基于ABAQUS有限元仿真對6輥CVC軋機和6輥UCM軋機板形調控性能的比較

陳 林，馮少鵬，王仁忠

(蘇州有色金屬研究院有限公司，江蘇 蘇州 215026)

6輥CVC軋機和6輥UCM軋機都具有中間輥橫移、工作輥彎輥、中間輥彎輥、冷卻噴淋等板形調控手段，且調節(jié)板形方面能力都比較強。6輥CVC軋機中間輥呈‘S’形曲線，通過軋輥軸向移位提供變化的軋輥變位輥形，使有載輥縫的凸度在一定范圍內可調，屬于柔性輥縫控制策略［1］;6輥UCM軋機中間輥為平輥，通過軋輥軸向移位消除輥間有害接觸區(qū)，提高輥縫形狀剛度，屬于剛性輥縫控制策略。6輥CVC和6輥UCM軋機各自板形控制技術決定了采用不同的板形控制策略，為了全面、準確、定量獲取兩種類型軋機在各種設備條件下、各種工藝條件下的板形控制性能，采用有限元仿真的方法，進行兩類軋機各種板形控制性能分析比較，說明機型區(qū)別，為板帶軋機的選型和板形控制技術創(chuàng)新提供支持。

1 6輥CVC軋機和6輥UCM軋機有限元仿真模型

1.1 有限元模型的建立

本文根據(jù)某大型鋁加工廠2300mm 6輥軋機，進行6輥CVC和6輥UCM機型控制性能比較。為了提高計算機的運算能力和降低求解運算時間，充分考慮到設備的對稱性，因2300mm6輥CVC和UCM軋機設備都具有上下反對稱結構，故取四分之一模型(即上工作輥、上中間輥、上支承輥的一半)作為模擬對象。［2］，6輥UCM軋機尺寸模型尺寸與6輥CVC軋機尺寸模型相同，中間輥進行橫向抽動改變輥縫形狀，來調節(jié)板形。表1為兩種軋機尺寸參數(shù)對比;圖1為CVC軋機中間輥的輥身形狀，呈‘S’形曲線;圖2為CVC軋機和UCM軋機的模型，從圖中可知，兩種軋機的不同之處就在于中間輥的形狀不一樣。

表1 6輥CVC軋機和6輥UCM軋機的軋機尺寸Tab.1 Technical data of 6-hi CVC mill and 6 －h(huán)i UCM mill

圖1 CVC軋輥示意圖Fig.1 Schematic illustration of CVC IMR shift

建立好輥系模型并劃分單元，兩種軋機輥系有限元模型如圖3所示，對模型施加以下約束:1)對模型對稱面上所有節(jié)點施加Z方向的約束;2)在支承輥輥頸兩端節(jié)點施加Y方向的約束;3)在工作輥、中間輥和支承輥身中間節(jié)點施加X方向的約束。

圖2 CVC軋機和UCM軋機的模型Fig.2 Roll system models of CVC mill and UCM mill

圖3 CVC軋機和UCM軋機的有限元仿真模型Fig.3 FEM simulation models of roll system of CVC mill and UCM mill

此外，外載為直接作用在工作輥上軋件寬度的軋制力(按均布載荷考慮)。

1.2 仿真模型工況的確定

為了系統(tǒng)的研究和對比6輥CVC和6輥UCM軋機板形調控性能，運用所建立的有限元模型，根據(jù)兩種機型設計調節(jié)范圍以及實際生產的產品規(guī)格和力能參數(shù)，對6輥CVC和6輥UCM軋機調控性能行為模擬確定仿真工況參數(shù)如下:板寬為 960、1560、2150mm;軋制力為300、1000、2000t;工作輥(中間輥)彎輥力為－350、0、500kN;6輥CVC中間輥抽動量為－150、0、150mm;6輥 UCM 中間輥抽動量為 0、200、300mm。

根據(jù)以上條件，對不同板形調控行為進行排列組合后組成不同的工況進行輥系有限元仿真計算。

2 6輥CVC軋機和6輥UCM軋機調控性能比較

2.1 輥縫凸度調節(jié)域

輥縫凸度調控域Ω(C2，C4)是指軋機在一定工藝條件下所能提供的輥縫二次和四次凸度變化范圍，它反映了軋機輥縫形狀的調節(jié)柔性，具有較大的調控域面積的軋機，具有較好的調節(jié)柔性。調控域的大小與軋機板形調控執(zhí)行機構的類型及多少有關，還與軋輥尺寸、軋制力大小、帶材寬度有關。運用上述6輥軋機仿真有限元模型對各工況的承載輥縫進行計算，并提取輥縫二次凸度C2及四次凸度C4，以四次凸度C4為橫坐標，二次凸度C2為縱坐標，可得圖4所示6輥軋機輥縫凸度調控域。該調控域是在板寬1560mm，軋制力1000t，不同中間輥抽動量、不同工作輥彎輥、不同中間輥彎輥工況下的6輥CVC和6輥UCM軋機凸度調控域。其中a1～b9含義如表2所示，其中Smax、Smin分別代表代表中間輥抽動最大值和最小值，F(xiàn)Wmax、FWmin分別代表工作輥彎輥最大值和最小值，F(xiàn)Imax、FImin分別代表中間輥彎輥最大值和最小值。

