CN103302094A - 一种横向楔形轧制变厚度钢板的生产方法 - Google Patents

Abstract

一种横向楔形轧制变厚度钢板的生产方法，属于轧制技术领域。本发明提供一种采用横向楔形轧制生产变厚度钢板的横向楔形轧制变厚度钢板的生产方法，该生产方法成材率高、生产效率高。本发明包括如下步骤：步骤一：横向轧制：在横轧阶段末道次轧制时，按照钢板头部和尾部平均厚度设定值对钢板进行纵向变截面轧制；步骤二：纵向轧制；首先，在纵轧阶段，按照横轧阶段产生的头尾纵向变厚度值进行横向等比例楔形轧制；然后，按照轧制规程分配采用影响函数方法确定辊缝调整量和弯辊力设定值，保证纵轧道次的横向厚度分布满足等比例楔形要求。

Description

一种横向楔形轧制变厚度钢板的生产方法

技术领域

本发明属于轧制技术领域，特别是涉及一种横向楔形轧制变厚度钢板的生产方法。

背景技术

变厚度板是桥梁和造船生产的重要原材料，其具有可减少焊接的数量、省去焊接连接接头处的机械加工、减轻结构质量等突出优点，具有明显的经济效益。目前，国内外楔形板的生产方式集中于纵向变截面，也称为LP(Longitudinal Profiled)钢板，是在终轧的几个道次利用液压系统连续改变轧辊的开口度来实现钢板纵向由头至尾的厚度连续变化，现有纵向变厚度钢板典型的生产方法如图1所示。

采用纵向变截面方法生产变厚度钢板存在成材率低、生产效率低等缺点，难于大批量连续生产，具体缺点如下：

1)楔形板的轧制过程要兼顾液压系统的响应速度、变厚度钢板楔形量大小及水平轧件位置跟踪的准确，水平轧制速度难以提高，低速轧制导致轧制效率极低；

2)低水平的轧制速度同时导致热轧钢板的温降过快，难以生产薄规格楔形板；

3)轧制纵向变厚度钢板时，为保证控制精度，在多块楔形板交接处需留有一定的稳定段，同时一块钢板的总长度也不可能是多块楔形板的整数倍，造成了钢板的浪费，降低了产品的成材率。

发明内容

针对现有纵向变厚度钢板生产方法存在的缺点，本发明提供一种采用横向楔形轧制生产变厚度钢板的横向楔形轧制变厚度钢板的生产方法，该生产方法成材率高、生产效率高。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案，一种横向楔形轧制变厚度钢板的生产方法，包括如下步骤：

步骤一：横向轧制；

在横轧阶段末道次轧制时，按照钢板头部和尾部平均厚度设定值对钢板进行纵向变截面轧制；

所述的横轧阶段末道次钢板头部和尾部平均厚度设定值根据最终成品钢板楔形量设定，由下式确定：

H_head=H+Δh_l/2，h_tai1=H-Δh_l/2

其中， $\mathrm{\Δ}{h}_1=\frac{H}{h}\·\mathrm{\Δ}{h}_w$

式中，H_head-横轧阶段末道次钢板头部平均厚度设定值，H_tail-横轧阶段末道次钢板尾部平均厚度设定值，H-横轧阶段末道次钢板的平均厚度设定值，△h₁-横轧阶段末道次钢板头尾带载压下变厚度设定，h-最终成品钢板的平均厚度设定值，△h_W-最终成品钢板楔形量设定；

