冷轧带钢边部减薄及其影响因素分析

冷轧带钢边部减薄及其影响因素分析

河北工程大学 吴海淼 王 凯 张艳伟

西北机电工程研究所 姚志辉

燕山大学 王海军

摘 要：冷轧带钢生产中普遍存在的边部减薄现象。直接影响切边量大小，降低了成材率。为了减小边部减薄，对其形或机理进行了详细论述，并利用非线性有限元软件MARC。建立了模拟西辊冷轧机轧制过程的弹塑性有限元仿真模型。

关键词：边部减薄；冷轧带钢；MARC；弹塑性有限元

板形控制是板带生产的重要方面。目前冷轧带钢的板凸度精度已基本满足用户要求。然而，冷轧带钢生产中普遍存在的边部减薄现象的控制水平一直未有突破性进展，普通带钢轧制的单边切边量徘徊在20～30 mm，高端产品的单边切变量更高达50 mm以上。这严重降低了带钢的成材率，还增大了轧制过程中的资源消耗。所以冷轧带钢边部减薄已经成为近年来世界各国普遍关注的问题，是板形控制领域的重要课题。本文利用非线性有限元软件MARC，开发了模拟冷轧带钢轧制过程的弹塑性有限元仿真系统，研究轧制过程中的压下率、摩擦因数、带钢人口厚度、人口宽度等因素对边部减薄的影响规律，对于提高轧机控制水平、减小边部减薄提高成材率具有重要意义。

1 边部减薄的形成机理

对于一定宽度的冷轧带钢，在距两边一定位置处带钢厚度急剧减小的现象称之为边部减薄。边部减薄可用边部减薄量和边部减薄率来描述。边部减薄量C_e定义为距带钢边部100mm点和15 mm点的厚度差，即C_e=h₁₀₀－h₁₅。边部减薄率E定义为带钢边部减薄量与带钢中心厚度之比。

边部减薄是发生在带钢边部的特殊物理现象，是辊系变形和带钢金属三维变形共同造成的。从产生机理上来看，造成边部减薄的直接原因有以下4个方面：

1)工作辊的弹性压扁是轧辊表面与带钢接触受轧制压力的作用引起的。在轧制过程中轧制压力沿辊身横向分布很不均匀，尤其是在带钢边部区域轧制压力急剧下降，造成了工作辊在带钢边部的压扁量急剧下降，相应地引起负载辊缝在带钢边部的高度急剧下降，形成边部减薄。工作辊的弹性压扁是产生带钢边部减薄的最直接原因。

2)在轧制过程中由于自由表面的影响，带钢边部金属和内部金属的流动规律不同，边部金属受到的侧向阻力比内部要小得多，所以带钢边部金属除纵向流动外还发生明显的横向流动，促进了带钢边部厚度的急剧下降。另外，金属的横向流动还会进一步降低带钢边部区域的轧制力和轧辊弹性压扁量，加剧边部减薄。

3)大量实测和计算结果表明，在板带轧机工作辊的换辊周期内，尤其是在换辊周期的后期，轧辊表面磨损非常严重。而且受轧制力横向不均匀分布和金属横向流动等因素的影响，轧辊磨损沿辊身横向的分布也很不均匀，在带钢边部区域轧辊磨损量急剧减小。这也使得负载辊缝在带钢边部的高度急剧下降，使带钢边部减薄加剧。

4)工作辊的弹性弯曲使负载辊缝在带钢边部的高度与内部差距加大，在整体上使负载辊缝形状更加倾向于加剧带钢的边部减薄。轧制过程中轧制力增大、工作辊与支撑辊间有害接触区及有害弯矩的增大都会直接加剧工作辊的弹性弯曲程度，进而使带钢边部减薄增大。

2 仿真模型的建立

带钢的边部减薄不仅取决于工作辊的弹性压扁，还取决于带钢边部金属的横向流动。所以本文选用三维弹塑性有限元，将轧辊看成弹性体，带钢看成弹塑性体，把辊系弹性变形和带钢金属弹塑性变形统一考虑，建立三维弹塑性有限元仿真模型，分析带钢的边部减薄情况。

2．1 几何建模及单元网格划分

按照某冷轧带钢厂真实轧机参数和实际轧件规格建立几何模型。

由于轧制条件和几何参数的对称性，取四分之一模型作为模拟对象。模型中把轧辊定义成弹性体，弹性模量为210 GPa，带钢为45号钢，定义成弹塑性体。轧辊和带钢均选用八节点六面体单元，采用修正的拉格朗日法描述大变形弹塑性有限元模型，Von Mises屈服准则，摩擦条件选用Shear for rolling，采用隐式静态算法模拟四辊冷轧机的轧制过程。

2．2模型验证

采用建立的有限元模型对实际轧制过程进行模拟，前3机架的轧制力模拟结果和实测值对比。模型的计算精度很高，所以利用该模型来分析轧制过程是可信的。

3 影响因素分析

在生产冷轧带钢的实际轧制过程中，压下率、摩擦因数以及带钢入口厚度、入口宽度等因素都会对轧制力大小及其横向不均匀分布状况产生显著影响，进而影响到轧辊弹性压扁的分布情况和轧辊的弹性弯曲，同时这些因素还会直接影响到带钢金属的横向流动。所以，为了给实际生产提供有效控制措施，减小带钢边部减薄，必须客观分析上述因素对边部减薄的影响规律。本文利用机架1的相关参数进行有限元模拟，详细分析各种因素的影响。

