森吉米尔轧机轧制过程板形翘曲控制研究

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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

2、形性、高强度和易表面加工性，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

3、曲问题并没有特别好的控制和应对改善方法。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，

4、如上下辊系的润滑不一致，带钢上下表面粗糙度不一致，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1.0mm×1219mm的304不锈钢实际轧

5、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。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1000mm´4

6、mm，沿厚度方向设置6个单元，长度方向100个，总共600个单元。为兼顾计算的精度和速度，将工作辊靠近辊面部分进行局部细化200´5，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

7、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：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