AS-UCM機(jī)型的開(kāi)發(fā)及其板形控制技術(shù)

白振華　常金梁　郭乾勇　劉亞星　馮　彬

1.燕山大學(xué)國(guó)家冷軋板帶裝備及工藝工程技術(shù)研究中心,秦皇島,0660042.燕山大學(xué)亞穩(wěn)材料制備技術(shù)與科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,秦皇島,066004

AS-UCM機(jī)型的開(kāi)發(fā)及其板形控制技術(shù)

白振華1,2常金梁1,2郭乾勇1,2劉亞星1,2馮彬1,2

1.燕山大學(xué)國(guó)家冷軋板帶裝備及工藝工程技術(shù)研究中心,秦皇島,0660042.燕山大學(xué)亞穩(wěn)材料制備技術(shù)與科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,秦皇島,066004

針對(duì)普通UCM平整機(jī)組因不能配置分段冷卻手段而無(wú)法對(duì)板形的非對(duì)稱(chēng)復(fù)雜高次浪形進(jìn)行精細(xì)控制的問(wèn)題,研發(fā)了一套配置工作輥非對(duì)稱(chēng)彎輥、中間輥非對(duì)稱(chēng)彎輥、中間輥上下非對(duì)稱(chēng)竄輥的AS-UCM新機(jī)型，定量分析了AS-UCM機(jī)型對(duì)負(fù)載輥縫形狀的控制能力，建立了一套適合于AS-UCM機(jī)型平整機(jī)組的板形控制模型，并在相同初始條件下將AS-UCM機(jī)型與普通UCM機(jī)型平整機(jī)組對(duì)非對(duì)稱(chēng)復(fù)雜高次浪形的控制效果進(jìn)行了對(duì)比，得出了采用AS-UCM機(jī)型的平整機(jī)組比普通UCM平整機(jī)組對(duì)非對(duì)稱(chēng)高次復(fù)雜浪形的控制能力大大增強(qiáng)的結(jié)論，從而為平整機(jī)組高次復(fù)雜浪形的治理提供了參考。

高次浪形；AS-UCM；負(fù)載輥縫；板形控制

0　引言

近年來(lái),隨著板帶用戶(hù)對(duì)高等級(jí)帶鋼板形質(zhì)量要求的日益提高,UCM(universal crown mill)機(jī)型的平整機(jī)組因其擁有工作輥彎輥、中間輥彎輥、中間輥竄動(dòng)以及傾輥等多種板形控制手段而越來(lái)越受到鋼鐵企業(yè)的青睞[1-4]。與此同時(shí),鋼鐵企業(yè)在生產(chǎn)中也發(fā)現(xiàn)，UCM機(jī)型的平整機(jī)組雖然對(duì)單邊浪、雙邊浪、中浪等常規(guī)浪形具有很強(qiáng)的板形控制效果，但對(duì)肋浪、復(fù)合浪等高次非對(duì)稱(chēng)復(fù)雜浪形往往無(wú)能為力。特別地,由于平整軋制過(guò)程壓下量小，對(duì)軋輥與帶鋼的冷卻要求不高，軋輥熱凸度幾乎可以忽略，因此不能采用分段冷卻的方法來(lái)對(duì)高次復(fù)雜浪形進(jìn)行定點(diǎn)精細(xì)控制。與此同時(shí)，目前大部分學(xué)者對(duì)于UCM機(jī)型的平整機(jī)組板形控制方面的研究，基本都是基于現(xiàn)有結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上的板形參數(shù)優(yōu)化，用于控制常規(guī)板形缺陷，比較典型的有:曹建國(guó)等[5]、董志奎等[6]研究的UCM機(jī)型的軋機(jī)的輥型設(shè)計(jì);張殿華等[7]、張世權(quán)等[8]研究的UCM型軋機(jī)的中間輥橫向竄動(dòng)的優(yōu)化與控制;白振華等[9]研究的彎輥與竄輥的綜合優(yōu)化設(shè)定。但上述研究都沒(méi)有涉及高次復(fù)雜浪形的控制問(wèn)題,因此如何提高UCM平整機(jī)組對(duì)板形的高次復(fù)雜浪形的控制能力、進(jìn)一步改善成品帶鋼的板形質(zhì)量成為鋼鐵企業(yè)技術(shù)攻關(guān)的重點(diǎn)。

