CN101229560B - 一种连续变凸度轧机支持辊 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种为配合连续可变凸度工作辊辊型曲线的连续变凸度轧机支持辊，辊型是偏峰的非对称曲线，主要由辊身中部带钢宽度范围内辊间全线接触曲线段和轧辊边部两端接触线变化曲线段，且上、下支持辊辊形曲线相同但反向180°放置。具有这样辊形曲线的连续变凸度轧机支持辊和连续变凸度工作辊的轧机辊系配置不仅可降低辊间接触压力分布不均匀度和峰值，减轻或消除连续变凸度轧机常规凸度支持辊边部剥落，提高支持辊服役周期和使用寿命，减少支持辊辊耗，还可克服被轧板带材宽度之外的“有害接触区”，提高轧机的辊缝横向刚度特性和弯辊力的板形控制效率，从而提高轧制板带材的板形质量。

Description

一种连续变凸度轧机支持辊

技术领域

本发明涉及一种带钢热、冷连轧机和中厚板轧机生产中用于板形控制的支持辊。

背景技术

连续变凸度轧机是一种广泛应用于带钢热、冷连轧和中厚板轧制的新一代轧机，杰出代表有：四辊CVC轧机、SmatCrown轧机、CVC plus轧机、SmatCrown plus轧机和六辊CVC轧机。连续可变凸度轧机的辊系由一对支持辊和一对连续变凸度工作辊(或六辊轧机的一对支持辊、一对连续变凸度中间辊和一对工作辊)组成。

目前连续变凸度轧机支持辊主要可采用常规凸度支持辊、边部带圆弧倒角的常规平辊支持辊、连续变凸度工作辊轴向移动包络线形成的CVCB支持辊、圆柱形的DSR动态板形支持辊。其中：(1)常规凸度支持辊采用二次抛物线的辊形曲线，与连续变凸度工作辊配合使用，如1700SmartCrown冷连轧机的支持辊，见图2。(2)边部带圆弧倒角的常规平辊支持辊，在辊身中部采用常规平辊的圆柱形辊形并在轧辊两侧边部各约200mm范围进行圆弧倒角，如2250 CVC plus热连轧机、1800CSP热连轧机的支持辊，见图3。(3)一种配合轴向移动改变辊缝凸度工作辊的CVCB支持辊辊型，ZL200410008195.0发明专利公开的该上、下支持辊的辊型曲线为连续变凸度上、下工作辊辊型曲线在正向和反向轴向移动过程中的包络线，见图4。(4)DSR动态板形支持辊包括一个随连续变凸度工作辊旋转的辊套、一根静止不转的芯轴和七个可以独立调节辊套内表面与芯轴相对位置的液压压块，芯轴和压块之间通过液压缸相连接，液压缸的压力通过压块与辊套内壁之间的动静压油膜轴承传递到辊套，以调节辊套的挠度及其对工作辊辊身各处的支持力度，即辊间接触压力，进而实现对辊缝形状的控制，从而达到控制板形的目的。在压块同套筒之间可以通过动、静压系统建立一层油膜，避免套筒与压块直接接触发生摩擦。在套筒和横轴的两端装有两套轴承，以吸收轴向应力。这两个轴承可以在垂直方向移动。如2030CVC冷连轧机工业试验的DSR支持辊，见图5。

