熱軋帶鋼平整機工作輥的不均勻磨損及其降低措施

張杰，許煥賓，李洪波，劉會聰，周一中

(1. 北京科技大學 機械工程學院，北京，100083；2. 武漢鋼鐵(集團)公司 熱軋廠，湖北 武漢，430083)

板帶軋機的板形及其變化主要與承載輥縫形狀及其變化有關(guān)。承載輥縫形狀主要取決于 2個方面[1]：一是工作輥的輥形，二是軋輥的彈性變形。前者由軋輥的初始輥形、軋輥的磨損及軋輥的熱變形等決定，后者與軋機所承受的載荷(軋制力、彎輥力等)有關(guān)，對于不同的軋機，它們對輥縫的影響程度是不同的。熱軋帶鋼平整機的作用是對冷卻到室溫的熱軋帶鋼施以很小的變形，以提高力學性能、改善板形(平坦度)[2]。平整機的結(jié)構(gòu)與普通四輥軋機的相同，由于負荷較小，多采用單輥傳動。由于熱軋帶鋼平整機既沒有冷卻，也沒有潤滑，工作輥出現(xiàn)了比較嚴重的不均勻磨損[3-4]。由于平整機的軋制力比較小，引起的彈性變形及其變化也較小，磨損對輥縫及其板形的影響更加突出。所以，研究熱軋帶鋼平整機工作輥的磨損的規(guī)律并進行改善十分必要。在生產(chǎn)過程中，工作輥的磨損不可避免，但影響板形的是它的不均勻磨損。工作輥的磨損主要由與軋件的相互作用產(chǎn)生，故磨損主要發(fā)生在與軋件接觸的部分。由于軋件寬度的變化及軸向竄輥，軋輥與軋件的接觸區(qū)實際上是變化的，所以，軋輥的磨損程度就會不同。有研究表明，假設(shè)接觸區(qū)不變，在與軋件接觸范圍內(nèi)工作輥的磨損也是不均勻的(如“貓耳”形磨損)[5]，因此，對工作輥磨損需要關(guān)注的一是磨損量，二是磨損的分布，后者用以輥身長度方向的位置為橫坐標、以直徑(或半徑)變化量為縱向坐標的“磨損曲線”來表示。目前，國內(nèi)外關(guān)于帶鋼熱連軋機(以下簡稱“熱軋”)、帶鋼冷軋機(以下簡稱“冷軋”)及冷軋帶鋼平整機(以下簡稱“冷軋平整”)的工作輥磨損問題的研究比較多，并得到了許多有價值的結(jié)果[2,6-8]，但關(guān)于熱軋帶鋼平整機(以下簡稱“熱軋平整”)工作輥磨損的研究較少。本文作者以具有竄輥功能的某2 250 mm熱軋平整機為對象，通過對軋輥輥形的測量和軋制壓力分配、竄輥位置、彎輥力等軋制參數(shù)的采集，分析工作輥磨損的特點，建立工作輥的磨損模型；利用磨損模型對平整機工藝參數(shù)進行優(yōu)化，以減少工作輥的不均勻磨損，降低對板形的不利影響。

1 熱軋帶鋼平整機工作輥磨損的特點

按金屬的磨損理論，工作輥的磨損主要分為磨粒磨損、疲勞磨損(接觸疲勞、熱疲勞等)、黏著磨損和腐蝕磨損 4類[9-11]。它們的具體作用與軋機或平整機的工作狀況有關(guān)，如軋件狀況(溫度、材質(zhì)、表面)、軋輥狀況(材質(zhì)、硬度、粗糙度)、軋制工藝(軋制力、軋制速度、軋制長度、潤滑狀況、冷卻條件)等。

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圖1所示為武鋼2 250 mm熱軋、武鋼2 180 mm冷軋和冷軋平整等3種軋機具有代表性的工作輥磨損曲線。由圖1可以看出：熱軋工作輥中部與軋件寬度對應部分磨損較大，呈現(xiàn)了“箱”形磨損，磨損量達600 μm，在“箱”的底部有2個“貓耳”形磨損[5,12]。冷軋及冷軋平整的工作輥磨損一般小于50 μm，“箱”形磨損沒有或很小。

圖2所示為武鋼2 250 mm熱軋平整的工作輥磨損曲線，它的顯著特點是不均勻磨損呈“W”形分布。2個峰值磨損達200～300 μm，好似放大了的“貓耳”形磨損；其中部磨損很小，僅有10～30 μm；2個峰值磨損區(qū)間的距離為 900～1 200 mm，與帶鋼的寬度范圍相近；峰值磨損區(qū)的寬度約為400 mm，與工作輥±200 mm竄輥行程相當；由于工作輥初始位置及竄輥均為反對稱，故上下工作輥磨損曲線也呈反對稱。