1　AS-UCM機(jī)型的開(kāi)發(fā)

在帶鋼的平整軋制過(guò)程中，之所以出現(xiàn)非對(duì)稱(chēng)高次復(fù)雜浪形，其原因主要有以下5個(gè)方面:①來(lái)料斷面形狀呈現(xiàn)非對(duì)稱(chēng)的異常分布；②來(lái)料板形為高次復(fù)雜浪形；③軋輥(包括工作輥、中間輥以及支撐輥)異常磨損或者原始輥型磨削精度不高使得軋輥實(shí)際輥型呈非對(duì)稱(chēng)的異常分布；④帶材跑偏；⑤平整機(jī)組的安裝誤差使得軋制線與軋輥中心線不重合、軋輥水平度或者垂直度偏差較大等非常態(tài)因素。 與此同時(shí)，對(duì)于UCM機(jī)型的平整機(jī)組而言，其工作輥彎輥、中間輥彎輥以及中間輥竄動(dòng)都是對(duì)稱(chēng)的，因此工作過(guò)程中對(duì)負(fù)載輥縫的影響也是對(duì)稱(chēng)的，所以只能解決對(duì)稱(chēng)板形問(wèn)題；而傾輥是利用軋輥的傾斜使負(fù)載輥縫從工作側(cè)到傳動(dòng)側(cè)呈線性非對(duì)稱(chēng)分布，因此只能控制簡(jiǎn)單的線性非對(duì)稱(chēng)浪形。所以要解決非對(duì)稱(chēng)高次復(fù)雜浪形問(wèn)題，就必須使得平整機(jī)組的負(fù)載輥縫在軋制過(guò)程中能夠呈非對(duì)稱(chēng)高次分布。為了實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)，經(jīng)過(guò)大量的分析與研究,筆者提出了一套配置工作輥非對(duì)稱(chēng)彎輥、中間輥非對(duì)稱(chēng)彎輥、中間輥上下非對(duì)稱(chēng)竄輥的六輥軋機(jī)新機(jī)型,簡(jiǎn)稱(chēng)AS-UCM機(jī)型(asymmetric universal crown mill,非對(duì)稱(chēng)式的萬(wàn)能凸度可變軋機(jī)),如圖1所示。

圖1　AS-UCM機(jī)型示意圖

與UCM機(jī)型的平整機(jī)組相比,AS-UCM機(jī)型的平整機(jī)組的板形控制參數(shù)從工作輥彎輥力、中間輥彎輥力、中間輥竄動(dòng)量、傾輥量等4個(gè)參數(shù)增加到工作輥?zhàn)髲澼伭wl、工作輥右彎輥力Swr、中間輥?zhàn)髲澼伭ml、中間輥右彎輥力Smr、中間輥上竄動(dòng)量δs、中間輥下竄動(dòng)量δx以及傾輥量η等7個(gè)參數(shù)，其板形控制手段及控制量大大增加。與此同時(shí)，只要非對(duì)稱(chēng)彎輥、非對(duì)稱(chēng)竄輥能夠使負(fù)載輥縫呈非對(duì)稱(chēng)高次分布，那么將上述7種板形控制手段進(jìn)行有機(jī)組合，理論上說(shuō)可能會(huì)組成各種各樣的負(fù)載輥縫形狀，其板形控制能力將大大增強(qiáng)。為了分析非對(duì)稱(chēng)彎輥、非對(duì)稱(chēng)竄輥對(duì)負(fù)載輥縫的控制能力，特以某1220平整機(jī)組為例(有關(guān)機(jī)組的設(shè)備參數(shù)見(jiàn)表1)，選擇典型規(guī)格產(chǎn)品(主要軋制工藝參數(shù)見(jiàn)表2),利用軋制理論中的金屬變形模型[10-11]及軋機(jī)非對(duì)稱(chēng)軋制下的輥系彈性變形模型[12-14]，分別模擬出不同工作輥?zhàn)笥覐澼伭Σ睢⒅虚g輥?zhàn)笥覐澼伭Σ?、中間輥上下竄動(dòng)量差下負(fù)載輥縫的變化情況,如圖2～圖4所示。在模擬特定參數(shù)變化的影響時(shí),另外兩個(gè)參數(shù)不變,并將其設(shè)定為零。需要說(shuō)明的是，之所以采用左右彎輥力差及上下竄動(dòng)量差來(lái)模擬，是因?yàn)閷?duì)稱(chēng)因素對(duì)六輥軋機(jī)輥縫形狀的影響以往很多文獻(xiàn)已經(jīng)有介紹，此處只需要單獨(dú)分析不對(duì)稱(chēng)因素的影響就可以。有關(guān)左右彎輥力、上下竄動(dòng)量與彎輥力差及竄動(dòng)量差之間的關(guān)系如下式所示:

