CN102794307A - 一种宽厚板四辊轧机的支承辊 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种宽厚板四辊轧机的支承辊，所述支承辊的辊型曲线为轴对称，从对称中心向两边依次包括平辊段、三次曲线段和斜直线段。其中三次曲线段长度为L1，倒角深度为H1；L1的取值范围为920~1090mm；H1的取值范围为0.71~0.91mm；三次曲线段的方程为y=ax3+bx2+cx+d；其中a，b，c，d为与轧制条件相关的辊型优化系数。斜直线段长度L2为50mm，高度H2为0.7mm。本发明支承辊辊型的四辊轧机能够适应不同板宽的轧制要求，辊间接触应力分布趋于均匀，延长了支承辊的使用寿命，同时带钢的厚度差也得到了很好的控制，保证了板带材的生产质量。
Description
技术领域
本发明涉及板带轧机技术领域，特别是涉及一种宽厚板四辊轧机的支承辊。
背景技术
宽带钢轧机支承辊的作用是传递轧制力、提高辊缝横向刚度。支承辊与工作辊间的辊间接触压力分布直接影响辊面磨损和疲劳硬化状态，是引起辊面剥落的主因。支承辊辊面接触应力分布不均，会大大缩短支承辊的使用寿命，而支承辊的辊型又决定着辊间接触应力分布。
支承辊的主要损伤形式为辊面磨损和剥落。支承辊的磨损量与辊间接触压力成正比，辊间接触压力的分布不均匀造成局部磨损，而局部磨损又加剧辊间接触应力分布的不均匀性。支承辊的接触疲劳损伤累积引起辊面材料的疲劳硬化，当接触疲劳次数超过材料疲劳极限时，辊面萌生局部裂纹，当微裂纹扩展到一定程度，就造成辊面剥落。分析宽厚板四辊轧机的棍系受力，如图1所示，支承辊相当于中部受分布力Q作用的简支梁，轧制力F作用于支承辊轴承处，工作辊与支承辊直接接触传递轧制力，工作辊弯辊力P用于调节带钢板型，宽厚板四辊轧机的棍系的受力状态为典型的循环接触疲劳受力，在轧制过程中，如果支承辊边部承受较大的接触应力，在长期的交变应力作用下，支承辊内部产生微裂纹，随着微裂纹的宽展，就会发生支承辊的大面积剥落。
辊间接触应力的均匀化，可以改善辊面疲劳硬化和磨损状态，提高支承辊的安全性，延长支承辊的使用寿命。
现有的支承辊的辊型方案主要有以下几种：
1.三段式支承辊，其支承辊辊身由三种不同半径的圆弧曲线连接而成；其端部倒角由两种不同半径的圆弧段连接而成，倒角长度的最大值取为200mm。
2.四辊粗轧机轧辊，支承辊由三段曲线组成，中部为六次多项式方程确定的中凸连续曲线，两端为倒角直线。
3.一种具有复合曲线辊型的轧机支承辊，其辊身由三段组成，分别是中部的多次方中凸连续曲线和辊身边部、形式为斜直线或曲线的两个倒角部分，其中辊身中部占辊身长度的60%~90%，辊身边部的倒角占10%~40%。如果按最大的支承辊辊身为4500mm、辊身边部倒角占40%计算，其边部的倒角长度最大为900mm。该辊型着力解决单一曲线辊型曲率要么大要么小，二者不能兼顾的问题。
4.一种热轧带钢支承辊，支承辊辊型中部为平辊型，边部倒角长度为80~350mm，并且采用至少由两根两端辊型曲线长度不同的支承辊所组成的支承辊组。该支承辊辊型可改善工作辊受力区域，防止局部受力和应力集中现象。
5.一种中厚板四辊轧机支承辊辊型，支承辊边部磨削双倒角，倒角处均要圆滑处理，等效圆角半径为5000mm，第一倒角长度随轧制条件的变化而变化，第二倒角的长度取值范围为100~150mm，两个倒角长度相加的最大理论取值为550mm。这种辊型主要关注支承辊与工作辊的辊间压力分布状态，抑制轧辊边部剥落，提高轧辊使用寿命。
6.一种连续变凸度轧机支持辊，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承辊，辊型是偏峰的非对称曲线。
7.一种镶套支承辊、镶套式锻钢支承辊、轧钢机平辊型支承辊，上述三种支承辊辊型均采用为平辊型设计。
8.首钢3500mm中板轧机的辊型针对3500mm中板轧机在轧制过程中，支承辊端部出现剥落或掉肉现象，采用影响函数法分析了不同轧辊辊型、不同轧制端部倒角对辊间压力分布的影响规律。
9.针对1580PC轧机支承辊提出的一种辊型优化曲线，该辊型采用三段步进型，其中从支承辊端部开始第一段和第二段采用斜直线，第三段采用幂函数曲线，倒角总长度为250mm。
