CN101992219A - 一种用于带钢板形控制的凸度可变工作辊辊形的形成方法 - Google Patents

Abstract

一种用于带钢板形控制的凸度可变工作辊(VCW)辊形的形成方法，其特征在于：将VCW辊形VCW工作辊辊形曲线由三部分构成：(1)主承载区：在带钢宽度范围内，[-B/2，B/2]，其中B为最大板宽，定义为主承载区；(2)过渡区：支持辊边部到带钢边部的范围，[-L_B/2，-B/2]和[B/2，L_B/2]，过渡区的辊径比主承载区辊径小；(3)减压靠区：工作辊边部到支持辊边部的范围，[-L_W/2，-L_B/2]和[L_B/2，L_W/2]。本发明的方法形成辊形的工作辊只要磨辊车间磨削出相应的辊形即可，加工方便，成本低，可以方便的向VC平整机推广，适用于生产特定规格的冰箱板，具有广阔的应用前景。

Description

一种用于带钢板形控制的凸度可变工作辊辊形的形成方法

技术领域

本发明涉及一种带钢板材的制作方法，具体地，本发明涉及一种带钢板材制造时的板形控制方法，更具体地，本发明涉及一种用于带钢板形控制的凸度可变工作辊(VCW)辊形的形成方法。

背景技术

钢铁的板带材料作为钢铁工业最重要的产品之一，在国民经济发展中起着非常重要的作用。它在工业、农业、国防以及日常生活中都有着极其广泛的应用。随着用户对产品质量要求的提升，目前国内的带钢板材实物质量与国际先进水平相比仍有一定的差距。例如，针对家电冰箱板等钢板材料的生产，需要按用户所需求的规格，将带钢板材由厚变薄、由窄变宽进行加工制作。带钢板材的这种生产过程伴随着生产过程中，机组出现诸如板形瓢曲、断带、带钢出现边浪、等一系列产品质量问题，即，出现最终板材在横向的厚度不均匀、不平度、同板差和厚度公差严重等问题，影响了产品的正常生产。

为此，人们采用了VC平整机，即凸度可变平整机。该平整机的特性是：

平整机的凸度可变工作辊(VCW)，即VC辊，由芯辊和辊套两部分组成，辊套通过热装配合套在芯辊上，在其中间有一环形油腔，如图1所示。高压油通过芯辊中心的油孔注入油隙中，使辊套膨胀。当油压连续变化时，就会在辊面上获得连续的凸度变化。

然而，由于VC平整机的横刚度低于同尺寸的普通四辊平整机。这也就是说，在同样的工艺条件下，VC平整机的辊缝凸度大，基本凸度点大，且调控域偏向二次凸度增大的方向，这就使得VC平整机的横刚度小，带钢容易出现边浪。

VC平整机的横刚度小是由它的结构特点所决定的。由于VC支持辊中存在油缝，支持辊主要由芯轴来承受弯曲，有效的支持辊辊径变小了，抵抗弯曲的能力降低。油压不能始终保持轴套向外涨，承载时轴套可能发生反弯，向芯轴内凹陷。工作辊与支持辊之间的有害接触区始终存在，削弱了辊缝横刚度。

增加工作辊凸度能起到一定的控制带钢边浪的目的，但过大的工作辊凸度会带来另外的不利因素：①过大的工作辊凸度会造成辊系的不稳定，容易使支持辊不对称单侧磨损严重，进而造成了带钢出现单边浪；②增加工作辊凸度会加剧VC辊轴套的内凹，使油缝油膜厚度减小，使辊套轴向弯曲变形程度加大，可能危害VC辊的安全稳定工作；③VC辊轴套内凹会使辊套内侧承受较大的拉应力，过大的内凹会使辊套内侧表层所受交变应力的绝对值和变化幅度都进一步增大，对VC辊的正常使用构成威胁。因此，在0.2mm凸度的基础上，继续增加工作辊凸度不是最有效、最根本的解决方案。

另外，在正常状态下，VC支持辊通过改变油压既能提供向外凸的在线辊形，又能提供向内凹的在线辊形。当轧制力超过轧制力上限时，VC支持辊在最大油压下也不能提供向外凸的在线辊形，因此VC辊不适用于大轧制力的情况，受到轧制力上限的限制。

另一方面，在生产例如冰箱板等的带钢板形时，其问题如下：

厚度0.45mm以下、宽度在1200mm至1300mm的冰箱板等的带钢板材容易发生边浪，且难于控制。生产中几乎将平整机的弯辊和VC油压都加载到近极限，但仍然出现边浪，板形质量不稳定。这是因为，对于VC辊、干式平整机来说，薄宽规格冰箱板所需的轧制力都在800吨以上，轧制力比同规格其它产品大很多。轧制力大与辊系横刚度低这两个因素共同造成了冰箱板生产中易出现边浪的问题。

