（机械设计及理论专业论文）热轧带钢平整机工作辊磨损及其窜辊方法研究.pdf

北京科技大学硕士学位论文 摘要 工作辊磨损是影响板形( 凸度和平坦度) 的重要因素。热轧平整机担负着控制高质 量热轧最终成品板形的任务，除了本身不应产生新的板形缺陷外，还要对热轧产生的板 形缺陷进行纠正。国内外对于热轧、冷轧中工作辊的磨损问题研究较多，机理研究比较 深入，而对热轧平整机工作辊磨损问题的研究则未见报道。工作辊的磨损主要带来三方 面的问题，一是改变辊面质量，影响带钢表面；二是不均匀磨损改变辊形，导致板形调 控特性的改变；三是轧辊使用寿命缩短。因此，必须对其磨损规律进行深入研究。 在热轧平整机工作中，工作辊磨损具有与热轧和冷轧工作辊磨损不同的特点，存在 严重的局部磨损现象，本文以武钢的2 2 5 0 m m 热轧带钢平整机为研究对象，从热轧带钢 平整机的工作特点、工作辊的磨损机理出发，结合工作辊磨损辊形的现场测量，分析热 轧带钢平整机的工作辊磨损特点和规律。由于影响工作辊磨损的因素很多、很复杂，因 此，不可能使用已有的磨损模型来解决热轧平整机工作辊的磨损问题，本文针对热轧平 整机工作辊的磨损特点，建立专用的磨损模型。这对于研究热轧平整工作中急需解决的 问题如均匀化工作辊磨损，降低辊耗、改善板形等，具有重要的理论指导意义。 本文以具体工业轧机为研究对象，采用理论分析、数值仿真、现场测试与仿真等方 法，对热轧平整环境下的工作辊磨损及窜辊进行研究，主要工作如下： 1 对武钢2 2 5 0 m m 热轧平整机的工作辊磨损辊形进行了现场测试与分析工作，发 现其与热连轧机、冷连轧机以及冷轧平整机中工作辊的磨损具有完全不同的规律与特 征，存在严重的不均匀磨损现象。根据热轧平整机的工艺，设备条件，对热轧平整的磨 损机理和规律进行了研究，分析了造成不均匀磨损的原因 2 针对热轧平整机的工艺情况，分析轧制过程中影响工作辊磨损的各个因素，建立 了针对热轧平整生产的非线性工作辊磨损模型，并采用智能寻优的遗传算法对模型参数 进行确定和优化，最后使用现场采集的数据对模型的准确性和适用性进行了验证，发现 该模型能够较好地对工作辊磨损情况进行分析和预报。 3 2 2 5 0 m m 热轧平整机采用的是可窜辊的无凸度的工作辊，而窜辊对于工作辊磨损 的均匀分布存在较大影响。基于建立的工作辊磨损模型，从改善磨损的角度对工作辊窜 辊方式进行了优化研究，使其可以改善工作辊的不均匀磨损。 本文工作对于热轧平整工作中的一些问题，如改善工作辊磨损、降低辊耗、稳定板 形具有重要的指导意义。 关键词：热轧平整机，磨损模型，窜辊策略，局部磨损 北京科技大学硕士学位论文 r e s e a r c ho nw o r kr o l lw e a ra n di t ss h i f t i n gm e t h o d si n h o ts t r i pt e m p e rr o l l i n g a b s t r a c t w o r kr o l lv o c a l i so i i l ：o fk e ya s p e c t sw h i c ha f f e c ts t r i p sp r o f i l e t h eh o tt e m p e rm i l l u n d e r t a k et h et a s ko fk e e p i n gt h ef i n a ls t r i p sp r o f i l ei nh o tr o l l i n g i tc a l l tc l e i t u s cn e wo b j e c t i o n o ns t r i p sp r o f i l e , a n ds h o u l dc o r 嘲t h eo b j e c t i o ne x i s t s t h e r ea l n o r cs t u d yo nw o r kr o l l w c a l ri nh o tr o l l i n ga n dc o l dr o l l i n g , b u tt i t t l ei nh o tt e m p e rr o l l i n g w es h o u l dt a k es t u d yo i l w e a l m e c h a n i c si nh o tt e m p e rr o l l i n g , f o rf i n d i n gt h ei n t l u c n c eo fw o r kr o l lw e a ro ns t r i p s p r o f i l e t h ew o r kr o l lw e a rf o rt h eh o tt e m p e rm i l la r cd i f f e r e n tf r o mt h a ti nh o tr o l l i n ga n dc o l d r o l l i n g l o c a lw e a ri ss e r i o u si nh o tt e m p e rm i l l t h ep a p e rt a k e s 山c2 2 5 0 