CN102641892B - 兼顾热轧不锈钢二次和高次浪形工作辊辊形的设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及兼顾热轧不锈钢二次和高次浪形控制的工作辊辊形，具体指在不使用轧辊轴向窜动的轧机上，通过下游机架工作辊辊形曲线的设计，达到同时改善特定宽度带钢二次浪形和高次浪形两种板形缺陷的目的。本发明采用二次曲线和六次曲线叠加的方法，形成特殊的热轧工作辊辊形曲线，使得工作辊辊形具有控制中间浪和双边浪两种对称浪形的能力，也具有控制高次浪形的能力。二次曲线的系数通过二次浪形的大小进行设计，六次曲线的系数主要通过高次浪形的位置和大小进行确定，两种曲线系数确定后进行分区域叠加。通过本发明提及的工作辊辊形技术，可以有效兼顾热轧不锈钢二次浪形和高次浪形控制，丰富了热轧不锈钢轧制中板形的控制手段。
Description
技术领域
本发明涉及冶金机械、自动化及轧制技术，具体指一种兼顾热轧不锈钢二次和高次浪形控制的工作辊辊形的设计方法。
背景技术
不锈钢作为重要的金属材料，具有良好的耐腐蚀性、耐高温性、高强度等特点，广泛应用于石油化工、航空航天、交通、民用五金等领域，在国民经济中处于举足轻重的地位。由于不锈钢具有加热温度范围窄、高温变形抗力大、表面质量控制困难等特点，为此，热轧不锈钢质量控制也成为了热轧品种钢轧制的关键技术之一。
作为热轧不锈钢质量控制的重要指标之一，浪形已经成为高端市场的准入证。浪形产生的原因主要是带钢轧制过程中，由于横向各纤维延伸不均，导致横向产生不均匀内应力，此内应力超过屈曲极限后表现为可见浪形。浪形的分类大致可以分为一次浪形、二次浪形和高次浪形。一次浪形通常也称为单边浪，主要通过调节操作侧和传动侧辊缝水平程度加以解决；二次浪形主要指中间浪和双边浪，在热轧中可以通过弯辊控制、初始辊形配置、负荷分配优化等手段加以解决，如加大弯辊、增加工作辊正辊形、减小轧制压力均可以达到改善双边浪的目的；高次浪形主要指浪的位置随机出现，且无法用一次或二次曲线去识别，通常需要四次甚至更高的曲线识别，冷轧中可以通过轧辊分段冷却进行消除，在热轧中高次浪主要以四次浪形为主，目前尚无有效的解决方法，主要通过设备运行状态排查、温度保证等工作尝试解决。
高次浪形产生的原因主要有以下三点：1）轧件方面因素，如横向温度不均、横向成分不均、横断面有局部高低点；2）轧辊方面因素，如轧辊横向存在严重不均匀磨损、轧辊横向温度分布不均、轧辊磨削精度误差等；3）辊系变形方面因素，主要表现为辊系尺寸在大轧制压力工况下，工作辊和支持辊辊系的弯曲具有高次成分。在生产过程中以上有些因素可以避免和加以改进，如横断面形状、成分不均、轧辊磨削精度、轧辊横向温度不均等，而有些因素则由于设备固有问题无法解决，如辊系高次挠曲、横向温度不均等。
虽然目前在热轧不锈钢的板形控制领域有一些研究成果，但主要还是集中在二次浪形的研究，如文献1（满足不锈钢与碳钢混合轧制的板形快速自学习的开发与应用，2006年全国轧钢生产技术会议文集）提到考虑带钢属性进行层别细化，解决不锈钢与碳钢混合轧制的板形问题，其实质是通过优化弯辊设定值来控制二次板形；文献2（热轧不锈钢带钢凸度控制研究，第八届中国钢铁年会论文集）提出采用优化PC交叉角和弯辊力的方法提高凸度命中率；文献3（1780热轧窄带钢板形控制的研究，2007，冶金自动化增刊）提出通过强力弯辊和PC轧机改善板形等。
目前热轧不锈钢生产载体多为中宽带轧机，此类轧机要么不配置窜辊系统，要么配置了窜辊系统，但考虑到表面质量控制等因素，末机架的窜辊不投入使用。且在不锈钢生产中，一个换辊周期内轧制的品种和规格较为单一，这就为解决由设备固有原因而产生的高次浪形提供了契机。
发明内容
为了解决上述问题，本发明目的是提供一种兼顾热轧不锈钢二次浪形和高次浪形控制的工作辊辊形设计方法，补偿由于设备固有问题带来的板形不良，丰富热轧不锈钢板形控制手段。