3．1 压下率对边部减薄的影响

压下率是反映金属变形的重要指标，也是影响边部减薄的重要参数之一。设定带钢和工作辊之间的摩擦因数为0．06，对于来料厚度为2．0 mm、宽度为900 mm的带钢，研究压下率ε分别为10％、15％、20％、25％、30％时出口带钢的边部减薄情况，从分析结果看出，压下率对带钢边部减薄的影响是很显著的，压下率由10％增加到30％时，边部减薄量增加约0．03mm，也就是说随着压下率增大，轧件的边部减薄增大。这是因为压下率的增大会使轧制力增加，从而使轧辊的弹性弯曲和压扁变形增大，同时随着压下率的增大，金属横向流动也会增加。所以减小压下率是减小边部减薄的有效措施之一。

3．2 摩擦因数对边部减薄的影响

设定压下率为10％、带钢厚度为2．0mm、宽度为900 mm，研究带钢和工作辊之间的摩擦因数分别为0．06、0．07、0．08、0．09、0．10时出口带钢的边部减薄情况，分析结果显示，随着摩擦因数的增大，带钢的边部减薄增大。这是因为摩擦因数的增大会使轧制力增大，从而增大边部减薄；另外，摩擦因数的增大还会限制带钢边部金属的横向流动，使得带钢边部上下表面金属和中问层金属的横向流动差异扩大，进一步加大边部减薄。因此，降低摩擦因数有利于减小边部减薄。

3．3 带钢入口厚度对边部减薄的影响

设定压下率为10％，摩擦因数为0．06，带钢宽度为900 mm，研究入口厚度分别为1．5、2．0、2．5、3．0、3．5、4．0 mm时出口带钢的边部减薄情况，分析结果显示，随带钢入口厚度的增大，其出口的边部减薄增大。这是因为厚带钢比薄带钢边部金属横向流动能力强，造成了厚带钢比薄带钢的边部减薄大。

由带钢入口厚度和压下率对边部减薄影响的规律可以得出，在冷轧带钢连轧过程中，边部减薄的控制应该主要在前面几个轧制道次进行。因为前面几个道次带钢的入口厚度和压下率相对较大，边部减薄比较显著，其控制效果也就比较明显。

3．4 带钢入口宽度对边部减薄的影响

带钢入口宽度对轧后带钢的边部减薄有着重要影响。支撑辊与工作辊的辊身长度总是大于带钢宽度，在带钢宽度范围外的工作辊与支撑辊接触区便是所谓的有害接触区，有害接触区内支撑辊对工作辊的接触作用力产生了影响工作辊弹性弯曲的有害弯矩。随着带钢入口宽度的增加，一方面由于轧制力增大，导致工作辊弹性变形加剧及带钢边部减薄增加；另一方面工作辊与支撑辊间有害接触区和有害弯矩的减小则会使边部减薄减小。所以边部减薄与带钢宽度的关系比较复杂。

设定压下率为10％，摩擦因数为0．06，带钢厚度为2．0 mm，研究带钢入口宽度分别为250、500、700、900、1 150、1250、1 300 mm时轧后带钢的边部减薄情况，分析结果表明，随着带钢入口宽度的不断增加，其边部减薄先增大后减小，当带钢宽度达到一定值时，边部减薄达到最大。这是因为在带钢人口宽度较小时，随着带钢宽度的增大轧制力增大，由轧制力引起的轧辊弹性变形和带钢边部减薄也随之增大，而工作辊与支撑辊间有害接触区减小对边部减薄的影响不足以弥补轧制力增大的影响，这时轧制力增大对边部减薄的影响居于主导地位，所以边部减薄随着带钢宽度的增大而增大；当带钢入口宽度较大时，随着带钢宽度的增大工作辊与支撑辊间的有害接触区和有害弯矩急剧减小，其对边部减薄的影响足以补偿轧制力增大的影响，这时工作辊与支撑辊间有害接触的减小对边部减薄的影响居于主导地位，所以边部减薄随着带钢宽度的增大而减小。

4结论

1)造成冷轧带钢边部减薄的直接原因主要有4个：工作辊的弹性压扁、带钢金属的横向流动、轧辊磨损以及工作辊的弹性弯曲。

2)轧制力模拟结果与实测值对比表明，所建立的弹塑性有限元仿真模型是精确可靠的，为进一步的分析奠定了基础。

3)随着压下率、摩擦因数或者带钢入口厚度的增大，边部减薄都会随之加剧。随着带钢宽度的增大，带钢的边部减薄先增大后减小。

4)在冷轧带钢连轧过程中，前面几个轧制道次带钢的入口厚度和压下率相对较大，所以边部减薄的控制应该主要在前面几个道次进行。

5)冷轧带钢边部减薄影响因素的科学分析，为在实际生产中制定降低边部减薄、提高成材率的有效措施提供了理论依据。