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轧机轧制过程中的弹性变形分析

轧机轧制过程中的弹性变形分析

在轧制过程中,金属受轧辊作用而塑性变形,工作机座(和轧辊)受金属的反作用力则产生弹性变形,使轧机的辊缝发生变化,影响轧件尺寸。因此,在设计、使用和控制轧机时,要确定轧机的弹性变形量。

轧机的辊缝弹跳量和刚性系数 轧机的刚性即轧机工作机座抵抗弹性变形的能力。轧制时的辊缝随所受的轧制力(rolling force)而增大,轧制时辊缝和空载时辊缝之差的平行平均值叫作辊缝弹跳量(图1)。

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轧机的辊缝弹跳量与轧制力的关系曲线称为轧机弹性曲线(图2)。此曲线的斜率(k)称为轧机刚性系数,在其直线部分意义为产生单位弹跳量所需的轧制力。图2中的载辊缝的实测值,但经常用的是由曲线的直线部分外推而得到的空载设定辊缝S0。

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为空

四辊式轧机的辊缝弹跳量由图3中各部件弹性变形量组成,各部件所占比例通常约为:机架占10~16%,压下装置占4~20%,辊系占 40~70%,其余为轧辊轴承、轴承座、压力垫和调心板等(表1)。

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影响轧机刚性系数的主要因素是轧机结构、尺寸,特别是辊系尺寸。轧制条件如轧制速度和板宽也有影响:前者使油膜轴承的油膜厚度变化;后者影响辊系变形。实际应用时常把轧机刚性系数定为常数,按不同轧制条件作适当修正。中国几种板带轧机刚性系数见表2。

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刚性系数的测定 轧机刚性系数可由理论计算确定,但通常是在轧机上实测获得。测定方法有轧板法和压下压靠法。轧板法是在设定空载辊缝下,轧制不同厚度的板坯,测定轧制力和轧制板厚,绘出轧机弹性特性曲线,求出轧机在一定条件下的刚性系数;条件不同时,按测出刚性系数的修正系数加以修正。压下压靠法比轧板法简单,是在轧机空转时,压靠轧辊,记录压下螺丝的压靠量和轧制力,以压靠量作为弹跳量,绘出轧机弹性曲线。此法可以实测出不同轧制速度下轧机的刚性系数,但由于未轧板时是工作辊面全面压靠,所以数值偏大,相当于轧板宽等于辊面宽时的刚性系数。

轧机弹跳方程 板带出口厚度h,空载时设定辊缝S0,轧制力P和轧机刚性系数k之间

根据轧机弹性曲线有以下关系:

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此式称为轧机弹跳方程,式中P/k即为辊缝弹跳量。

轧制状态 板带轧机的轧制状态可由图4的轧机弹性曲线和轧件塑性曲线来描述。轧件塑性曲线是轧制力与压下量的关系曲线,曲线上的某点切线的斜率Q称为轧件塑性系数。图4中两曲线的交点就是该轧制条件下的轧制状态(轧制力和轧件出口厚度)。分析图4可看出,当轧机弹性曲线位置不变时,即当在一定的轧机和辊缝设定值的条件下,影响轧件厚度变化的因素就是改变轧件塑性曲线位置的因素:①带坯厚度;②轧件变形抗力。为缩小轧件厚度波动值的有效方法是提高轧机刚性系数,亦即使轧机弹性曲线变陡。现代设计的轧机都选择较大的刚性。由于轧机尺寸的限制,不能完全依靠增大轧机刚性来改善轧件尺寸精度,因此发展出板带轧制的自动厚度控制系统(AGC)。

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AGC 按测厚方式分为两类:①用测厚仪直接测厚并通过调整设定辊缝或张力来控制厚度。通常前者用于粗调,后者用于精调。②用测厚计原理间接测厚,即根据测量的轧制力,用弹跳方程算出轧制厚度。此法没有直接测厚仪的滞后缺点,但精度稍差,一般需用测厚仪校正监控。当出现厚度差时,辊缝调整量ΔS与厚度差Δh的关系为:

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为了快速调整辊缝,现代轧机采用电-液伺服控制的液压缸代替电动压下螺丝;响应时间可在0.02秒以下,压下速度快,几乎在轧机弹跳产生的同时就给予压下补偿,保持轧机辊缝恒定,相当于轧机刚性系数为无穷大。考虑控制系统的稳定性和轧制板形等需要,可调整补偿系数,相当于改变轧机刚性系数。因为轧机具有刚性系数可变的优点,所以又称变刚性轧机。

轧机的轧辊挠度和横向刚性系数 轧制时辊身中部和边部辊缝差的增量Δx 称为轧辊挠度(图5)。

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轧辊挠度与轧制力关系曲线的斜率表示轧机横向刚性特性,称轧机横向刚性系数,其意义是产生单位挠度所需的轧制力。轧辊挠度影响板带的横向厚度和板形(对型棒材尺寸影响很小,可忽略不计)。挠度也随轧制力增大而增加。

轧辊挠度主要由辊系的以下四部分变形组成:轧辊弯曲挠度,轧辊剪切挠度,工作辊和支撑辊之间的弹性压扁,工作辊与轧件接触弹性压扁。影响轧辊挠度的主要因素是:辊系尺寸,轧制力,轧辊凸度(原始磨削凸度、热凸度和磨损)。组成辊系挠度的四部分难于分别测定,只能用轧板法测量总的轧辊挠度,即测量轧板横断面凸度来绘出轧制力与轧辊挠度的关系曲线,求出轧机的横向刚性系数。也可用理论计算分别求出上述四部分变形,再求总和,然后同实测值比较。

为了获得良好的板带横断面尺寸精度和板形,仅用加大工作辊径和增加支撑辊径或辊数来减少挠度是有限的,需用控制辊形的方法抵偿所产生的挠曲。控制辊形的方法有两种:①用加热或控制冷却液的方法,控制轧辊的热凸度。这种方法由于热惯性等而不能迅速进行调整,难于准确控制。②机械方法。主要用液压弯辊,或在多辊轧机中抽动中间辊;此法调整迅速有效,并可与板形检测仪组成闭环控制系统。

液压弯辊,在轧辊轴承座间安装推力液压缸,调整液压力以改变弯曲力的大小,使工作辊或支撑辊产生正弯或负弯,控制辊形和板形(图6)。此种装置(主要是工作辊弯曲)已广泛用于各种板带轧机上,效果较好。

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日本日立制作所近来发展出可抽动中间辊来改变挠度,控制辊形的六辊轧机(图7),即HC轧机(HighCrown Control Mill)。这种措施的优点是控制精度高,可使横向刚性系数接近无穷大,可以更有效地控制辊形和板形,现正在各种板带轧机上推广应用。日本的VC支撑轧辊等也是发展中的辊形和板形控制装置。


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