二次浪形，如中间浪和双边浪通过弯辊、辊形、负荷分配能够加以解决，其中辊形是一个较为直接的手段。以双边浪为例，图1表示板形仪表沿带钢横向检测出来的9个通道值，可以看出，边部延伸多，中间延伸少，为典型的双边浪，解决这种浪形可通过加大弯辊力、增加工作辊正辊形或减小负荷分配加以实现。采用辊形手段的作用机理主要是通过辊形来减小带钢横向延伸的不均匀性，而且辊形通过简单的磨削就能实现。
如图2所示，为典型的四分之一位置高次浪形，若此高次浪形是由于设备固有问题而导致的，则通过弯辊或普通辊形技术难以解决。
本发明技术方案是：兼顾热轧不锈钢二次和高次浪形工作辊辊形的设计方法，具体包括以下步骤：
1）在轧辊全长范围内，根据二次浪形设计二次曲线，如果不锈钢二次浪以中间浪为主，则加大辊形的二次曲线凹度，即使得轧辊中间辊径变小，两端辊径变大；如果不锈钢二次浪以双边浪为主，则减小辊形二次曲线凹度，即使得轧辊中间辊径变大，两端辊径变小。二次抛物线辊形方程采用：
其中，L为轧辊辊身长度，x为以轧辊中点为原点的轧辊横向坐标，y(x)为轧辊半径辊形曲线坐标，a 2为二次抛物线曲线参数。
二次曲线系数a 2和中间浪或双边浪这两种对称浪形的大小有关，根据需要控制的浪形大小确定a 2的值，工作辊二次曲线半径辊形大小取值范围在[-300,100]μm之间，为此a 2的取值范围为[-300×4/L2,100×4/L2]，其中L为工作辊长度。如图3所示为设计出的二次曲线辊形（工作辊下表面曲线）。
六次方曲线的设计依据为高次浪形，如果不锈钢在带钢中心线两侧相同位置出现对称浪形，则依据浪形出现的位置和大小，在带钢宽度B范围内设计六次方曲线，如图4所示为按照对称浪形设计的六次辊形曲线。在带钢宽度范围内叠加到二次抛物线曲线上，得到综合公式如下：
其中，B为带钢宽度，b 2、b 4、b 6为六次方曲线系数；b 2、b 4、b 6系数需满足如下方程：
其中， x 0为对称的高次浪距离带钢中心的位置，y 0为轧辊半径辊形量，用于补偿x 0位置四次浪形的大小，根据浪形大小，y 0取值范围为20μm-50μm之间，浪形越大，取值越大。叠加后的新工作辊辊形曲线与二次曲线辊形对比如图5所示。
如果不锈钢在带钢中心线两侧不同位置出现不对称浪形，或在相同位置出现大小不同的浪形，则分别依据浪形在两侧出现的位置和大小，设计两条六次方曲线，在[-B/2，0]以及[0，B/2]范围内，将设计的两条六次曲线分别叠加到二次曲线上，得到综合公式如下：
其中，L为轧辊辊身长度，B为带钢宽度，x为以轧辊中点为原点的轧辊横向坐标，y(x)为轧辊半径辊形曲线坐标，a 2为二次抛物线曲线参数，b 2、b 4、b 6 、c 2、c 4、c 6分别为两条六次方曲线系数；
所述两条六次方曲线系数b 2、b 4、b 6 、c 2、c 4、c 6分别满足以下方程：
其中，B为带钢宽度，x 1、 x 2为非对称高次浪分别距离带钢中心位置，y 1、 y 2为半径辊形量，用于补偿距离带钢中心x 1、 x 2位置四次浪形的大小，根据浪形大小，y 1、 y 2取值范围为20μm-50μm之间，浪形越大，取值越大。
本发明内容通过曲线的设计即可改善热轧不锈钢二次浪形和高次浪形，设计完成后可以以离散点的方式通过磨床磨削即可，为此，本发明在不锈钢轧机上实现起来可行性强、成本低。在某1450mm不锈钢热连轧厂上机实验后表明，此种辊形可显著改善不锈钢二次浪形和高次浪形。
附图说明：
图1 不锈钢横向不均匀延伸（双边浪）。
图2 不锈钢横向不均匀延伸（双侧高次浪）。
图3 二次曲线辊形（工作辊下表面曲线）。
图4 六次曲线辊形（工作辊下表面曲线）。
图5 新工作辊辊形曲线与二次曲线辊形对比。
具体实施方式：
下面结合具体实施方式对本发明做进一步的说明：
实施方式1：
针对某厂1450mm不锈钢热连轧机，该1450mm不锈钢轧机窜辊功能不投入使用，且轧制品种以1250mm宽度为主，由于带钢横向温度一直存在横向不均以及轧制压力过大导致辊系过渡弯曲，轧制1250mm不锈钢时在距离带钢中心±360mm处存在高次浪缺陷，投产以后一直无法解决。