(1)

表1　某1220平整機(jī)組主要設(shè)備參數(shù)

表2　典型規(guī)格產(chǎn)品主要軋制工藝參數(shù)

圖2　工作輥?zhàn)笥覐澼伭Σ顚?duì)負(fù)載輥縫的影響圖

圖3　中間輥?zhàn)笥覐澼伭Σ顚?duì)負(fù)載輥縫的影響圖

圖4　中間輥竄動(dòng)量差對(duì)負(fù)載輥縫的影響圖

通過(guò)圖2～圖4可以清楚地看出,單獨(dú)改變工作輥?zhàn)笥覐澼伭Σ?、中間輥?zhàn)笥覐澼伭Σ钜约爸虚g輥竄動(dòng)量差就可以連續(xù)地改變負(fù)載輥縫的形狀,并使之呈非對(duì)稱(chēng)高次分布。進(jìn)一步地,如果將工作輥?zhàn)笥覐澼伭Σ?、中間輥?zhàn)笥覐澼伭Σ?、中間輥竄動(dòng)量差以及傾輥量聯(lián)合起來(lái)協(xié)調(diào)組合，那么可以形成的負(fù)載輥縫的形狀組合將更多，這就意味著AS-UCM平整機(jī)組可以有效地治理非對(duì)稱(chēng)的高次復(fù)雜浪形。

2　AS-UCM機(jī)型平整機(jī)組板形控制技術(shù)

如前所述,對(duì)于AS-UCM機(jī)型的平整機(jī)組而言，其板形控制量主要包括工作輥?zhàn)髲澼伭?、工作輥右彎輥力、中間輥?zhàn)髲澼伭?、中間輥右彎輥力、中間輥上竄動(dòng)量、中間輥下竄動(dòng)量、傾輥量等7項(xiàng)。這樣，對(duì)于AS-UCM平整機(jī)組的一個(gè)特定軋制過(guò)程來(lái)說(shuō)，在平整機(jī)的軋輥直徑、軋輥輥型、軋輥輥身長(zhǎng)、壓下螺絲中心矩、彎輥缸中心矩等主要設(shè)備工藝參數(shù)以及來(lái)料鋼種、規(guī)格、來(lái)料斷面形狀、來(lái)料板形、軋制壓力、前后張力、延伸率等主要工藝參數(shù)已知的情況下,表征平整機(jī)組出口板形的前張力橫向分布值σ1i可以用一個(gè)以工作輥?zhàn)髲澼伭wl、工作輥右彎輥力Swr、中間輥?zhàn)髲澼伭ml、中間輥右彎輥力Smr、中間輥上竄輥量δs、中間輥下竄輥量δx以及傾輥量η為自變量的函數(shù)來(lái)表示，即

σ1i=f(Swl,Swr,Sml,Smr,δs,δx,η)

(2)

