1800 mm虚拟轧机板形控制性能

D0I:10.13374/i.issn1001-053x.2004.01.024 第26卷第1期 北京科技大学学报 VoL.26 No.1 2004年2月 Journal of University of Science and Technology Beijing Feb.2004 1800mm虚拟轧机板形控制性能 何安瑞”张清东”许健勇》姜正连》汪晨》 1)北京科技大学高效轧制国家工程研究中心，北京1000832)北京科技大学机械工程学院，北京100083 3)宝山钢铁股份有限公司冷轧部，上海200941 摘要定义了评价轧机板形控制性能的六项指标，包括承载辊缝凸度调节域、辊缝横向刚 度、板形调控功效曲线、边缘降、辊间接触压力平均幅值和辊间接触压力分布不均匀度，建立 了HC,CVC,PC和DSR系列轧机的有限元仿真模型，并从板形控制性能的六项指标方面分析 了当前国际上流行的各种机型的特点， 关键词冷轧机：板形控制：有限元 分类号TG333.71 近20年来，为了满足用户对板形质量精度日 的基本组成元素.以承载辊缝形状变化量表示的 趋严格的要求，国际上先后开发出了一系列的先 板形调控功效可以描述为以板宽(B)为自变量的 进板形控制技术并以其为标志推出了多种板带 n次多项式(n值取决于板形技术)并且可以简化 轧制的新机型，如HCW,HCMW,UCMW、CVC4, 描述为板宽中心区域的二次凸度与四次（高次） CVC6,DSR,PC等轧机m,统称为新一代高技术 凸度和板宽边部区域的边部减薄量（边缘降）， 轧机.多种不同机型同时并存首先为用户提供 评价轧机板形控制性能的指标包括以下几 了多种可能的机型选择.当选择机型时应该扬长 方面： 避短，选择和配置出最适当的机型.要实现这一 ()承载辊缝凸度调节域一轧机各板形技 目标，则必须弄清各种机型的板形控制能力和特 术在一定工艺条件下所能提供的承载辊缝二次 性.因此，以1800mm冷轧机为对象，采用计算机 和四次凸度变化范围. 离线仿真的方法，对不同机型的板形控制能力和 (2)辊缝横向刚度一辊缝形状抵抗轧制力 特性进行虚拟仿真，为新建冷轧机的选型或旧轧 波动影响的能力，以辊缝凸度的单位变化（如 机的改造提供理论依据， 1mm)所需要的平均单位板宽轧制力的变化量表 示. 1板形控制性能评价指标 (3)板形调控功效曲线一板形调控手段的 单位作用（如10kN弯辊力、1°交叉角、10mm轴向 虚拟仿真并比较1800mm冷轧机拟采用的 移位等)所引起的承载辊缝形状的变化量网. 各种机型，首要问题之一是如何描述板形调控能 (4)边缘降一在各种轧机工况条件下，承载 力与特性即板形控制性能，二是如何获得各机型 辊缝在板宽边部区域内的轮廓突变量. 的板形控制性能. 轧机的板形控制性能源于轧机所装备的各 (5)辊间接触压力平均幅值一辊间接触线 长度内接触压力的平均值， 项板形技术的板形调控功效以及这些板形技术 的组合使用，其中板形调控功效（大小、形态）是 (⑥)辊间接触压力分布不均匀度一沿接触 线长度方向辊间接触压力的最大值和其平均值 板形技术的特质和标志，是板形技术的板形调控 的比值 性能的根本性决定因素，也是轧机总体板形性能 2 收稿日期200303-24何安瑞男，31岁，副研究员，博士 板形控制性能的获取途径 *国家自然科学基金资助课题No.59835I700) 要全面、准确、定量地获取轧机在各种设备

第 26 卷 第 1 期 20 04 年 2 月 北 京 科 技 大 学 学 报 OJ 姐 ru ia o f U n ive o i ty o f S c i e . c e a dn T eC h n o ol gy B iej in g 叭 , L26 N o . 1 F e b 。 200 4 1 80 0 m m 虚拟轧机板形控制性能 何 安瑞 ” 张 清 东 2 , 许健 勇 ” 姜正 连 ” 汪 晨 ” l )北京 科技 大学 高效 轧制 国家工 程研究中心 , 北京 10 0 83 2 )北 京科 技大 学机械 工程 学 院 , 北京 10 0 0 83 3) 宝 山钢 铁股 份有 限 公司冷 轧部 , 上 海 2 00 9 41 摘 要 定义 了评 价轧 机板 形控 制 性能 的六 项指 标 , 包 括承 载辊 缝 凸度 调节 域 、 辊 缝横 向刚 度 、 板形 调控 功效 曲线 、 边缘 降 、 辊 间接 触压 力平 均 幅值和 辊 间接触 压 力分 布不 均匀 度 . 建 立 了 H C , C V C , P C 和 D S R 系列 轧机 的有 限元仿 真 模型 , 并从 板 形控 制性 能 的六项 指标 方 面分 析 了当前 国 际上流 行 的各种 机 型的特 点 . 关键 词 冷 轧 机 ; 板 形 控制 : 有 限元 分 类号 T G 3 3 3 . 7 + l 近 2 0 年来 , 为 了满足 用户 对板 形质 量精 度 日 趋严 格的要 求 , 国际上 先后 开 发 出 了一系 列 的先 进 板 形 控制 技 术 并 以其 为 标 志推 出 了多 种板 带 轧 制 的新 机 型 , 如 H C w , H C M W , U C M W 、 c v c 4 , C V C 6 , D S R 〔` , , PC 等 轧机 口, , 统 称 为新 一 代高技 术 轧 机 `31 . 多种 不 同机 型 同 时并 存 首先 为 用户 提 供 了多种 可 能 的机型 选择 . 