根据上述可以明白，即使轧机、平整机配备了先进的板形控制系统和控制手段，仍然存在部分品种、规格的带钢板形难于控制，出现最终板材在横向的厚度不均匀、不平度、同板差和厚度公差严重等问题，以及板形缺陷导致的轧辊服役周期有限的问题。

本发明人发现：对平整机的初始辊，即，对平整机的凸度可变工作辊(VCW)的辊形进行设计，也是一种重要的、有效的带钢板形的调节手段。

本发明人又发现：对平整机的初始辊，即，对平整机的凸度可变工作辊(VCW)的辊形曲线进行的合理设计可以缓解轧辊纵向受力不均现象，减少轧制过程中的磨损或者使其均匀磨损，直接降低成本，同时减少不良产品率，提高优质产品的生产命中率。

另外，本发明人还发现：对平整机的初始辊，即，对平整机的凸度可变工作辊(VCW)的辊形曲线进行的合理设计，可以保证最终板材在横向的厚度均匀，使其不平度、同板差和厚度公差达到国家标准、国际标准乃至苛刻的用户标准。

同时，发明人发现：对平整机的初始辊，即，对平整机的凸度可变工作辊(VCW)的辊形曲线进行的合理设计可以帮助轧机充分发挥其功能力，拓展产能，并顺利开发出一些新品种。

发明内容

为克服上述问题，本发明的目的在于：提供一种用于带钢板形控制的凸度可变工作辊(VCW)辊形的形成方法，所述用于带钢板形控制的凸度可变工作辊(VCW)辊形的形成方法系针对VC平整机而言，特别适用于对例如冰箱板等带钢板形的控制。

本发明的一种用于带钢板形控制的凸度可变工作辊(VCW)辊形的形成方法的技术方案如下：

一种用于带钢板形控制的凸度可变工作辊(VCW)辊形的形成方法，其特征在于：

所述凸度可变工作辊VCW工作辊辊形曲线由三部分构成：

(1)主承载区：在带钢宽度范围内，[-B/2，B/2]，其中B为最大板宽，定义为主承载区，这部分的辊形比较平缓，目的是克服过大的工作凸度造成VC辊辊套向内凹陷以及油缝厚度的减小；

(2)过渡区：支持辊边部到带钢边部的范围，[-L_B/2，-B/2]和[B/2，L_B/2]，过渡区的辊径比主承载区辊径小，目的是起到一定减小有害接触区、增加正弯辊效果的目的；

(3)减压靠区：工作辊边部到支持辊边部的范围，[-L_W/2，-L_B/2]和[L_B/2，L_W/2]，此部分工作辊在支持辊外部，工作辊辊径明显减小，起到减小或消除压靠的目的。

根据本发明的用于带钢板形控制的凸度可变工作辊(VCW)辊形的形成方法，其特征在于：

主承载区：R₁(x)＝A₁₂x²+A₁₄x⁴+A₁₆x⁶+A₁₈x⁸+…

过渡区(左右两部分对称)：  R₂(x)＝A₂₀+A₂₂x²+A₂₄x⁴+A₂₆x⁶+A₂₈x⁸+…

减压靠区(左右两部分对称)：R₃(x)＝A₃₀+A₃₂x²+A₃₄x⁴+A₃₆x⁶+A₃₈x⁸+…

式中：R₁(x)、R₂(x)、R₃(x)为辊形函数，A₁₂、A₁₄、A₁₆、A₁₈、A₃₀、A₃₂、A₃₄、A₃₆、A₃₈为多项式系数，x为距离辊身中点的距离，在-1～+1范围。

其中各系数的范围如下：

A₁₂：[10，30]  A₁₄：[-5，15]  A₁₆：[60，120]  A₁₈：[400，700]

A₂₀：[0，4]    A₂₂：[0，10]   A₂₄：[-5，15]   A₂₆：[400，800]

A₂₈：[-5，10]  A₃₀：[0，4]    A₃₂：[-10，10]

A₃₄：[20，80]  A₃₆：[50，150] A₃₈：[450，850]。

上述辊形曲线的确定实际上就是确定各多项式系数，多项式系数就是设计变量，即通过搜索找出符合条件的辊形曲线。多项式系数确定的方法如下。

辊形曲线应同时满足以下几个条件：①平移动基本凸度点，即在条件相同的情况下，凸度可变工作辊辊形要能得到比0.2mm凸度辊形更小的辊缝凸度，目的是更好的控制带钢的边浪；②凸度可变工作辊辊形能够得到比0.2mm凸度工作辊更好的辊间接触压力分布，能够降低边部接触压力的尖峰，并且能够在不对称情况下得到更均匀的辊间接触压力分布，目的是减轻支持辊的不对称磨损；③凸度可变工作辊辊形不能明显减小油缝厚度，目的是不能降低油楔的承载能力。④辊形曲线的凸度(辊身边缘与辊身中点的半径差)应大于0.8mm(目的是避免轧辊边部剥落)，小于1.4mm(目的是避免辊耗过大)；⑤必须保证五部分形成的工作辊辊形曲线连续，辊形曲线单调递增。

