本文针对某厂5m厚板轧机两侧轧制力偏差过大的问题，首先对轧机的结构和控制特点进行分析，初步确定产生轧制力偏差的原因；然后基于ANSYS/LS-DYNA建立厚板轧制过程有限元模型，仿真模拟多种轧制工况，模拟了不同非对称因素对轧制力偏差的影响，确定了影响轧制力偏差的主要因素是轧辊交叉、轧辊倾斜和非对称弯辊；最后提出了轧制力偏差控制措施，即尽可能减小非对称量，控制轧机的非对称因素在合适范围内；定期检修时严格控制辊系与牌坊的间隙和预埋量，控制效果良好。

   随着国民经济和国防建设的发展，宽厚板在海洋工程、压力容器、大型建筑、核/水电工程、工程机械等领域的应用越来越广。某钢厂5m厚板轧机装机水平一流，承担着向国家重点工程提供高品质厚板的任务。近年来由于产量的提高和产品的多样化，轧机长期处于高负荷状态，精轧机出现操作侧和传动侧轧制力偏差问题，轧制稳定性降低，严重影响产品质量。

   对于轧制力偏差问题的研究，李长宏、胡贤磊等针对轧机两侧刚度差异引起的宽厚板两侧厚度偏差，得出了宽厚板两侧厚度偏差与轧辊长度、板宽和轧机两侧刚度差异间的规律。周率、唐越等针对宝钢1580热轧精轧机辊缝零调、辊缝预埋和辊系交叉状态导致的轧制力偏差等进行了研究，改进了辊缝零调控制程序，提高了轧制过程的稳定性。唐国军对影响轧机辊系稳定性的工作辊与支承辊的结合状况进行了分析，提出了相应改善稳定性的措施。徐文军、闫静敏等针对宝钢1580 PC精轧机，从轧机刚度及垂直方向尺寸差、压下系统及传动系统附加力矩等方面讨论了轧机两侧轧制力偏差形成原因。陈占福针对1580 PC精轧机辊系结构和零调方法，提出轧制力偏差由静偏差和动偏差两部分组成，静偏差是由辊系垂直方向差和刚度差造成。黄兆猛等分析了对中误差、轧件入口楔形以及轧件横向温差对轧件楔形缺陷形成的影响规律和影响程度。由上述研究可知，目前针对轧制力偏差问题的研究主要包括对热轧PC轧机轧制力偏差的研究，即基于PC轧机轧辊成对交叉的特点展开轧制过程非对称性研究，以及从轧机刚度和来料情况展开轧机轧制力偏差研究，而目前针对CVC厚板四辊轧机，结合轧机设备和工艺，对轧制力偏差及其非对称性影响因素的机理研究较少。

   本文针对某厂5m CVC厚板精轧机轧制力偏差问题，通过分析轧机结构和控制特点，基于ANSYS/LS-DYNA对厚板轧机轧制力偏差的非对称因素进行研究，确定了该轧机轧制力偏差的主要原因。

   1 5m厚板轧机结构和控制特点

   某钢厂5m厚板机组年生产规模180万吨，其中精轧机

   采用CVC pl us辊形、工作辊窜辊±150mm、工作辊弯辊0-400吨、最大轧制力10000吨。通过对该厚板精轧机结构、控制特点和现场工况的综合分析，初步确定引起厚板轧机轧制力偏差的可能原因包括：1）轧机辊系空间位置。工作辊和支承辊存在偏心距、轴承座和牌坊间存在间隙、衬板磨损等影响因素都将导致辊系发生空间交叉，而现场轧制需要设置预埋量，增大轧辊的倾斜等因素都会影响轧制力分布。2）工作辊非对称窜辊和非对称弯辊。实际轧制过程中非对称窜辊和非对称弯辊导致有载辊缝呈非对称分布，进而导致轧制力偏差。3）来料状况。轧件楔形、轧件不对中和温度分布不均等也可能引起轧制力偏差。4）工作辊和支撑辊CVC pl us辊形。CVC辊形增强了轧机板凸度控制能力，但轧辊磨损、轧辊热凸度和轧辊辊形的综合作用将影响辊缝的非对称性，也可能引起轧制力偏差。

   2厚板轧制过程FEM的建立

   根据某厂5m CVC厚板轧机和产品大纲，基于有限元方法建立了厚板轧制过程动态模型，如图1所示。模型中轧件为弹塑性模型，轧辊辊身为弹性体、辊颈和轴承座为刚体；轧辊和轧件、工作辊和支承辊及支承辊和轴承支座间均采用面面接触，在接触面处尽可能地细化网格；轧制速度采用匀速轧制；采用Von Mises屈服准则和库伦摩擦模型；模型耦合考虑了轧辊辊形、弹性弯曲、弹性压扁、热膨胀和偏移量的影响。

