D0I:10.13374/1.issnl00103.2008.0L.006 第30卷第1期 北京科技大学学报 Vol.30 No.1 2008年1月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jan.2008 DSR宽带钢冷轧机的特殊板形控制性能 张清东王文广周晓敏周西康 北京科技大学机械工程学院，北京100083 摘要针对动态板形辊(DSR)宽带钢冷轧机的板形控制性能存在垂直不对称的问题，通过建立全辊系模型，运用ANSYS 有限元软件，对其特殊的板形控制性能进行了数值计算.定量研究了国内某厂引进的DSR轧机的板形控制性能及其垂直不 对称性，分析了这种不对称性的产生原因，并制定了减轻其危害的具体对策. 关键词冷轧机：板形控制：DSR技术：有限元法 分类号TG335.17 Flatness control behavior of a DSR mill for wide steel strips ZHA NG Qingdong.WA NG Wenguang.ZHOU Xiaomin,ZHOU Xikang School of Mechanical Engineering.University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083.China ABSTRACT The dissymmetry of flatness control in the vertical direction is the characteristic of a DSR(dynamic shape roll)mill.By constructing the finite element model for whole rolls,the flatness control behavior was numerically calculated by using ANSYS soft- ware.After evaluating the flatness control behavior and the vertical dissymmetrical characteristic of a DSR mill in China,the reason for dissymmetry was pointed out,and the measures of moderating the dissymmetrical harms to shape was proposed. KEY WORDS cold rolling mill:flatness control:DSR technique:finite element method 动态板形辊(DSR,dynamic shape roll)技术代 辊，主要由一根工作中静止不转的芯轴、一个随工作 表了当今板形控制技术的最新成就，DSR技术由法 辊旋转的辊套和七个可独立调节辊套内表面与芯套 国CLECIM公司开发，1988年在其铝厂首次工业 相对位置的液压压块（由左至右分别用M1,M2, 使用，1996年我国某冷轧厂首先将DSR技术应用 M3,M00,01,02,03表示)组成，如图1所示. 在轧钢上，将2030mm冷连轧机第五机架的上支持 辊套 辊改造为DSR支持辊，并同时配置相应液/气压系 平衡缸 芯轴 统、电气和计算机控制系统等].为了实现DSR 技术在轧钢领域的成功应用，形成有创新的DSR轧 液压缸 钢技术成果，文献[4]结合DSR技术的工业实验，对 ·金属套简 DSR技术进行了首次消化研究，运用DSR半辊系有 图1DSR支持辊结构示意图 限元模型，对DSR轧机的板形控制性能和控制机理 Fig.I Structure chart of a DSR backup roll 进行了分析，由于此DSR轧机的上支持辊为DSR 支持辊，而下支持辊为普通支持辊，辊系结构垂直不 安装在芯轴上的七个压块在工作中不旋转，并 对称，因此本文运用全辊系模型展开研究，其研究结 且与旋转辊套内表面之间通过七个分段的动静压油 果对提高DSR轧机板形控制能力、改善板形质量都 膜实现力的传递和转动非转动部件间的连接，由 具有重要意义 于七个压块的压力可由相应伺服阀单独控制，因此 轧制力可在DSR内部进行动态分布，通过工作辊的 1DSR技术原理 传递，达到轧制力沿带钢横向上的动态分配调节，从 DSR技术的核心是一套具有复杂结构的支持 而实现控制板形的目的山， DSR支持辊内七个压块的压力可以独立调节， 收稿日期：2006-11-25修回日期：2006-12-29 作者简介：张清东(1965一)，男：教授，博士生导师 这种“离散”调节机制，使得DSR支持辊既能纠正对