m mt e m p e rm i l lf o r t h e h o ts t r i p 弱t h es t u d y i n gs u b j e c to nt h eb a s i so ft h et e m p e rm i l l sw o r k i n gt r a i ta n dt h e w e a r i n gm e c h a n i s mo ft h ew o r kr o l l , al a r g ea m o u n to ft h ec o n t o u rd a t ao ft h ew o r kr o l l 批 m e a s u r e df o ra n a l y z i n gt h ew e a r i n gc h a r a c t c r i s t i c sa n dn l l e so ft h ew o r kr o l lo ft h eh o tt e m p e r m i l l b e c a u s et h e r e 眦t o om a n ye o r n p c a t e df a c t o r sa f f e c t i n gw p a l r pi ti si m p o s s i b l ei os t u d y t h es i t u a t i o no fw o r kr o l lw e a l i nh o tt e m p e rm i l lw i t hw e a rm o d e li ne x i s t e n c e t h i sp a p e rw i l l b u i l da 叩c c i 6 ca n dr a t i o n a lw e a rm o d e lo nt h eb a s i so fw e a rc h a r a c t e r i s t i ci nh o tt e m p e r t h i s a c t i o nb o t hh 鹤t h e o r e t i c a lm e a n i n ga n db u tp r a c t i c a lv a l u e h 盯ow i l lt a k et h eh o tt e m p e rm i l l 罄r e s e a r c ho 蛳峨眦e f f e e t i v em e t h o d st o 咖d yw o r k r o l l s 忧a n dw r a s s u c ha st h e o r e t i c a la n a l y s i s , a l g o r i t h ms i m u l a t i o n , s p o te x p e r i m e n ta n d s oo n 1 _ h cm a i nw o r kf i n i s h e da r cf o l l o w s ： 1 f o ro n - o r i e n t e dw o r kr o l lw e a l * i nh o tt e m p e rr o l l i n g , b ym a k i n gal a r g eq u a n t i t yo f o r i o a lr e c o r d so nt h es p o ta n dl o t so fa n a l y s i sw h e nb a 出a l s ow j l ha s s o c i a t e d t h e o r yr e s e a r c h , h a v i n ga n a l y z d lt h ew c a i m e c h a n i c sa n d w e a l e h a r a c t e r i s t i c so f w o r k r o l l , a n df i n dt h er e a s o nw h i c h 鲫s c ds e r i o u sl o c a lw e i i i o f w o r kr o l l 2 o nt h es t u d yo fa l lt h e 丘虻t o l sw l a i e l aa f f e c tw o r kr o l lw e a l i nr o l l i n gp r o c e s s , a n db y 砸i 丑gw 鼬m o d e li nh o tm i l lf o rr e f e r e n c e , h a v i n gb l l i l dan 州w e a l m o d e l h a v i n g d e v e l o p e dw o r kr o l lw e a l s i m u l a t i o np r o g r a m u s e da d v a n c e dg e n e t i cm e t h o dt o d e f i n i t ea n d o p t i m i z ep a r a m e t e r si nm o d e l , w h i c hm a k