根据本发明的内容，设计相应的工作辊辊形曲线。由于轧机出口二次浪形以中间浪为主，为此以轧辊中心为原点，二次曲线采用半径辊形为-200μm的凹辊形，方程如下：
设计工作辊x 0=±360mm处补偿高次浪辊形高度为y 0=20μm，即所设计的六次方曲线满足条件：
求解上述方程得：
将x 0=±360，y 0=20μm带入方程，解得：
b 2=0.000347988，b 4= -1.79397E-09 ，b 6=2.3119E-15。
以上二次曲线和六次曲线分别设计完成后，对曲线进行综合，在带钢宽度范围内，二次曲线和六次曲线进行叠加，在带钢宽度以外，采用二次曲线。综合公式如下：
得到轧辊横向离散点数据（间隔25mm一个点），如表1所示，x为以轧辊中点为原点的轧辊横向坐标，单位mm，y为轧辊板形辊形，单位为μm。
将以上数据提交给磨床，进行离散点输入，并上机磨削，可有效解决该1450
mm热轧不锈钢厂轧制1250mm不锈钢时在距离带钢中心±360mm处存在的高次浪形缺陷。
表1 工作辊横向离散点数据（实施方式1）
实施方式2：
针对某厂1450mm不锈钢热连轧机，在轧制1250mm不锈钢时在距离带钢中心-360mm和450mm处存在高次浪缺陷（带钢中心点位坐标原点）。
根据本发明的内容，设计相应的工作辊辊形曲线。由于轧机出口二次浪形以中间浪为主，为此以轧辊中心为原点，二次曲线采用半径辊形为-200μm的凹辊形，方程如下：
设计工作辊x 1= -360mm处补偿高次浪辊形高度为y 1=20μm，即所设计的六次方曲线满足条件：
求解上述方程得：
将x 1= -360，y 1=20μm带入方程，解得：
b 2=0.000347988，b 4= -1.79397E-09 ，b 6=2.3119E-15。
设计工作辊x 2=-450mm处补偿高次浪辊形高度为y 2=40μm，即所设计的六次方曲线满足条件：
求解上述方程得：
将x 2=450，y 2=40μm带入方程，解得：
c 2=0.000370158，c 4=-7.295E-10，c 6=-6.07312E-16。
以上二次曲线和两条六次曲线分别设计完成后，对曲线进行综合，在[-B/2，0]以及[0，B/2]范围内，将设计的两条六次曲线分别叠加到二次曲线上，在带钢宽度以外，采用二次曲线。综合公式如下：
得到轧辊横向离散点数据（间隔25mm一个点），如表2所示，x为以轧辊中点为原点的轧辊横向坐标，单位mm，y为轧辊板形辊形，单位为μm。
将以上数据提交给磨床，进行离散点输入，并上机磨削，可有效解决该1450
mm热轧不锈钢厂轧制1250mm不锈钢时在距离带钢中心-360mm和450mm处存在的不对称高次浪形缺陷。
表2 工作辊横向离散点数据（实施方式2）
| x | y | x | y | x | y |
| -825 | -200.00 | -250 | -3.05 | 325 | -0.79 |
| -800 | -188.06 | -225 | -1.55 | 350 | -2.72 |
| -775 | -176.49 | -200 | -0.55 | 375 | -5.38 |
| -750 | -165.28 | -175 | 0.04 | 400 | -8.95 |
| -725 | -154.45 | -150 | 0.33 | 425 | -13.60 |
| -700 | -143.98 | -125 | 0.41 | 450 | -19.50 |
| -675 | -133.88 | -100 | 0.36 | 475 | -26.89 |
| -650 | -124.15 | -75 | 0.24 | 500 | -36.01 |
| -625 | -114.78 | -50 | 0.12 | 525 | -47.10 |
| -600 | -105.14 | -25 | 0.03 | 550 | -60.48 |
| -575 | -94.64 | 0 | 0.00 | 575 | -76.46 |
