热轧粗轧机APC油缸刚度变化对带钢镰刀弯影响分析

朱松涛

(新疆八一钢铁股份有限公司轧钢厂)

概述

八钢1750热轧产线使用单机架粗轧机往复多道次轧制，生产过程中粗轧机刚度变化会对带钢造成影响，如产生较严重镰刀弯等问题，会造成热轧生产轧制过程不稳定，发生跑偏堆钢，使产品出现浪形、边部缺口等质量缺陷，对热轧的生产顺行造成严重影响。为此，结合现场实际情况，在影响粗轧机刚度变化的多种因素中找到关键点，通过采取有效措施提升粗轧机总刚度，减少两侧刚度差，减小带钢镰刀弯的程度，保证生产稳定顺行，从而提升了热轧产品质量。

1 粗轧刚度与镰刀弯关联性分析[1]

轧机刚度也称为轧机模数，是轧机受力后所有受力部件产生弹性变形的总和，K 为轧机的刚度系数(简称为刚度)。

K=tanα=ΔP/Δf

式中:ΔP—为轧制力增量，kN;Δf—弹跳变化值，mm。K的物理意义是使轧机产生1mm弹性变形所需的轧制力，它表示了轧机抵抗弹性变形的能力，K愈大，轧机刚度愈好。

轧机整体刚度是轧制工艺控制过程所需的重要参数，是轧制精度的主要指标， 轧机刚度会随着部件使用过程中的不均匀磨损而降低，轧机刚度的降低及不对称变化，会对板形、尺寸精度产生直接影响。

2020年7月八钢1750热轧粗轧机实测刚度值与设计值对比见表1。

表1 2020年7月实测八钢1750热轧粗轧机刚度指标

1.1 粗轧机刚度对镰刀弯的影响

理论上轧机两端变形一致，轧机弹性变形曲线为一直线，轧出的轧件厚度h可以用弹跳方程进行计算。

h=S0+f=S0+(P-P0)/K

式中:h—轧件厚度，mm;f—轧机弹跳值，mm；S0—考虑预压靠变形后的空载辊缝，mm；P0—空载轧制力，kN;P—轧制力，kN;K—轧机刚度系数，kN/mm。

轧机两侧的刚度相等时，两侧的弹性变形也相等，因此两侧辊缝相等，两侧轧制力相等，两侧的辊缝差为零，跑偏产生镰刀弯可能性小；当轧机两侧刚度出现差异，两侧的刚度系数不同，会使轧机两侧的弹跳计算出现偏差，两侧辊缝设定不一致，带钢两侧厚度不同，跑偏产生镰刀弯可能性变大。轧机弹跳值变化如图1所示。

图1 轧机弹跳值变化示意图

1.2 粗轧机刚度影响因素分析

八钢1750热轧粗轧机结构如图2所示。

1.机架;2.压下丝杆;3.APC油缸; 4.上支撑辊;5.上工作辊; 6.下工作辊;7.下支撑辊; 8.下阶梯垫框架;9.下阶梯垫调整装置; 10.底板;11.上承压板; 12.压头; 13.下承压板;14.轧机支撑座; 15.阶梯垫板; 16.支撑辊弧形垫;17.下支撑辊衬板;18.下工作辊衬板; 19.上支撑辊衬板;20.上工作辊衬板

通过轧辊压靠法测量粗轧机对应轧制压力的轧机弹跳值，测量出轧机的静态刚度值，在所有受力部件中，受工况影响和结构特性所致，影响刚度变化的主要部件及因素见表2。

从表2可以看出，APC油缸作为刚度标定产生正压力的动力部件，出现问题不易发现，结合现场实际情况，分析粗轧机整体刚度变化。

表2 影响粗轧机刚度因素

2 APC油缸刚度变化与镰刀弯关联性分析[2][3]

八钢1750热轧粗轧机APC油缸性能参数见表3，APC油缸结构见图3。对APC油缸刚度变化进行分析：上线使用时间<2年，为新品油缸(即新制造油缸)；上线使用时间>2年，返厂修理过1次以上为旧品油缸。