圖4 6輥軋機輥縫凸度調控域Fig.4 Domain of roll crown components of 6 － hi mill

表2 6輥軋機輥縫凸度調控域a1～b9的含義Tab.2 Definition of domain of roll crown components a1～b9 of 6－h(huán)i mill

對6輥CVC和6輥UCM軋機工況下的調控域對比分析，可以得到如下結論:

1)具有同樣尺寸6輥CVC軋機比6輥UCM軋機的調控域要大;

2)6輥CVC軋機和6輥UCM軋機都可以提供較大的凸度調控域，二次凸度從幾微米到四百多微米，四次凸度從負的十幾微米到二十多微米;

3)各種板形技術調控域的形狀不同，反映了6輥CVC軋機和6輥UCM軋機在板形控制過程控制策略將有所不同。

2.2 板形控制特性調控能力分析

6輥CVC軋機和6輥UCM軋機在有限元仿真中分別執(zhí)行中間輥抽動、工作輥彎輥、中間輥彎輥這幾種調控手段。圖5為兩種軋機中間輥抽動與輥縫凸度的關系對比，從圖5可以看出，相同的中間輥抽動量變化區(qū)間，6輥CVC軋機的輥縫凸度變化明顯大于6輥UCM軋機的輥縫凸度，可見6輥CVC軋機的中間輥抽動調控能力大于6輥UCM軋機。表3和表4分別為分別改變工作輥彎輥、中間輥彎輥時，6輥CVC軋機和6輥UCM軋機的輥縫凸度變化對比。

表3 6輥CVC軋機彎輥輥縫凸度變化表Tab.3 Variation in the roll crown of 6-hi CVC mill

圖5 6輥CVC軋機和UCM軋機不同中間輥抽動量與輥縫凸度關系對比Fig.5 Relationship of IMR shift amounts to roll crown of 6-hi CVC mill and UCM mill

表4 6輥UCM軋機彎輥輥縫凸度變化表Tab.4 Variation in the roll crown of 6-hi UCM mill

從表3、4中可以看出，工作輥彎輥力大小變化區(qū)間相同時，6輥CVC軋機的輥縫凸度變化略大于6輥UCM軋機的輥縫凸度;而相同的中間輥彎輥力大小變化區(qū)間，6輥CVC軋機的輥縫凸度變化與6輥UCM軋機的輥縫凸度變化差別不大。

以上幾種調控手段的調控功效可以用板形調控功效曲線來表示，板形調控功效是指板形執(zhí)行機構中的單位作用(如10kN彎輥力，10mm抽動量μ)所引起的承載輥縫形狀的變化量。圖6反映了6輥CVC和6輥UCM板形調控各項板形控制技術的調控功效曲線。板形調控功效曲線E(x)反映了板形控制技術調節(jié)作用在板寬方向上的分布，需要用多項式描述，橫坐標代表板寬系數(shù)，板寬兩邊部別用1和－1表示，板寬中間用0表示，縱坐標為經過計算的板形調控功效曲線的值。從圖6中可知，兩種類型軋機各板形控制技術的板形調控功效的大小，再次印證了前面的分析。兩種軋機在工作輥彎輥和中間輥彎輥兩種調節(jié)方法上調控功效差別不大，尤其是中間輥彎輥調控功效基本相同;工作輥彎輥調控功效CVC軋機略大于UCM軋機;而在中間輥抽動這一調控手段上就能明顯看到兩種軋機的差別，6輥CVC軋機的中間輥抽動調控效果明顯強于6輥UCM軋機，這也是CVC軋機和普通UCM軋機相比較的優(yōu)勢所在，也是CVC軋機的一個突出的特點和優(yōu)勢。

圖6 6輥CVC軋機和UCM軋機的基本凸度控制特性對比Fig.6 Comparison of crown control performance of 6－h(huán)i CVC mill and UCM mill

3 結束語

運用有限元方法對6輥CVC軋機和6輥UCM軋機中間輥抽動、工作輥彎輥、中間輥彎輥等主要板形控制技術的調控功效進行了仿真計算，研究了各種軋制工藝條件對板形調控功效的影響，分析對比了6輥CVC軋機和6輥UCM軋機板形控制技術的調控特性。比較研究表明，雖然配備相同的板形控制技術手段，兩類板帶軋機各有優(yōu)劣，6輥CVC軋機與6輥UCM軋機相比具有以下優(yōu)點:

1)工作輥彎輥、中間輥彎輥、中間輥抽動這幾種板形調控手段結合起來，具有同樣尺寸的6輥CVC軋機比6輥UCM軋機的板形調控能力強，具有較好的調節(jié)柔性;

2)6輥CVC軋機的中間輥抽動調控效果明顯強于6輥UCM軋機。

同時，6輥CVC軋機由于中間輥為“S”型曲線，輥間接觸壓力不均，輥耗相對較大;而6輥UCM軋機通過支承輥與工作輥邊部輥型的優(yōu)化能減小抽輥后輥間接觸壓力尖峰，因此輥耗相對較小;相同條件下，6輥CVC軋機一般需要進口，投資成本比6輥UCM軋機的大。

［1］張云鵬，吳慶海，王長松.6輥CVC冷軋機板形控制性能研究［J］.冶金設備，1998(6):8－10.

［2］張清東，孫向明，白劍.6輥CVC軋機輥系變形的有限元分析［J］.中國機械工程，2007.18(7):789 －792.

［3］高林林，陳璽.UCM6輥軋機的板形調整特點分析研究［J］.重型機械，2007增刊:5－8.