当选择机型 时应 该扬 长 避 短 , 选 择 和 配 置 出最 适 当 的机 型 . 要 实现 这 一 目标 , 则 必须弄清 各 种机型 的板形 控 制 能力和 特 性 . 因此 , 以 18 0 ~ 冷轧机 为对 象 , 采 用 计算机 离线 仿真 的方 法 , 对 不 同机型 的板形 控制 能 力和 特性进行 虚拟 仿真 , 为新 建冷 轧机 的选 型或 旧 轧 机 的改造 提 供理论 依 据 . 1 板形 控制 性 能评价指 标 虚 拟 仿 真并 比 较 1 8 0 ~ 冷 轧机 拟采 用 的 各种 机 型 , 首要 问题之 一是 如何 描 述板 形调 控 能 力与 特 性 即板形 控制 性 能 , 二是 如 何获 得各 机 型 的板 形 控 制性 能 . 轧机 的板 形控制 性 能源 于 轧机 所装备 的各 项 板 形 技术 的板 形 调 控 功效 以及 这 些 板 形 技 术 的组合 使用 , 其 中板形 调控 功效 ( 大小 、 形 态 ) 是 板形 技术的特质 和 标志 , 是 板形 技 术 的板形 调 控 性 能 的根本 性 决定 因素 , 也是 轧机总 体板 形性 能 收稿 日期 2 0 3刁 3 - 2 4 何 安瑞 男 , 31 岁 , 副研究员 , 博 士 * 国家 自然科学 基金 资助 课题 (N .0 5 9 8 3 5 17 00) 的基本 组 成元 素 . 以承载 辊缝 形状 变 化量 表 示 的 板 形调 控 功效 可 以描述 为 以板宽 (B ) 为 自变量 的 n 次 多项 式 (n 值取 决 于 板形 技 术 ) 并且 可 以简化 描 述 为板 宽中心 区域 的 二 次 凸度 与 四次 ( 高 次 ) 凸度 和板 宽边 部 区域 的边 部减 薄 量 ( 边 缘 降 ) . 评 价 轧 机板 形 控 制 性 能 的指 标 包 括 以下 几 友面 : ( l) 承 载 辊 缝 凸度 调 节域 — 轧机 各板 形 技 术在一 定 工 艺 条 件 下所 能提 供 的承 载 辊 缝 二 次 和 四次 凸度 变 化 范 围 . (2 )辊 缝横 向刚度 — 辊 缝 形状抵 抗 轧制 力 波动 影 响 的能 力 , 以辊缝 凸度 的单 位 变 化 ( 如 1 ~ ) 所 需要 的平 均单 位 板 宽轧制力 的变化 量表 示 . (3 )板 形 调控 功 效 曲线 — 板 形 调控 手 段 的 单位 作用 ( 如 10 kN 弯辊 力 、 1 。 交 叉角 、 10 ~ 轴 向 移位 等 ) 所 引起 的承载 辊 缝 形状 的变化 量 “ , . (4 )边 缘 降 — 在 各 种 轧机 工况 条件 下 , 承 载 辊 缝在 板 宽边 部 区 域 内 的轮 廓突 变 量 . (5 )辊 间接 触 压 力 平 均 幅 值— 辊 间 接 触 线 长 度 内接 触 压 力 的平 均值 . (6 )辊 间接 触 压 力 分 布 不 均 匀 度 — 沿 接 触 线长度 方 向辊 间接触 压 力 的 最 大值 和 其 平 均 值 的 比值 . 2 板形 控制性 能的 获取 途 径 要 全面 、 准 确 、 定 量地 获 取 轧 机在 各种设 备 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 2004. 01. 024

·92 北京科技大学学报 2004年第1期 条件、工艺条件下的板形控制性能，计算机离线 优化，具有较高的分析速度，在普通微机上，分析 仿真可以说是目前惟一可行的方法.针对当前国 一个工况耗时不超过15min.图2为DSR轧机有 际上流行的多种机型，需建立数个完全不同的有 限元模型， 限元仿真模型，并需计算上千个工况下的承载辊 缝形状. 根据所需分析轧机的特点，分别建立了两套 有限元仿真系统，每套系统分别包含多个不同的 有限元模型.仿真系统1可以分析普通的四辊轧 机、四辊HCW轧机、四辊CVC轧机、四辊PC轧 机、六辊CVC轧机、六辊UCMW轧机、六辊 HCMW轧机等各类轧机：仿真系统2专门用于 (a)HCW机 DSR轧机的模拟分析，既可以分析DSR技术的整 体调控行为，也可分析其针对性调控行为， 2.1仿真系统1的开发 常用的计算辊系弹性变形的数值方法有影 响系数法和有限元法，前者计算速度较快，但精 度不及后者.有限元法计算精度有保证，但计算 速度有限，尤其是三维有限元法.由于本次欲计 ≤ 算的轧机机型较多，每种机型又需计算很多工 (b)HCMW/UCMW轧机 况，显然采用常规的三维有限元法不切实际.为 图1二维变厚度有限元模型 此，在北京科技大学陈先霖院士开发的二维变厚 Fig.1 2-dimensional varying thickness finite element 度有限元模型的基础上，针对不同的机型，建立 model 了相应的有限元模型.应用该模型，在普通的微 机上计算一个最复杂的工况所花的时间不超过 1s.而采用国际上通用的知名有限元软件AN SYS建立的有限元模型，计算一个最简单的工况 也需5h以上，要计算一个复杂的工况则需10h 以上，而且对计算机的内存、硬盘存储容量要求 也很高切.在精度方面，经实测数据验证和与AN SYS模型计算的结果比较，采用二维变厚度有限 元模型具有很高的精度，在本次仿真过程中，对 图2DSR轧机有限元模型 Fig.2 Finite element model of DSR mill 于除DSR机型以外的所有机型，均采用二维变厚 度有限元模型.