10.宽带钢轧机支承辊，利用有限元法对辊间接触压力分布进行了模拟分析，在此基础上提出了优化的支承辊辊型参数，在该技术方案中，当以接触压力均匀化为目标时，支撑辊倒角曲线宜选用高次曲线，当以提高板形质量为目标时，提高辊缝横向刚度，宜选用低次曲线，一般都选为二次曲线，综合考虑辊间接触压力均匀化程度和接触长度自调节能力，支承辊边部倒角高度应取为0.4~0.6mm，倒角长度取在300~400mm之间。
11.热连轧机支承辊辊型以攀钢1450mm六机架热连轧机的支承辊为例，提出了一种优化辊型，其中辊型倒角长度为150mm，倒角高度为0.7mm。
12.2500mm中厚板精轧机支承辊辊型针对2500mm中厚板轧机提出了一种4次曲线作为支承辊辊型曲线。
但是，发明人在实现本发明时发现，现有的支承辊的辊型方案多集中于在给定的支承辊直径的情况下的辊型设计，未考虑在生产过程中随着支承辊的径向磨损而造成的支承辊刚度的改变这一因素，支承辊辊型多带有凸度，曲线形式多数为近似圆弧线型和直线型，倒角长度均小于600mm，从而造成辊间接触应力分布不均匀，致使支承辊的使用寿命较短。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种宽厚板四辊轧机的支承辊，以克服现有技术辊间接触应力分布不均匀致使支承辊的使用寿命较短的缺陷。
为达到上述目的，本发明提供一种宽厚板四辊轧机的支承辊，所述支承辊的辊型曲线为轴对称，从对称中心向两边依次包括平辊段（1）、三次曲线段（2）和斜直线段（3）；
所述平辊段（1）为平行于所述支承辊的中心轴线的线段；
所述斜直线段（3）为与所述支承辊的中心轴线呈一定角度的线段，其长度为50mm，高度为0.7mm；
所述三次曲线段（2）由方程y＝ax3+bx2+cx+d确定，其中，a、b、c、d为辊型优化系数，其取值区间如下：
a的取值区间为0.0000000005~0.000000002，根据所述支承辊的直径确定a的取值，所述支承辊的直径最大时，取下限；
b的取值区间为-0.000004~-0.000002，根据所述支承辊的直径确定b的取值，所述支承辊的直径最大时，取上限；
c的取值区间为0.0018~0.0029，根据所述支承辊的直径确定c的取值，所述支承辊的直径最大时，取下限；
d的取值区间为-0.0015~0.0075，根据所述支承辊的直径确定d的取值，所述支承辊的直径最大时，取下限；
所述三次曲线段（2）的长度由公式L1=1000j+300k确定，其中，L1为三次曲线段（2）的长度，j、k为与轧制条件相关的辊型系数，其取值区间如下：
j的取值范围为0.8~1，k的取值范围为0.3~0.4，根据所述支承辊的直径确定j和k的取值，所述支承辊的直径最大时，j取上限，k取下限；所述支承辊的直径最小时，j取下限，k取上限。
其中，所述三次曲线段（2）的长度L1的取值范围为920~1090mm。
其中，所述三次曲线段（2）的倒角深度的取值范围为0.71~0.91mm，支承辊直径最大时取下限。
其中，所述支承辊为直径为2000~2200mm、辊身长度为4000~4500mm的宽厚板四辊轧机的支承辊。
与现有技术相比较，本发明具有以下有益效果：
本发明的宽厚板四辊轧机的支承辊，其辊型曲线考虑了在轧制过程中因轧辊辊面磨损而对辊身进行重车和重磨造成轧辊直径减小所带来的轧辊刚度的改变这一影响因素，轧辊倒角采用三次曲线，三次曲线的系数和倒角长度根据轧辊使用的不同时期的辊径值而确定。采用本发明支承辊辊型的四辊轧机能够适应不同板宽的轧制要求，辊间接触应力分布趋于均匀，延长了支承辊的使用寿命，同时带钢的厚度差也得到了很好的控制，保证了板带材的生产质量。
附图说明
图1是现有技术的四辊轧机棍系受力图；
图2a是现有技术的一种斜直线型辊型曲线的示意图；
图2b是现有技术的一种近似圆弧线型辊型曲线的示意图；
图3是本发明的一种宽厚板四辊轧机的支承辊的结构示意图；
图4是图3中A部分的局部放大图；
图5是采用a型辊型、b型辊型的支承辊和采用本发明辊型的支承辊的辊面接触应力分布示意图；
图6是采用b型辊型的支承辊和采用本发明辊型的支承辊轧制板宽为3500mm的带钢，轧制完成后带钢的厚度差示意图；