DSR 宽带钢冷轧机的特殊板形控制性能 张清东 王文广 周晓敏 周西康 北京科技大学机械工程学院北京100083 摘 要 针对动态板形辊（DSR）宽带钢冷轧机的板形控制性能存在垂直不对称的问题通过建立全辊系模型运用 ANSYS 有限元软件对其特殊的板形控制性能进行了数值计算．定量研究了国内某厂引进的 DSR 轧机的板形控制性能及其垂直不 对称性分析了这种不对称性的产生原因并制定了减轻其危害的具体对策． 关键词 冷轧机；板形控制；DSR 技术；有限元法 分类号 TG335∙17 Flatness control behavior of a DSR mill for wide steel strips ZHA NG QingdongW A NG WenguangZHOU XiaominZHOU Xikang School of Mechanical EngineeringUniversity of Science and Technology BeijingBeijing100083China ABSTRACT T he dissymmetry of flatness control in the vertical direction is the characteristic of a DSR （dynamic shape roll） mill．By constructing the finite element model for whole rollsthe flatness control behavior was numerically calculated by using ANSYS software．After evaluating the flatness control behavior and the vertical dissymmetrical characteristic of a DSR mill in Chinathe reason for dissymmetry was pointed outand the measures of moderating the dissymmetrical harms to shape was proposed． KEY WORDS cold rolling mill；flatness control；DSR technique；finite element method 收稿日期：2006-11-25 修回日期：2006-12-29 作者简介：张清东（1965—）男教授博士生导师 动态板形辊（DSRdynamic shape roll）技术代 表了当今板形控制技术的最新成就．DSR 技术由法 国 CLECIM 公司开发1988年在其铝厂首次工业 使用．1996年我国某冷轧厂首先将 DSR 技术应用 在轧钢上将2030mm 冷连轧机第五机架的上支持 辊改造为 DSR 支持辊并同时配置相应液／气压系 统、电气和计算机控制系统等［1—3］．为了实现 DSR 技术在轧钢领域的成功应用形成有创新的 DSR 轧 钢技术成果文献［4］结合 DSR 技术的工业实验对 DSR 技术进行了首次消化研究运用 DSR 半辊系有 限元模型对 DSR 轧机的板形控制性能和控制机理 进行了分析．由于此 DSR 轧机的上支持辊为 DSR 支持辊而下支持辊为普通支持辊辊系结构垂直不 对称因此本文运用全辊系模型展开研究其研究结 果对提高 DSR 轧机板形控制能力、改善板形质量都 具有重要意义． 1 DSR 技术原理 DSR 技术的核心是一套具有复杂结构的支持 辊主要由一根工作中静止不转的芯轴、一个随工作 辊旋转的辊套和七个可独立调节辊套内表面与芯套 相对位置的液压压块（由左至右分别用 M1M2 M3MO0O1O2O3表示）组成如图1所示． 图1 DSR 支持辊结构示意图 Fig．1 Structure chart of a DSR backup roll 安装在芯轴上的七个压块在工作中不旋转并 且与旋转辊套内表面之间通过七个分段的动静压油 膜实现力的传递和转动—非转动部件间的连接．由 于七个压块的压力可由相应伺服阀单独控制因此 轧制力可在 DSR 内部进行动态分布通过工作辊的 传递达到轧制力沿带钢横向上的动态分配调节从 而实现控制板形的目的［1］． DSR 支持辊内七个压块的压力可以独立调节． 这种“离散”调节机制使得 DSR 支持辊既能纠正对 第30卷 第1期 2008年 1月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．30No．1 Jan．2008 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2008．01．006
.72 北京科技大学学报 第30卷 称二次板形缺陷、对称高次板形缺陷和非对称板形 (7)压块力PAD(i):主要针对板形调控功效的 缺陷；又能针对不同的板宽消除辊间“有害接触区”， 仿真，取每个压块力分别为3000和3500kN 从而增大辊缝横刚度，使辊缝在轧制力变动时保持 (8)DSR压块压力分布形式：针对DSR轧机的 相对稳定，因此，DSR技术可以使轧机分别实现柔 整体板形控制能力的仿真，设定三种典型分布形式， 性辊缝控制策略和刚性辊缝控制策略[可]， 中部集中分布（记为PAD1)、平均分布（记为 PAD2)、边部集中分布（记为PAD3) 2全辊系有限元模型的建立与计算工况的 确定 3板形控制性能仿真 为了研究该DSR轧机特殊的板形控制性能，利 轧机的板形控制性能源于轧机所装备的各项板 用有限元分析软件ANSYS建立了全辊系有限元力 形控制技术的板形调控功效以及这些板形控制技术 学仿真模型.图2为DSR全辊系力学模型的有限 的组合使用，通过设计工况的仿真结果分析，得到 元网格划分，本模型结合了有限元和弹性基础梁模 了板形控制性能评价指标如下[] 型的特点，用杆单元反映轧件的实体存在，以杆单元 (1)板形调控功效：某种板形技术的单位调节 的刚度来反映轧件的等效压缩刚度，将轧制力与轧 量下（如100kN弯辊力、100kN压块压力），轧机承 件厚度减薄量简化处理为线性关系[可]. 