CN102009067A

CN102009067A - 一种兼顾轧制稳定和断面形状的中厚板辊系配置方法

Info

Publication number: CN102009067A
Application number: CN 201010510316
Authority: CN
Inventors: 邵健; 何安瑞; 孙文权
Original assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Current assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Priority date: 2010-10-18
Filing date: 2010-10-18
Publication date: 2011-04-13
Anticipated expiration: 2030-10-18
Also published as: CN102009067B

Abstract

本发明涉及一种兼顾轧制稳定和断面形状的中厚板辊系配置方法，具体指在中厚板支撑辊服役的不同周期内，工作辊与支撑辊的配合方式。综合考虑辊缝对轧制稳定性的影响以及横断面形状控制的影响因素，提出在中厚板轧机上采用中间辊径大，两段辊径小的六次多项式曲线支撑辊，且在支撑辊服役的前期和中期，采用中间辊径小，两端辊径大的六次多项式曲线工作辊和支撑辊配合；在支撑辊服役后期，采用中间辊径大，两端辊径小的六次多项式曲线工作辊和磨损后的支撑辊配合。本发明所提及的辊系配置方法解决了中厚板轧制稳定性与横断面形状控制之间的矛盾，现场运用可取得显著的效果。

Description

一种兼顾轧制稳定和断面形状的中厚板辊系配置方法

技术领域：

本发明涉及冶金机械及自动化、轧制技术。具体指一种兼顾中厚板轧制稳定性和横断面形状控制的方法。

背景技术：

带钢横截面形状是中厚板的一项主要质量指标和决定其市场竞争力的重要因素，而轧制稳定性又是生产顺行的制约条件，兼顾轧制稳定性和横截面形状控制在现代中厚板生产中越来越受到重视。凸度是带钢横截面外形的重要指标，定义为带钢中点厚度与两侧(一般可选取距离边部15mm，40mm等)平均厚度的差值。实际生产过程中，为保证最终产品横截面外形而制定的承载辊缝控制策略往往与轧制稳定性之间存在着矛盾，大凸度辊缝对带钢有包容作用，可以有效抑制带钢走偏，而中厚板最终产品一般追求低凸度辊缝。

与常规热连轧相比，中厚板轧机在断面形状控制和轧制稳定性方面有以下特点：1)总轧制压力大，轧辊挠曲变形严重；2)中厚板轧机一般辊面较长，产品大纲涵盖较大宽度范围，有害接触区对辊缝形状的影响更为突出；3)由于需要进行往返轧制，各道次间的轧制压力差异较大，辊系受力状态相差大，断面形状控制稳定性差；4)由于中厚板采用的是无张力轧制，而张力又可以有效抑制带钢跑偏，因此中厚板因带钢跑偏导致轧制不稳定现象比常规热连轧严重；5)带钢宽厚比一般较大，操作人员很难及时做到通过调节单侧压下保证轧制稳定性。鉴于以上特点，目前许多中厚板产品距离边部40mm处的凸度值C40常常能超过300μm，而采用一些手段降低凸度后又出现轧制不稳定现象。中厚板轧机轧制技术发展至今，用于保证断面形状控制和轧制稳定性的技术主要有：

1)弯辊力。弯辊力是通过装设在轴承座之间的液压缸向工作辊或支撑辊辊颈施加液压弯辊力来改变轧辊的挠曲形状，以补偿由于轧制压力等工艺因素波动对辊缝形状的影响。如图1所示为工作辊正弯辊的效果图，通过正弯辊增大承载辊缝两侧开口度，得到低凸度产品。