et h em o d e lag o o dc a p a b i l i t y i nw o r kr o l lw e a l a n a l y s i sa n dp r e d i c t i o n m a k i n gm a t h e m a t i c sa n a l y s i sf o re v e r y p a r a m e t c mw i t ht h i sp r o g r a m , a n dv a l i d a t i n gt h ev a l i d i t yo f t h cn e w w e a rm o d e l 一2 北京科技大学硕士学位论文 3 i no r d e rt oi m p r o v es t r i p sp r o f i l ea o dr e a u c et h el o c a lw e a l o f w o r kr o l l h a v i n gm a d e r e s e a r c ho nw r a si nw o r kr o l lo l lt h eb a s i so fn e ww f a l - m o d e l , o p t h n i z e dw r a s s t r a t e g y t h i sp a p e rh a si m p o r t a n tm e a n i n gf o ri m p r o v i n gt h ew o r km l lw e a r ，r e d u c i n gt h ew a s t eo f w o r kr o l la n d s t a b i l i z a t i o n o f s t r i p s k e yw o r d s ：h o tt e m p e r，w e a l i n gm o d e l ，s h i f t i n gs t r a t e g y ，l o c a lw e a r 3 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 北京科技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：馨丽拐日期：矽盯弓f 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京科技大学有关保留、使用学位论文的规定，i l p 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 导师签名：姆日期：j 翌芦 北京科技大学硕士学位论文 引言 板带是钢铁工业中的高附加值产品。板形及其控制技术已成为当前国际上研究开发 的热门课题。目前，国内外热轧的板形控制重点仍然集中在轧机上，这是因为轧机是金 属变形的主要工序，对板形起主要作用，轧件在经过热轧后的板形在很大程度上决定了 带钢产品的板形。但是，随着轧制产品的多样化以及技术和装备等原因，轧机的板形缺 陷难以避免，有时甚至很严重。这时，平整对板形的控制就显得十分重要。 热轧钢卷的基本流向有两类，一类是作为冷轧的原料，送到冷轧继续加工，而另一 类则是作为热轧产品直接出厂发送给客户。随着人们对板形质量提出越来越高的要求， 越来越多的热轧产品在出厂前都要进行平整。热轧平整机担负起热轧最终成品板形的任 务。平整除了本身不应产生新的板形缺陷外，还要对热轧产生的板形缺陷进行纠正。因 此，对平整机的板形控制能力进行深入的研究，制定正确的工艺和板形控制策略，对于 提高热轧产品的板形质量具有重要意义。 热轧带钢平整机通过给带钢施加一定的变形量，达到提高轧件机械性能，改善平坦 度、控制表面质量的目的。武钢2 2 5 嘶m 热轧平整机是目前国内辊面最长的平整机，该 平整机的工作辊磨损比较严重，单位平整量偏低，未能达到该平整机的设计产量。工作 辊磨损一方面涉及到工作辊的消耗生产成本的问题，另一方面涉及到板形的控制问 题。这两方面的影响使平整机工作辊的磨损研究引起了厂里的重视，亟待解决以适应生 产需求。 工作辊的磨损过程非常复杂，它涉及到弹塑性力学、金属学、表面物理学、化学、 机械工程学等多门学科从金属的磨损机理来看，磨损是由磨粒磨损、疲劳磨损( 接触 疲劳、热疲劳等) 、粘着磨损和腐蚀磨损等四类磨损共同作用的结果，在不同的条件 下，这些磨损类型可同时存在或交替作用，作用程度也不同。目前，国内外对于热轧、 冷轧中工作辊的磨损问题研究较多，但对热轧平整机工作辊的磨损研究则未见报道。 轧辊磨损机理复杂，迄今为止还没有一个从理论上推导的磨损模型可准确预报轧辊 磨损，只能通过大量的实测与分析，建立半经验半理论的预报模型。目前多认为磨损主 要与轧制力、轧制长度、轧辊材质、轧件材质、磨损距离( 接触弧长) 等因素有关，通常 采用统计回归模型。目前，用于冷轧和热轧的轧辊磨损模型，得到了一定地应用，但是 不适合热轧平整机的情况，因为它们不能反映热轧平整机工作辊的磨损特点。 热轧平整机的工作条件比较特殊，从带钢接近常温及没有润滑这两点，与冷轧带钢 的干平整相似；但带钢表面存在氧化铁皮这一点又与热轧相似。