载辊缝形状在沿带钢宽度方向上各处的变化量 (2)承载辊缝凸度调节域：指轧机各板形控制 技术共同作用下所能提供的承载辊缝二次凸度 CW2及四次凸度CW4的最大变化范围2(CW2, CW4) (3)辊缝横向刚度：辊缝二次凸度抵抗轧制力 波动干扰的能力 (4)辊间接触压力平均幅值：辊间接触长度内 接触压力的平均值 (5)辊间接触压力分布不均匀度：沿接触长度 方向辊间接触压力的最大值与其平均值的比值 3.1板形调控功效 图3为承载辊缝在M00、M1、M3压块(500kN 图2有限元模型网格划分 的调节量)和弯辊力FB(100kN的调节量)作用下 Fig.2 Gridding for the finite element model of rolls 的上下轮廓调控功效曲线 根据现场工艺参数，有限元模型的计算工况确 由图3可知：板形的调控功效曲线需用高次多 项式才能描述；上轮廓调控功效变化比下轮廓显著， 定考虑了以下因素： 弯辊力调控功效最为显著；上轮廓的调控功效曲线 (1)辊径取最大、最小值.工作辊直径Dw取 要比下轮廓的调控功效曲线变化剧烈.说明DSR 615和550mm,支持辊直径D.取1570和1490 辊系中弯辊调节对上轮廓的影响要比对下轮廓的影 mm 响显著得多 (2)板宽B分别取910,1330和1750mm, (3)平均单位轧制力g,取两个极限值6.5和 3.2承载辊缝凸度调节域 9.5kN'mm1 从图4可知，在同一坐标系下，承载辊缝的上下 轮廓凸度调节域沿压块分布路径（边部集中分布→ (4)工作辊、下支持辊初始辊形均为平辊，Cw= 平均分布中部集中分布)的方向大体相同，多数 0mm,C8=0mm 轧机的辊系是一个垂直对称的结构，在某调节机构 (5)轧件等效刚度Q1分别取6.8×101和6.8× 的作用下，其承载辊缝凸度调节路径的方向是相反 105 kN.mm1 的，即承载辊缝上下轮廓凸度符号在同一坐标系下 (6)针对板形调控功效的仿真，弯辊力FB取0 是相反的.因此DSR轧机辊系的垂直不对称极 和100kN;针对板形控制性能的仿真，弯辊力FB取 大地影响了辊缝整体的形状和幅值.其次，弯辊力 500,0和-600kN. 变化所引起的承载辊缝上下轮廓凸度调节域范围的
称二次板形缺陷、对称高次板形缺陷和非对称板形 缺陷；又能针对不同的板宽消除辊间“有害接触区” 从而增大辊缝横刚度使辊缝在轧制力变动时保持 相对稳定．因此DSR 技术可以使轧机分别实现柔 性辊缝控制策略和刚性辊缝控制策略［4—5］． 2 全辊系有限元模型的建立与计算工况的 确定 为了研究该 DSR 轧机特殊的板形控制性能利 用有限元分析软件 ANSYS 建立了全辊系有限元力 学仿真模型．图2为 DSR 全辊系力学模型的有限 元网格划分．本模型结合了有限元和弹性基础梁模 型的特点用杆单元反映轧件的实体存在以杆单元 的刚度来反映轧件的等效压缩刚度将轧制力与轧 件厚度减薄量简化处理为线性关系［6］． 图2 有限元模型网格划分 Fig．2 Gridding for the finite element model of rolls 根据现场工艺参数有限元模型的计算工况确 定考虑了以下因素： （1） 辊径取最大、最小值．工作辊直径 DW 取 615和550mm支持辊直径 DB 取1570和1490 mm． （2） 板宽 B 分别取9101330和1750mm． （3） 平均单位轧制力 q取两个极限值6∙5和 9∙5kN·mm —1． （4） 工作辊、下支持辊初始辊形均为平辊CW＝ 0mmCB＝0mm． （5） 轧件等效刚度 Q1 分别取6∙8×104 和6∙8× 105 kN·mm —1． （6） 针对板形调控功效的仿真弯辊力 FB 取0 和100kN；针对板形控制性能的仿真弯辊力 FB 取 5000和—600kN． （7） 压块力 PAD（ i）：主要针对板形调控功效的 仿真取每个压块力分别为3000和3500kN． （8） DSR 压块压力分布形式：针对 DSR 轧机的 整体板形控制能力的仿真设定三种典型分布形式 中部 集 中 分 布 （记 为 PAD1）、平 均 分 布 （记 为 PAD2）、边部集中分布（记为 PAD3）． 3 板形控制性能仿真 轧机的板形控制性能源于轧机所装备的各项板 形控制技术的板形调控功效以及这些板形控制技术 的组合使用．通过设计工况的仿真结果分析得到 了板形控制性能评价指标如下［6—8］． （1） 板形调控功效：某种板形技术的单位调节 量下（如100kN 弯辊力、100kN 压块压力）轧机承 载辊缝形状在沿带钢宽度方向上各处的变化量． （2） 承载辊缝凸度调节域：指轧机各板形控制 技术共同作用下所能提供的承载辊缝二次凸度 CW2 及四次凸度 CW4 的最大变化范围 Ω（CW2 CW4）． （3） 辊缝横向刚度：辊缝二次凸度抵抗轧制力 波动干扰的能力． （4） 辊间接触压力平均幅值：辊间接触长度内 接触压力的平均值． （5） 辊间接触压力分布不均匀度：沿接触长度 方向辊间接触压力的最大值与其平均值的比值． 3∙1 板形调控功效 图3为承载辊缝在 MO0、M1、M3压块（500kN 的调节量）和弯辊力 FB （100kN 的调节量）作用下 的上下轮廓调控功效曲线． 由图3可知：板形的调控功效曲线需用高次多 项式才能描述；上轮廓调控功效变化比下轮廓显著 弯辊力调控功效最为显著；上轮廓的调控功效曲线 要比下轮廓的调控功效曲线变化剧烈．说明 DSR 辊系中弯辊调节对上轮廓的影响要比对下轮廓的影 响显著得多． 3∙2 承载辊缝凸度调节域 从图4可知在同一坐标系下承载辊缝的上下 轮廓凸度调节域沿压块分布路径（边部集中分布→ 平均分布→中部集中分布）的方向大体相同．多数 轧机的辊系是一个垂直对称的结构在某调节机构 的作用下其承载辊缝凸度调节路径的方向是相反 的即承载辊缝上下轮廓凸度符号在同一坐标系下 是相反的［2］．因此 DSR 轧机辊系的垂直不对称极 大地影响了辊缝整体的形状和幅值．其次弯辊力 变化所引起的承载辊缝上下轮廓凸度调节域范围的 ·72· 北 京 科 技 大 学 学 报 第30卷