在AS-UCM機(jī)型的平整機(jī)組的軋制過(guò)程中,板形控制的目標(biāo)就在于使帶材橫向前張力差最小?；诖?可以把板形控制的目標(biāo)函數(shù)用下式來(lái)定義:

(3)

式中,T1為平整機(jī)組的平均前張力。

這樣,所謂的AS-UCM機(jī)型平整機(jī)組板形控制問(wèn)題就轉(zhuǎn)換為這樣一個(gè)問(wèn)題：尋找一個(gè)最佳X,使得目標(biāo)函數(shù)F(X)最小。對(duì)于這樣一個(gè)多目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化問(wèn)題,采用powell法[15-16]很快就可以得到優(yōu)化結(jié)果,計(jì)算框圖見(jiàn)圖5。

圖5　計(jì)算框圖

3　AS-UCM機(jī)型的平整機(jī)組板形控制效果分析

為了分析AS-UCM機(jī)型平整機(jī)組的板形控制效果,仍然以某1220平整機(jī)組(主要設(shè)備參數(shù)如表1所示)與規(guī)格為950 mm×0.25 mm產(chǎn)品(軋制壓力、前張力、后張力、鋼種如表2所示)為例，選擇板形控制手段在基態(tài)(即工作輥?zhàn)笥覐澼伭?、中間輥?zhàn)笥覐澼伭?、中間輥上下竄輥量為0、傾輥量為0),出現(xiàn)四種大小為25 I(I為板形的單位，以10-5作為一單位)的典型非對(duì)稱(chēng)高次復(fù)雜浪形(浪形情況如圖6所示)時(shí),分別模擬出采用AS-UCM機(jī)型與UCM機(jī)型兩種情況下的板形控制效果,結(jié)果如表3及圖7所示。

圖6　典型非對(duì)稱(chēng)高次復(fù)雜浪形示意圖

主要參數(shù)規(guī)格1類(lèi)2類(lèi)3類(lèi)4類(lèi)UCM平整機(jī)板形值f/I20.620.822.617.5ASUCM平整機(jī)板形值f/I10.710.914.310.8板形減小幅度(%)48.147.636.738.3

通過(guò)表3和圖7可以清楚地看出,在相同初始條件下，采用AS-UCM機(jī)型的平整機(jī)組比普通UCM平整機(jī)組對(duì)高次復(fù)雜浪形的控制能力大大增強(qiáng)，為平整機(jī)組高次復(fù)雜浪形的控制提供了有益的參考。

(a)1類(lèi)典型高次復(fù)雜浪形控制效果

(b)2類(lèi)典型高次復(fù)雜浪形控制效果

(c)3類(lèi)典型高次復(fù)雜浪形控制效果

(d)4類(lèi)典型高次復(fù)雜浪形控制效果圖7　AS-UCM機(jī)型與UCM機(jī)型對(duì)非對(duì)稱(chēng)高次浪形控制效果對(duì)比

4　結(jié)論

(1)針對(duì)普通UCM機(jī)型的平整機(jī)組對(duì)肋浪、復(fù)合浪等高次非對(duì)稱(chēng)復(fù)雜浪形控制效果不佳的問(wèn)題,提出了一套配置工作輥非對(duì)稱(chēng)彎輥、中間輥非對(duì)稱(chēng)彎輥、中間輥上下非對(duì)稱(chēng)竄輥的AS-UCM新機(jī)型,建立了適合于AS-UCM新機(jī)型的平整機(jī)組的板形控制模型。

(2)AS-UCM機(jī)型的平整機(jī)組單獨(dú)改變工作輥?zhàn)笥覐澼伭Σ?、中間輥?zhàn)笥覐澼伭Σ钜约爸虚g輥竄動(dòng)量差就可以連續(xù)地改變負(fù)載輥縫的形狀，并使之呈非對(duì)稱(chēng)高次分布。

(3)在相同初始條件下，采用AS-UCM機(jī)型的平整機(jī)組比普通UCM平整機(jī)組對(duì)高次復(fù)雜浪形的控制能力大大增強(qiáng)。

[1]王懷玉.UCM軋機(jī)的設(shè)計(jì)原理及其彎輥橫移裝置的設(shè)計(jì)[J].有色金屬加工,2009,38(4):32-34.Wang Huiyu,Design Priciple of UCM Rolling Mill and Design of Its Bending Roll Traversing Device[J].Nonferrous Metals Processing,2009,38(4):32-34.[2]孫立峰.UCM、CVC、VCMS六輥冷軋機(jī)機(jī)型比較[J].一重技術(shù),2008,125(5):5-7.