这说明热轧带钢平整机 北京科技大学硕士学位论文 的工作状态与冷轧平整和热轧都有所不同，因此，其工作辊的磨损情况应有自身的特 点。要定量地研究热轧平整机工作辊的磨损对板形的影响就必须要建立反映其真实情况 的磨损模型。只有能够正确地预报轧辊的磨损，才可以根据磨损量的大小和分布，合理 设计轧辊的原始辊型：在板形控制模型中加入磨损量造成的辊缝增量，以更好地改善板 形质量，更为合理地配置车l c e j 单位的大小和不同规格带钢的分配比例。 工作辊窜辊是改善工作辊磨损的有效手段之一。武钢2 2 5 0 m m 热轧平整机具有工作 辊窜辊( 2 0 0 m m ) 系统，目前的实际生产采用的是一种简单的窜辊策略，未能充分发 挥窜辊的改善磨损的效能。 窜辊技术较多地用在同宽t f l n 中，通过轧辊的轴向窜动，增加辊面参与磨损的区 域，能很好的改善同宽轧制所特有的“猫耳”现象。2 7 3 0 r a m 热轧平整机一个轧制单位 的轧材宽度不一，尺寸有较大的变化，加之每块轧材的长度也有很大的差别，这些无疑 给制定工作辊窜动策略增加了难度。目前对于窜辊策略的制定尚无理论上的依据，应该 针对2 2 , 5 0 m m 热轧平整机工作辊的特殊磨损情况，制定与之相适应的窜辊策略以均匀化 工作辊磨损。 本文以武钢2 2 5 0 m m 热轧平整机为研究对象，采用理论分析、数值仿真、现场测试 等方法，对热轧平整机工作辊的磨损问题进行研究，工作主要集中在以下几个方面： 1 在平整机生产现场，对武钢2 2 5 0 m m 热轧平整机的工作辊辊形及工艺状况进行 了现场测试与分析工作，发现其与热连轧机、冷连轧机以及冷轧平整机中工作辊的磨损 具有完全不同的规律与特征，存在严重的不均匀磨损现象。根据热轧平整机的工艺、设 备条件，对热轧平整的磨损机理和规律进行了研究，分析了造成不均匀磨损的原因。 z 针对热轧平整机的工艺情况，分析轧制过程中影响工作辊磨损的各个因素，建立 了针对热轧平整生产的非线性工作辊磨损模型，并采用智能寻优的遗传算法对模型参数 进行确定和优化，最后使用现场采集的数据对模型的准确性和适用性进行了验证，发现 该模型能够较好地对工作辊磨损情况进行分析和预报。 3 2 2 5 0 m m 热轧平整机采用的是可窜辊的无凸度的工作辊，而窜辊对于工作辊磨损 的均匀分布存在较大影响。基于建立的工作辊磨损模型，从改善磨损的角度对工作辊窜 辊方式进行了优化研究，使其可以改善工作辊的不均匀磨损。 北京科技大学硕士学位论文 l 综述 1 1 板带轧机板形问题研究 1 1 1 板形理论 热轧带钢板形包括带钢横截面几何精度和纵向平坦度，前者又包括凸度、楔形度、 边部减薄量和局部突起量等，通常以凸度为主要表征量定量描述板形就需要分别反映 横截面几何形状( 如图1 1 所示) 和平坦性的多个指标 图1 1 带钢板廓示意图 首先建立如图1 1 的空间三维坐标系。现假设x 轴为带钢宽度的方向( 操作侧一传 动侧) ；假设y 方向为带钢纵向长度方向( 带钢的轧制方向) ；假设z 方向垂直带钢表 面的方向( 与重力反向) 。 1 、凸度及平坦度。本文仍然采用国际上流行的带钢横截面形状( p i 眦) 和平 坦度( f l a t n e s s ) 的概念来描述带钢的板形，而衡量带钢横截面形状的参量主要有凸 度( c r o w n ) 和边部减薄量( e d g ed r o p ) 这其中尤以带钢凸度和平坦度为两个 重要指标。通常以带钢中点与边部标志点的厚度差来表示凸度；以带钢中部纤维与边部 纤维的相对延伸差来表示平坦度。这样即可简单地以凸度的变化来描述带钢横截面的变 化状态，以平坦度来描述带钢纤维不均匀延伸的量值： c r 。i i ，一j i i l ，一竺型! l 旦 ( 1 1 ) 北京科技大学硕士学位论文 。t t 。一生姜! 芝 ( 1 2 ) 二 其中：h 。- h ( 粤一e d ) ，h 。h ( - 卑+ e d ) k 。，( 粤一易) ，k f ( - 阜+ e a 式中o q ：为带钢凸度； ：为带钢纤维相对延伸差，可代表平坦度5 h ( x ) ：为带钢板廓厚度函数； l ( x ) ：为带钢纤维长度函数； h ：为带钢板廓中点厚度； h ：为带钢板廓两端边部平均厚度； l ：为带钢中点纤维长度； l ：为带钢两端边部平均纤维长度； 月0 ：为带钢的宽度； e d ：为标志点距带钢边部距离，一般取e d = 2 5 、加、1 0 0 m m 。 2 、楔形度即横截面操作侧与传动侧边部标志点的厚度之差，以c h 表示： a i = h f ( k b 以) 埘( b 以岛)( 1 3 ) 3 、边部减薄量 即横截面操作侧或传动侧的边部标志点厚度与边缘位置厚度之 差。 e m = h f ( b 防马)一h f ( b 。舯f ) ( 1 4 ) e o = h f ( e f b 。亿) - h f ( e d b 。陀) ( 1 5 ) 式中邑钢板边缘位置，一般取e 。= 5 r a m ； e m 传动侧边部减薄量； e o 操作侧边部减薄量。 改善板形平坦度是本课题的控制目标，通过对热轧平整过程中工作辊磨损问题的研 究，找到改善和控制工作辊磨损的手段，从而降低辊耗，提高板形质量。 