CN101477353B - 炉卷轧机轧辊辊型的计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及冶金领域的辊型的计算方法，是炉卷轧机辊型的计算方法。本发明采用影响函数法或者有限单元的计算方法，在一定的轧制规程条件下，考虑到轧辊磨损、轧辊热膨胀的基础上设计轧辊原始辊型。根据轧制规程计算轧制力，工作辊和支撑辊的挠度以及压扁，进而计算出轧制力、轧辊辊间接触压力以及轧件厚度的分布情况，从而得到轧制过程中辊间压力分布合理、板凸度满足要求的合理的支撑辊和工作辊辊型，以及弯辊力。采用本发明所设计的支撑辊和工作辊，可明显改善支撑辊和工作辊的辊间压力分布状态，抑制轧辊剥落，同时可以满足板凸度要求。

Description

炉卷轧机轧辊辊型的计算方法

技术领域

本发明涉及冶金领域的辊型的计算方法，具体的说是炉卷轧机辊型的计算方法。

背景技术

采用轧制方法生产金属板带材时，减小轧辊半径可以降低轧制力，但是同时也降低了轧辊的抗弯曲能力，使得轧件断面呈中凸形状的趋势加强，即板凸度变大，严重时导致产品不合格。为了在降低轧制力的同时抑制轧辊弯曲，炉卷轧机采用四辊轧机，即采用一对直径较小的工作辊和一对直径较大的支撑辊，支撑辊辊面压靠在工作辊辊面上，支撑辊通过支撑辊轴承座安装在轧机机架上。轧制时，由工作辊完成对轧件的变形、而支撑辊的作用是抑制工作辊的弯曲变形。

对于四辊轧机而言，为了进一步提高轧件断面形状的控制能力，采取了液压弯辊措施，通常采用工作辊正弯辊，即通过液压缸在工作辊两端的轴承座上各施加一对指向支撑辊的力，造成工作辊的弯曲，其方向与轧制力造成的工作辊弯曲方向相反，以实现改善板凸度的目的。

图1为四辊轧机辊系受力示意图，q(x)为支撑辊和工作辊之间的辊间压力，p(x)为轧制单位压力，由图可知，在轧制过程中，工作辊2承受来自轧件1的轧制力、弯辊力和来自支撑辊3的支撑力，而支撑辊3承受着来自工作辊2的作用力和来自轴承座的支撑力。支撑辊3和工作辊2之间的辊间压力分布，对于轧辊的使用寿命有着重要影响。如果支撑辊3和工作辊2之间某处的辊间压力偏大，则会引起轧辊的不均匀磨损，严重时会造成轧辊的疲劳破坏，导致轧辊局部剥落，而这个问题在支撑辊3上表现更甚，因为支撑辊3的工作周期大于工作辊2的工作周期。

当轧制规程一定时，轧辊在工作时的辊型决定了辊系的受力情况，包括轧制力分布、辊间压力分布、以及辊缝的形状(即轧件断面形状)。而轧辊在工作时的辊型取决于磨削后的原始辊型、轧辊磨损和轧辊热膨胀。因此，在考虑到轧辊磨损、轧辊热膨胀的基础上设计轧辊原始辊型，对保证轧辊使用寿命和轧件断面形状具有重要意义。

图2为支撑辊和工作辊都采用平辊时的辊间压力分布图，由图可见，在轧辊工作周期的中后期，轧辊边部的辊间压力大大高于平均值，轧辊存在边部剥落的危险，若施加弯辊力，会加剧这种危险。

为了改善辊间受力情况，可以对支撑辊施以一定的倒角，但是在轧制过程中，倒角处的辊问压力偏大，尤其是在轧辊工作周期的中后期，倒角处的辊间压力上升更大，图3是支撑辊采用倒角辊、工作辊采用平辊时辊间压力沿辊身方向(L)的分布图，轧辊在此处仍然存在剥落的危险。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对以上现有技术存在的缺点，提出一种能改善支撑辊和工作辊的辊间压力分布状态，降低轧辊磨损，提高轧制产品板形，减小板凸度的炉卷轧机轧辊辊型的计算方法。

本发明解决以上技术问题的技术方案是：

炉卷轧机轧辊辊型的计算方法，按以下步骤进行：

(1)输入炉卷轧机轧辊规格及其轧制制度；

(2)输入炉卷轧机轧辊辊型参数；

(3)输入工作辊弯辊力F_w初始值；

(4)计算支撑辊和工作辊之间的辊间压力q和轧件的板凸度δ；

(5)判断轧件的板凸度δ是否小于等于轧件的板凸度允许值δ_a，若是，则判断支撑辊和工作辊之间的辊间压力最大值q_max是否小于等于支撑辊和工作辊之间的辊间压力平均值q的1.2倍，若是，则输出炉卷轧机轧辊辊型，若支撑辊和工作辊之间的辊间压力最大值q_max大于支撑辊和工作辊之间的辊间压力平均值q的1.2倍，则修改轧辊辊型后返回步骤(3)，若轧件的板凸度δ是大于轧件的板凸度允许值δ_a，则判断工作辊弯辊力F_w是否小于工作辊弯辊力允许值F_wa，若是，则调节工作辊弯辊力F_w后，返回步骤(4)，若否，则修改轧辊辊型后返回步骤(3)；