   为了验证模型的正确性，基于所建有限元模型，仿真分析了未出现轧制力偏差时的多组轧制工况。图2是有限元计算轧制力和实测轧制力的对比图。由图2可知，有限元仿真计算的六种工况的轧制力和现场实测的轧制力基本吻合，最大偏差小于8%，验证了模型的精度和有效性。

   3仿真结果分析

   3.1正常轧制仿真模拟

   轧机辊系采用CVC pl us辊形，如图3所示，由于辊形的存在使得工作辊和支承辊辊间接触是近似斜面接触，特别当轧辊不均匀磨损、不均匀热膨胀、轧辊弹性弯曲和压扁时，导致有载辊缝不再均匀，进而影响轧机两侧的轧制力偏差。图3是综合考虑轧辊辊

   形、弹性弯曲和压扁、热膨胀和偏移量时正常轧制5个道次的轧制力偏差曲线。轧件入口厚度和出口厚度分别为86mm和25mm，道次压下量分别为22mm，21mm，12mm，6mm和4mm。由图3可知，正常轧制时轧机两侧轧制力偏差较小，1-5道次轧制力偏差分别为11吨、17吨、4吨、13吨、16吨，均在20吨以内；随板材厚度减小，轧制力偏差有增大的趋势，但不明显；可推断轧辊辊形、弹性变形和热凸度对轧制力偏差的综合影响较小。

   3.2弯辊力的影响

   根据现场实测弯辊力情况，确定了弯辊力模拟工况，包括两组无弯辊力偏差的工况，分别为250吨和350吨弯辊力，三组弯辊力偏差的工况，分别为50吨、100吨和150吨弯辊力偏差，其中以传动侧-操作侧弯辊力为正。图4是不同弯辊力情况下的轧制力偏差曲线。由图4可知，当轧机两侧弯辊力相同时，轧制力偏差较小，两条轧制力偏差曲线几乎重合，都为15吨。当两侧弯辊力非对称时，对应50吨、100吨和150吨的弯辊力偏差，轧制力偏差分别为55吨、105吨、155吨，弯辊力偏差越大，轧制力偏差越大，轧制力偏差与弯辊力偏差成正比相关。非对称弯辊力导致产生严重的轧制力偏差，对轧制力偏差影响较大。

   3.3轧辊空间位置影响

   工作辊和支承辊间的偏心距、轴承座和牌坊间的间隙、衬板磨损等使得轧辊产生了空间交叉，引起轧制力分布变化，进而影响两侧的轧制力偏差。根据现场实测轴承座与牌坊间隙情况，制定了两种不同轧辊空间位置模拟工况：交叉度数分别为0.033°、0.066°、0.098°、0.131°和0.213°；轧辊交叉点偏移距分别为-4.2m、-4.0m和-3.8m，其中偏移距向传动侧偏移为正。

   图5（a）是不同交叉角时轧制力偏差仿真曲线。由图5（a）可知，对应交叉角0.033°、0.066°、0.098°、0.131°和0.213°，轧制力偏差分别为10吨、13吨、15吨、19吨和36吨，随着交叉角的增大，轧制力偏差逐渐增大；当交叉角为0.213°时，轧制力偏差显著变大；交叉角较小时，交叉对轧制力偏差影响较小，当交叉角大于0.131°时，交叉对轧制力偏差影响较大。图5（b）是不同交叉点偏移距时的轧制力偏差曲线。由图5（b）可知，对应偏移距-4.2m、-4.0m和-3.8m，轧制力偏差分别为-8吨、-15吨、-18吨，交叉点在操作侧，轧辊交叉角度增大，轧辊交叉点偏移距减小，操作侧轧制力增大。轧辊交叉和交叉点偏移距都将影响轧制力偏差，当轧辊交叉角引起的轧制力偏差与交叉点偏移引起的轧制力偏差极性（正负）相同时，会放大轧辊交叉引起的轧制力偏差；当轧辊交叉角引起的轧制力偏差与交叉点偏移引起的轧制力偏差极性相反时，有利于轧制力偏差的减小。

   3.4窜辊的影响

   由于轧机辊系采用CVC pl us辊形，轧辊沿辊身产生辊径差，当轧辊轴向移动时，加剧了辊缝的不均匀分布，导致沿辊身轧制压力分布不均。根据5m厚板轧机实际窜辊情况，制定了工作辊从-150~150mm的6种模拟工况，规定向传动侧窜动为正。图6是不同窜辊量与轧制力偏差的关系曲线。由图6