2)压下负荷分配。此方法的核心是通过调节各道次的压下量进而调节轧制压力大小，改变辊系的受力状态，保证需要的承载辊缝形状。

3)辊系配置方案。辊系配置主要指工作辊和支撑辊的配置方法，通过计算辊系变形、热辊形、磨损辊形大小等，结合现场实测，调整工作辊与支撑辊的辊系配置情况，满足带钢对断面形状控制的需求。如图2所示，辊系采用平支撑辊和常规二次曲线(或SIN曲线)凸形工作辊的配置方法，可以补偿工作辊的挠曲，增大承载辊缝两侧开口度，得到低凸度产品。如图3所示，辊系采用平支撑辊和常规二次曲线(或SIN曲线)凹形工作辊的配置方法，可以减小承载辊缝两侧开口度，得到大凸度辊缝，并提高轧制稳定性。

与技术1)和技术2)相比，技术3)只需通过配辊和磨削辊形曲线即可达到明显的效果，因此也成为了关注的焦点，从技术3)来看，现有的辊系配置方案和技术1)、技术2)达到的效果相同，仍只能进行是单目标控制，轧制稳定性与横断面形状控制只能兼顾其一。为满足中厚板轧制稳定性和横断面形状控制的需求，须研究新的方法来解决他们之间的矛盾。

发明内容：

针对中厚板轧机在轧制稳定性和横断面形状控制方面难以兼顾的缺点，本发明提出了一种中厚板轧机新的辊系配置方法，根据中厚板轧制技术的特点要求工作辊与支撑辊在轧制过程中承担不同的任务，利用新设计的配置方式解决轧制稳定性与横断面形状控制之间的矛盾，以适应中厚板轧机对产品质量和生产顺行的需求。

中厚板轧机辊系配置具体指工作辊和支撑辊采用何种辊形，辊系配置是板形控制的关键，在整个轧制过程中起着长期、基础的作用。为了达到以上目的，本发明设计的辊系配置中，支撑辊和工作辊共同承担起提高轧机的板形控制能力和轧制稳定性的功能。

本发明的技术方案：一种兼顾轧制稳定和断面形状的中厚板辊系配置方法，该配置方法中支撑辊和工作辊需配对使用，具体技术方案如下：

首先在支撑辊服役的前期和中期，支撑辊磨损小，辊形保持性较好，为了兼顾轧制稳定性和断面形状控制的需求，采用中间辊径大、两端辊径小的六次多项式曲线支撑辊和中间辊径小、两端辊径大的六次多项式曲线工作辊配合方式；

在支撑辊服役后期，支撑辊磨损大，辊形保持性变差，同样为了兼顾轧制稳定性和断面形状控制，采用中间辊径大、两端辊径小的六次多项式曲线工作辊与磨损后的支撑辊配合。

以支撑辊或工作辊下表面中点为原点，平行于轧辊轴线为x轴，垂直于轴线为y轴，则支撑辊或工作辊下表面曲线均可描述为：

y(x)＝a₂x²+a₄x⁴+a₆x⁶

其中：

x为工作辊或支撑辊辊身轴向正则化坐标，x∈[-1，1]；

y(x)为轧辊下表面曲线纵坐标，单位为mm，对于支撑辊，y(x)∈[0，0.45]；在支撑辊服役前期和中期，对应工作辊y(x)∈[-0.25，0]，在支撑辊服役后期，对应工作辊y(x)∈[0，0.25]；

a₂、a₄、a₆为辊形曲线系数，对于支撑辊，a₂∈[0，0.08]，a₄∈[-0.03，-0.12]，a₆∈[0.2，0.4]；在支撑辊服役前期和中期，对应工作辊a₂∈[-0.03，0]，a₄∈[0.015，0.04]，a₆∈[-0.26，-0.04]；在支撑辊服役后期，对应工作辊a₂∈[0，0.03]，a₄∈[-0.04，-0.015]，a₆∈[0.04，0.26]。