(6)判断步骤(5)是否终轧道次，若是则结束计算，若否，则返回步骤(3)进入下道次计算。

工作辊弯辊力F_w的初始值设置为0，计算过程逐步增加，步长可以设为0.5t或者1t。

支撑辊和工作辊之间的辊间压力q的计算基于下面7个方程的联立求解：

①工作辊弹性弯曲方程：

${\stackrel{\→}{Y}}_w={\stackrel{\stackrel{\→}{\→}}{G}}_w(\stackrel{\→}{Q}-\stackrel{\→}{P})-{\stackrel{\→}{G}}_f{F}_w$

②支撑辊弹性弯曲方程：

${\stackrel{\→}{Y}}_b={\stackrel{\stackrel{\→}{\→}}{G}}_b\stackrel{\→}{Q}$

③轧制压力引起的工作辊弹性压扁方程：

${\stackrel{\→}{Y}}_{\mathrm{ws}}={\stackrel{\stackrel{\→}{\→}}{G}}_{\mathrm{ws}}\stackrel{\→}{P}$

④辊间接触压扁方程：

${\stackrel{\→}{Y}}_{\mathrm{wb}}={\stackrel{\stackrel{\→}{\→}}{G}}_{\mathrm{wb}}\stackrel{\→}{Q}$

⑤静力平衡关系方程：

$\mathrm{\Σ}\stackrel{\→}{P}+F_w=\mathrm{\Σ}\stackrel{\→}{Q}$

⑥工作辊和支撑辊之间的变形协调关系方程：

${\stackrel{\→}{Y}}_{\mathrm{wb}}={\stackrel{\→}{Y}}_{\mathrm{wb}0}+{\stackrel{\→}{Y}}_b-{\stackrel{\→}{Y}}_w-{\stackrel{\→}{M}}_b-{\stackrel{\→}{M}}_w$

⑦工作辊和轧件之间的变形协调关系方程：

$\stackrel{\→}{H}={\stackrel{\→}{H}}_0+({\stackrel{\→}{Y}}_{\mathrm{ws}}-{\stackrel{\→}{Y}}_{\mathrm{ws}0})+2({\stackrel{\→}{M}}_w-{\stackrel{\→}{Y}}_w)$