从目前使用情况来看，SmartCrown冷连轧机采用的常规凸度支持辊磨损严重且不均匀，磨损量沿辊身长度方向可达1.2mm(支持辊单侧磨损量最大曾达到3～4mm，把整个轧辊倒角区都磨没了)，正常工业应用每个服役期内常规凸度支持辊均出现严重“啃边”剥落，严重响带钢板形质量，服役期由25天被迫缩短到15天；CVC和CVC plus热连轧机边部带圆弧倒角的常规平辊支持辊磨损严重，距离轧辊边部120mm附近区域形成了局部高点，高点之间支持辊磨损后辊形呈近似S形，且剥落时有发生，甚至一个服役期内14支持辊有3支支持辊出现严重剥落，车削、磨损量平均达到约55mm，而正常磨削、磨损量仅为2.2mm左右；CVCB主要是为了配合设计的相对轴向移动改变辊缝凸度并可变辊缝形状工作辊的一种支持辊，在辊形自保持性很好的前提下，两者联合使用有利于改善整个窜辊行程范围内辊间压力分布，提高轧辊使用寿命，使轴向移动工作辊改变辊缝凸度的控制技术更加完善，实际工业生产中一个服役期内轧辊辊形由于磨损等原因总是不可避免要发生明显变化的，因此CVCB在轧辊上机服役时刻可改善整个窜辊行程范围内辊间压力分布不均匀问题，但服役中、后期难以保证辊间压力分布更均匀；DSR支持辊是目前原理上较理想的板形控制技术，既能纠正对称二次板形缺陷，也能纠正通常难以处理的高次板形缺陷以及非对称缺陷，但结构复杂、带钢轧制过程中金属套筒磨损严重，工业轧制过程中使用和维护费用较高，因此DSR支持辊使用研究工作还需更加深入，未达到带钢轧制规模工业应用阶段。

发明内容

为了降低连续变凸度轧机轧辊辊间接触压力分布不均匀度和峰值，提高并完善宽带钢连续变凸度轧机板形控制技术性能、使用经济性和可靠性，本发明提出一种连续变凸度轧机支持辊，其上、下支持辊辊形曲线相同，均为偏峰的非对称辊形曲线，但反向180°放置。

本发明所述目的通过如下方案实现：

一种连续变凸度轧机支持辊，以支持辊辊身中点为坐标原点，辊形函数用通式表示为：

$D\left(x\right)=\left\{\begin{array}{cc}{a}_8{(x+L_2)}^8+a_6{(x+L_2)}^6{+a}_4{(x+L_2)}^4+a_2{(x+L_2)}^2+D\left({-L}_2\right)& x\∈[{-L}_1-L_2,{-L}_2)\\ \mathrm{\λ}\left(a_1\sin (\frac{\mathrm{\π\α}}{{90L}_b}(x+s_0)+a_{3}x)\right)+a_5& x\∈[-L_2,L_2]\\ a_8{(x-L_2)}^8+a_6{(x-L_2)}^6+a_4{(x-L_2)}^4+a_2{(x-L_2)}^2+D\left(L_2\right)& x\∈(L_2,L_1+L_2]\end{array}\right.$

式中，λ：辊身中部全线接触曲线BC段的辊形调节参数，λ∈(0，1)；

L_b：辊形设计使用长度，取值范围：最大常轧板宽和变凸度轧机窜辊行程之和～支持辊辊身长度和变凸度轧机窜辊行程之和；

α：轧辊形状角，根据带钢高次板形控制要求确定，α∈(0°，360°)；

s₀：变凸度轧机工作辊初始等效凸度对应轧辊偏移量；

L₁和L₂：支持辊辊形曲线分段长度，L₂为大于常轧品种最小半宽度0～50mm，L₁与L₂之和为支持辊半辊身长度；

a₁、a₂、a₃、a₄、a₅、a₆、a₈：辊形设计参数。

本发明提供的具有上、下反对称辊型曲线的一对偏峰非对称辊型曲线的支持辊，和任何一种连续变凸度工作辊组成的轧机辊系配置不仅可降低辊间接触压力分布不均匀度和峰值，减轻或消除连续变凸度轧机常规凸度支持辊边部剥落，明显延长支持辊的服役周期，还可以以克服被轧板带材宽度之外的“有害接触区”，提高轧机的辊缝横向刚度特性，有效地保持设定辊缝形状的稳定性，并提高轧机板形控制弯辊力的调节效率，提高轧机的柔性辊缝调节范围，明显提高轧制板带材的板形质量，从而实现“刚性辊缝”、“柔性辊缝”与连续变凸度特殊辊形“磨损均匀化”的三重功能，对于推广和使用宽带钢热、冷连轧机和中板轧机的连续变凸度板形控制技术具有重要意义。