图1是部分机型的二维变厚度有 3仿真结果及其分析 限元模型. 2.2仿真系统2的开发 使用仿真系统1对六种轧机的1944个典型 DSR轧机有着与普通轧机截然不同的结构 工况下的轧机板形控制性能进行了定量模拟计 和载荷情况”，其空心辊套的结构和辊套内壁承 算：同时使用仿真系统2对DSR轧机的378个典 受压块压力的承载方式使得仿真系统1不再适 型工况下的轧机板形控制性能进行了定量模拟 用.为了对DSR轧机进行仿真计算，必须建立三 计算.根据仿真计算结果分析，可得出如下结论： 维实体模型，综合考虑工况、运算规模和计算机 (1)承载辊缝凸度调节域反映了轧机辊缝形 硬件条件等因素，采用国际通行的中等规模有限 状的调节柔性，因此一般都追求更大的调节域面 元分析程序SAP5为分析工具，建立DSR轧机的 积，以使轧机辊缝形状具有较好的调节柔性，图 三维有限元模型，模型进行了较为精细的单元划 3为四辊CVC轧机的辊缝凸度调节域.图中，a为 分，以提高分析的精度.同时模型进行了合理的 单位宽度轧制力为5kNmm:b为单位宽度轧制力

北 京 科 技 大 学 学 报 2004 年 第 1 期 条 件 、 工 艺条 件 下 的板 形控 制性 能 , 计 算机 离线 仿 真可 以说 是 目前惟 一可 行的 方法 . 针对 当前 国 际 上流行 的 多种机 型 , 需建 立数 个完 全不 同的有 限元仿真 模 型 , 并需计 算上 千个 工 况下 的承 载辊 缝 形状 . 根 据 所需 分析 轧机 的特 点 , 分别 建立 了两套 有 限元仿 真系 统 , 每套 系统 分别 包含多个 不 同的 有 限元模型 . 仿 真系统 l 可 以分析普通 的 四辊 轧 机 、 四辊 H C W 轧机 、 四辊 C V C 轧 机 、 四辊 CP 轧 机 、 六辊 C V C 轧机 、 六 辊 U C M W 轧 机 、 六 辊 H C M NV 轧机 等 各类 轧 机 ; 仿 真系 统 2 专 门用 于 D S R 轧机 的模拟分 析 , 既 可 以分析 D S R 技术 的整 体 调 控行 为 , 也 可 分析 其针 对性 调 控 行 为 . .2 1 仿真 系统 1 的开 发 常 用 的计 算辊 系 弹 性 变 形 的 数 值 方法 有 影 响 系数 法和 有 限元 法 . 前者 计算速 度较快 , 但精 度 不及 后者 . 有 限元 法计 算 精度 有 保证 , 但计 算 速度 有 限 , 尤 其是 三 维 有 限元 法 . 由于本 次欲 计 算 的 轧机 机 型较 多 , 每种机 型 又 需 计 算很 多工 况 , 显然采 用 常规 的三维 有 限元 法 不切 实 际 . 为 此 , 在北 京科 技大 学陈先 霖 院士 开发 的 二维变 厚 度 有 限元模 型 的基础 上`sl , 针 对不 同的机型 , 建立 了相 应 的有 限元 模型 . 应用 该 模 型 , 在 普通 的微 机 上 计 算 一个 最 复 杂 的工 况 所 花 的 时 间不 趁过 1 5 . 而采 用 国 际上 通 用 的知 名 有 限元 软件 A卜卜 S Y S 建立 的有 限元 模 型 , 计 算一 个最 简单 的工况 也 需 s h 以上 , 要 计 算一 个 复杂 的工 况 则 需 IO h 以上 , 而 且对 计 算机 的 内存 、 硬盘 存 储容 量 要求 也 很 高闭 . 在精 度 方面 , 经 实 测数 据验 证 和 与 A N - S Y S 模 型计 算 的结 果 比 较 , 采 用二 维 变厚 度有 限 元模 型 具有 很 高的精度 . 在本 次 仿 真过 程中 , 对 于 除 D S R 机型 以外 的所 有机 型 , 均采 用二 维变 厚 度有 限元 模 型 . 图 l 是 部分 机型 的二 维变 厚度 有 限元模型 . .2 2 仿 真 系统 2 的 开发 D S R 轧机 有 着与 普通 轧 机 截然 不 同的 结构 和 载荷 情况 口, , 其 空心 辊套 的结 构和 辊套 内壁 承 受 压 块压 力 的承 载 方 式使 得 仿 真系统 1 不 再适 用 . 为 了对 D S R 轧机进行 仿 真计 算 , 必须 建立 三 维 实体 模型 . 综 合考 虑工 况 、 运 算 规模 和 计算机 硬件 条件 等 因素 , 采用 国 际通行 的 中等规 模有 限 元分 析程 序 S A P S 为 分析工 具 , 建立 D S R 轧机 的 三维 有 限元 模 型 . 模 型 进行 了较为精 细 的单元 划 分 , 以提高 分 析 的精度 . 同时模 型进 行 了合 理 的 优 化 , 具有 较 高的分 析速度 , 在普通 微机 上 , 分析 一 个 工况 耗 时不 超 过 巧 m i n . 图 2 为 D S R 轧 机有 限元模 型 . 险冈阶姗声粉姗l栅氏瞅 巨又区因队巫冈朋呱啊仍竹卜卜冈刀刚夕口压牙下 因冈因幽幽冈刚呱 , 州解助冈刀四夕夕夕 回乡牙下 冈 冈 叼 冈 刀 刚 四 田 口 叼 田 田 卿抓琳嘟冈朋陈冈闪冈 一 卿今阴咐林冈呱叭冈冈卜石 、 、 基、 、 l 、 卜卜卜 金卜卜朗卜 幽下下蹬卜不办 缨卜山几八刀缨刁月 月 月尹夕 l 认壑内刁2 1尸 l / \ 入】\ 阴刊叭林」望也」\I/ 夕卜性几 1刀团洲夕卜少切/ 12 / 少 / )/ { / 切九今 (月/ / I 沙 , 门 / 卜叭 碑儿 产 曰尸汗L几 口训卜专 之 少 F ! 