Sun Lifeng,Comparison Among 6-H Cold Mills in Models of UCM,CVC and VCNMS[J].CFHI Technology,2008,125(5):5-7.

[3]任來(lái)鎖,張凱,計(jì)江.泰鋼1780mm六輥UCM軋機(jī)及其不銹鋼冷軋工藝技術(shù)[J].重型機(jī)械,2011(4):29-32.Ren Laisuo,Zhang Kai,Ji Jiang.1780mm 6-Roller UCM Reversing Cold Mill and Stainless Steel Rolling Process[J].Heavy Machinery,2011(4):29-32.

[4]何云飛,何磊,侯俊達(dá),等.UCM系列和CVC系列六輥冷軋機(jī)特點(diǎn)的初步分析[J].冶金設(shè)備,2006,41(5):9-12.

He Yunfei,He Lei,Hou Junda,et al.Discussion of the Features of UCM-and CVC 6-High Cold Rolling Mill[J].Metallic Equipment,2006,41(5):9-12.

[5]曹建國(guó),張勇,楊光輝,等.UCM六輥冷軋機(jī)中間輥輥形研究[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào),2011,42(4):966-971.

Cao Jianguo,Zhang Yong,Yang Guanghui,et al.Mediate Roll Contour of 6-Hi UCM Cold Rolling Mill[J].Journal of Central South University,2011,42(4):966-971.

[6]董志奎,戚向東,鞠偉,等.UCM冷連軋機(jī)輥型曲線優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].機(jī)械設(shè)計(jì),2010,27(12):70-73.

Dong Zhikui,Qi Xiangdong,Ju Wei,et al.Optimization Design of Roller Shape for UCM Tandem Cold Mills[J].Mechanical Design,2010,27(12):70-73.

[7]張殿華,王鵬飛,王軍生,等.UCM軋機(jī)中間輥橫移控制模型與應(yīng)用[J].鋼鐵,2010,45(2):53-57.

Zhang Dianhua,Wang Pengfei,Wang Junsheng,et al.Model and Application for Intermediate Roll Shifting Control of UCM Cold Mill[J].Iron and Steel,2010,45(2):53-57.

[8]張世權(quán),黃河,江東海.UCM軋機(jī)中間輥?zhàn)顑?yōu)軸向橫移位置計(jì)算[J].軋鋼,2012,29(4):13-15.

Zhang Shiquan,Huang He,Jiang Donghai.Caculation of Optimum Intermediate Roll Shifting Position of UCM Mill[J].Roll Steel,2012,29(4):13-15.

[9]白振華,康曉鵬,吳首民.雙UCM平整機(jī)組板形參數(shù)在線設(shè)定技術(shù)[J].鋼鐵,2009,44(5):39-43.

Bai Zhenhua,Kang Xiaopeng,Wu Shoumin.Technology of Online Setting Shape Parameter in Double Frame UCM Tempers[J].Iron and Steel,2009,44(5):39-43.

[10]連家創(chuàng),劉宏民.板厚板形控制[M].北京:兵器工業(yè)出版社,1995.

[11]連家創(chuàng),段振勇.軋件寬展量的研究[J].鋼鐵,1984,19(11):22-25.

Lian Jiachuang, Duan Zhenyong. Reseach on Broading Width of Rolling Piece[J].Steel,1984(11):22-25.

[12]白振華,韓林芳,李經(jīng)洲,等.四輥軋機(jī)非常態(tài)軋制時(shí)板形模型的研究[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2012,48(20):77-82.