1 1 2 工作辊的辊形与板形的关系 板形控制实质都是对承载辊缝的控制。板形控制系统通过控制有载辊缝，使带钢达 到良好的几何精度。控制有载辊缝不仅需要知道在轧制力作用下工作辊受力变形后，辊 北京科技大学硕士学位论文 缝中点的开度，而且需要知道辊缝沿板宽的分布，因而涉及到工作辊的许多方面。工作 辊的热变形、工作辊的磨损和工作辊的弯曲变形是决定负载辊缝的三个主要因素。一般 说来，板形控制则必须控制沿带钢宽度方向辊缝曲线全长。在热轧精轧机组中控制承载 辊缝的手段很多，包括各机架工作辊和支持辊的辊型配置、压下调节、正负弯辊、工作 辊轴向窜动，上下工作辊成对交叉等，改变任何一种手段，都将改变承载辊缝的形状。 除此之外，带钢规格、轧制压力及其分布、磨损辊形、热辊形、来料板形等发生变化， 也会影响承载辊缝的形状。如果已知一定轧制工况和板形影响因素的变化规律，就可预 测轧后带钢的板形状况。 一般认为，若在轧制过程中塑性延伸率沿横向处处相等则板形平坦度是良好的。因 此，在不考虑带钢金属横向流动的情况下，对于平坦来料保证轧后带材板形平坦性良好 的几何条件是比例凸度恒定，即 峨7 - c o t 坫t ( 1 6 ) 式中：( h 、c h 一入口、出口凸度 h 、h 一入口、出口厚度 综合考虑影响承载辊缝的诸因素，文献1 1 i 给出了全面的机架出口带钢的凸度计算公 式c h ： c h 。亡吐f l 以- w 以b 屯h 札t h + c a q 册 式中p ：轧制力，t ； 凡：弯辊力，t ； c ，：工作辊无负荷辊形，为初始辊形c 。、磨损辊形c 。和热辊形c 。三者之 和，a o c ，= c + c 。+ 气，i - l l i ； g ：支持辊无负荷辊形，与工作辊一样，也为初始辊形c 培、磨损辊形c 0 和热辊 形g 三者之和，即巴= + + g ，岫； c h ：机架入口带钢凸度，岬； c 0 ：常量。可用于自学习，i l i n ； k 。：轧机横向刚度系数，即产生单位带钢凸度变化所需轧制力的变化； k ，：弯辊力影响系数，又称弯辊力模量，即弯辊力每变化一吨所引起带钢凸度的 北京科技大学硕士学位论文 变化； 未。：工作辊无负荷辊形影响系数； k ：支持辊无负荷辊形影响系数； b ：带钢来料凸度影响系数。 热辊形 一 空载辊形 r t v 磨削辊形 ? 图1 2 工作辊辊形及合成示意图 从式1 6 、1 7 可以看出，带钢平坦度与工作辊的辊形，轧制力、弯辊力等诸多因素 相关。本文的研究将以工作辊辊形为主，图1 2 给出了工作辊辊形的合成示意图，从中 可以看出工作辊的综合辊形由初始辊形、磨损辊形和热辊形综合构成。 工作辊的辊形研究包括工作辊初始辊形的计算、工作辊磨损辊形计算和工作辊的热 辊形计算。工作辊的综合辊形决定轧制时空载辊缝形状，从而对带钢的出口凸度有着直 接的影响。当前许多板形控制技术和工艺均是围绕改变工作辊的辊形而进行的，如 a ，c 、u p g 窜辊、工作辊冷却等。其中工作辊的初始辊形是在轧制之前进行确定的， 合理的工作辊初始辊形不仅可以改善板形控制的起点，而且对增加带钢运行的稳定性具 有重要的意义。除此之外，工作辊的磨损辊形和热辊形变化是板形控制系统中两个最活 跃的因素，其模型计算的准确性将对板形控制的精度有重大的影响【2 j 。 热轧平整机使轧件产生的变形量较冷轧和热轧小，故变形热要小于冷轧，同时在常 温下平整，故工作辊的热变形也远小于热轧。相比之下，工作辊的磨损对于板形的影响 更为突出，因此本文忽略热辊形的影响，只对工作辊的磨损进行研究。 1 1 3 平整机板形控制研究 平整作为冷轧的后步工序，由于其变形量相对五机架要小，相应地平整机对板形的 北京科技大学硕士学位论文 控制能力不如五机架明显，加上产量相对轧机要少，其板形问题一直未得到应有的重 视，板形控制装备水平普遍低于冷轧机。随着对产品质量要求的不断提高，平整对带钢 质量的改善作用逐步受到了重视。为了在平整机上实现对板形的最优化控制，目前已出 现了h c 轧机作为平整机的范例，国外的平整机已开始配备板形检测装置( 如板形仪) 来实现板形闭环控制( 越c ) 纠。大直径s 辊在平整机上的应用，不仅实现了分段张力 控制，方便了板形调整，而且起到了稳定平整过程和提高轧制速度的作用。而在双机架 d r ( d o u b l er e d u c t i o n ) 平整机上，德国的r a s s e l s t e i na g 厂投建的新型双机架平整 机，除液压压下、工作辊弯辊等机械装置外，还配备了c v c 轧辊技术、装有1 5 0 只喷 嘴的轧辊冷却装置、板形检测仪及故障监测及诊断系统等【”。 在平整机上，一般对带钢施以0 5 3 的延伸率，并进行板形矫正和表面粗糙度和光 亮度的调整，同时还要改变钢板的组织和性能。所以，轧辊的表面质量关系到轧辊的寿 命及产品质量的提高。为了延长冷轧和平整工作辊的使用寿命，减少换辊次数，减轻磨 辊作业负荷和提高钢板表面质量，国外从6 0 年代中期开始进行了轧辊镀铬新技术的研 究，现在已进入实际使用阶段。采用镀铬的工作辊，可提高轧辊的耐磨性，抑制辊面粗 糙度的下降速率。