| -550 | -83.78 | 25 | 0.05 | 600 | -95.41 |
| -525 | -72.95 | 50 | 0.19 | 625 | -114.78 |
| -500 | -62.46 | 75 | 0.41 | 650 | -124.15 |
| -475 | -52.55 | 100 | 0.69 | 675 | -133.88 |
| -450 | -43.40 | 125 | 1.01 | 700 | -143.99 |
| -425 | -35.12 | 150 | 1.34 | 725 | -154.45 |
| -400 | -27.79 | 175 | 1.64 | 750 | -165.29 |
| -375 | -21.43 | 200 | 1.85 | 775 | -176.49 |
| -350 | -16.03 | 225 | 1.91 | 800 | -188.06 |
| -325 | -11.57 | 250 | 1.77 | 825 | -200.00 |
| -300 | -7.97 | 275 | 1.34 | ||
| -275 | -5.16 | 300 | 0.52 |
Claims (3)
1.兼顾热轧不锈钢二次和高次浪形工作辊辊形的设计方法，其特征在于辊形曲线采用二次抛物线和六次方曲线叠加的方式，具体步骤如下：
1）在轧辊全长范围内，根据二次浪形设计二次曲线，如果不锈钢二次浪以中间浪为主，则加大辊形的二次曲线凹度，即使得轧辊中间辊径变小，两端辊径变大；如果不锈钢二次浪以双边浪为主，则减小辊形二次曲线凹度，即使轧辊中间辊径变大，两端辊径变小；二次抛物线辊形方程采用：
其中，L为轧辊辊身长度，x为以轧辊中点为原点的轧辊横向坐标，y(x)为轧辊半径辊形曲线坐标，a 2为二次抛物线曲线参数；
2）六次方曲线的设计依据为高次浪形：
如果不锈钢在带钢中心线两侧相同位置出现对称浪形，则依据浪形出现的位置和大小，在带钢宽度B范围内设计六次方曲线，然后在带钢宽度范围内叠加到二次抛物线曲线上，得到综合公式如下：
其中，B为带钢宽度，b 2、b 4、b 6为六次方曲线系数；b 2、b 4、b 6系数需满足如下方程：
其中， x 0为对称的高次浪距离带钢中心的位置，y 0为轧辊半径辊形量，用于补偿x 0位置四次浪形的大小，根据浪形大小，y 0取值范围为20μm-50μm之间，浪形越大，取值越大。
2.根据权利要求1所述兼顾热轧不锈钢二次和高次浪形工作辊辊形的设计方法，其特征在于，所述步骤2）为，如果不锈钢在带钢中心线两侧不同位置出现不对称浪形，或在相同位置出现大小不同的浪形，则分别依据浪形在两侧出现的位置和大小，设计两条六次方曲线，在[-B/2，0]以及[0，B/2]范围内，将设计的两条六次曲线分别叠加到二次曲线上，得到综合公式如下：
其中，L为轧辊辊身长度，B为带钢宽度，x为以轧辊中点为原点的轧辊横向坐标，y(x)为轧辊半径辊形曲线坐标，a 2为二次抛物线曲线参数，b 2、b 4、b 6 、c 2、c 4、c 6分别为两条六次方曲线系数；
所述两条六次方曲线系数b 2、b 4、b 6 、c 2、c 4、c 6分别满足以下方程：
其中，B为带钢宽度，x 1、 x 2为非对称高次浪分别距离带钢中心位置，y 1、 y 2为半径辊形量，用于补偿距离带钢中心x 1、 x 2位置四次浪形的大小，根据浪形大小，取值范围为20μm-50μm之间，浪形越大，取值越大。
3.根据权利要求1或2所述的兼顾热轧不锈钢二次和高次浪形工作辊辊形的设计方法，其特征在于：所述二次曲线系数a 2和中间浪或双边浪这两种对称浪形的大小有关，根据需要控制的浪形大小确定a 2的值，工作辊二次曲线半径辊形大小取值范围在[-300,100]μm之间，为此，a 2的取值范围为[-300×4/L2,100×4/L2]，其中L为工作辊长度。
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