图7是本发明实施例1,2,3中支承辊L1段的三次曲线示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本发明根据大量的理论研究和现场实验，充分考虑到了宽厚板四辊轧机的设备与工艺特点，以辊间应力分布均匀和板带厚度差为目标提出了一种针对φ2000/2200×4000/4500四辊轧机的支承辊辊型曲线方案。这种辊型曲线考虑到了在轧制过程中因轧辊辊面磨损而对辊身进行重车和重磨造成轧辊直径减小所带来的轧辊刚度的改变这一影响因素，轧辊倒角采用三次曲线，三次曲线的系数和倒角长度根据轧辊使用的不同时期的辊径值而确定。本发明辊型的优点是不但改善了辊间应力的分布，延长了支承辊的使用寿命，而且也减小了带钢的厚度差，保证了生产质量。
本发明的一种宽厚板四辊轧机的支承辊的结构如图3和图4所示，所述支承辊的辊型曲线为轴对称，从对称中心向两边依次包括平辊段1、三次曲线段2和斜直线段3；
所述平辊段1为平行于所述支承辊的中心轴线的线段；
所述斜直线段3为与所述支承辊的中心轴线呈一定角度的线段，其长度L2为50mm，高度H2为0.7mm；
设定B点坐标为原点（0,0），则所述三次曲线段2由方程y＝ax3+bx2+cx+d确定，其中，a、b、c、d为辊型优化系数，其取值区间如下：
a的取值区间为0.0000000005~0.000000002，根据所述支承辊的直径确定a的取值，所述支承辊的直径最大时，取下限；
b的取值区间为-0.000004~-0.000002，根据所述支承辊的直径确定b的取值，所述支承辊的直径最大时，取上限；
c的取值区间为0.0018~0.0029，根据所述支承辊的直径确定c的取值，所述支承辊的直径最大时，取下限；
d的取值区间为-0.0015~0.0075，根据所述支承辊的直径确定d的取值，所述支承辊的直径最大时，取下限；
所述三次曲线段2的长度由公式L1=1000j+300k确定，其中，L1为三次曲线段2的长度，j、k为与轧制条件相关的辊型系数，其取值区间如下：
j的取值范围为0.8~1，k的取值范围为0.3~0.4，根据所述支承辊的直径确定j和k的取值，所述支承辊的直径最大时，j取上限，k取下限；所述支承辊直径最小时，j取下限，k取上限。
所述三次曲线段2的长度L1的取值范围为920~1090mm，倒角深度H2的取值范围为0.71~0.91mm，支承辊直径最大时取下限。
本发明中，所述支承辊为直径为2000~2200mm、辊身长度为4000~4500mm的宽厚板四辊轧机的支承辊。
实施例1
本实施例中，支承辊为直径为2100mm、辊身长度为4300mm的四辊轧机支承辊，如图4，L2为50mm，H2为0.7mm。
L1的取值为：
L1=1000j+300k，j、k为与轧制条件相关的辊型设计参数。本实施例中，取j的值为0.845，k的值为0.35，则L1取为950mm。
L1之间的三次曲线段2由方程y＝ax3+bx2+cx+d确定，其曲线形式如图7所示。方程中各个系数取值如下：
a=0.0000000008；
b=-0.0000025;
c=0.0023；
d=-0.0002。
L1段的三次曲线2与支承辊中部平辊端1辊型相切，并平滑连接。
实施例2
本实施例中，支承辊为直径为2200mm、辊身长度为4500mm的四辊轧机支承辊，如图4，L2为50mm，H2为0.7mm。
L1的取值为：
L1=1000j+300k，j、k为与轧制条件相关的辊型设计参数。本实施例中，取j的值为1，k的值为0.3，则L1取为1090mm。
L1之间的三次曲线段2由方程y＝ax3+bx2+cx+d确定，其曲线形式如图7所示。方程中各个系数取值如下：
a=0.0000000005；
b=-0.000002；
c=0.0018；
d=-0.0015。
L1段的三次曲线2与支承辊中部平辊端1辊型相切，并平滑连接。
实施例3
本实施例中，支承辊为直径为2000mm、辊身长度为4000mm的四辊轧机支承辊，如图4，L2为50mm，H2为0.7mm。
L1的取值为：
L1=1000j+300k，j、k为与轧制条件相关的辊型设计参数。本实施例中，取j的值为0.8，k的值为0.4，则L1取为920mm。
L1之间的三次曲线段2由方程y＝ax3+bx2+cx+d确定，其曲线形式如图7所示。方程中各个系数取值如下：
a=0.000000002；
b=-0.000004；
c=0.0029；
d=0.0075。
L1段的三次曲线2与支承辊中部平辊端1辊型相切，并平滑连接。
