不一致，带钢上下表面粗糙度不一致，
4、上下工作辊粗糙度不一致，上下辊速不一致，上下辊竖直方向的偏移等等。为模拟森吉米尔轧机的实际轧制情况，以及各因素对轧制过程的影响，需要建立非对称有限元仿真模型来分析具体的影响规律。1.1 模型简化为进一步分析轧制过程中翘曲产生的机理，寻找控制翘曲生成的方法，需要建立带钢轧制模型。考虑到带钢的几何尺寸的特点，长度和宽度方向的尺寸远大于厚度方向的尺寸，且在冷轧过程中带钢沿宽度方向的延伸很小，相比于带钢长度方向的塑性延伸，基本可以忽略，可建立基于平面应变的二维轧制模型，进行分析。本文以某厂规格为1.0mm1219mm的304不锈钢实际轧制过程为例进行建模分析，模型中参数取自实际生产中的一组工艺条件，具
5、体工艺参数如表1所示。表1 典型参数工艺参数基准数值工作辊辊径/mm75摩擦系数0.1入口带钢厚度/mm4.0出口带钢厚度/mm3.3轧制速度/m/min294如图2所示为森吉米尔轧机的辊系结构示意图，带钢处于中间虚线也即轧制线位置，考虑到实际轧制时只有上下工作辊和带钢进行接触，工作辊直接作用于带钢，下压而引起带钢长度方向的延伸，因此将有限元模型简化为上下两工作辊和带钢，如图3。图2 森吉米尔轧机的辊系结构图3 轧制模型简化图1.2网格划分实际生产中带钢的长度很长，为简化模型，减少计算。选取带钢的几何尺寸为1000mm4mm，沿厚度方向设置6个单元，长度方向100个，总共600个单元。为兼顾计
6、算的精度和速度，将工作辊靠近辊面部分进行局部细化2005，其余部分进行沿径向逐步变疏的自由网格划分，单元总数为1707。最后，将建立的两个工作辊和带钢进行装配，如图4所示。图4 二维轧制模型1.3 接触与边界约束将带钢的轧制过程分为两步：第一步，带钢头部强制咬入（带钢自身具有速度），直到基本咬入；第二步，去除带钢自身速度，完全轧辊的转动，由摩擦力作用使带钢向前运行。建模时，需定义两对接触。上工作辊表面与带钢上表面接触，由于上工作辊的刚性较大，因此选取上工作辊表面为主面，带钢上表面为从面；下工作辊表面与带钢下表面接触，定义下工作辊表面为主面，带钢下表面为从面。（4-1）两对接触均采用库伦摩擦模型
7、：f=mp （式1）式中 f 摩擦应力，MPa； m 摩擦系数；P 接触应力，MPa。为保证带钢在轧制过程中出现整体的刚性位移，在带钢端部中心节点添加厚度方向的约束，第一步中，在带钢尾部添加速度约束，在第二步时去掉。限制两工作辊水平和垂直方向的位移，并给定转动速度，如图5所示。至此基于平面应变的有限元模型建立完毕。图5 有限元模型的建立1.4 模型验证带钢的轧制过程分为头部咬入阶段也即带钢填充辊缝的阶段和稳定轧制阶段，在头部咬入阶段，作用在轧辊上的轧制力逐步增大，此后到达稳定轧制阶段，轧制力的大小基本趋于一致，如图6所示，稳定轧制时的轧制力大小在4500KN左右，与现场的实测的轧制力基本相近。
8、因此用此二维模型来分析带钢在轧制过程中的变形是可行的。图6 带钢稳定轧制过程Mises应力分布2非对称轧制过程带钢翘曲产生机理研究2.1 不对称摩擦研究轧制过程中由于摩擦系数不一致，上下表面沿接触弧长的接触力的分布也出现了不一致，如图7a所示。由于上表面的摩擦系数为0.2，下摩擦系数为0.1，从图7b可以明显看出上表面摩擦力幅值大于下表面。由于摩擦的不一致，中性面发生的倾斜，形成剪切带。（a）表面法向接触应力分布 A （b）表面摩擦应力分布图7轧制区应力分布（上辊摩擦系数0.2，下辊摩擦系数0.1）由于剪切区的存在，使得上表面的塑形延伸小于下表面，如图8a所示。在轧制过程中，带钢受到张力作用，