本发明的有益效果是：辊系配置特点：一、是在支撑辊不同的服役周期，选择不同的工作辊配置方式。在支撑辊服役前期，边部辊形高度较大，虽然横断面形状控制能力得到提高，但轧制稳定性变差，为此，选用中间近似为平段，边部为曲线段的凹形工作辊，工作辊辊身中间辊径小于边部辊径，此工作辊不但可以补偿带钢宽度范围内的轧辊挠曲，进一步增加横断面控制能力，同时，又可以有效抑制带钢跑偏引起的轧制不稳定现象；在支撑辊服役后期，随着轧辊磨损的增加，支撑辊边部辊形高度减小，轧制稳定性得到提高，但横断面控制能力下降，为此，选用中间近似为平段，边部为曲线段的凸形工作辊，工作辊辊身中间辊径大于边部辊径，此工作辊补偿了支撑辊磨损后横断面控制能力下降的缺陷，同时又没有牺牲轧制稳定性。

二、是选用高次多项式曲线支撑辊。支撑辊曲线外形在辊身中部近似为平段，辊身边部为曲线段，支撑辊辊身中间辊径大于边部辊径，中间近似平段宽度与主轧规格有关。采用此支撑辊的配置方法可以有效提高弯辊力的调控功效，抵抗轧制压力大幅度波动对断面形状的影响，均匀化辊间接触压力等，从而增强中厚板横断面形状控制能力。

解决中厚板轧制中轧制稳定性与横断面形状控制之间的矛盾。由于六次多项式曲线在磨床上实现非常容易，因此，本发明在中厚板轧机上实现可行性强，成本低。

附图说明：

图1工作辊正弯辊示意图

图2平支撑辊和常规凸形工作辊的辊系配置示意图。

图3平支撑辊和常规凹形工作辊的辊系配置示意图。

图4本发明PSBR(无磨损)和N-PSWR辊系配置示意图。

图5本发明PSBR(磨损后)和P-PSWR辊系配置示意图。

图6为承载辊缝内带钢受力示意图。

具体实施方式：

下面结合实施例本发明的技术方案做进一步说明。

从背景技术分析可知，中厚板轧机存在着辊系挠曲严重、有害接触区对辊缝的影响大、各道次辊缝不稳定等特点，为此，支撑辊的配置方案需考虑如何应对以上特点。引入两个重要的评价指标：1)承载辊缝横向刚度，用变量k_g表示，定义为轧制压力变化量与承载辊缝凸度变化量的比值，k_g越大，承载辊缝越稳定，可以有效降低中厚板中有害接触区及轧制压力波动对辊缝的影响；2)弯辊力调控效果，用变量k_f表示，定义为承载辊缝凸度变化量与弯辊力变化量的比值，k_f绝对值越大，中厚板轧机断面形状控制能力越强。支撑辊配置方案以提高承载辊缝横向刚度和弯辊力调控效果为主要目的。

定义本发明的辊系配置中支撑辊命名为PSBR，凹形工作辊命名为N-PSWR，凸形工作辊命名为P-PSWR，意义为兼顾断面形状控制(Profile)和轧制稳定性(Stability)的轧辊。如图4和图5所示，为支撑辊不同服役期内，本发明的辊系配置方案图。

所述PSBR和N-PSWR、P-PSWR成对使用，上下支撑辊采用相同的辊形曲线，上下工作辊曲线也相同，在PSBR服役前期和中期，工作辊配置N-PSWR；在PSBR服役后期，工作辊配置P-PSWR。

采用如图PSBR支撑辊配置方案可以达到以上效果。PSBR在不同轧制压力作用下，支撑辊与工作辊之间的接触长度可变，带钢宽度越大，轧制压力也越大，接触线长度也越长，反之越短，可以做到辊间接触长度与带钢宽度近似相适应，减小有害接触区及轧制压力波动对承载辊缝的影响，弯辊力的调控效果也得到了提高。曲线系数的确定方法可按照产品大纲主要规格为对象，以提高轧机板形控制功能和均匀化辊间压力为目标函数，并以辊间接触长度约束条件和板形良好为约束条件，联立辊系变形模型和遗传算法对曲线系数进行寻优计算。为了定量给出高次多项式曲线支撑辊的运用效果，以某厂3450mm中厚板为研究对象，对PSBR和普通平支撑辊进行比较，轧机尺寸和轧制工艺参数均采用现场实际情况，轧制带钢宽度选取2500mm，工作辊辊形选取三种抛物线辊形，直径量分别为-200μm、0μm、200μm，不考虑工作辊热膨胀和磨损的影响，在相同工况下承载辊缝横向刚度和弯辊力调控效果比较结果如表1所示。从表1可以看出，采用PSBR在提高承载辊缝横向刚度和弯辊力调控效果方面均有明显的效果。因此，本辊系配置中采用PSBR可以使得横断面形状控制能力得到增强。