平整工作辊镀铬后可提高使用寿命2 句倍，在连续退火线上在线平整 时，与普通的锻钢轧辊相比，镀铬辊的使用寿命可延长1 2 倍嘲 此外，对那些在设备上已无法再挖潜、改造而又不能满足工艺要求的老式机组而 言，一些厂家采用了异步轧制技术，通过改变上、下轧辊直径的配比，使得带钢延伸率 在整个平整轧制过程中保持恒定【”。 1 2 工作辊的磨损机理及特点 1 2 1 工作辊磨损辊形的形成机理及形式 磨损是由于物体的表面与另一相接触的物体间的相对运动造成固体表面损伤的过 程，此过程中通常有材料的逐渐损失。磨损过程非常复杂呻。1 7 】，它涉及到弹塑性力 学、金属学、表面物理学、化学、机械工程学等多门学科。虽然己经进行了大量的研 究，但是对磨损机理的了解仍然是很不够的。从金属的磨损机理来看，磨损主要可分为 磨粒磨损、疲劳磨损( 接触疲劳、热疲劳等k 粘着磨损和腐蚀磨损四类。前两者涉及到 摩擦副之间力的相互作用或应力的作用，后两者是参与磨损过程的各要素之间物料方面 的相互作用磨损作为一种系统特性，并不是固定不变的，在不同的条件下，各种磨损 类型可同时存在或交替作用，磨损程度也不同。 ( 1 ) 磨粒磨损 北京科技大学硕士学位论文 外界硬颗粒或硬表面的粗糙峰在载荷作用下嵌入摩擦表面，滑动中引起表面材料脱 落的现象，统称为磨粒磨损它的特征是摩擦表面沿滑动方向形成刻痕。磨粒磨损是最 普遍的磨损形式，在各类磨损中，磨粒磨损约占5 0 。在热轧中，虽然带钢在进入精轧 机组时经过除鳞处理，但在机架间迅速生成的氧化铁皮却未经处理就进入轧机【1 8 l 。表 面再生的氧化铁皮在轧制力作用下破碎，其碎片作为磨粒不断磨削工作辊辊面，形成磨 粒磨损。 ( 2 ) 疲劳磨损 疲劳磨损包括接触疲劳磨损和热疲劳磨损。两个相对滚动或滚动兼滑动的摩擦表 面，在循环变化的接触应力作用下，使得材料疲劳剥落而形成凹坑，或是由于加热或冷 却时产生的热应力造成的疲劳失效，统称为疲劳磨损。热轧中轧辊在周期性的承载、卸 载、加热、冷却过程中承受着接触疲劳和热疲劳。当循环应力超过材料的疲劳强度时， 表面层将引发裂纹并逐渐扩展，最后使裂纹以上的材料断裂剥落，即发生疲劳磨损。疲 劳裂纹的萌生点可能在表面，也可能在表层，其扩展方向或是平行于表面，或是与表面 成一定角度( 约1 0 0 3 0 0 ) ，而且只限于在表面层内扩展。轧辊( 表面) 的应力状态是控制疲 劳磨损的主要因素。 值得一提的是热疲劳磨损在热轧工作辊的疲劳磨损中占据很重要的位置由于加热 冷却作用，轧辊辊面交替地承受着压应力和拉应力，局部面积上会产生塑性变形。当轧 辊运转一定次数后，热裂纹产生，此热裂纹大大加速了接触疲劳。所以热疲劳除本身会 带来磨损外，还会促进接触疲劳磨损的产生9 越l 。 ( 3 ) 粘着磨损 在摩擦过程中，两摩擦表面的实际接触部位由于粘着效应而形成粘结点，滑动时粘 结点发生剪切断裂，使接触表面的材料由一个表面转移到另一个表面，这种现象统称为 粘着磨损。粘着磨损的主要特征是出现材料的转移，同时沿滑动方向存在不同程度的磨 痕f 2 ”。与疲劳磨损机制不同，不需要一定的时间或作用次数来达到临界破坏，只要发 生粘着，在粘着点发生断裂，即发生粘着磨损。 润滑膜或者表面膜可以有效地防止摩擦表面直接接触和形成粘结点，能提高抗粘着 磨损能力。压力和表面温度对粘着磨损有重要影响，当压力增加到某一临界值后，由于 表面膜被压溃，粘着磨损程度剧增，表面温度达到临界值时，边界润滑破坏，粘着磨损 加剧。在热轧中，带钢的塑性变形使氧化铁皮不可能完整地包围住轧辊表亟，当高温带 钢与辊面在压力下紧密接触，带钢对辊面会产生粘着磨损。 ( 4 ) 腐蚀磨损 北京科技大学硕士学位论文 摩擦过程中，由于金属与周围介质发生化学或者电化学反应所产生的表面损伤，统 称为腐蚀磨损。典型的腐蚀磨损有氧化磨损和特殊介质腐蚀磨损两种。热轧中，轧辊主 要发生氧化磨损。 金属摩擦副在氧化性介质中工作时，表面所形成的氧化膜被磨掉后，又很快地形成 新的氧化膜。所以，氧化磨损是化学氧化和机械磨损两种作用相继进行的过程。金属氧 化与摩擦副的载荷、滑动速度、环境温度和介质中含氧量等因素有关。氧化膜有时能起 到减少磨损的作用，但取决于反应物硬度与在反应物之下基体材料表面硬度的比值。只 有当摩擦化学作用 形成的反应层与基体材料的硬度相似或比基体材料软时，磨损才能降低。热轧中。 轧辊与高温带钢接触摩擦以及辊间接触摩擦，使得辊面氧化加快，在载荷作用下，氧化 层破裂，发生氧化磨损i 帅l 。 在轧辊磨损中，以上四类磨损均会发生，只是主次、程度的差别而矣。由干热轧、 冷轧以及平整中工作辊的工作条件不一，这四类磨损共同或交替为轧辊的磨损作出贡 献。 1 2 2 工作辊局部磨损 通常认为轧辊磨损的两种形式为总体磨损和局部磨损。工作辊总体磨损是指沿与轧 件相接触的整个辊身长度方向的轧辊磨损，引起这种磨损的因素包括热力学和机械疲劳 共同作用引起的研磨及影响较小的腐蚀磨损。工作辊的总体磨损主要受轧制不同宽度带 钢时的总吨位的影响。当沿辊身的磨损长度远小于带钢的宽度时，用局部磨损来描述这 类磨损在热轧带钢轧机上，有以下两类典型的工作辊局部磨损叫i ： ( 1 ) 带钢边部附近的轧辊局部磨损。