第1期 张清东等：DSR宽带钢冷轧机的特殊板形控制性能 73 变化有很大的不同，图4表明，在该工况下，随着弯 CW4方向上的变化，这也说明了该工况下承载辊缝 辊力由负极值到正极值变化，上轮廓的CW2、CW4 下轮廓的变化对弯辊调节不敏感 都有显著的变化，而对下轮廓CW?影响很小，只有 0.010r 0.02 0.008 (a) 上轮廓 (b) 上轮廓 0.006 0.01 0.004 下轮廓 0 0.002 下轮廓 0X0 0.5 0.5 1.0 0.00 0.5 0 0.5 1.0 MO0归一化板宽 M1归一化板宽 0.04 0.005 0.02 (c) 0.004 (d) 0 下轮廓 0.003 上轮廓 -0.02 0.002 -0.04 下轮廓 上轮廓 0.001 0.0910 0.5 0 0.5 1.0 00 0.5 0.5 1.0 M3归一化析宽 FB归一化板宽 图3PAD(500kN)与F.(100kN)承载银缝上下轮廓调控功效 Fig.3 Roll gap configuration control efficacy in PAD(500kN)and Fa(100kN) 150弯辊调节路径 (a) 100 (b) 100 50 604 弯辊调节路径 边部集中 压块调节路径 0 20边部集中 -50 平均分布 平均分布 压块调节路径 -100 中部集中 -60 -1508 0 8 12 -10015 中部集中 -10 -5 0 5 10 CW/um CW/um 图4承载辊缝凸度调节域.(a)上轮廓：(b)下轮廓 Fig.4 Crown adjusting rang of roll gap:(a)top roll contour:(b)bottom roll contour 3.3承载辊缝横向刚度 刚度的比较能够看出，在压块压力平均分布情况下， 承载辊缝上下轮廓横向刚度的比较分析，应根 下轮廓的横向刚度要比其对应的上轮廓的横向刚度 据压块压力分布形式的不同分别进行讨论 小，即辊缝的下轮廓抵抗变形的能力要弱于上轮廓， (1)PAD2压块压力平均分布.图5表明，在实 (2)PAD1压块压力中部集中分布.仿真结果 际板宽范围内，存在一临界板宽，此时承载辊缝的横 表明，在任何板宽工况下，压块中部集中分布时上轮 向刚度最小，并且通过对承载辊缝的上下轮廓横向 廓的横向刚度始终比下轮廓横向刚度大，见图6， 60r 70r (a) (b)-B=-900mm 8-900 mm ★一B=1330mm ★-B=1330mm 50 o一B=1750mm 0-B=1750mm 30 0 8 9 10 8 q/(kN.mm-) g/(kN.mm) 图5PAD2承载辊缝上(a)、下()轮廓横向刚度 Fig.5 Top (a)and bottom (b)roll gap configuration stiffness in PAD2
变化有很大的不同．图4表明在该工况下随着弯 辊力由负极值到正极值变化上轮廓的 CW2、CW4 都有显著的变化而对下轮廓 CW2 影响很小只有 CW4 方向上的变化．这也说明了该工况下承载辊缝 下轮廓的变化对弯辊调节不敏感． 图3 PAD（500kN）与 FB（100kN）承载辊缝上下轮廓调控功效 Fig．3 Roll gap configuration control efficacy in PAD（500kN） and FB（100kN） 图4 承载辊缝凸度调节域．（a） 上轮廓；（b） 下轮廓 Fig．4 Crown adjusting rang of roll gap：（a） top roll contour；（b） bottom roll contour 3∙3 承载辊缝横向刚度 承载辊缝上下轮廓横向刚度的比较分析应根 据压块压力分布形式的不同分别进行讨论． （1） PAD2压块压力平均分布．图5表明在实 际板宽范围内存在一临界板宽此时承载辊缝的横 向刚度最小．并且通过对承载辊缝的上下轮廓横向 刚度的比较能够看出在压块压力平均分布情况下 下轮廓的横向刚度要比其对应的上轮廓的横向刚度 小即辊缝的下轮廓抵抗变形的能力要弱于上轮廓． （2） PAD1压块压力中部集中分布．仿真结果 表明在任何板宽工况下压块中部集中分布时上轮 廓的横向刚度始终比下轮廓横向刚度大见图6． 图5 PAD2承载辊缝上（a）、下（b）轮廓横向刚度 Fig．5 Top （a） and bottom （b） roll gap configuration stiffness in PAD2 第1期 张清东等： DSR 宽带钢冷轧机的特殊板形控制性能 ·73·