采用本发明所述支持辊完善提高了1700冷连轧机连续变凸度板形控制技术性能，改善了辊间压力不均匀分布，提高了轧辊使用寿命，未再发生“啃边”剥落现象，提高了轧制过程板形控制的稳定性和带钢板形实物质量，还可用于其它连续变凸度类四辊或六辊冷、热连轧机和中厚板轧机，利于推广应用。

附图说明

图1为本发明所述支持辊辊型示意图；

图2为常规凸度支持辊示意图；

图3为带边部倒角的常规平辊支持辊示意图；

图4为工作辊辊形轴向移动包络线构成的CVCB支持辊示意图；

图5为DSR动态板形支持辊示意图；其中，1-平衡缸；2-金属套筒；3-辊轴；4-液压缸；

图6为本发明支持辊辊形曲线坐标图；

图7为工业应用现有常规凸度支持辊的磨损辊形曲线坐标图；

图8为工业应用本发明支持辊的磨损辊形曲线坐标图。

具体实施方式

本实例公开的是配合1700冷连轧机SmartCrown plus连续变凸度工作辊的支持辊。

支持辊辊形技术实现过程如下：

1.根据轧机技术参数和连续变凸度工作辊辊形指标确定支持辊辊型设计参数。已知连续变凸度轧机工作辊轴向窜辊行程范围s∈[-s_m，s_m]，相应的辊缝凸度范围为C_w∈[C₁，C₂]，工作辊辊形设计使用长度L_b取最大常轧板宽和变凸度轧机窜辊行程之和～支持辊辊身长度和变凸度轧机窜辊行程之和范围内的值，设工作辊轴向移动距离s为0时，其辊缝的初始凸度为C₀(通常取C₀＝(C₁+C₂)/2)，代入式(1)～(3)：

$C_1=a_1\sin \left(\frac{\mathrm{\π\α}}{{90L}_b}(s_0-s_m)\right)(1-\cos \left(\frac{\mathrm{\π\α}}{180}\right))---\left(1\right)$

$C_2=a_1\sin \left(\frac{\mathrm{\π\α}}{{90L}_b}(s_0+s_m)\right)(1-\cos \left(\frac{\mathrm{\π\α}}{180}\right))---\left(2\right)$

$C_0=a_1\sin \left(\frac{\mathrm{\π\α}}{{90L}_b}{s}_0\right)(1-\cos \left(\frac{\mathrm{\π\α}}{180}\right))---\left(3\right)$

于是利用式(1)～(3)可联立求出a₁，α，s₀。

根据工作辊最大辊径差ΔD，代入式(4)：

$a_3=\frac{\mathrm{\ΔD}}{L_b}-\frac{a_1}{L_b}\sin \left(\frac{\mathrm{\π\α}}{180}\right)\cos \left(\frac{{\mathrm{\π\αs}}_0}{180\×L_b/2}\right)---\left(4\right)$

于是可求得a₃。

2.确定支持辊辊身中部范围BC段辊形曲线。已知支持辊辊身名义直径D₀，并取支持辊辊身中部带钢宽度范围内辊间全线接触曲线段L₂为大于轧机常轧带钢品种最小半宽度0～50mm。辊身中部全线接触曲线BC段的辊形调节参数较大时，与连续变凸度工作辊匹配的支持辊在轧机窜辊位置零位时的辊间接触压力分布不均匀的问题得到更好改善，但窜辊后辊间接触压力分布则会更不均匀；λ太小时无论是轧机窜辊零位还是窜辊后辊间接触压力分布都不均匀，会出现不均匀磨损，难以实现辊形较好的自保持性。λ由具体轧机所轧产品的产品大纲通过计算机仿真和工业轧制试验而定，通常范围为0～1之间。代入式(5)：