亿小囚 卜 穷 卜 寸 么 寸 卜 中 卜 必 卜 小 卜入色 入 1习喇钊咭 \ 、 队l 、 入{ 、 a() H C w 轧机 7啊哪困刚明胡胡训州刚吻 巨三二冈冈M闪训阅冈阴冲入冷叭酬冲侧困四夕口巨二刁 因冈因付付训冈阴附伪竹竹W困四夕夕冈 冈巨了 冈 冈 冈 冈沙 加 切 粉 八 卜 叼 卜冈 冈 困 冈冈 肿沙切 林 们 仲 训 付 喇 朴 刚 阴 厕 阴 刚 阅 闷 阅 阅阅卜互二 l ll黔缈窿 擎困目 ;鬓困翻脚侧瀚脚妞撇峭臼臼事 曰蕊狂`弱 (b ) H C M WU/ C MW 轧机 图 1 二 维 变厚度 有 限元模型 F 咭 · 1 2一汕e n sio n a l v a 叮in g ht i c k . e班 血批 e le m e . t m od el 图 2 D s R 轧机 有限元 模型 iF g. 2 F i . i et e 】e . en 亡. ed el of D SR m 川 3 仿真结 果 及 其分 析 使 用 仿 真系 统 1 对 六 种轧 机的 1 9 4 个 典 型 工况 下 的轧机 板 形 控 制 性 能进 行 了定量 模 拟 计 算 : 同时使用 仿真系统 2 对 D S R 轧 机的 3 78 个典 型工 况 下 的 轧机 板 形 控制性 能进 行 了定 量 模拟 计 算 . 根据仿真计算结果 分析 , 可得 出如下 结论 : ( l) 承 载辊 缝 凸度调 节域 反 映 了轧机 辊 缝形 状 的调 节柔 性 , 因此 一般 都追 求更 大 的调节 域面 积 , 以使 轧机 辊 缝 形状 具 有较好 的调 节柔 性 . 图 3 为 四辊 C V C 轧机 的辊缝 凸度 调 节 域 . 图中 , a 为 单位 宽度 轧制 力 为s k N /m m ; b 为 单位宽度轧制 力

VoL26 No.1 何安瑞等：1800mm虚拟轧机板形控制性能 ·93· 为13kN/mm.总的来讲，六辊轧机比四辊的调节 主要因素.计算结果表明，DSR和PC轧机的Pm 域要大且形状更复杂(DSR的针对性调控功能除 相对较小：在大部分工况下CVC轧机比UC和HC 外).各种轧机的调节域由大到小依次为PC, 轧机的P要大.另外，分析发现，对于CVC轧机， DSR,CVC6,UCMW,CVC4,HCMW,HCW.其中 Pm存在于CVC辊形曲线的鱼尾端；对于UC轧 PC,DSR,CVC6和UCMW都可以提供较大的凸 机，P主要存在于与轧件边缘基本对齐的那个 度调节域，二次凸度从几百微米到一干多微米， 轧辊端部. 四次凸度从几微米到几十微米，但它们随轧制力 (4)辊间接触压力平均幅值P决定接触范围 和板宽的变化规律不同.DSR技术的调节域大小 内轧辊表面的绝对磨损量，也可反映由于接触线 随轧制力和板宽的变化而成正比例变化，变化幅 长度变化导致的接触压力平均值的变化.UC和 度较大；CVC和PC技术的调节域大小随板宽的 HC轧机轧辊轴向移位后必然使P变大；而CVC 变化而成正比例规律明显变化，但几乎不受轧制 轧机和PC轧机的P基本不变；对于DSR轧机， 力变化的影响：UC和HC技术的调节域大小随轧 压块压力分布调节并不改变总轧制力，但有时会 制力和板宽的变化而成正比例规律变化，但变化 在一定程度上减少接触线长度，所以DSR技术有 幅度不大，从理论上讲，只有CVC技术可以通过 时会使P有一定程度增加. CVC曲线的最优设计使其具有生产所需的足够 (5)板形调控功效曲线反映了板形控制技术 大的调节域，也可以改变其与板宽的关系，而且 的调节作用在板宽方向上的分布.图4为UCMW 更重要的是这种辊形优化设计可以在轧机建成 轧机的板形调控功效曲线，图中RS为中间辊窜 投产后根据生产实际情况反复多次，方便且不影 动量，FBW为工作辊弯辊力，计算结果表明：DSR 响生产进行， 技术的压块压力调节作用可以发生在从板宽边 800 部到中心区域的全范围，DSR轧机的各调节手段 600 相互结合，可以形成较多复杂形状的承载辊缝形 且 400 状曲线.PC技术、工作辊CVC和中间辊CVC技 术的调节作用类似于中间辊弯辊.如果用多项式 200 描述，是比工作辊弯辊的次幂更低的低次简单多 11 0 项式，所以PC和CVC轧机各手段组合形成的承 -200 载辊缝形状曲线也是相对简单的单调低次多项 400 式类，UC轧机的各种手段组合可以形成比CVC -15 -10 -5 05 10 1520 轧机复杂但仅次于DSR轧机的各种较为复杂的 四次凸度/μm 图3四辊CVC轧机的辊缝凸度调节域 承载辊缝形状曲线，其中UC轧机的工作辊Taper Fig.3 Gap adjustment area of a 4-h CVC mill 工作模式，能够将调节作用集中于板宽的边缘处 (即边部减薄和边浪区域)， (2)承载辊缝横向刚度反映了轧机承载辊缝 形状抵抗轧制力干扰的能力，追求高刚性是永恒 400 的目标.UC和HC技术可以通过恰当的轧辊轴向 200 移位获得接近于无穷大的横向刚度：CVC和PC 技术对轧辊横向刚度的影响较小，所以CVC和 -200 PC轧机的横向刚度与相应的普通轧机相同：DSR 400 技术通过改变七个压块的压力分布可以获得比 普通四辊轧机高的辊缝横向刚度，对于较宽的轧 650 -325 0 325 650 件还可以获得仅次于HC,UC轧机的横向刚度， 带钢宽度/mm a:IRS=185mm,FBW=500kN:b:IRS=185mm,FBW=0 (3)辊间接触压力分布不均匀度Pm反映了轧 kN:c:IRS=185mm,FBW=500kN:d:IRS=278mm,FBW= 制中轧辊表面磨损分布的均匀性和极端情况下 -500kN:e:IRS=278 mm,FBW=0kN:f:IRS=278 mm, 轧辊表面产生剥落的可能性，轧辊表面磨损是来 FBW=500 kN. 自于轧机方面的主要板形干扰因素，也是危害轧 图4UCMW轧机的板形调控功效曲线 辊辊形自保持性和轧机板形控制性能稳定性的 Fig.4 Shape control efficacy curve of UCMW mill