圖2 熱軋平整的工作輥磨損曲線Fig.2 Work roll wear contour of hot temper mill

2 250 mm熱軋平整機原來采用如圖5所示的等步長、變節(jié)奏、等行程的竄輥策略，且步長較大，它的不均勻磨損比較嚴重，如圖6所示。

式中：k0為與帶鋼材質(zhì)、工作輥材質(zhì)、帶鋼溫度等有關(guān)的系數(shù)；LZ為帶鋼長度，mm；FR為軋制壓力，kN；B為帶鋼寬度，mm；LS為工作輥與軋件的接觸弧長，mm；k1為單位軋制壓力影響系數(shù)；f(x)為不均勻磨損模式函數(shù)；w1為軸向磨損分布模式基礎(chǔ)量，mm；DW為工作輥直徑，mm；x為原點在軋輥端部的軸向坐標，mm。

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冷軋的特點是：常溫，大軋制力，帶鋼表面無氧化層，潤滑良好，它的磨損以疲勞磨損和腐蝕磨損為主[8]，故磨損很小。

表1 不同軋機和平整機的工作狀況Table 1 Working condition of different mills and tempering mill

該模式是將長度為 Lw的輥身按磨損特征分為 7段：帶鋼寬度B以外較遠的2段沒有磨損，wi=0；發(fā)生磨損的5段可以用模式函數(shù)表示：在帶鋼2個邊外很小區(qū)段L1(一般為15～20 mm)內(nèi)有磨損，用線性函數(shù)表示；與文獻[14]的顯著不同在于：新模式用正弦函數(shù)描述了2個“貓耳”形磨損段L2的磨損，幅值分別為w2和k2w2，k2是考慮了2個“貓耳”磨損量一般并不相同的局部不均勻系數(shù)，帶鋼邊部的位置坐標xB按下式計算：

與冷軋平整不同的是：熱軋平整時沒有潤滑，帶鋼表面有嚴重的氧化層，故應存在磨粒磨損。觀察熱軋平整的工作輥磨損曲線可以發(fā)現(xiàn)：在與帶鋼中部接觸的部分磨損較小，這與冷軋平整的情況接近；在與帶鋼邊部接觸的部分磨損很大，這又與熱軋的情況相似?？梢姡瑹彳埰秸墓ぷ鬏伳p情況介于熱軋和冷軋平整之間。這是因為熱軋平整工作輥的磨損具有與其他軋機或平整機不同的特征，它的磨損模型也應具有自己的特點。

2 熱軋帶鋼平整機工作輥的磨損模型

計算軋輥磨損的數(shù)學模型可以用來分析影響磨損的因素以及對軋輥的磨損進行預報。由于軋輥的磨損過程比較復雜，目前還不能根據(jù)金屬磨損理論進行純機理建模，只能結(jié)合生產(chǎn)實際通過大量的實測與分析，建立半經(jīng)驗半理論的磨損預報模型[12-14]，即先根據(jù)軋輥的磨損特征建立一個包括待定系數(shù)的磨損函數(shù)，然后對軋輥使用情況如軋輥磨損曲線、軋制參數(shù)(軋制力、變形量、軋制長度等)、軋輥參數(shù)(材質(zhì)、軋輥位置等)等進行測量，最后采用回歸的方法確定待定系數(shù)。

由于熱軋平整機工作輥磨損的分布情況與熱軋有相似的地方，故參照文獻[14]中的方式構(gòu)造工作輥的磨損函數(shù)，即認為平整第i卷帶鋼后軋輥直徑磨損量沿軋輥軸向的分布為：

熱軋的特點是：高溫，大軋制力，帶鋼表面有氧化層，高溫下的潤滑對減輕磨損有一定作用，但效果不如冷軋的明顯。4種磨損類型基本上都存在[12]，故磨損較大。

工作輥磨損的測量結(jié)果顯示，在與帶鋼接觸的范圍內(nèi)，即使軋制長度、單位軋制力等相同，軋輥的磨損也不相同，突出的是前面提到的“貓耳”形磨損，這里用 f(x)表示這種不均勻磨損。何安瑞[14]提出了熱軋工作輥的不均勻磨損模式，如圖3所示。

竄輥策略主要是確定3個參數(shù)：步長(每次的竄輥量)、節(jié)奏(2次竄輥之間平整的鋼卷數(shù))和行程(1次竄輥循環(huán)內(nèi)的軋輥始末竄輥量)。

圖3 工作輥不均勻磨損模式Fig.3 Uneven distribution mode of work roll

盡管熱軋帶鋼平整機的磨損與熱軋的磨損模式相似，但由圖1和圖2也可以看出二者還是有很大的差別，特別是表征“貓耳”形磨損的L2和w2。通過分析和計算，確定了適合該熱軋帶鋼平整機工作輥不均勻磨損的模式函數(shù)：

冷軋平整的特點是：常溫，小軋制力，帶鋼表面無氧化層，平整液的潤滑效果