$a_5=D_0-\mathrm{\λ}(a_1\sin \left(\frac{\mathrm{\π\α}}{{90L}_b}(x+s_0)\right)+a_{3}x---\left(5\right)$

于是可求得a₅。

以轧机的上支持辊为例，以支持辊辊身中点为坐标原点，支持辊(见图1)辊身中部2L₂范围内的轧辊辊形函数(直径函数)可表示为：

BC段：

$\begin{array}{cc}D\left(x\right)=\mathrm{\λ}\left(a_1\sin (\frac{\mathrm{\π\α}}{{90L}_b}(x+s_0)+a_{3}x)\right)+a_5& x\∈[-L_2,L_2]\end{array}---\left(6\right)$

于是可求得辊身中部2L₂范围内辊形曲线两端端点B和C点的轧辊辊形值D(-L₂)和D(L₂)。

3.确定支持辊辊身边部范围AB段和CD段辊形曲线。具体支持辊辊形函数(直径函数)可表示为：

AB段：

D(x)＝a₈(x+L₂)⁸+a₆(x+L₂)⁶+a₄(x+L₂)⁴+a₂(x+L₂)²+D(-L₂)x∈[-L₁-L₂，-L₂)(7)

CD段：

D(x)＝a₈(x-L₂)⁸+a₆(x-L₂)⁶+a₄(x-L₂)⁴+a₂(x-L₂)²+D(L₂)x∈(L₂，L₁+L₂](8)

a₁、a₂、a₃、a₄、a₅、a₆、a₈：辊形设计参数。

前述辊形设计参数的确定方法是公知的，其中BC段辊形设计参数a₁、a₃、a₅的确定方法如前所述；AB段和CD段辊形设计参数a₂、a₄、a₆、a₈确定的基本思想是通过特殊设计的支持辊辊形曲线，基于系统弹性变形的特性，使在受力状态下支持辊与工作辊间的接触线长度能与轧制宽度自动适应，以消除或减少辊间有害接触区，增大了辊缝横向刚度，同时在此辊形曲线下，弯辊力可以发挥更大的弯曲调节作用，又增大了辊缝的调节柔性，取值范围为：a₂＝-(1.011～4.045)×10^-5，a₄＝-(2.511～10.048)×10^-10，a₆＝(1.519～6.077)×10^-16，a₈＝-(1.555～6.225)×10^-25。(具体可见[1] ChenXanlin，Yang Quan，Zhang Qingdong，et al.Varying contact back-uproll for improved strip flatness.Steel Technology International.Sterling Publications Limited.London，1994/1995：202～208；[2]杨荃，陈先霖，徐耀寰，等.应用变接触长度支承辊提高板形综合调控能力，钢铁，1995，30(2)：48～51；[3]陈先霖.新一代高技术宽带钢轧机的板形控制[J].北京科技大学学报，1997，19(S1)：1-5；[4]魏立群，陆济民，蔡恩沛.应用变接触长度支承辊改善中厚板形及横向同板差.钢铁研究学报，1999，11(1)：23～27；[5]陈先霖，张杰，张清东，等.宽带钢热连轧机板形控制系统的开发[J].钢铁，2000，35(7)：28～33；[6]何安瑞，曹建国，吴庆海，等.热轧精轧机组变接触支持辊综合性能研究.上海金属，2001，23(1)：14～17；[7]Jianguo Cao，Jie Zhang，Xianlin Chen，etal..Control of Roll Contour for Strip Profile and Flatness in HotRolling.The 44th Mechanical Working and Steel Processing Conference& 8th Steel Rolling International Conference Proceedings，Florida，U.S.A.，2002(yearly)：1001-1010；[8]胡衍生，程晓茹，李虎兴，等.变接触长度支承辊间等接触压力时轧辊变形规律，钢铁研究，2006，34(3)：37～39)。