Bai Zhenhua,Han Linfang,Li Jingzhou,et al.Research of the Plate-Shaped Model of Four-Roll Mill When Rolling under Asymmetric State[J].Chinese Journal of Mechanical Engineering,2012,48(20):77-82.

[13]張赟.六輥軋機(jī)非對(duì)稱(chēng)板形調(diào)控特性研究[J].冶金設(shè)備,2012(2):13-17.

Zhang Yun.Properties Research of Asymmetrical Shape Control in Six-High Rolling Mill.Metallurgical Equipment,2012(2):13-17.

[14]杜鳳山,薛濤,孫靜娜.六輥CVC軋機(jī)軋輥彎曲和壓扁變形的有限元分析[J].燕山大學(xué)學(xué)報(bào),2011,35(5):396-401.

Du Fengshan,Xue Tao,Sun Jingna.FEM Analysis for Roll Deformation and Flattening of Six-high CVC Mill[J].Journal of Yanshan University,2011,35(5):396-401.

[15]孫靖民.梁迎春.機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2010.

[16]王鵬濤.Powell尋優(yōu)法及其應(yīng)用[J].系統(tǒng)工程理論與實(shí)踐,1997(9):63-67.

Wang Pengtao.Method Optimization with Application[J],1997(9):63-67.

(編輯王艷麗)

Development of AS-UCM Temper Mill and Its Shape Control Technology

Bai Zhenhua1,2Chang Jinliang1,2Guo Qianyong1,2Liu Yaxing1,2Feng Bin1,2

1.Yanshan University of National Engineering Research Center for Equipment and Technology of Cold Strip Rolling,Qinhuangdao,Hebei,066004 2.State Key Laboratory of Metastable Materials Science and Technology,Yanshan University,Qinhuangdao,Hebei,066004

Because of ordinary UCM temper mill could not equip cooling means and had no choice to control asymmetric complex higher-order wave shape,a new AS-UCM temper mill was made up,which equipt work roll asymmetric bending,middle roll asymmetric bending,middle roll upward and downward asymmetric movement.This paper quantitatively analyzed the ability of AS-UCM temper mill by controlling loading roll gap shape,then established a shape control model fit for AS-UCM temper mill.By comparing the ability of AS-UCM temper mill and ordinary UCM temper mill by controlling asymmetric complex higher-order wave shape under same condition,it concludes that the ability of AS-UCM temper mill by controlling asymmetric complex higher-order wave shape is more useful than the ordinary UCM temper mill.The model provides helpful

for controlling temper mill complex higher-order wave shape.

higher-order wave;asymmetric universal crown mill(AS-UCM);loading roll gap;shape control

2014-07-09

國(guó)家科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目(2011BAF15B02)

TG333.17< class="emphasis_italic">DOI

：10.3969/j.issn.1004-132X.2015.10.020

白振華,男,1975年生。燕山大學(xué)國(guó)家冷軋板帶裝備及工藝工程技術(shù)研究中心教授。研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)及自動(dòng)化、軋鋼設(shè)備及工藝、板形控制及自動(dòng)化。獲國(guó)家科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)1項(xiàng),省部級(jí)科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)2項(xiàng),二等獎(jiǎng)2項(xiàng)、三等獎(jiǎng)4項(xiàng)。出版專(zhuān)著3部,發(fā)表論文50余篇。常金梁,男,1990年生。燕山大學(xué)國(guó)家冷軋板帶裝備及工藝工程技術(shù)研究中心碩士研究生。郭乾勇,男,1988年生。燕山大學(xué)國(guó)家冷軋板帶裝備及工藝工程技術(shù)研究中心碩士研究生。劉亞星,男,1990年生。燕山大學(xué)國(guó)家冷軋板帶裝備及工藝工程技術(shù)研究中心碩士研究生。馮彬,男,1990年生。燕山大學(xué)國(guó)家冷軋板帶裝備及工藝工程技術(shù)研究中心碩士研究生。