1.防尘圈;2、4、8.密封圈;3.有杆腔油口；5.无杆腔油口;6.位移传感器；7.缸体；9.活塞杆和活塞；10.端盖；11.缓冲结构图3 APC油缸结构示意图

表3 APC油缸参数

2.1 新品APC油缸刚度有限元分析

使用ANSYS软件对新品APC油缸在不同工作载荷下的应力变形进行分析，见图4。

10MPa工作载荷下的等效应力

15MPa工作载荷下的等效应力

20MPa工作载荷下的等效应力图4 不同工作载荷下新品APC油缸应力变形情况

粗轧机结构示意图通过有限元分析得出新品APC油缸(材质为42CrMo抗拉强度σb为1080MPa)不同工作载荷下的应力和总变形量见表4。

表4 新品APC油缸(σb为1080MPa)有限元分析数据

结合图4有限元分析可知，粗轧机APC液压缸随着负载增加，应力变形主要为液压缸未与轴承座接触部位.呈现向下变形的趋势，与轴承座接触的区域呈现上翘的趋势。由表4得出：在工作压力增大情况下，油缸局部应力增大，变形量增大，但最大变形量为0.1060mm，影响刚度值最大125kN/mm。说明新品APC油缸能满足粗轧机刚度、精度要求。

2.2 旧品APC油缸刚度分析[4、5]

根据国内外研究资料分析，合金材料在频繁交变应力作用下，随着使用周期的延长，性能老化加剧，使用15年左右抗拉强度性能下降均值在25%～30%。八钢1750热轧粗轧机APC油缸材质为42CrMo,使用至今14年，反复修复，缸体底面尺寸减薄约3mm，且存在一定材料性能老化.依据该观点，现针对使用14年的粗轧APC油缸，按抗拉强度降低30%，42CrMo抗拉强度按σb=756MPa进行性能老化后的有限元分析，分析此APC缸的应力分布和最大变形量。

表5 旧品APC油缸(σb为756MPa)有限元分析数据

图5 旧品APC油缸轧制过程监测曲线图

3 APC油缸刚度变化对镰刀弯影响分析

轧制模型控制是按照轧机两端刚度一致，来控制轧件厚度，但由于两侧刚度偏差，实际轧出的轧件厚度差Δh用弹跳方程计算。

依据2020年7月粗轧机刚度标定过程中实测值，标定轧制力P=10000kN,P0=0,操作侧刚度K操=1950kN/mm， 传动侧刚度/K传=2350kN/mm

h操=S0+f

=S0+(P-P0)/K操=S0+10000/1950

=S0+5.12

h传=S0+f=S0+(P-P0)/K传

=S0+10000/2350

=S0+4.25

2)令为各评价指标的最优值，其中若j为正指标，则越大越好；若j为负指标表示越小越好。xij相对于的接近度用矩阵Dij表示，并对其进行归一化处理，得d=(dij)n×m。

Δh=h操-h传=(S0+5.12)-(S0+4.25)

=0.87mm

通过弹跳方程计算可知：由于两侧APC缸刚性不一致，使板坯宽度方向上厚度不同Δh达到0.87mm，必然使板坯发生镰刀弯变形。

4 更换APC油缸后效果对比分析

通过对APC油缸的有限元分析，锁定目前影响粗轧刚度的关键因素在于APC油缸，于是更换了2件新品APC油缸，更换后粗轧机刚度如表6所示。

表6 最新粗轧机刚度数据

粗轧道次间板坯镰刀弯改善明显，板型稳定可控，因粗轧来料侧弯造成的废钢次数大幅缩减，通过质检每日统计数据验证，钢卷边部缺口质量缺陷损失率由前期0.8%下降至0.2%，钢卷浪型抽检合格率提升，抽检合格率由前期均值90%上升至98%～100%，且能够持续保持。

5 APC油缸的检修及维护措施

通过使用有限元分析和更换APC油缸前后的效果对比，验证了粗轧APC油缸应力变化是轧机刚度不足的主要影响因素。APC油缸在长期使用后，自身刚度会明显降低且不稳定，从而对粗轧机刚度产生较大影响，造成中间板坯镰刀弯现象严重，出现一系列产品质量问题。

为此制定了管控措施：

(1)粗轧机APC新品上线制定2年使用周期，到期必须下线，上线油缸必须是履历一致、几何尺寸一致成对更换；(2)APC油缸下线后进行全方位探伤检测，且必须进行消除应力处理；

(3)下线APC油缸修复，原则上只修复一次，及时申报新品油缸；

(4)因辊系磨损，需在APC油缸与支撑辊轴承座之间添加垫板时，必须规范添加垫片，避免随意使用不同规格垫板，因接触面积过小对APC油缸造成的不可逆的变形损害。即定制标准垫板尺寸为1200mm×700mm×(1、2、3)mm，每次添加垫片数量不得超过2块；

(5)对粗轧机严格执行周期精度检测和严格执行部件周期检修更换，将粗轧刚度持续保持在4800～5000 kN/mm。

6 结束语

针对八钢1750热轧带钢造成较严重镰刀弯的问题，对热轧粗轧机APC油缸应力变化进行了分析，依据变化规律，制定了管控措施，使粗轧机达到了设计刚度值，减小了带钢镰刀弯的程度，提升了热轧轧制稳定性和产品质量。