国内某中板厂4300mm宽厚板轧机的支承辊的辊型有两种形式，分别是a型——斜直线型和b型——近似圆弧线型，分别如图2a和图2b所示。这两种辊型的倒角长度均为500mm。利用有限元法，分别计算了这两种辊型的辊面应力分布，计算所用的轧制参数是：板宽为3500mm，轧制力为5000吨，计算结果如图5所示。
图5显示了利用有限元法计算了轧制过程中采用某中板厂的a型支承辊辊型和b型支承辊辊型以及采用本发明支承辊辊型的四辊轧机的支承辊辊间应力分布情况。从图中可以看出，采用a型支承辊辊型的四辊轧机辊间应力分布很不均匀，支承辊端部有较大的应力集中现象，最大辊间接触应力约为1430Mpa，对称面与端部的辊间应力相差约为400Mpa；采用b型支承辊辊型的四辊轧机的辊间应力分布较a型支承辊辊型的均匀，最大辊间应力约为1310Mpa，对称面处于端部的辊间应力分布相差约300Mpa；采用本发明支承辊辊型四辊轧机的辊间应力分布更为均匀，端部最大辊间接触应力约为1200Mpa，对称面与端部的辊间接触应力相差约为200Mpa，有效的缓和了支承辊端部的应力集中，从而有抑制了轧辊端部剥落的现象，延长了轧辊的使用寿命。
图6显示了利用有限元法分别采用某中板厂b型支承辊辊型和本发明支承辊辊型四辊轧机，轧制带钢完成后带钢的厚度差情况，从图中可以看出，采用本发明支承辊辊型的四辊轧机轧制带钢完成后，带钢的厚度差较采用该中板厂b型支承辊辊型的四辊轧机带钢的厚度差小，带钢的生产质量得到了保证。
该中板厂四辊轧机采用了本发明的支承辊辊型后，支承辊边部剥落现象得到了有效抑制，支承辊寿命提高了约10%~15%。
通过以上实施例可以看出，本发明的宽厚板四辊轧机的支承辊，其辊型曲线考虑了在轧制过程中因轧辊辊面磨损而对辊身进行重车和重磨造成轧辊直径减小所带来的轧辊刚度的改变这一影响因素，轧辊倒角采用三次曲线，三次曲线的系数和倒角长度根据轧辊使用的不同时期的辊径值而确定。采用本发明支承辊辊型的四辊轧机能够适应不同板宽的轧制要求，辊间接触应力分布趋于均匀，延长了支承辊的使用寿命，同时带钢的厚度差也得到了很好的控制，保证了板带材的生产质量。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种宽厚板四辊轧机的支承辊，其特征在于，所述支承辊的辊型曲线为轴对称，从对称中心向两边依次包括平辊段（1）、三次曲线段（2）和斜直线段（3）；
所述平辊段（1）为平行于所述支承辊的中心轴线的线段；
所述斜直线段（3）为与所述支承辊的中心轴线呈一定角度的线段，其长度为50mm，高度为0.7mm；
所述三次曲线段（2）由方程y＝ax3+bx2+cx+d确定，其中，a、b、c、d为辊型优化系数，其取值区间如下：
a的取值区间为0.0000000005~0.000000002，根据所述支承辊的直径确定a的取值，所述支承辊的直径最大时，取下限；
b的取值区间为-0.000004~-0.000002，根据所述支承辊的直径确定b的取值，所述支承辊的直径最大时，取上限；
c的取值区间为0.0018~0.0029，根据所述支承辊的直径确定c的取值，所述支承辊的直径最大时，取下限；
d的取值区间为-0.0015~0.0075，根据所述支承辊的直径确定d的取值，所述支承辊的直径最大时，取下限；
所述三次曲线段（2）的长度由公式L1=1000j+300k确定，其中，L1为三次曲线段（2）的长度，j、k为与轧制条件相关的辊型系数，其取值区间如下：
j的取值范围为0.8~1，k的取值范围为0.3~0.4，根据所述支承辊的直径确定j和k的取值，所述支承辊的直径最大时，j取上限，k取下限；所述支承辊的直径最小时，j取下限，k取上限。
2.根据权利要求1所述的宽厚板四辊轧机的支承辊，其特征在于，所述三次曲线段（2）的长度L1的取值范围为920~1090mm。
3.根据权利要求1所述的宽厚板四辊轧机的支承辊，其特征在于，所述三次曲线段（2）的倒角深度的取值范围为0.71~0.91mm，支承辊直径最大时，取下限。
4.根据权利要求1至3任一项所述的宽厚板四辊轧机的支承辊，其特征在于，所述支承辊为直径为2000~2200mm、辊身长度为4000~4500mm的宽厚板四辊轧机的支承辊。
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