.74 北京科技大学学报 第30卷 80 80r 100r (a) (b) (c) 一◆一下轮廓 80 ■一上轮廓 40F 40 具 60 204 ◆一下轮廓 一◆下轮廓 20 量一上轮廓 40 一疆一上轮 7 8 9 10 206 8 10 g/(kN.mm) g/(kN.mm-) g/(kN.mm-) 图6PAD1承载辊缝上下轮廓横向刚度.(a)B=910mm;(b)B=1330mm:(c)B=1750mm Fig.6 Top and bottom roll gap configuration stiffness in PADl:(a)B=910mm:(b)B=1330mm:(c)B=1750mm (3)PAD3压块压力边部集中分布.当PAD3 横向刚度，见图7；当增大到一定板宽时，辊缝上轮 分布时，随着板宽的增大，辊缝上下轮廓横向刚度均 廓横向刚度将小于下轮廓的横向刚度， 有降低趋势，但辊缝上轮廓横向刚度仍大于下轮廓 60 (a)◆-下轮廓 60(o)- 130((⊙ 40 ◆一下轮廓 ■一上轮廓 40 ■一上轮廓 110 20 且 20 90L 0 0 70 士轮 20% 7 8 910 -206 方8910 5067 8 g/(kN.mm) q/(kN.mm-) q/(kN.mm-) 图7PAD3承载辊缝上下轮廓横向刚度.(a)B=910mm;(b)B=1330mm;(c)B=1750mm Fig.7 Top and bottom roll gap configuration stiffness in PAD3:(a)B=910mm:(b)B=1330mm:(c)B=1750mm 3.4辊间接触压力平均幅值 表1辊间接触压力分布不均匀度 辊间接触压力平均幅值Pg决定接触范围内轧 Table 1 Distributing asymmetry degree of roll contact pressure 辊表面的绝对磨损量，也可反映由接触长度变化导 压块 Fn/ B=910mm B=1330mm B=1750mm 致的接触压力平均值的变化，由于DSR支持辊具 分布 kN。上轮廓下轮廓上轮廓下轮廓上轮廓下轮廓 有根据板宽变化改变辊间接触压力分布的特点，因 -6001.721.441.691.401.711.27 此在一些工况下易出现上辊间接触长度小于下辊间 PADI 0 2.531.592.021.351.62 1.11 接触长度的情况（如在Cw=0mm,Cg=0mm, 500 2.391.171.861.081.541.18 PAD3,g=6.5kNmm-1,B=910mm,FB=0工况 PAD2 -6001.441.451.321.39 1.161.19 下，上下辊间接触长度约有280mm的差值)，此时 0 1.971.591.451.33 1.061.03 上辊间接触压力平均值大于下辊间接触压力平均 5001.871.171.291.111.131.28 值 -6001.401.441.411.411.451.11 3.5辊间接触压力分布不均匀度 PAD3 0 1.781.631.641.291.47 1.09 辊间接触压力分布不均匀度Pm反映了轧制 5001.791.171.601.141.521.41 中支持辊表面磨损分布的均匀性和极端情况下各轧 辊表面产生剥落的可能性，Pm不仅取决于接触压 特点，如图8所示，DSR轧机上下辊缝表现出明显 力峰值Pms,也取决于接触压力平均值Pmg,而Pg 的不对称性，同时上半辊系与下半辊系辊形的板形 的大小与辊间接触长度有关。由表1，上辊间接触压 调控能力与特性也有较大差异. 力不均匀度小于下辊间接触压力不均匀度的情况较 导致板形控制性能垂直不对称的根本原因是上 少.可见，使用DSR技术的上半辊系辊间接触压力 下支持辊的不同导致的上下辊间接触压力分布形式 峰值的影响要比平均幅值的影响大9)]. 存在较大差异，上下辊系辊间接触压力的横向分布 直接影响上下工作辊的弹性变形.DSR支持辊具有 4DSR轧机板形控制性能的垂直不对称性 动态调节辊间接触压力分布的能力，上工作辊挠曲 4.1板形控制性能垂直不对称性的产生原因 范围大，且具有可大可小的抗弯刚度：而采用普通支 通过对DSR轧机板形控制性能的仿真分析，可 持辊的下支持辊影响下的下工作辊刚度则保持不 以看到DSR轧机板形控制性能呈现出垂直不对称 变.这直接导致轧制带材截面轮廓的上下不对称
图6 PAD1承载辊缝上下轮廓横向刚度．（a） B＝910mm；（b） B＝1330mm；（c） B＝1750mm Fig．6 Top and bottom roll gap configuration stiffness in PAD1：（a） B＝910mm；（b） B＝1330mm；（c） B＝1750mm （3） PAD3压块压力边部集中分布．当 PAD3 分布时随着板宽的增大辊缝上下轮廓横向刚度均 有降低趋势但辊缝上轮廓横向刚度仍大于下轮廓 横向刚度见图7；当增大到一定板宽时辊缝上轮 廓横向刚度将小于下轮廓的横向刚度． 图7 PAD3承载辊缝上下轮廓横向刚度．（a） B＝910mm；（b） B＝1330mm；（c） B＝1750mm Fig．7 Top and bottom roll gap configuration stiffness in PAD3：（a） B＝910mm；（b） B＝1330mm；（c） B＝1750mm 3∙4 辊间接触压力平均幅值 辊间接触压力平均幅值 Pavg决定接触范围内轧 辊表面的绝对磨损量也可反映由接触长度变化导 致的接触压力平均值的变化．