V 匕L2 6 N 0 . 1 何 安瑞 等 : 1 8 0 nI . 虚 拟轧 机板 形 控制 性 能 为 13 k N厄皿 . 总 的来 讲 , 六 辊 轧机 比 四辊 的调 节 域 要大 且 形状 更 复杂 ( D S R 的针 对 性 调控 功 能除 外 ) . 各 种 轧 机 的 调 节 域 由大 到 小 依 次 为 P C , D S R , C V C 6 , U C M W , C V C 4 , H C M W , H C W . 其 中 PC , D S R , C V C 6 和 U C M W 都可 以提 供 较 大 的 凸 度 调节 域 , 二 次 凸度从 几 百微 米 到 一千 多微米 , 四次 凸度 从几 微米 到 几十 微米 , 但 它 们 随轧 制力 和 板 宽的变化 规 律 不 同 . D S R 技 术 的调节 域 大小 随 轧制 力和 板 宽 的变化 而成 正 比例 变 化 , 变化 幅 度 较大 ; C V C 和 P C 技 术 的调 节域 大小 随板 宽的 变 化而 成 正 比例 规 律明显变化 , 但 几 乎不 受 轧制 力 变化 的影 响 ; U C 和 H C 技术 的调 节域大 小 随轧 制 力和 板 宽 的变 化 而成 正 比例 规律 变 化 , 但变 化 幅 度不大 . 从 理论 上讲 , 只 有 C V C 技术 可 以通 过 C V C 曲线 的最优 设 计 使其 具 有 生产 所 需 的足 够 大 的调节 域 , 也可 以改 变其 与 板 宽 的关 系 , 而 且 更 重 要 的 是 这种 辊 形 优 化 设 计 可 以在 轧机 建 成 投 产后 根据 生 产实 际 情况 反 复 多次 , 方便 且不 影 响生产 进 行 . 八” o n ù 00 ǎ ” o0 àR n 64 ù, 侧彭、电目一1 一0 0 一 4 0 0幸资执户芬 / 户 一 15 一 10 一 5 0 5 10 1 5 2 0 四次 凸度 /脚 图 3 四 辊 CV C 轧机 的辊 缝 凸度 调节 域 Fi g . 3 G a P a dj u s恤 e n t a er a o f a 今h CV C m扭 主要 因素 . 计 算 结果 表 明 , D S R 和 P C 轧机 的只加 相对 较 小 ; 在 大部 分工 况 下 C V C 轧机 比 U C 和 H C 轧机 的只. 要 大 . 另外 , 分 析 发现 , 对 于 C V C 轧机 , 只. 存 在 于 C V C 辊 形 曲线 的鱼尾 端 ; 对 于 U C 轧 机 尸阴 主 要 存 在 于 与 轧件 边 缘 基 本对 齐 的那 个 轧辊 端 部 . (4 )辊 间接触 压 力平 均 幅 值只明 决定 接触 范 围 内轧 辊表 面 的绝 对 磨损 量 , 也可 反 映 由于接 触线 长度 变 化 导致 的接 触压 力 平 均值 的变 化 . U C 和 H C 轧机轧 辊 轴 向移 位 后 必然 使.P vg 变 大 ; 而 C V C 轧机 和 P C 轧 机的只粗 基本 不 变 ; 对 于 D S R 轧机 , 压块 压 力分 布调 节 并不 改 变 总轧制 力 , 但 有 时会 在一 定程度 上减少 接触 线 长度 , 所 以 D S R 技 术有 时会 使只粗 有 一 定程 度增 加 . (5 ) 板 形 调控 功 效 曲线反 映 了板 形 控 制 技术 的调 节 作 用在 板 宽方 向上 的分 布 . 图 4 为 U C M W 轧机 的板 形调 控 功 效 曲线 , 图中 IR S 为 中 间辊窜 动量 , F B W 为工 作 辊弯 辊 力 , 计 算结 果表 明 : D S R 技 术 的压 块 压 力调 节 作 用 可 以发 生 在 从板 宽边 部 到 中心 区域 的全 范 围 , D S R 轧机 的各 调 节手 段 相互 结合 , 可 以形 成较多 复杂 形状 的承载 辊缝形 状 曲线 . P C 技 术 、 工 作辊 C V C 和 中 间辊 C V C 技 术 的调节 作用类 似 于 中 间辊弯 辊 . 如 果 用 多项式 描述 , 是 比工 作辊 弯辊 的次幂 更 低 的低 次简 单 多 项 式 , 所 以 PC 和 C V C 轧机各 手 段 组合 形 成 的承 载 辊缝形 状 曲线 也是 相 对 简单 的 单 调 低 次 多项 式类 . U C 轧 机 的 各种 手 段 组合 可 以形 成 比 C V C 轧机 复 杂 但仅 次于 D S R 轧机 的各种 较 为复 杂 的 承 载辊 缝 形状 曲线 , 其 中 U C 轧机 的工 作辊 几p er 工作 模 式 , 能 够将 调节 作 用集 中于板 宽 的边 缘 处 ( 即边 部 减 薄和 边 浪 区 域 ) . (2 )承载 辊 缝 横 向刚 度 反 映 了轧机承 载 辊缝 形状 抵抗 轧 制力 干扰 的 能力 . 