轧钢过程中宽带热轧工作辊热凸度变化的研究

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摘要：工作辊热凸度与轧制时间、轧制速度、轧制节奏、轧辊冷却水等有着密切的关系，充分了解轧辊热凸度在轧制过程中的变化，不仅可以提高宽带钢热连轧机组热辊形的模型控制及预报精度，而且可以通过及时调整轧制节奏，轧辊冷却水系统的工作情况调整轧辊热凸度，对于板形控制具有重要意义。

关键词：热凸度 轧制节奏 模型控制

轧辊的热辊形是辊缝形状方程中的一项重要参数，热轧时工作辊与高温轧件接触而温度升高，同时由于冷却水而冷却，换辊后，轧辊达到热平稳的时间与轧辊温度、环境温度高低有较大关系，由于轧制与间隙的交替，辊温将发生动态变化，动态热辊形是影响出口带钢板形的重要因素，研究轧辊热凸度在轧钢过程中的影响因素及其变化，可进一步提高工作辊热辊形在线模型的求解精度，从而为准确预报轧制过程中工作辊热辊形的变化提供依据。

一、轧辊温度对辊径、辊形的影响

1.轧辊温度与尺寸变化的理论计算

轧辊温度变化应遵循牛顿冷却定律，轧辊温度与辊形尺寸的关系我们可以用理论的方法进行估算，根据计算轧辊热凸度的公式：

CR=K*D*β*ΔT

K—计算系数（通常取0.9-0.95） D—轧辊直径mm

CR—辊身中间热凸度mm

β—热膨胀系数mm/℃

（钢辊β=1.28×10-5/℃；铸铁辊β=1.19×10-5/℃）

ΔT-轧辊中部与边部温度差℃

由以上公式，我们取了两支轧辊进行实验测量，结果见下表：

表1 轧辊理论计算与实测结果

Table1 Roller theory is calculated with the result of actual measurement

2.结论

由以上数据分析可得：

2.1轧制中与带钢接触的部分温度最高，辊身中部温度大于边部温度；轧辊下机温度较高时，轧辊辊身温差也相对较大。

2.2理论计算与实际测量数值有一定误差，但相差不大，基本符合理论计算规律。

2.3温度对轧辊外形尺寸影响较大，直径影响在0.2mm左右，温度较大的轧辊辊径相差将更大。轧辊边部与中部的温差在10℃左右时将对辊形产生0.03mm左右的误差值。

二、轧制过程中影响热凸度变化的主要因素

轧辊热凸度的变化与每条生产线轧机布置、工况条件的不同，数值上会有所偏差，但影响因素及规律是基本相同的。

1.轧制速度的影响

在轧制节奏相同时，轧制速度越快，将减少轧辊与周围介质的对流和传导的时间，从而使热量散失降低，轧辊温度上升越快，即轧辊热凸度与轧制速度成正比，轧辊的热凸度在热带连轧机组后几架轧机上显著减少，热凸度的突然减少可归因于在后几架轧机上带材的温度越来越低即变形能量越来越小造成的。

2.轧制节奏的影响

根据在某热轧厂1500mm热轧带钢轧机上获得的统计数据，粗轧轧制节奏正常情况下基本上是3分钟一支钢，以轧制5.75mm为例，每支钢精轧纯轧时间是40～50秒，而无钢空冷时间最短为1分40秒，通常这个时间在1分40秒至2分50秒之间（无钢冷却时间是过钢时间的2～3倍），如果存在故障这个时间将更长。

轧制规格越厚，纯轧时间越短，无钢冷却等待时间将越长，此种情况将导致轧辊温度不可能积累到轧辊芯部很高，抽辊后轧辊冷却过程中的30～60min内辊温最高能上升1～2度，轧辊温度较低的情况下，换辊后会使轧辊温度维持在下机温度，轧辊冷却过程中温度不会有明显的反升，因此轧制节奏是影响轧辊温度的主要原因。轧钢节奏较长时将导致轧辊不易形成稳定的热凸度，对轧制薄规格产品时将增加板形的调整难度。