由于 DSR 支持辊具 有根据板宽变化改变辊间接触压力分布的特点因 此在一些工况下易出现上辊间接触长度小于下辊间 接触长度的情况（如在 CW ＝0mmCB ＝0mm PAD3q＝6∙5kN·mm —1B＝910mmFB＝0工况 下上下辊间接触长度约有280mm 的差值）此时 上辊间接触压力平均值大于下辊间接触压力平均 值． 3∙5 辊间接触压力分布不均匀度 辊间接触压力分布不均匀度 Pcont反映了轧制 中支持辊表面磨损分布的均匀性和极端情况下各轧 辊表面产生剥落的可能性．Pcont不仅取决于接触压 力峰值 Pmax也取决于接触压力平均值 Pavg而 Pavg 的大小与辊间接触长度有关．由表1上辊间接触压 力不均匀度小于下辊间接触压力不均匀度的情况较 少．可见使用 DSR 技术的上半辊系辊间接触压力 峰值的影响要比平均幅值的影响大［9］． 4 DSR 轧机板形控制性能的垂直不对称性 4∙1 板形控制性能垂直不对称性的产生原因 通过对 DSR 轧机板形控制性能的仿真分析可 以看到DSR轧机板形控制性能呈现出垂直不对称 表1 辊间接触压力分布不均匀度 Table1 Distributing asymmetry degree of roll contact pressure 压块 分布 FB／ kN B＝910mm B＝1330mm B＝1750mm 上轮廓 下轮廓 上轮廓 下轮廓 上轮廓 下轮廓 —600 1∙72 1∙44 1∙69 1∙40 1∙71 1∙27 PAD1 0 2∙53 1∙59 2∙02 1∙35 1∙62 1∙11 500 2∙39 1∙17 1∙86 1∙08 1∙54 1∙18 PAD2 —600 1∙44 1∙45 1∙32 1∙39 1∙16 1∙19 0 1∙97 1∙59 1∙45 1∙33 1∙06 1∙03 500 1∙87 1∙17 1∙29 1∙11 1∙13 1∙28 —600 1∙40 1∙44 1∙41 1∙41 1∙45 1∙11 PAD3 0 1∙78 1∙63 1∙64 1∙29 1∙47 1∙09 500 1∙79 1∙17 1∙60 1∙14 1∙52 1∙41 特点．如图8所示DSR 轧机上下辊缝表现出明显 的不对称性同时上半辊系与下半辊系辊形的板形 调控能力与特性也有较大差异． 导致板形控制性能垂直不对称的根本原因是上 下支持辊的不同导致的上下辊间接触压力分布形式 存在较大差异．上下辊系辊间接触压力的横向分布 直接影响上下工作辊的弹性变形．DSR 支持辊具有 动态调节辊间接触压力分布的能力上工作辊挠曲 范围大且具有可大可小的抗弯刚度；而采用普通支 持辊的下支持辊影响下的下工作辊刚度则保持不 变．这直接导致轧制带材截面轮廓的上下不对称． ·74· 北 京 科 技 大 学 学 报 第30卷
第1期 张清东等：DSR宽带钢冷轧机的特殊板形控制性能 .75. 60 30 40 上轮廓 上轮廓 20 下轮廓 -10 下轮廓 -20 -30 0 -20 1 -1 0 辊身长度归一化 辊身长度归一化 (a)PAD2,g=6.5 kN.mm-,B-1 750 mm (b)PAD3,q=6.5 kN.mm-,B-1 330 mm 20r 100P 10 上轮廓 上轮廓 -10 下轮廓 20 -20 下轮廓 -30 -20 0 0 辊身长度归一化 辊身长度归一化 (c)PAD2,q=6.5 kN.mm-,B-910 mm (d)PADI,q=6.5 kN.mm-,B=1 750 mm 图8Cg=0mm,Cw=0mm时DSR轧机上下辊缝形状比较 Fig.8 Comparison of the top and bottom roll gap of a DSR mill 4.2减轻板形控制性能垂直不对称的对策 为减轻DSR轧机板形控制性能的垂直不对称 程度，从辊系变形的机理1提出以下解决思路： (1)首先保证上下轮廓凸度符号相同，其次尽 量使承载辊缝上下轮廓相差较小； -1.0 -0.5 0 0.5 1.0 (2)适当增大承载辊缝下轮廓的横向刚度； 辊身长度归一化 (3)增大弯辊对承载辊缝下轮廓的调控功效； 图9下支持辊的VCL辊形曲线 (4)适当减小下辊间接触线长度，提高下辊间 Fig.9 Roll shape curve of a bottom backup roll 接触压力的平均值； 根据以上思路，合理选择下支持辊初始辊形，可 5结论 以减小DSR轧机板形控制性能不对称性 通过对DSR轧机全辊系的ANSYS有限元仿 4.3下支持辊辊形设计 真，全面揭示了DSR技术的板形控制性能，并发现 VCL(变接触长度)支持辊技术，能够根据不同 DSR辊系结构的垂直不对称导致了其上下轮廓的 的带钢宽度，自动地调节辊间接触长度，以消除或减 凸度调节域、横向刚度、调控功效在各调节路径下出 小辊间有害接触区，增大辊缝横向刚度，同时也能提 现明显不对称，这对于DSR轧机的稳定运行和产品 高工作辊弯辊效果门，适合用于下支持辊以减轻垂 板形质量提高构成威胁，因此，应用VCL辊形设计 直不对称程度，根据以上研究设计了如图9所示的 理论，重新为下支持辊设计了初始辊形曲线，消除了 下支持辊辊形曲线， DSR轧机的此种不对称性，并改善了轧机的板形控 仿真计算表明，下支持辊使用VCL辊形曲线能 制性能.将针对此DSR轧机设计的下支持辊VCL 加强工作辊弯辊对辊缝下轮廓形状的调节效果，增 辊形曲线提交厂方，准备投入生产使用 大了凸度调节域和承载辊缝下轮廓横向刚度，使承 载辊缝上下轮廓形状的不对称得到了较大改善，提 参考文献 高了下支持辊辊形的自保持性，对改进板形质量有 [1]Hua J X,Jin Y H.Wu W B.The study of shape control system 积极作用，在此基础上，将设计的下支持辊VCL辊 of 2030 mm continuous cold rolling mill//Forum of Plate Manu- 形曲线提交工厂，准备投入生产试用. facturing Facility.Shanghai.1999 (华建新，金以慧，吴文彬.2030冷连轧机板形控制系统研究