追求 高刚 性是 永恒 的 目标 . U C 和 H C 技 术 可 以通过恰 当的 轧辊 轴 向 移位 获 得接 近 于 无 穷大 的横 向刚度 ; C V C 和 P C 技术 对 轧 辊横 向刚度 的影 响较小 , 所 以 C V C 和 P C 轧机 的横 向刚度 与相 应 的普通 轧机 相 同; D S R 技 术通 过 改变 七 个 压 块 的压 力分 布 可 以获 得 比 普通 四辊轧 机 高的辊 缝 横 向刚度 , 对于 较 宽 的轧 件还 可 以获得 仅 次 于 H C , U C 轧 机 的横 向刚度 . (3 ) 辊 间接触压 力分 布 不均 匀度 cP . 反 映 了轧 制 中轧 辊表 面 磨 损 分 布 的 均 匀性 和 极 端情况 下 轧 辊表 面产 生 剥落的可 能 性 . 轧辊 表面 磨 损是 来 自于轧 机方 面 的主要 板 形干 扰 因素 , 也 是危 害 轧 辊 辊 形 自保 持 性 和 轧 机 板 形 控制 性 能稳 定 性 的 4 00 2 0 0 一2 0 0 一 4 0 0火 洲洲 才荞狱 、务梁圳辉燕肠口目一 一5 0 一2 5 0 3 2 5 6 5 0 带钢 宽 度m/ m a : IR S = 1 8 5 r n 们。 , F B W=- 50 0 kN : b : IR S = 1 8 5 m m , FB W= 0 k N : e : IR S = 1 85 m m , F B W = 5 0 0 kN ; d : IR S = 2 7 8 m m , F B W = 一5 00 k N : e : IR S二 27 8 m m , F B W= o kN ; :f IR S = 2 7 8 m m , F BW = 50 0 k N . 图 4 U C M W 车L机 的板 形 调控 功效 曲线 F论 · 4 S h a P e c o o t or l e 仿c a yC c u ver o f U C M W m 川

94 北京科技大学学报 2004年第1期 (6)边部降ED产生于轧制力引起的工作辊表 其工艺条件、板形自动控制系统及操作工的操 面弹性压扁在板边的急剧减小和“有害接触区” 作. 引起的轧辊过度弯曲.UC轧机的工作辊Taper移 (4)除板形控制性能外，还要考虑在生产中操 位模式具有最大的ED控制能力，HCMW和HCW 作维护维修的方便性、运行的可靠性、发生故障 也可以提供较大的ED控制能力：PC技术和CVC 的危害性及综合成本. 技术具有相对小的ED控制能力：DSR技术也可 (⑤)新一代高技术板带轧机都是以其所用的 以提供次于UC但也较大的ED控制能力， 标志性板形技术命名的，但其板形控制性能却是 (⑦)弯辊调控能力反映了轧机的弯辊装置对 其“标志性”板形技术与其他“通用”板形技术组 承载辊缝形状中的二次凸度和四次凸度的调控 合共同决定的，这种组合也十分重要.如果能打 能力.弯辊的调控能力不仅和轧制工艺条件（轧 破技术垄断障碍，也可将这些所谓“标志性”板形 制力、板宽)有关，还与轧辊尺寸及其他板形调控 技术互相组合寻求更好的轧机板形控制性能. 手段的配置与使用状态有关.在相同的轧辊尺寸 参考文献 和轧制条件下，采用不同的机型会有不同的弯辊 I张清东，何安瑞，周晓敏，等.冷轧CVC和DSR板 调控能力，工作辊弯辊的二次凸度调控能力由大 形控制技术之比较).北京科技大学学报，2002,24 到小排序为UCMW,DSR,CVC6,HCMW,PC, (6):291 HCW,CVC4:工作辊弯辊的四次凸度调控能力由 2 Vladimir B Ginzburg,High-Quality Steel Rolling:Theory 大到小排序为DSR,UCMW,CVC6,HCMW, and Practice [M].New York:Marcel Dekker,1993 CVC4.HCW,PC. 3陈先霖.冷轧薄板轧机的板形控制性能分析[A】.第 2届中美工程技术研讨会论文集[C].北京，1995 4结束语 4黄纶伟，陈先霖，张清东，等.板带冷轧机板形控制技 术调控功效的比较研究[A].板形测量控制（第二届） (1)各种轧机在各指标上的表现各不相同，而 学术年会论文[].北京，1999 每一个指标都代表生产中的某种需求且在不同 5 Chen X L,Zou J X.A specialized finite element model for 情况其重要性会不同，所以用任何形式的加权平 investigating controlling factors affecting behavior of rol- 均的方法评估都未必是科学的， Is and strip flatness [A].Proc of the 4th Interational Steel (2)除PC,CVC4和HCW外，UCMW,CVC6和 Rolling Conf [C].Deauville,1987.E.4.1 6何安瑞，曹建国，吴庆海，等，热轧精轧机组变接触 HCMW轧机在板形控制性能方面没有明显差 支持辊综合性能研究[).