描述轧辊热凸度变化的曲线可与轧制的节奏因子K联系起来，因子K=Trol/（Trol+Tint）

Trol-轧制时间

Tint-两卷带材的轧制间隙时间

轧制间隙时间越长，节奏因子K越小，轧辊温度就越低，轧辊热凸度将越小。

3.轧制一卷带钢时轧辊热凸度的变化：

在轧辊未形成稳定热凸度之前，在轧制一卷带钢时，轧辊热凸度逐渐增加，F1抛钢后，轧辊温度在较长时间的空转冷却下，温度逐渐降低，F1咬钢后，轧辊温度随轧钢进行会逐渐上升，钢板长度上凸度曲线显示逐渐降低，但由于头尾钢温相对低，轧制力大导致轧辊挠度增大，头部加上轧辊热凸度小，所以钢板头部凸度最大，有时尾部受温度影响，凸度会比中间部分稍大，钢板厚度在小于5.7mm时这种变化趋势明显，特别是3.0mm、2.75mm规格，这从板形仪凸度曲线也显示了这一规律。

轧辊经过一段时间的预热逐渐形成了稳定的热凸度，这时一卷带钢的板凸度也基本稳定，从而保证钢卷在轧制过程中有稳定的板凸度。

4.轧辊冷却水的影响

在任何情况下，都要保证集管位于轧机中心线的位置，喷嘴相对于集管中心线也是对称布置的。在这种情况下，提供的冷却水对轧辊冷却之后才能产生一个对称、均匀的热凸度，利用轧机前后的喷水冷却系统，沿辊身长度方向改变冷却液的流量分布，就可以改变各部分的冷却条件，从而也就改变了工作辊的凸度值。

轧辊冷却喷嘴的偏移角度不对称、部分喷嘴堵塞、除鳞有问题等引起的板带温度不均匀都会导致轧辊热辊形的不对称，主要出现所谓的锥形热辊形、不稳定式热辊形，如下图所示：

而板型控制系统绝对不可能将一个锥形的、不稳定形的热凸度曲线调整成为一个均匀的曲线，因此就不可能轧制出良好的带钢形状和板型。

5.轧制时间的影响

在开始的30分钟内，轧辊中部的热胀与接触时间成线性关系，对于精轧机组的前几个机架，由于钢板温度较高及变形能量较大，使得热胀要大一些。在最初的30分钟内，轧材的平均宽度对此分布有一定的影响，而中部膨胀的幅度对此无影响，将此分布曲线与抛物线对比，其温度梯度在轧辊两端小，在带钢边部附近大，即轧辊的总热凸度要大于轧辊部分热凸度，其与时间的关系曲线都遵循指数规律，不考虑轧制周期时间和两卷带钢轧制的间隙时间，在将近两个小时后，曲线才达到渐进值，即吸收的热量与散失的热量接衡时，才能使辊温分布处于稳定状态，这时的热凸度将达到一个暂态的稳定值。

6.轧制计划编排的影响

轧辊热凸度在轧制每一卷带材时都有显著变化，轧制计划按宽度规格可分为如下图所示的蹄槽形、锥形和阶梯形三种典型的模式。

每种轧制模式所产生的轧辊热凸度曲线是不同的，轧辊热凸度的形状是带材宽度的函数，轧制较窄的带钢时辊身中部与边部温差较大，窄些的带材会导致倒钟形的外廓，而宽的带材则产生一个近似半圆的形状，其产生的轧辊热凸度曲线如下图所示：

三、结论

在宽带钢热连轧机组中准确预报轧制过程中工作辊热辊形的变化对于板形控制具有重要意义，工作辊热辊形计算的基础是轧辊温度场的计算，在计算过程中需要采集现场大量的数据通过计算机算出不同的影响系数，研究轧辊在轧制过程中的凸度变化可以为轧辊的热辊形模型参数及影响系数的选定提供重要的依据，从而建立板形控制模型并提高模型控制精度，另外通过现场工况条件可以及时调整轧制节奏，轧辊冷却水等系统的工作情况调整轧辊热凸度，对提高板形控制精度具有重要意义。

参考文献

[1] [美]V.B.今兹博格，《板带轧制工艺学》，北京冶金工业出版社，2003年.

[2] 孙一康，《带钢热连轧的模型与控制》，北京冶金工业出版社，2002年.