表1PSBR和平支撑辊的k_g和k_f指标比较

轧制稳定性则和承载辊缝形状密切相关，如图6所示为工作辊承载辊缝内带钢的受力简图。由于辊系弯曲变形，作用在带钢表面的单位轧制压力的方向与垂直方向有一偏角

由此产生一个水平方向的分量

由于带钢横向尺寸或性能不对称、轧辊轴向状态不同等原因，p_n及

沿带钢宽度方向各点均不同。当p_n水平分量的合力不等于零时，带钢必存在横向运动趋势，假设带钢存在向传动侧运动的趋势，随之伴生单位摩擦力f_m。设p_n与f_m合力的水平分量为p_x，其大小如下：

当带钢整个宽度上p_x之和大于零时，即∑p_x＞0，带钢将向传动侧走偏，反之则向操作侧走偏。采用如图6所示的凹形辊缝轧制时，如果带钢向传动侧走偏，

减小，∑p_x减小，带钢回到中心线的趋势。可以看出，大凸形的承载辊缝对带钢起包容作用，可以防止带钢走偏。

基于以上分析，和支撑辊配对的工作辊选择考虑以上因素。支撑辊采用PSBR后，相应工作辊的配置通常可选用平辊、常规二次曲线(或SIN曲线)凸形工作辊、常规二次曲线(或SIN曲线)凹形工作辊等，采用平工作辊或者凸形工作辊由于可以对辊缝形状进行补偿，可以进一步提高横断面形状控制的能力，得到低凸度产品，但是采用此类工作辊后，由于支撑辊和工作辊边部有一段不接触区域，导致工作辊在带钢宽度范围以外部分挠曲量变小，且和凹形工作辊相比，承载辊缝边部开口度增大，这些因素均导致了轧制稳定性变差。采用常规二次曲线(或SIN曲线)凹形工作辊可提高轧制稳定性，然而，此类凹辊在带钢宽度范围内辊缝开口度减小过快，使得出口凸度变大，工作辊与支撑辊之间的压力均匀性也变差，轧制稳定性提高的同时横断面形状控制能力减弱。

本发明提出辊系配置方案则很好地解决了上述矛盾。

在PSBR上机服役初期，由于轧辊边部高度较大，虽然横断面控制能力得到增强，但支撑辊边部和工作辊有不接触区域，轧制稳定性变差，此时，工作辊配置N-PSWR，如图4所示。在N-PSWR辊身中部，特别是和所轧制带钢宽度近似相等的宽度范围内，采用近似平段的辊形曲线，和常规二次曲线(或SIN曲线)相比，可以补偿带钢宽度范围内工作辊的挠曲，增加带钢两边开口度，达到低凸度轧制的目的，而在带钢边部及不接触范围，则采用和常规曲线凹形辊类似的设计方案，一旦带钢发生走偏现象，边部承载辊缝的受力情况可以起到纠偏作用，到达轧制稳定性和断面形状控制兼顾的目的。为定量给出本发明提出的辊系配置方案中N-PSWR效果，工作辊分别采用辊径高度相等的常规曲线凹辊形和N-PSWR，比较承载辊缝凸度控制效果。轧制带钢宽度选取2500mm，单位宽度轧制压力选取13kN/mm，单侧弯辊力分别取0kN和1000kN，支撑辊配置采用PSBR。采用PSBR加常规曲线凹辊形时，当弯辊力为0kN时，得到的凸度C40为310.9μm，当弯辊力为1000kN时，得到的凸度C40为179.8μm；采用PSBR加N-PSWR辊系配置时，当弯辊力为0kN时，得到的凸度C40为187.6μm，当弯辊力为1000kN时，得到的凸度C40为51.9μm。从结果可以看出，本发明提出的N-PSWR轮廓外形为凹形辊，轧制稳定性得到了提高，同时结合PSBR，横断面形状控制能力得到大大增强。