上海金属，2001,23(1)：14 别，可以说处于“同一数量级”，各具特色，可用于 7华建新，金以慧，吴文彬.基于动态板形辊的冷轧板 不同目的 形控制新技术[).钢铁，2001,36(1)：35 (3)板形控制性能在生产中能否发挥，取决于 Shape Control Performance of 1 800 mm Virtual Mills HE Anrui,ZHANG Qingdong,XU Jianyong,JIANG Zhenglian,WANG Chen )National Engineering Research Center for Advanced Rolling Technology,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)Mechanical Engineering School,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 3)Baoshan Iron Steel Co Ltd,Shanghai 200941,China ABSTRACT Six items were proposed for evaluating the shape control performances of a mill,including adju- stable area and transversal stiffness of loaded roll gap,shape control efficacy curve,edge drop,average contact force between rollers,and its distribution ununiformity.The finite element models of several types of famous mills,such as HC,CVC,PC and DSR,were developed to calculate the roll.The deformation and control performances of these mills were analysed detailedly. KEY WORDS cold rolling mill;shape control;finite element method

. , 4 . 北 京 科 技 大 学 学 报 20 4 年 第 1 期 (6 )边部 降 ED 产 生于 轧制力引起 的工 作辊 表 面 弹性 压扁 在 板边 的急剧 减 小和 “ 有 害接触 区 ” 引起 的轧辊 过 度弯 曲 . U C 轧机 的工 作辊 几 p er 移 位 模式 具有 最 大 的 E D 控制能力 , H C M W 和 cH w 也 可 以提供 较 大 的 E D 控 制 能力 : PC 技术和 C V C 技 术具 有相 对 小 的 E D 控 制 能力 ; D S R 技术也 可 以提供 次 于 U C 但 也较 大 的 E D 控制 能力 . (7 ) 弯辊 调 控 能力 反 映 了轧机的弯 辊 装置对 承 载辊 缝 形 状 中 的 二次 凸度 和 四次 凸 度 的调 控 能 力 . 弯 辊 的调控 能 力 不仅 和轧 制 工 艺条件 ( 轧 制 力 、 板 宽 ) 有 关 , 还 与轧 辊尺 寸及其 他 板形 调控 手 段的配 置与 使用 状态 有 关 . 在 相 同的轧 辊 尺寸 和 轧制条件下 , 采 用不 同的机 型会有不 同 的弯辊 调控 能 力 . 工 作辊 弯辊 的二 次 凸度调 控 能力 由大 到 小排 序 为 U C M W , D s R , e v e 6 , H e M W , P e , H C W , C V C 4 ; 工 作辊 弯辊 的 四次 凸度 调控 能 力 由 大 到 小 排 序 为 D s R , u e M W , e v e 6 , cH M 、 v , C V C 4 , H C W , P C . 其 工 艺 条件 、 板 形 自动 控 制 系统 及 操作工 的操 作 . (4 )除板 形控 制性能外 , 还 要考虑在 生产 中操 作维护 维修 的方 便性 、 运行 的可靠 性 、 发 生 故障 的危 害性及 综合 成本 . (5 ) 新 一代 高技 术 板 带轧 机都 是 以其 所用 的 标 志性 板形 技术 命名 的 , 但其 板形 控制 性 能却是 其 “ 标 志性 ” 板 形技 术 与其 他 “ 通 用 ” 板 形技术组 合 共 同决 定 的 , 这 种组 合 也十 分重 要 . 如果 能打 破 技术 垄断 障碍 , 也可 将 这些所 谓“ 标志 性 ” 板形 技 术 互相 组合 寻 求更 好 的轧 机板 形 控制 性 能 . 4 结 束语 ( l) 各种 轧机在 各指 标 上的表 现各 不相 同 , 而 每 一个 指 标 都代表 生 产 中 的某种需 求 且在 不 同 情况 其重 要性 会不 同 , 所 以用任 何形 式 的加权 平 均 的方 法评 估 都未 必是 科 学 的 . (2 ) 除 P C , C V C 4 和 H C W 外 , U C M W , C V C 6 和 H C M W 轧 机 在 板 形 控 制 性 能 方 面 没 有 明 显 差 别 , 可 以说处 于 “ 同一数 量级 ” , 各具特 色 , 可用 于 不 同 目的 . (3 )板 形控 制性 能在 生产 中 能否发 挥 , 取 决于 参 考 文 献 1 张清 东 , 何 安瑞 , 周 晓敏 , 等 . 