在带材边部附近工作辊的变形量( 压扁) 迅速下 降，这会在辊身的过渡带产生局部的张应力，而在辊身的过渡带同时又有剪切应力的作 用，使得与轧辊其余部分的磨损相比，在带材边都的磨损更大， 带钢边部之问的轧辊局部磨损。此类磨损因带钢上下表面在高压水除鳞时的不均 匀冷却引起，在高压水除磷后带钢表面有明显的条带状。在不同的条带中，晶粒尺寸有 着明显的差别。细晶粒要硬得多，因而细晶粒带比粗晶粒带更磨损轧辊。 工作辊与轧件接触的部分将不断发生磨损，形成与轧件宽度对应的尖锐凹槽，同时 在轧件的边缘处产生“猫耳形”局部磨损，严重影响轧出成品的质量( 如图1 3 、1 4 所 示) 。辊形变化不仅影响板形控制，也影响组织生产。为了避免工作辊出现过大的局部 磨损以至造成钢板的局部突起，同时防止轧制宽度由窄转宽时造成边部台阶形减薄，通 常轧制单位主体材的轧制顺序均遵循由宽至窄的原则，对同宽轧制和逆向轧制实行严格 北京科技大学硕士学位论文 的限制，从而成为制约生产自由度的关键问题。 量 涎 群 鲞 匝轧舯心的i 竖置，- 图1 3 热轧某次生产现场f 4 机架工作辊磨损辊形 】= ； r f p 厂 图1 4 热轧工作辊下机后( 不窜动) 时的磨损辊形 由于工作辊的磨损不可避免且具有不可逆性，因此关于磨损问题的研究集中在如何 减缓磨损或采取有效的手段减小局部磨损对板形控制带来的不利影响，事实证明，降低 工作辊的工作环境温度、增加润滑等可以有效地延长工作辊的使用寿命，而合理的工作 辊轴向抽动( 窜辊) 则可以明显地分散工作辊磨损，对实现自由规程s l 审u j 具有重要的意 义。 1 3 工作辊磨损研究的进展 1 3 1 热轧工作辊工作特点及磨损研究 在熟轧过程中，工作辊受周期性载荷的作用，伴随有坚硬的氧化物的研磨和温度的 波动。由于工作环境恶劣，轧辊磨损非常严重。自上游到下游机架，轧制力、轧制速 度、轧辊材质、窜辊等工艺条件的不同，使得轧辊沿辊身方向各点磨损量大小不一，服 役前后辊形变化显著相异。 北京科技大学硕士学位论文 学者们对轧辊磨损进行了大量研究后，发现热轧工作辊的磨损辊形有以下几个特 点：( 1 ) 工作辊的磨损曲线，一般里左右对称的阶梯箱形孔，阶梯状辊形中部基本平 坦，侧边成斜坡状，斜坡宽度约5 0 - 1 5 0 m m 。这是因为一个轧制单位中带钢宽度由宽变 窄及带钢边部自由宽展照成的；( 2 ) 工作辊传动侧与操作侧磨损不均匀，一般是传动侧 磨损较为严重；( 3 ) 轧辊磨损量与轧制量( 或轧制长度) 在一定范围内成正比；( 4 ) 工作辊 局部磨损严重，即在与带钢边部接触部分出现“猫耳形”磨损辊形，且在不同的机架， 工作辊出现的不均匀磨损程度不同【l i 。 热轧磨损的形成主要有以下几点原因： 1 高温带钢( 8 5 0 以上) 表面再生的氧化铁皮在轧制压力作用下破碎，其碎片作为磨 粒不断磨削轧辊辊面，形成磨粒磨损： 2 轧辊在周期性的承载、卸载、加热、冷却过程中承受着接触疲劳和热疲劳，当循 环应力超过轧辊材料的疲劳强度时，表面层将引发裂纹并逐渐扩展，最后使裂纹区的材 料断裂剥落，即发生疲劳磨损： 3 带钢的塑性变形使氧化铁皮不可能完整地包围住轧辊表面，当高温带钢与辊面在 压力下紧密接触时，带钢对辊面产生粘着磨损： 4 与高温带钢接触及摩擦使得工作辊表面温度升高，促使辊面氧化加快，在载荷作 用下，氧化层破裂发生氧化磨损： 5 在与支持辊的接触摩擦中，工作辊也同样承受着磨粒磨损、疲劳磨损、粘着磨损 等。 热轧过程中，造成局部磨损的原因是多方面的：同宽轧制量大，由于受连铸工序能 力和粗轧立辊调宽能力的影响，轧制宽度规格单一，在单位轧制周期内同宽轧制量大， 上述情况一般发生在同宽轧制量超过3 0 k m 以后；带钢边部温降大，在精轧机组带钢边 部温度一般比中部低2 0 左右，造成工作辊边部磨损大于中部：薄规格轧制压力大， 轧速高，加剧了这种不均匀磨损【1 1 。 1 3 2 冷轧工作辊工作特点及磨损研究 酸洗后的热轧带钢被去除了氧化铁皮，是冷轧的坯料。由于冷轧轧制速度低，轧辊 服役时间短，轧材表面比较光洁，又采用了工艺润滑，工作辊的磨损程度轻微。 冷轧的轧制摩擦特点主要有：摩擦面的接触压力非常高且接触面积大；滑动速度大 且有变化，轧辊与轧件间的相对速度很大，同时滑动速度在轧辊入口处和出口处达到最 大，在中性点上滑动速度为零，过了中性点后，方向相反，这样相对速度不断变化和轧 制中方向不同，增加了解决摩擦和润滑问题的难度；轧材的表面积在变形的过程中，轧 北京科技大学硕士学位论文 辊和接触材料的表面积不断增大，随之在接触面上出现了新表面，新生表面的摩擦系数 的很大变化是显然的，同时由于轧件表面积的增大，由入口处带来的润滑剂变薄，并且 可能使无润滑膜的金属表面暴露出来，从而构成不利于解决摩擦和磨损问题的条件。由 于轧制参数的不同，各机架承受的磨损也不同。在门户机架，带钢温度低，工作辊与带 钢接触时间短，轧辊承受的磨损较小；而在成品机架，轧制速度高，带钢硬度高，工作 辊主要承受的磨损较大。 冷轧轧辊磨损形成的原因如下【2 l ： 1 磨料磨损。当轧制软材料时，粗粒的磨料作用是轧辊磨损的主要原因。当出现较 硬氧化物且有一坚实的基体支持时，磨料磨损更为严重。 2 侵蚀磨损。使用某些润滑剂可能出现此类轧辊磨损。 3 粘着磨损。