图8 CB＝0mmCW＝0mm 时 DSR 轧机上下辊缝形状比较 Fig．8 Comparison of the top and bottom roll gap of a DSR mill 4∙2 减轻板形控制性能垂直不对称的对策 为减轻 DSR 轧机板形控制性能的垂直不对称 程度从辊系变形的机理［10］提出以下解决思路： （1） 首先保证上下轮廓凸度符号相同其次尽 量使承载辊缝上下轮廓相差较小； （2） 适当增大承载辊缝下轮廓的横向刚度； （3） 增大弯辊对承载辊缝下轮廓的调控功效； （4） 适当减小下辊间接触线长度提高下辊间 接触压力的平均值； 根据以上思路合理选择下支持辊初始辊形可 以减小 DSR 轧机板形控制性能不对称性． 4∙3 下支持辊辊形设计 VCL（变接触长度）支持辊技术能够根据不同 的带钢宽度自动地调节辊间接触长度以消除或减 小辊间有害接触区增大辊缝横向刚度同时也能提 高工作辊弯辊效果［7］适合用于下支持辊以减轻垂 直不对称程度．根据以上研究设计了如图9所示的 下支持辊辊形曲线． 仿真计算表明下支持辊使用 VCL 辊形曲线能 加强工作辊弯辊对辊缝下轮廓形状的调节效果增 大了凸度调节域和承载辊缝下轮廓横向刚度使承 载辊缝上下轮廓形状的不对称得到了较大改善提 高了下支持辊辊形的自保持性对改进板形质量有 积极作用．在此基础上将设计的下支持辊 VCL 辊 形曲线提交工厂准备投入生产试用． 图9 下支持辊的 VCL 辊形曲线 Fig．9 Roll shape curve of a bottom backup roll 5 结论 通过对 DSR 轧机全辊系的 ANSYS 有限元仿 真全面揭示了 DSR 技术的板形控制性能并发现 DSR 辊系结构的垂直不对称导致了其上下轮廓的 凸度调节域、横向刚度、调控功效在各调节路径下出 现明显不对称这对于 DSR 轧机的稳定运行和产品 板形质量提高构成威胁．因此应用 VCL 辊形设计 理论重新为下支持辊设计了初始辊形曲线消除了 DSR 轧机的此种不对称性并改善了轧机的板形控 制性能．将针对此 DSR 轧机设计的下支持辊 VCL 辊形曲线提交厂方准备投入生产使用． 参 考 文 献 ［1］ Hua J XJin Y HWu W B．The study of shape control system of 2030mm continuous cold rolling mill∥Forum of Plate Manuf acturing Facility．Shanghai1999 （华建新金以慧吴文彬．2030冷连轧机板形控制系统研究 第1期 张清东等： DSR 宽带钢冷轧机的特殊板形控制性能 ·75·
,76 北京科技大学学报 第30卷 ∥板带生产设备学术研讨会.上海，1999) 板形的影响.北京科技大学学报，1999,21(6)：565) [2]Wang J F.The technology of dynamic shape roll.World Iron [7]Huang L W,Chen X L.Zhang Q D.Study on the flatness con- Steel,1996(4):6 trolling actuator s efficiency of cold rolling mill.Metall Equip. (王俊飞，动态板形辊技术.世界钢铁，1996(4)：6) 2000(2):4 [3]Morel M.Shape roll actuator:Result of hot and cold mill applica- (黄纶伟，陈先霖，张清东，板带冷轧机板形控制技术调控功效 tion.Iron Steel Eng.1992(4):74 的比较研究.冶金设备，2000(2)：4) [4]Zhang Q D.He A R.Zhou X M,et al.Comparative analysis on [8]Sun L.Zhang Q D.Research on profile and flatness control char- flatness control characteristics of CVC4 and DSR.J Univ Sci acteristics of plate mill.Iron Steel.2002(1):34 Technol Beijing.2002.24(3):291 (孙林，张清东，中板轧机板形控制性能的研究。钢铁，2002 (张清东，何安瑞，周晓敏，等.冷轧CVC和DSR板形控制技术 (1):34) 比较.北京科技大学学报，2002,24(3)：291) [9]Huang L W.Study on DSR Flatness Technology[Dissertation ] [5]Zhang Q D.Huang L W.Zhou X M.Comparative study on Beijing:University of Science and Technology Beijing.1999 shape control technologies for wide strip mills.IUnis Sci Tech- (黄纶伟.