冷 轧 C v C 和 D S R 板 形控 制技术之 比 较 阴 . 北京科技大 学学报 , 2 002 , 24 ( 6 ) : 2 9 1 2 V l a d im ir B G i nz b u 堪 , 托沙 . q 阳l iyt s姗I oR Ui n g : 仆 e 。口 叻d rP a e ti c e 【M 】 . Ne w 、 b r k : M aer e l D e k e r, 1993 3 陈先 霖 . 冷 轧薄板 轧机 的板 形控 制性 能分 析 A[ ] . 第 2 届 中美工 程技术 研 讨会 论文集 〔lC . 北京 , 19 95 4 黄纶伟 , 陈先 霖 , 张 清东 ,等 . 板 带冷 轧机板 形控 制技 术调控功 效 的比较研 究[A] . 板形 测量 控制(第二 届) 学 术年会 论 文 [c] . 北京 , 19 9 5 Ch en X L , Z o u J X . A sP e e iia iez d 丘in t e e l e m e in m o d e l fo r i vne ist gat ign co n tr o lli n g 丘岭 t o sr a fe c ti n g be hva i or o f or l - 1 5 an d s tr 1P fl a tn e s s lA ] . P r o e o f het 4 ht I net m iat o an l S缺l OR ll i n g C o nf [C ] . D e vau il l e , 1 987 . E . 4 . l 6 何 安瑞 , 曹 建 国 , 吴 庆海 ,等 . 热 轧精 轧机 组变接 触 支 持辊综 合性 能研 究田 . 上海 金属 , 2 0 1 , 23 (l :) 14 7 华建 新 , 金 以慧 , 吴文 彬 . 基 于动 态板 形辊 的冷 轧板 形 控制新 技术 明 . 钢铁 , 2 0 0 1 , 3 6( l ) : 35 Sh aP e C o ntr o l P er fo n n an c e o f 1 8 00 r n l n iV 到刀a l M ill s 月百 A n ur il) , 刀丈咬刃 G Qing dO 褚气刃U iJ a ny O心气汤叼刀G hZ e ngl i a n 3 ), 洲刃 G hC en 3) l ) N at i o n a】nE g l n e er ign R e s e acr h C e ent r for Ad v an c e d OR ll ign eT c bn o I o ’gy nU iv ser iyt o f s e i en ce an d毛戈 bn o】o盯 B e ij in肠 B e ijign l 0 0() 8 3 , C h ina 2 ) M ec h an i e al E n g in e e n . g S e ho o l , U n l v esr iyt o f s e i e n c e an d 毛沈hn ol o鲜 B e ij i n g , B e ij in g 10 0() 8 3 , C h ina 3) B ao hs an ho n & S t e e l C o L喊 S h叨hg a i 20 0 94 1 , C h ina A B S T R A C T S ix iet m s w e er P r 0 P o s e d for e v a luat in g het s h a P e e o n 仕0 1 P e ir b mr an e e s o f a m ill , icn l朗inL g adj -u s abt l e aer a an d tr a n s v e r s ia s it 伪 e s s o f l o ad e d or ll g 叩 , s h aP e e o n tr o l e if e a c y c侧附e , e 电 e dr o P , va e 仆gI e e o n at c t fo 代 e b e七那 e e n or llesr , an d ist id s itr b iut on u n 切 rU fo mr .iyt hT e if n iot e l em e in m o de l s o f s ve alr yt P e s o f 彻 11 ous m ill s , s u c h as H C , C V C , P C an d D S .R w er d e v e l o P e d t o e al e u l aet het or ll . T h e d e fo n n iat o n an d e 0 叮tr o l P e d b n n acn e s o f het s e m ill s w e r e an a l y s e d de at il e d ly . K E Y WO R D S e o l d or ll ign m ill; s h aP e e o in or l: 丘由t e e l em e in m e ht od