这种轧辊磨损可能在轧制较硬材料时出现。 1 3 3 平整机工作辊工作特点及磨损研究 平整机与冷轧机结构、尺寸基本相同。但在工艺条件、扳形控制手段上有很大差 别。平整变形量小，轧制力小，用于调节板形的手段主要是工作辊和支持辊的辊形配 置、压下调节和正负弯辊。平整机组上无板形仪等检测仪表，不能形成闭环控制。相较 于冷轧机，平整机上的板形控制手段十分有限。同时因退火后轧件比较软，平整变形量 又很小，轧制力一般不超过3 0 0 0 k n ，所以，平整机的板形控制与冷轧有所不同，主要 有以下特点【1 1 i ： 1 ) 与冷轧机相比，平整机在工艺润滑( 分干、湿平整两种方法) 、前后张力的形 成与使用、换辊制度等方面有很大的不同，国内外的研究也较少。此外，平整机没有板 形的在线检测手段，在进行实物板形分析和判断上带来较大的难度； 2 ) 平整变形量小( 0 5 9 扣4 ) ，轧制力小，板形控制能力有限，同时板形控制手 段受限制( 仅仅是辊形加弯辊调节) ，且无板形仪等检测仪表，不能形成闭环控制。因 此，辊型制度是平整机最重要的工艺制度之一，制定合理的辊型配置方案对于完善平整 工艺，提高板形质量、降低重平量至关重要； 3 ) 平整的首要任务是对带钢性能的控制，因此平整的板形控制应以保证性能要求 为前提。弯辊力、张力、轧制力等的调节和使用受到一定的限制； 4 ) 与冷、热轧机相比，平整机所加工的带钢更薄，平整工序对冷轧厂最终产品的 板形影响就更直接、更重要，其辊形的加工精度要求更高。 5 ) 平整机与轧机一样，厚度与扳形控制之间存在耦合关系。由于在平整机上，轧 制力波动与弯辊力调整量基本相当，因此，弯辊对厚度( 延伸率) 的影响不容忽视 北京科技大学硕士学位论文 6 ) 现场测试后发现，平整过程中工作辊会产生较大的热凸度，研究轧辊热行为特 性对于提高平整机的板形控制能力具有重要意义。 目前，国内外对冷热轧过程中轧辊的磨损问题研究较多，建立了大量的磨损模型都 能够较精确地预报轧辊磨损；而平整机轧辊磨损研究则非常少见，平整机轧辊的磨损特 点未知，也没有一个合适的磨损模型能对平整机轧辊磨损进行预报。因此，要提高平整 机的板形调控能力，就要针对以上特点，对平整机进行轧辊磨损分析和测试，以直接获 取平整过程的实际资料，建立满足平整机特殊情况的板形控制目标和方案。 1 4 本文工作的主要内容 武钢热轧厂所生产钢卷的基本流向有两种：经平整直接出厂或是供冷轧生产用。平 整作为热轧生产的重要工序，是热轧带钢产品质量的重要保障。平整除了本身不应产生 新的板形缺陷外，还要对热轧产生的板形缺陷进行纠正，最终生产出符合用户要求且有 较高平坦度的产品。目前该热轧平整机组单位车k s a j 量偏低，工作辊磨损严重，由此而产 生平整单位后期板形无法保证以及轧辊消耗量大，成本提高这两个问题。针对热轧平整 机实际情况，有必要对平整机的工作辊磨损问题进行深入的研究，制定合理的工艺和策 略。 本文工作的主要内容包括： 1 对武钢2 2 5 0 m m 热轧平整机进行了现场测试研究，取得了热轧平整机的工作情况 配套数据，包括工作辊磨削辊形、磨损辊形，轧制参数、工作辊、支持辊辊形配置、现 场轧制规程的编排等，分析了熟轧平整机工作辊的磨损规律及磨损辊形变化特点； 2 在分析了各种工作辊磨损模型的基础上，建立了热轧平整机工作辊磨损预报模 型，根据实测数据，使用遗传算法对模型中的参数进行了优化，模型具有较好的精度和 适应性，可用于热轧平整机工作辊磨损状况的预报； 3 针对热轧平整机的工作情况，进行了常规工作辊窜辊问题的研究，基于本文所建 立的工作辊磨损模型，从改善磨损的角度对工作辊窜辊方式进行了优化研究，使其可以 改善工作辊的不均匀磨损。 北京科技大学硕士学位论文 2 热轧平整机工作辊磨损的测量与分析 武钢2 2 5 0 m m 热轧平整机为单机架四辊下支持辊驱动。平整机具有正负弯辊系统和 窜辊系统，工作辊采用一端带锥度的平辊辊形，工作辊、支持辊尺寸如图2 1 ( 单位 m m ) 。 图2 1 工作辊、支持辊尺寸 ( 1 ) 换辊周期：工作辊换辊周期按平整量确定，一般在生产2 0 0 0 吨后换辊，实际 生产中还要根据来料的情况和对成品质量的要求而定。每平整3 0 0 0 0 4 0 0 0 0 吨要换一次 支持辊，按目前的生产情况看，实际换辊周期大约为半年左右； ( 2 ) 辊形配置：工作辊和支持辊都采用平辊，但工作辊一端带锥度； ( 3 ) 轧制参数：实际工作轧制力在2 0 0 0 k n 一4 0 0 0 k n ；i 作辊最大弯辊力为 - t - 6 0 叽澍惯9 ；工作辊可窜动，窜辊行程为4 0 0 m m ；延伸率为( 1 。4 ) ，轧制速度为o 一 ：z 0 0 m m m 。 ( 4 ) 工作条件：带钢厚度大于4 m m 时，辊缝完全打开，平整机只进行矫直或分卷 作业；带钢厚度在4 m m 以下的才进行平整。实际中一般都是按板形的质量，结合合同 的要求来确定是否平整。 平整轧制计划不但要确定轧件之间的顺序，还要确定轧件之间的组合，这是排序与 聚类集成的问题。目前的情况是轧制顺序编制比较随意，缺乏合理的计划。 该平整机目前采用的窜辊策略：刚开始平整时，将工作辊窜到最大位置如图2 2 ，