辊形曲线系数的搜索过程需要仿真计算不同辊形曲线下的辊系变形，通过离线仿真来计算基本凸度点、油缝厚度等评价指标。

辊形系数A_ij通过使用有限元软件计算获得，具体步骤为：

a.使用优化算法进行选优计算，优化计算的设计变量是辊形系数A_ij，优化计算的目标函数是①辊间接触应力分布最均匀、②油缝厚度最大，优化计算的约束条件是①凸度可变工作辊辊形的基本凸度点处于50～90μm、②辊形曲线的凸度为0.8-1.4mm、③工作辊辊形曲线连续单调递增。

b.在优化计算中的迭代中，每计算一次目标函数与约束条件，需要先通过离线仿真来计算轧机的基本凸度点、辊间接触压力的分布和油缝厚度，然后对整个辊形曲线再进行寻优。

根据本发明的用于带钢板形控制的凸度可变工作辊(VCW)辊形的形成方法，其特征在于：

所述主承载区在0-50μm范围，所述过渡区在50-200μm范围，所述减压靠区在200-800μm范围。

根据本发明的用于带钢板形控制的凸度可变工作辊(VCW)辊形的形成方法，其特征在于：

A₁₂、A₁₄、A₁₆、A₁₈--A₂₂、A₂₄、A₂₆、A₂₈--A₃₀、A₃₂、A₃₄、A₃₆、A₃₈等多项式系数各取8-10项。

1.有益效果

为了从理论上说明凸度可变工作辊辊形的优越性，选取宝钢1550连退平整机为研究对象，此机组生产的薄宽规格冰箱板的规格为0.45mm×1300mm。运用有限元软件对VCW辊形进行仿真计算，对比原辊形(平辊、0.2mm凸度工作辊)和VCW辊形(图3)的控制性能，包括基本凸度点，VC支持辊油缝厚度变化，辊间接触压力不对称系数三个指标。

基本凸度点的定义为：当各板形调控手段都处于基本调节起点时承载辊缝在板宽范围内所具有的二次凸度值。

为分析各种辊形的不对称特性，有限元模型中给带钢跑偏后的轧制力分布，制造辊系的不对称因素。为定量说明接触压力的不对称分布，定义如下指标：

$p_{\mathrm{cont}}=\frac{p_{\max r}-p_{\max 1}}{p_{\mathrm{ave}}}$

式中：p_cont为辊间接触压力不对称系数；p_maxr为辊身右侧辊间接触压力峰值；p_maxl为辊身左侧辊间接触压力峰值；p_ave为辊间接触压力的平均值

表1各指标的对比

从表1仿真结果可以看出，VCW辊形能得到比0.2mm辊形更小的基本凸度点，油缝厚度基本没有变化，VCW辊形能够降低辊身两端的接触压力尖峰，并且能有效降低不对称因素引起的辊间接触压力的不对称分布，如图4，有利于减轻支持辊的不对称磨损，延长支持辊服役周期。

附图的简单说明

图1是VC辊工作原理。

图2是凸度可变工作辊辊形。

图3是辊形的对比。

图4是辊间接触压力的对比。

图中，1为VC辊，2为旋转接头，3为减压靠区，4为过渡区，5为主承载区。

具体实施方式

以下，参照附图，以实施例更具体说明本发明。

实施例1

针对宝钢1550连退平整机进行了VCW工作辊辊形设计，利用离线仿真的方法，根据辊形曲线的设计目标，设计了针对1550连退平整机的VCW辊形，具体参数如下：

A₁₂＝20  A₁₄＝10  A₁₆＝90  A₁₈＝580

A₂₀＝0   A₂₂＝2   A₂₄＝4   A₂₆＝564  A₂₈＝0

A₃₀＝0   A₃₂＝20  A₃₄＝59  A₃₆＝88   A₃₈＝551

计算时B＝1430mm，L_B＝1620mm，L_W＝1850mm，然后将x坐标归一化，即将[-L_W/2，L_W/2]的取值转化为[-1，1]。

2007年底，VCW工作辊辊形在宝钢1550连退平整机试用。VCW工作辊有一定控制冰箱板边浪的作用，对比0.2mm凸度工作辊，可显著降低轧制力，改善机组出口的板形情况(如表2所示)。生产实践说明VCW工作辊辊形有一定减小有害接触区、抑制压靠的作用。有利于提高轧辊的服役周期，延长轧辊的使用寿命，降低生产成本。在特定情况下(针对某些品种、规格的带钢)，VCW工作辊辊形是一种简单、有效的板形控制手段。