在PSBR服役后期，从图5和图4的对比可看出，由于支撑辊磨损严重，原先设计的支撑辊辊形曲线边部高度变小，中部平段长度增加，且平段部分存在磨损箱型孔，辊系在受力状态下，支撑辊与工作辊的辊间接触长度增加，原先设计的断面形状调控能力削弱，但轧制稳定性得到提升。为了弥补断面形状控制能力的不足，在PSBR服役后期，工作辊配置P-PSWR，如图5所示，在P-PSWR辊身中部，特别是和所轧制带钢宽度近似相等的宽度范围内，采用近似平段的辊形曲线，考虑到承载辊缝对稳定性的影响，仅在辊身边部则采用高次曲线段，中间辊径大于边部辊径，通过直接补偿边部的轧辊挠曲进而提高断面形状控制能力，弥补了PSBR磨损以后在断面形状控制能力方面的不足。

结合以上分析，分别给出了中厚板轧机支撑辊服役前期和后期，采用不同辊系配置方案时横断面形状控制能力与轧制稳定性的综合评价效果。如表2和表3所示，表中：平支撑辊指不带任何辊形的支撑辊；平工作辊指不带任何辊形的工作辊；凸和凹工作辊分别指采用常规二次曲线(或SIN曲线)的凸和凹工作辊；PSBR和N-PSWR、P-PSWR具体表示内容见上文。

表2不同辊系配置方案下综合效果评价(支撑辊服役前期和中期)

表3不同辊系配置方案下综合效果评价(支撑辊服役后期)

Claims

1.一种兼顾轧制稳定和断面形状的中厚板辊系配置方法，该配置方法中支撑辊和工作辊需配对使用，其特征在于：

1.在支撑辊服役的前期和中期，采用中间辊径大、两端辊径小的六次多项式曲线支撑辊和中间辊径小、两端辊径大的六次多项式曲线工作辊配合方式；

2.在支撑辊服役后期，根据所述支撑辊磨损大，辊形保持性变差，采用中间辊径大、两端辊径小的六次多项式曲线工作辊与磨损后的支撑辊配合。

2.根据权利要求1所述的兼顾轧制稳定和断面形状的中厚板辊系配置方法，其特征在于，所述支撑辊与所述配对工作辊辊形曲线形式，以支撑辊或工作辊下表面中点为原点，平行于轧辊轴线为x轴，垂直于轴线为y轴，则支撑辊或工作辊下表面曲线均可描述为：

其中：

x为工作辊或支撑辊辊身轴向正则化坐标，x∈[-1,1]；

y(x)为轧辊下表面曲线纵坐标，单位为mm，对于支撑辊，y(x) ∈[0,0.45]；在支撑辊服役前期和中期，对应工作辊y(x) ∈[-0.25,0]，在支撑辊服役后期，对应工作辊y(x) ∈[0,0.25]；

a ₂、a ₄、a ₆为辊形曲线系数，对于支撑辊，a ₂∈[0，0.08]，a ₄∈[-0.03，-0.12]，a ₆∈[0.2，0.4]；在支撑辊服役前期和中期，对应工作辊a ₂∈[-0.03，0]，a ₄∈[0.015，0.04]，a ₆∈[-0.26，-0.04]；在支撑辊服役后期，对应工作辊a ₂∈[0，0.03]，a ₄∈[-0.04，-0.015]，a ₆∈[0.04，0.26]。