   可知，对应窜辊量-150mm、-100mm、-50mm，轧制力偏差分别为-30吨、-20吨和-10吨；对应窜辊量50mm、100mm和150mm，轧制力偏差分别为18吨、21吨和35吨。在窜辊量的单一因素变化下，工作辊向操作侧窜辊，操作侧相对增大，随着窜动距离的增大轧制力偏差增大；工作辊向传动侧窜辊，传动侧相对增大，随着窜动距离的增大轧制力偏差增大；窜辊量与轧制力偏差表现出正相关性。

   3.5倾辊的影响

   现场轧制时给轧辊一预埋量，一般控制在0.4mm以下，综合考虑预埋量和压下偏差，制定了从-0.6~0.6mm的6种倾辊量的模拟工况，其中上工作辊传动侧向上倾斜为正。图7是轧辊倾辊量与轧制力偏差的关系曲线。由图7可知，对应倾辊量-0.2~-0.6mm，轧制力偏差分别为17吨、35吨和43吨，传动侧轧制力相对增大，操作侧轧制力相对减小，随着倾辊量的增大，轧制力偏差增大；对应倾辊量0.2-0.6mm，轧制力偏差分别为5吨、-16吨和-25吨，传动侧轧制力相对减小，操作侧轧制力相对增大，随着倾辊量的增大，两侧轧制力偏差变为负值并增大。

   3.6轧件楔形和不对中的影响

   轧件对中不正，会引起轧辊轴线方向轧制力分布不对称，产生轧件宽度方向的压下率差，并导致轧机的两侧轧制力偏差，针对现场轧制过程中的轧件不对中情况，确定了轧件中线偏离轧制中心线的距

   离从-15~15mm的6种工况，其中轧件向传动侧偏移为正。图8（a）是轧件不对中对应的轧制力偏差关系曲线，由图8（a）可知，对应轧件不对中的5-15mm工况，轧制力偏差分别为16吨、23吨和28吨；对应轧件不对中的-5~-15mm工况，轧制力偏差分别为-15吨、-20吨和-27吨。

   对于轧件向传动侧偏移以后，传动侧轧制力相对增大，而操作侧轧制力相对减小；随着轧件向传动侧偏移量的增大，两侧轧制力偏差变大。对于轧件向操作侧偏移，传动侧轧制力相对减小，而操作侧轧制力相对增大，导致了操作侧轧制力大于传动侧轧制力。

   轧件楔形能造成轧制过程中轧件宽度方向压下率不同，进而产生轧制力偏差。针对轧件可能的楔形情况，确定了从-0.4~0.4mm的8种楔形工况，其中轧件楔形按传动侧厚度大于操作侧厚度为正。图8（b）是轧件楔形对应的轧制力偏差关系曲线，由图8（b）可知，对应轧件楔形量0.1~ 0.4mm的模拟工况，轧制力偏差分别为14吨、17吨、20吨和26吨；对应轧件楔形量-0.1~-0.4mm的模拟工况，轧制力偏差分别为-11吨、-15吨、-20吨和-24吨。轧件传动侧较厚，传动侧轧制力相对增大，而操作侧轧制力相对减小，导致了两侧偏差增大，并随着轧件传动侧楔形量的增大，两侧轧制力偏差变大。当轧件操作侧较厚时，反之。

   图9是各种轧制力偏差影响因素所占的百分比。由图9可知，各种因素对轧制力偏差的影响程度由大到小依次为：弯辊力偏差、倾辊、轧辊交叉、窜辊、轧件楔形、轧件不对中、辊形等，其主要原因是非对称弯辊、轧辊交叉和轧辊倾斜等非对称因素。针对上述轧机两侧轧制力偏差较大的实验工况，轧制过程中出现跑偏废钢，定修时发现下支承辊的衬板螺栓断裂，锁门板磨损严重，下支承辊轴承座与牌坊间隙较大。通过采取垫入垫片、更换轧机EGC铜臼垫和打开EGC修磨等方法后，厚板轧机两侧轧制力偏差明显降低。

   4结论

   本文通过分析某厂5m厚板精轧机的结构和控制特点，确定了该轧机轧制力偏差的产生原因主要包括轧辊交叉、轧辊窜辊、非对称弯辊、轧件非对称、轧辊辊形和热膨胀等非对称因素。基于ANASYS/ LSDYNA建立了5m厚板轧机的轧制过程有限元模型，模拟了不同非对称因素对轧制力偏差的影响，最终确定了轧制力偏差的影响因素，影响程度较大的是轧辊交叉、轧辊倾斜和非对称弯辊。提出了降低厚板轧机轧制力偏差的措施，即尽可能减小非对称量，控制轧机的非对称因素在合适范围内；定期检修时要减小辊系与牌坊的间隙，减小非对称弯辊和预埋量。实践证明，这些措施控制效果良好。

   （孙建亮 谷尚武 马晓宝刘宏民 张志忠）