式中

——辊间接触压力向量；

——轧制力向量；

F_w——弯辊力；

——工作辊和支撑辊的挠度向量；

——工作辊和支撑辊的挠度影响系数矩阵；

——弯辊力影响函数向量；

——工作辊和支撑辊的压扁向量；

——工作辊与轧件间压扁影响函数矩阵；

——工作辊与支撑辊间接触压扁影响函数矩阵；

——工作辊中心处的压扁向量，为常向量；

——轧辊中心处工作辊与支撑辊间的压扁向量，为常向量；

——工作辊和支撑辊的凸度向量。

轧件的板凸度δ等于轧件横截面中心处厚度h_c与距离轧件边部40mm处厚度h_e之差，即：δ＝h_c-h_e。

轧件的板凸度允许值δ_a由生产现场提出的要求设定。

支撑辊和工作辊之间的辊间压力最大值q_max由辊间压力分布q产生，计算出辊间压力分布后，求出max(q)即可。

支撑辊和工作辊之间的辊间压力平均值q等于辊间总压力除以辊间接触单元数，即轧制力与弯辊力之和除以支撑辊和工作辊接触单元数。

q＝Q/n_wb或者q＝(P+2×F_w)/n_wb

式中Q——支撑辊和工作辊辊间总压力；

n_wb——支撑辊与工作辊辊间接触单元数；

P——轧制压力；

F_w——弯辊力。

辊型曲线可以采用高次曲线、正弦曲线及其组合，辊间压力分布和轧件断面形状的计算采用影响函数法或者有限单元法。

本发明的优点是：本发明采用影响函数法或者有限单元的计算方法，在一定的轧制规程条件下，考虑到轧辊磨损、轧辊热膨胀的基础上设计轧辊原始辊型。根据轧制规程计算轧制力，工作辊和支撑辊的挠度以及压扁，进而计算出轧制力、轧辊辊间接触压力以及轧件厚度的分布情况，从而得到轧制过程中辊间压力分布合理、板凸度满足要求的合理的支撑辊和工作辊辊型，以及弯辊力。采用本发明所设计的支撑辊和工作辊，可明显改善支撑辊和工作辊的辊间压力分布状态，抑制轧辊剥落，同时可以满足板凸度要求。由于该方法全面考虑到轧辊在实际生产过程中存在的热凸度和磨损现象，计算结果更接近实际情况，更准确反映了生产过程中轧辊的受力情况。采用本发明的炉卷轧机轧辊辊型的计算方法，设计的支撑辊和工作辊辊型，辊间接触压力分布合理，在实际生产过程中，能有效解决原来存在的轧辊边部剥落问题。某炉卷轧机原采用平支撑辊和倒角支撑辊，在生产过程中，支撑辊边部剥落问题严重，七支支撑辊中，已有五支出现剥落问题，其中两支剥落严重者已停用，其余产生剥落的支撑辊经打磨后继续服役，但修磨后的剥落处仍有继续扩大的趋势。采用本计算方法设计轧辊辊型，不再发生支撑辊边部剥落现象，包括原来产生剥落的支撑辊，经过修磨后可以正常使用，不再产生边部剥落。此外，采用该方法设计辊型时，可以将弯辊力许用最大值F_wa降低，在获得良好板型的同时可以降低弯辊力，从而降低支撑辊与工作辊之间的辊间压力，有利于减少轧辊磨损，延长轧辊使用寿命。采用本方法进行的计算表明，在同样的板凸度要求下，与采用平支撑辊相比，采用本方法设计的支撑辊辊型，弯辊力可降低50％～100％(即弯辊力降低一半、甚至不采用弯辊力)。

附图说明

图1是四辊轧机辊系受力示意图。

图2是支撑辊和工作辊皆采用平辊时辊间压力沿辊身方向的分布图。

图3是支撑辊采用倒角辊工作辊采用平辊时辊间压力沿辊身方向的分布图。

图4是本发明的流程框图。

图5是支撑辊和工作辊均采用曲线辊型时辊间压力沿辊身方向的分布图。

图6是支撑辊和工作辊均采用曲线辊型时轧件厚度沿宽度方向的分布图。

具体实施方式

本发明是一种炉卷轧机轧辊辊型的计算方法，其流程如图4所示，计算过程如下：首先针对典型产品进行设计，输入产品规格及其轧制制度，同时输入现有轧辊辊型参数并赋以合适的弯辊力初始值。然后计算各道次辊间压力与轧件断面形状，若板凸度符合要求则进入下一步计算；若不符合要求，则调节弯辊力以及修改轧辊辊型，直至板凸度符合要求。当板凸度符合要求后，对辊间压力分布进行判断。若辊间压力的最大值小于等于辊间压力平均值的1.2倍，则将计算结果作为设计值输出；否则修改轧辊辊型，直至满足判断条件。输出结果包括轧辊辊型、各道次轧件断面形状以及各道次弯辊力设定值。图中，F_w为工作辊弯辊力，F_wa为工作辊弯辊力允许值，q为支撑辊和工作辊之间的辊间压力，q_max为支撑辊和工作辊之间的辊间压力最大值，q为支撑辊和工作辊之间辊间压力平均值，δ为轧件的板凸度，δ_a为板凸度允许值。

针对典型产品按以上步骤设计轧辊辊型，然后采用其它产品及其轧制制度、按上图所示步骤对所设计的轧辊辊型进行检验和修正，最终确定轧辊的原始辊型，同时可以确定各道次弯辊力的设定值。辊型曲线可以采用高次曲线、正弦曲线及其组合，辊间压力分布和轧件断面形状的计算采用影响函数法或者有限单元法。

实施例一

本实施例以某炉卷轧机为例，其支撑辊尺寸为Φ1950mm×3400mm(辊径×辊身长度)，工作辊尺寸为Φ1010mm×3500mm(辊径×辊身长度)，典型产品为X70管线钢，规格为10mm×3000mm，采用的坯料尺寸为150mm×3000mm(厚度×宽度)，轧制规程为150mm→131mm→112mm→100mm→88mm→77mm→68mm→58mm→50mm→42mm→35mm→30mm→25mm→21mm→18mm→16mm→14mm→12mm→11mm→10mm。

采用本发明的炉卷轧机轧辊辊型的计算方法进行计算，其中辊间压力分布和轧件厚度分布的计算采用影响函数法进行，原支撑辊和工作辊皆采用平辊，结果造成支撑辊边部大面积剥落，在支撑辊边部设置倒角(2mm×200mm，高度×长度)，仍然未止住剥落问题。