实际设计时，在曲线交点B和C处要进行平滑处理，并可对支持辊辊身端部A和D附近区域进行常规倒角处理。

因此，所述连续变凸度轧机支持辊{可以称之为FSR(Flexible ShapeRoll)柔韧板形支持辊}，以轧机的上支持辊辊身中点为坐标原点，上支持辊辊形函数(直径函数)可用通式表示为：

$D\left(x\right)=\left\{\begin{array}{cc}{a}_8{(x+L_2)}^8+a_6{(x+L_2)}^6+a_4{(x+L_2)}^4+a_2{(x+L_2)}^2+D\left({-L}_2\right)& x\∈[{-L}_1-L_2,{-L}_2)\\ \mathrm{\λ}\left(a_1\sin (\frac{\mathrm{\π\α}}{{90L}_b}(x+s_0)+a_{3}x)\right)+a_5& x\∈[-L_2,L_2]\\ a_8{(x-L_2)}^8+a_6{(x-L_2)}^6+a_4{(x-L_2)}^4+a_2{(x-L_2)}^2+D\left(L_2\right)& x\∈(L_2,L_1+L_2]\end{array}\right.$

式中，λ：辊身中部全线接触曲线BC段的辊形调节参数，λ∈(0，1)；

L_b：辊形设计使用长度，取值范围：最大常轧板宽和变凸度轧机窜辊行程之和～支持辊辊身长度和变凸度轧机窜辊行程之和；

α：轧辊形状角，根据带钢高次板形控制要求确定，α∈(0°，360°)；(轧辊形状角的确定方法是公知的，具体可参见[1]杨光辉，曹建国，张杰，等.SmartCrown四辊冷连轧机工作辊辊形.北京科技大学学报，2006，28(7)：669-671；[2]杨光辉，张杰，曹建国，等.SmartCrown冷连轧机板形控制新技术改进研究与应用.钢铁，2006，41(9)：56～59；[3]李洪波，张杰，曹建国，等.轴向移位变凸度工作辊辊形研究.成都：2007年中国钢铁年会论文集，p9-11-1-5)；

s₀：变凸度轧机工作辊初始等效凸度对应轧辊偏移量；

L₁和L₂：支持辊辊形曲线分段长度，L₂为大于常轧品种最小半宽度0～50mm，L₁与L₂之和为支持辊半辊身长度；

a₁、a₂、a₃、a₄、a₅、a₆、a₈：辊形设计参数。

本发明中，上、下支持辊辊形曲线相同，均为偏峰的非对称辊形曲线，但反向180°放置。

1700五机架四辊冷连轧机组S5架采用SmartCrown plus工作辊，工作辊辊身长度为1900mm、直径600mm，工作辊轴向窜辊行程范围s∈[-100mm，100mm]，相应的辊缝凸度范围为C_w∈[40μm，280μm]，支持辊辊身长度为1700mm，名义直径1400mm，辊形设计使用长度L_b取1770mm，工作辊最大辊径差ΔD为457.8μm，采用前述设计方法求得支持辊辊形曲线方程，便可绘出一种连续变凸度轧机支持辊辊形曲线，如图6所示。

1700冷连轧机组的SmartCrown轧机采用常规凸度支持辊，造成了生产使用过程中出现支持辊磨损严重且不均匀(如图7所示)，磨损量沿辊身长度方向可达1.2mm(支持辊单侧磨损量最大曾达到3～4mm，把整个轧辊倒角区都磨没了)，随着SmartCrown工作辊投入日常应用，每个服役期配套支持辊均出现严重“啃边”剥落，严重响带钢板形质量，而且给工作辊的磨削以及备辊带来困难，影响工业的稳定生产，即使采用改进的连续变凸度工作辊SmartCrown plus上述问题依然存在。采用支持辊，用磨床加工出符合要求的辊形曲线，通过实际使用中测试发现：工业试验服役周期所轧带钢产量由82602.76吨提高到1134861.58吨，支持辊磨损较均匀(如图8所示)，配合改进的连续变凸度工作辊SmartCrown plus的带钢板形平坦度由约15IU提高到10IU内。