动态板形辊板形控制技术的研究[学位论文]，北 nol Beijing,2000,22(2):177 京：北京科技大学，1999) (张清东，黄纶伟，周晓敏，宽带钢轧机板形控制技术比较研 [10]Zhou X K.Study on Flatness Control Behavior of DSR Cold 究.北京科技大学学报，2000,22(2)：177) Tandem Mills for Wide Steel Strip [Dissertation].Beijing:U- [6]He A R.Zhang Q D.Cao J G.et al.Effect of back up roll pro- niversity of Science and Technology Beijing.2005 file in hot wide strip mill on the strip profile and flatness.JUniv (周西康.变形支持辊板形技术的调控原理与数学模型[学位 Sci Technol Beijing.1999.21(6):565 论文]，北京：北京科技大学，2005) (何安瑞，张清东，曹建国，等，宽带钢热轧支持辊辊形变化对 (上接第70页) [7]Chen J J.Li MZ.Wang C T.et al.Sectional multi point form- [3]Fu W Z.Li M Z.Liu C G.et al.100 kN multi point forming ing technology&its application in sheet metals.China Metal- press and study on sectional forming technique.Trans Chin Soc form Equip Manuf Technol.2004(1):31 Agrie Mach,2003,34(5):186 (陈建军，李明哲，王成焘，等板类件分段多点成形技术及其应 (付文智，李明哲，刘纯国，等.100kN多点成形压力机及分段 用.锻压装备与制造技术，2004(1)：31) 成形工艺研究.农业机械学报，2003,34(5)：186) [8]Hao R X.Numerical Simulation of Multi-Steps Forming and [4]Sun L B.Application of Shaping Titanium Mesh by Multi- Sectional Multi-Point Forming for Sphere Dissertation ] Point Forming Technique in Skull Repairing Dissertation]. Changchun:Jilin University.2006:37 Changchun:Jilin University.2005:12 (郝瑞霞.球形件的多道次和分段多点成形数值模拟[学位论 (孙利波·钛网数字化多点成形技术在颅骨缺损修补中的应用 文]-长春：吉林大学，2006：37) 与改良[学位论文]长春：吉林大学，2005：12) [9]Chen JJ.The Study of Multi-Point Forming CAD and Section- [5]Chen JJ.Li MZ.Yang Q G.et al.Study on key techniques for al Multi-Point Forming Process [Dissertation]Changchun:Jilin FEM-based numerical simulation of sectional multi point forming University,2001:55 process.China Mech Eng.2003.14(16):1364 (陈建车·多点成形CAD与分段多点成形工艺的研究[学位论 (陈建军，李明哲，严庆光，等.分段多点成形过程有限元数值模 文】长春：吉林大学，2001：55) 拟关键技术研究.中国机械工程，2003,14(16)：1364) [10]Shi FZ.Computer-Aided Geometric Design and Non-Uniform [6]Hao R X.Fu WZ.Li M Z.Sectional multi point forming and its rational BSpline.Beijing:Beihang University Press.1994 numerical simulation.J Jilin Univ Eng Technol Ed.2006.36 (施法中.计算机轴助几何设计与非均匀有理B样条·北京： (5):723 北京航空航天大学出版社，1994) (郝瑞霞，付文智，李明哲.分段多点成形技术及数值模拟·吉 [11]LS-DY NA Theoretical Manual.Livermore Softw are Technol- 林大学学报：工学版，2006,36(5)：723) ogy Corporation.1998
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