9、延伸大的部分的受到的纵向应力就小，如图8b所示带钢沿厚度方向的纵向残余应力也是不均匀的，上表面的残余应力比下表面的残余应力大20MPa左右。去除张力后，带钢会呈现一定程度的上翘。 （a）纵向延伸率分布（b）纵向应力分布图8 纵向应力应变沿厚度方向分布2.2 不对称辊径研究上下辊径不一致对上下表面接触弧长的影响较小，两者基本一致。上下表面的接触弧长在0.36.8mm之间，表面的法向接触力也基本一致，而下表面的摩擦系数为零的点即中性点比上表面更靠近出口侧0.2mm，轧制过程中带钢的中性面具有了一定的倾斜度，产生了非对称的剪切带， 使得上下表面的塑性延伸和纵向应力不一致。由于下表面的中性点向出口侧移
10、，下表面的前滑区小于上表面，后滑区大于上表面，下表面材料的流动速度比上表面要大，导致下表面的塑性延伸比上表面大0.15%，纵向应力比上表面小20Mpa左右，如图9。去除张力后，离线带钢呈现向上弯曲。 （a）纵向延伸率分布 （b）纵向应力分布图9 纵向应力应变沿厚度方向分布（上下辊径差+2mm）2.3 工作辊水平偏移研究上下工作辊辊心不在一条竖直线上时，轧制过程中会对变形区产生较大的影响。通过仿真上工作辊向出口侧偏移的工况表明，下表面的中性点向出口侧偏移0.3mm，因此下表面的前滑区小于上表面，后滑区大于上表面，下表面的塑性延伸比上表面大0.11%，纵向应力比上表面小100Mpa左右，如图10。
11、去除张力后，离线带钢呈现较大的向上弯曲。（a） 纵向延伸率分布 （b）纵向应力分布图10 纵向应力应变沿厚度方向分布（上工作辊向出口偏移1mm）3应用研究上文的理论研究成果表明，非对称轧制即是导致翘曲产生的根本原因，同时也可以作为翘曲控制的手段。因此，本文以减小生产过程中带钢翘曲高度为目标开展了相应工业应用研究。3.1 工作辊粗糙度差试验选择某一卷带钢，采用表2所示的方案进行试验生产。试验结果表明，前半卷和后半卷槽沟的没有减小的趋势，因此上下工作辊采用不同的表面粗糙度对调节翘曲值非常有限。表2 试验方案钢卷位置上辊粗糙度等级下辊粗糙度等级前半卷GG后半卷GH图11 工作辊粗糙度差试验3.2 工
12、作辊辊径差试验图12 所示的工作辊辊径差试验表明：采用上小下大的辊径配置与上大下小的辊径配置相比，前半卷产生的翘曲量略小，但是幅值很小。后半卷的槽沟值在30mm左右。 2mm的辊径差对带钢翘曲的影响非常小。（a）上下辊辊径差为+2mm（b）上下辊辊径差为-2mm 图12 工作辊辊径差试验3.3 工作辊水平偏移试验表3所示的试验结果表明：下工作辊向出口侧偏移时，带钢产生下扣的缺陷，上工作辊向出口侧偏移时，带钢产生上翘的缺陷。改变工作辊的偏移量可以明显改变带钢的翘曲程度，而且控制工作辊的偏移方向可以控制带钢的翘曲方向。表3 工作辊水平偏移试验样板规格（mmmm）工作辊偏移量(mm)翘曲值（mm）翘
13、曲值/长度11041250-1.2856-105.330.0958351250+1.487081.670.0974结论本文运用有限元商业软件ABAQUS建立了基于平面应变的轧制过程有限元模型，分析了在上下表面摩擦系数不同、轧辊速度不同、上下轧辊偏移和辊径存在差异等不对称轧制下变形区的法向接触力分布和摩擦力分布以及由此导致的前后滑区变化的情况，并对各非对称轧制因素对带钢沿厚度方向的纵向塑性应变和纵向应力的分布的影响进行了分析，发现不对称轧制因素导致的上下表面中性点发生偏移，中性面具有一定的倾斜度，前后滑区形成一个剪切带是导致翘曲产生的直接原因。根据数值仿真研究的结果，从消除带钢翘曲的角度出发，提出了3项减小轧制过程带钢翘曲的技术手段，其中调整工作辊水平偏移量能够有效地控制轧制过程带钢翘曲缺陷的产生。参考文献：1 戴杰涛薄宽带钢板形翘曲与纵向瓢曲变形行为研究D博士学位论文，北京：北京科技大学，20102 张栋冷轧薄带钢平整板形翘曲变形产生机理及对策研究D北京科技大学硕士学位论文，20103 戴杰涛，张清东冷轧薄带钢翘曲问题的辛弹性力学方法研究2010全国固体力学大会4 Dai Jietao, Zhang Qingdong. Mechanism of Cross Bow in Single-roll Transmission Temper Mill. ISARET 2010.