实际工业应用FSR柔韧板形支持辊服役周期由15天延长到28天，支持辊未再出现“啃边”剥落。采用本发明所述支持辊，可在不改变连续变凸度轧机结构和正常生产条件下，推广应用于宽带钢CVC、SmartCrown和CVC plus等热、冷连续变凸度轧机和中板轧机，具有显著经济和社会效益。

Claims (1)

1.一种连续变凸度轧机支持辊，其特征在于以支持辊辊身中点为坐标原点，辊形函数用通式表示为：

$D\left(x\right)=\left\{\begin{array}{cc}{a}_8{(x+L_2)}^8+a_6{(x+L_2)}^6+a_4{(x+L_2)}^4+a_2{(x+L_2)}^2+D(-L_2)& x\∈[-L_1-L_2,-L_2)\\ \mathrm{\λ}\left(a_1\sin (\frac{\mathrm{\π\α}}{90L_b}(x+s_0)+a_{3}x)\right)+a_5& x\∈[-L_2,L_2]\\ a_8{(x-L_2)}^8+a_6{(x-L_2)}^6+a_4{(x-L_2)}^4+a_2{(x-L_2)}^2+D\left(L_2\right)& x\∈(L_2,L_1+L_2]\end{array}\right.$

式中，λ：辊身中部全线接触曲线BC段的辊形调节参数，λ∈(0,1)；

L_b：辊形设计使用长度，取值范围：最大常轧板宽和变凸度轧机窜辊行程之和～支持辊辊身长度和变凸度轧机窜辊行程之和；

α：轧辊形状角，根据带钢高次板形控制要求确定，α∈(0°，360°)；

s₀：变凸度轧机工作辊初始等效凸度对应轧辊偏移量；

L₁和L₂：支持辊辊形曲线分段长度，L₂为大于常轧品种最小半宽度0～50mm，L₁与L₂之和为支持辊半辊身长度；

a₁、a₂、a₃、a₄、a₅、a₆、a₈：辊形设计参数;

a₁、s₀、α通过如下方程获得：

$C_1=a_1\sin \left(\frac{\mathrm{\π\α}}{90L_b}(s_0-s_m)\right)(1-\cos \left(\frac{\mathrm{\π\α}}{180}\right))---\left(1\right)$

$C_2=a_1\sin \left(\frac{\mathrm{\π\α}}{90L_b}(s_0+s_m)\right)(1-\cos \left(\frac{\mathrm{\π\α}}{180}\right))---\left(2\right)$

$C_0=a_1\sin \left(\frac{\mathrm{\π\α}}{90L_b}{s}_0\right)(1-\cos \left(\frac{\mathrm{\π\α}}{180}\right))---\left(3\right)$

其中已知连续变凸度轧机工作辊轴向窜辊行程范围s∈[-s_m,s_m]，相应的辊缝凸度范围为C_W∈[C₁,C₂]，设工作辊轴向移动距离s为0时，其辊缝的初始凸度为C₀，C₀=(C₁+C₂)/2；

$a_3=\frac{\mathrm{\ΔD}}{L_b}-\frac{a_1}{L_b}\sin \left(\frac{\mathrm{\π\α}}{180}\right)\cos \left(\frac{\mathrm{\π\α}{s}_0}{180\×L_b/2}\right)---\left(4\right)$

其中ΔD为工作辊最大辊径差；

$a_5=D_0-\mathrm{\λ}\left(a_1\sin \left(\frac{\mathrm{\π\α}}{90L_b}(x+s_0\right)\right)+a_{3}x---\left(5\right)$

其中D₀为支承辊辊身名义直径；

a₂=-(1.011～4.045)×10^-5，a₄=-(2.511～10.048)×10^-10

a₆=(1.519～6.077)×10^-16，a₈=-(1.555～6.225)×10^-25。