支撑辊辊型采用凸度为1mm的六次曲线，工作辊辊型在支撑辊工作周期的前期、中期和后期，分别采用凸度为-0.03mm、0.1、0.18mm的正弦曲线，图5和图6为典型产品轧制时终轧道次的辊间压力分布和轧件厚度分布的计算结果，其中，a为支撑辊和工作辊皆为工作前期的情况，b为支撑辊和工作辊皆处于工作中期的情况，c为支撑辊和工作辊皆处于工作后期的情况。

表1为采用不同配辊、在轧辊工作后期轧制上述典型产品时，终轧道次所需要的弯辊力F_w、辊间压力最大值q_max、辊间压力最大值与平均值的比值q_max/q，以及相应的板凸度δ。

表1

配辊(支撑辊/工作辊)	平辊/平辊	倒角平辊/平辊	曲线辊/曲线辊
				F<sub>w</sub>(t)	200	140	0
δ(mm)	0.20	0.01	0.01
				q<sub>max</sub>(t/mm)	1.96	1.49	1.00
q<sub>max</sub>/q	2.2	1.7	1.1

可见，采用曲线型轧辊时，辊间压力分布均匀，q_max＜1.2q，需要的弯辊力小(此时为零)。采用实施例方法设计的支撑辊和工作辊辊型在实际的生产过程中，轧辊剥落情况不再发生。

本发明还可以有其它实施方式，凡采用同等替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求保护的范围之内。

Claims (4)

1.炉卷轧机轧辊辊型的计算方法，其特征在于：按以下步骤进行：

(1)输入炉卷轧机轧辊规格及其轧制制度；

(2)输入炉卷轧机轧辊辊型参数；

(3)输入工作辊弯辊力F_w初始值；

(4)计算支撑辊和工作辊之间的辊间压力q和轧件的板凸度δ；

(5)判断轧件的板凸度δ是否小于等于轧件的板凸度允许值δ_a，若是，则判断支撑辊和工作辊之间的辊间压力最大值q_max是否小于等于支撑辊和工作辊之间的辊间压力平均值q的1.2倍，若是，则输出炉卷轧机轧辊辊型，若支撑辊和工作辊之间的辊间压力最大值q_max大于支撑辊和工作辊之间的辊间压力平均值q的1.2倍，则修改轧辊辊型继续当次道次计算，直至板凸度符合要求后进入步骤(3)进行下一道次计算，若轧件的板凸度δ是大于轧件的板凸度允许值δ_a，则判断工作辊弯辊力F_w是否小于工作辊弯辊力允许值F_wa，若是，则调节工作辊弯辊力F_w后，返回步骤(4)，若否，则修改轧辊辊型继续当次道次计算，直至板凸度符合要求后进入步骤(3)进行下一道次计算；

(6)判断步骤(5)是否终轧道次，若是则结束计算，若否，则返回步骤(3)进入下道次计算；

所述支撑辊和工作辊之间的辊间压力q的计算基于7个方程的联立求解：

①工作辊弹性弯曲方程：

②支撑辊弹性弯曲方程：

③轧制压力引起的工作辊弹性压扁方程：

④辊间接触压扁方程：

⑤静力平衡关系方程：

⑥工作辊和支撑辊之间的变形协调关系方程：

⑦工作辊和轧件之间的变形协调关系方程：

式中

——辊间接触压力向量；

——轧制力向量；

F_w——弯辊力；

——工作辊和支撑辊的挠度向量；

——工作辊和支撑辊的挠度影响系数矩阵；

——弯辊力影响函数向量；

——工作辊和支撑辊的压扁向量；

——工作辊与轧件间压扁影响函数矩阵；

——工作辊与支撑辊间接触压扁影响函数矩阵；

——工作辊中心处的压扁向量，为常向量；

——轧辊中心处工作辊与支撑辊间的压扁向量，为常向量；

——工作辊和支撑辊的凸度向量；

所述轧件的板凸度δ等于轧件横截面中心处厚度h_c与距离轧件边部40mm处厚度h_e之差，即：δ＝h_c-h_e。

2.如权利要求1所述的炉卷轧机轧辊辊型的计算方法，其特征在于：工作辊弯辊力F_w的初始值设置为0。

3.如权利要求1所述的炉卷轧机轧辊辊型的计算方法，其特征在于：支撑辊和工作辊之间的辊间压力最大值q_max由辊间压力q的分布产生，计算出辊间压力分布后，求出max(q)即可。

4.如权利要求1所述的炉卷轧机轧辊辊型的计算方法，其特征在于：支撑辊和工作辊之间的辊间压力平均值

等于辊间总压力除以辊间接触单元数，即轧制力与弯辊力之和除以支撑辊和工作辊接触单元数，

或者

式中Q——支撑辊和工作辊辊间总压力；

    n_wb——支撑辊与工作辊辊间接触单元数；

    P——轧制压力；

    F_w——弯辊力。

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