表2新辊形应用前后轧制力和板形数据对比

本发明的工作辊只要磨辊车间磨削出相应的辊形即可，加工方便，成本低，可以方便的向VC平整机推广，适用于生产特定规格的冰箱板，具有广阔的应用前景。

Claims (7)

1.一种用于带钢板形控制的凸度可变工作辊辊形的形成方法，其特征在于：

所述凸度可变工作辊辊形曲线由三部分构成：

(1)主承载区：在带钢宽度范围内，[-B/2，B/2]，其中B为最大板宽，定义为主承载区；

(2)过渡区：支持辊边部到带钢边部的范围，[-L_B/2，-B/2]和[B/2，L_B/2]，过渡区的辊径比主承载区辊径小，其中L_B为支持辊辊身长度；

(3)减压靠区：工作辊边部到支持辊边部的范围，[-L_W/2，-L_B/2]和[L_B/2，L_W/2]，其中L_W为工作辊辊身长度。

2.如权利要求1所述的用于带钢板形控制的凸度可变工作辊辊形的形成方法，其特征在于：

主承载区：R₁(x)＝A₁₂x²+A₁₄x⁴+A₁₆x⁶+A₁₈x⁸+…

过渡区，左右两部分对称：R₂(x)＝A₂₀+A₂₂x²+A₂₄x⁴+A₂₆x⁶+A₂₈x⁸+…

减压靠区，左右两部分对称：R₃(x)＝A₃₀+A₃₂x²+A₃₄x⁴+A₃₆x⁶+A₃₈x⁸+…

式中：

R₁(x)、R₂(x)、R₃(x)为辊形函数，

A₁₂、A₁₄、A₁₆、A₁₈、A₃₀、A₃₂、A₃₄、A₃₆、A₃₈为多项式系数，

x为距离辊身中点的距离，在-1～+1范围；

其中各系数的范围如下：

A₁₂：[10，30]  A₁₄：[-5，15]  A₁₆：[60，120]  A₁₈：[400，700]

A₂₀：[0，4]    A₂₂：[0，10]   A₂₄：[-5，15]   A₂₆：[400，800]

A₂₈：[-5，10]  A₃：[0，4]     A₃₂：[-10，10]

A₃₄：[20，80]  A₃₆：[50，150] A₃₈：[450，850]。

3.如权利要求1所述的用于带钢板形控制的凸度可变工作辊辊形的形成方法，其特征在于：

所述主承载区在0-50μm范围，所述过渡区在50-200μm范围，所述减压靠区在200-800μm范围。

4.如权利要求1所述的用于带钢板形控制的凸度可变工作辊辊形的形成方法，其特征在于：

辊形曲线的凸度，即辊身边缘与辊身中点的半径差应大于0.8mm，小于1.4mm。

5.如权利要求1所述的用于带钢板形控制的凸度可变工作辊辊形的形成方法，其特征在于：

辊形系数A_ij通过使用有限元软件计算获得，具体步骤为：

a.使用优化算法进行选优计算，优化计算的设计变量是辊形系数A_ij，

优化计算的目标函数是：

①辊间接触应力分布最均匀、②油缝厚度最大；

优化计算的约束条件是：

①VCW辊形的基本凸度点处于50～90μm，

②辊形曲线的凸度为0.8-1.4mm，

③工作辊辊形曲线连续单调递增；

b.在优化计算中的迭代中，每计算一次目标函数与约束条件，需要先通过离线仿真来计算轧机的基本凸度点、辊间接触压力的分布和油缝厚度，然后对整个辊形曲线再进行寻优。

6.如权利要求2所述的用于带钢板形控制的凸度可变工作辊辊形的形成方法，其特征在于：

A₁₂、A₁₄、A₁₆、A₁₈--A₂₂、A₂₄、A₂₆、A₂₈--A₃₀、A₃₂、A₃₄、A₃₆、A₃₈等多项式系数各取8-10项。

7.如权利要求6所述的用于带钢板形控制的凸度可变工作辊辊形的形成方法，其特征在于：

针对1550连退平整机，凸度可变工作辊辊形参数取下述项：

A₁₂＝20，A₁₄＝10，A₁₆＝90，A₁₈＝580，

A₂₀＝0，A₂₂＝2，A₂₄＝4，A₂₆＝564，A₂₈＝0

A₃₀＝0，A₃₂＝20，A₃₄＝59，A₃₆＝88，A₃₈＝551。

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