步骤二：纵向轧制；

首先，在纵轧阶段，按照横轧阶段产生的头尾纵向变厚度值进行横向等比例楔形轧制；

纵轧阶段每一道次的横向厚度楔形量由下式确定：

$\mathrm{\Δw}=\frac{h_{\mathrm{AVG}}}{H_{\mathrm{AVG}}}\·\mathrm{\Δ}{H}_W$

式中，△w-当前道次横向厚度楔形量，h_AVG-当前道次出口平均厚度，H_AVG-当前道次入口平均厚度，△H_W-当前道次入口楔形；

然后，按照轧制规程分配采用影响函数方法确定辊缝调整量和弯辊力设定值，保证纵轧道次的横向厚度分布满足等比例楔形要求。

步骤二中所述的按照轧制规程分配采用影响函数方法确定辊缝调整量和弯辊力设定值，保证纵轧道次的横向厚度分布满足等比例楔形要求，具体包括如下步骤：

步骤A：将上道次轧件出口横向厚度楔形量和出口平均厚度，作为当前道次入口横向厚度楔形量和入口平均厚度；轧制规程中包含当前道次出口平均厚度；

步骤B：利用下式确定当前道次横向厚度楔形量△w，

$\mathrm{\Δw}=\frac{h_{\mathrm{AVG}}}{H_{\mathrm{AVG}}}\·\mathrm{\Δ}{H}_W$

式中，△w-当前道次横向厚度楔形量，h_AVG-当前道次出口平均厚度，H_AVG-当前道次入口平均厚度，△H_W-当前道次入口楔形；

两侧辊缝分别调整为：

操作侧辊缝设定＝初始辊缝+△w/2，传动侧辊缝设定＝初始辊缝-△w/2；

步骤C：采用影响函数方法计算钢板在轧制过程中的横向厚度分布；

步骤D：判断轧件凸度是否满足要求，如果不满足要求，则调整两侧弯辊力，并转去执行步骤C；如果满足要求，则执行步骤E；

步骤E：判断轧件横向厚度是否满足要求，如果不满足要求，则调整两侧辊缝，并转去执行步骤C；如果满足要求，则执行步骤F；

步骤F：输出两侧辊缝设定和弯辊力设定，由轧机控制系统执行。

本发明的原理如下：

1)横轧阶段末道次钢板楔形轧制

为了能够得到沿着宽度方向的最终成品钢板楔形量，需要计算在横轧阶段末道次钢板头尾带载压下变厚度设定Δh₁。为了保证横向楔形轧制过程的稳定性，消除镰刀弯现象的发生，采用等比例楔形要求(即保证在横向楔形轧制过程钢板的纵向延伸率相同)，由最终成品钢板楔形量设定△h_W计算横轧阶段末道次钢板头尾带载压下变厚度设定Δh₁。

假设最终成品钢板的平均厚度设定值为h，钢板沿着宽度方向左、右两侧的平均厚度分别为h_L和h_R，如图5所示，则最终成品钢板楔形量设定为Δh_W＝h_L-h_R；横轧阶段末道次的轧制过程中需要从头至尾进行变厚度轧制，横轧阶段末道次钢板的平均厚度设定值为H，钢板头部、尾部的平均厚度分别为H_head和H_tail，如图4所示。

为保证纵轧阶段轧前、轧后钢板各位置延伸率理论上相同，按照等比例楔形要求，可得到：

$\frac{h}{H}=\frac{h_L}{H_{\mathrm{tail}}}=\frac{h_R}{H_{\mathrm{head}}}---\left(1\right)$

式中，h-最终成品钢板的平均厚度设定值，H-横轧阶段末道次钢板的平均厚度设定值，h_L-最终成品钢板左侧的平均厚度，H_tail-横轧阶段末道次钢板尾部的平均厚度，h_R-最终成品钢板右侧的平均厚度，H_head-横轧阶段末道次钢板头部的平均厚度。

进而得到横轧阶段末道次钢板头尾带载压下变厚度设定Δh_l：

$\mathrm{\Δ}{h}_1=\frac{H}{h}\·\mathrm{\Δ}{h}_W---\left(2\right)$

式中，Δh_l-横轧阶段末道次钢板头尾带载压下变厚度设定，H-横轧阶段末道次钢板的平均厚度设定值，h-最终成品钢板的平均厚度设定值，△h_W-最终成品钢板楔形量设定；

横轧阶段末道次钢板头部的平均厚度H_head＝H+Δh_l/2，

横轧阶段末道次钢板尾部的平均厚度H_tail＝h-Δh_l/2。

横轧阶段末道次头尾变厚度控制由轧机AGE按照设定的头尾厚度、道次预测总长度及道次实际计算长度施加绝对AGC算法，轧制出由头部至尾部楔形为Δh_l的变厚度钢板。

为了保证钢板头部咬入时的厚度精度，横轧阶段末道次的预摆辊缝设定应由横轧阶段末道次钢板头部的平均厚度H_head和相应的预测轧制力进行计算，咬入后由液压缸按照横轧阶段末道次钢板头尾带载压下变厚度设定进行带载压下控制。

2)纵轧阶段横向厚度控制

横轧阶段结束进行转钢，开始纵轧阶段，由于要减少楔形轧制这一不对称轧制条件对钢板镰刀弯的影响，需要保证各个道次按照等比例楔形要求对两侧辊缝进行调整；同时，由于轧辊挠曲、磨损和热膨胀等因素的存在使钢板产生了凸度，降低了横向楔形轧制变厚度钢板的楔形精度，这需要利用弯辊力对产生的凸度进行调整。两侧辊缝的微调及弯辊力的设定均需要精确计算钢板在轧制过程中的横向厚度分布。

本发明采用影响函数方法计算钢板在轧制过程中的横向厚度分布，影响函数方法将轧辊离散成若干个单元，同时将轧辊所承受的载荷及变形也按相同的单元离散化，利用力平衡方程、力矩平衡方程及工作辊和支撑辊接触部分的位移协调关系求得辊系的变形，上辊系模型如图6所示。

由影响函数方法计算的上工作辊的挠曲位移Y_W(i)中包含轧辊挠曲和轧机立柱弹跳，去除其中的轧机立柱弹跳即可得到下工作辊的挠曲位移：

$Y_W{\left(i\right)}^{,}=Y_W\left(i\right)-\{Y_{\mathrm{WL}}+\frac{Y_{\mathrm{WR}}-Y_{\mathrm{WL}}}{L_4^{,}}\[L_5^{,}+(i-0.5)\mathrm{\Δz}\]\}---\left(3\right)$

式中，Y_W(i)’-下工作辊的挠曲位移，Y_W(i)-上工作辊的挠曲位移，Y_WL、Y_WR-上工作辊左、右两侧轴承中心位置在垂直方向上的位移，L′₄-上工作辊两侧轴承中心距离，L′₅-上支撑辊辊身边缘与上工作辊轴承中心的距离，i-钢板划分单元的编号，△z-每个钢板单元的宽度。

根据设定辊缝gap(i)、工作辊凸度R_CW(i)和求解出的上、下工作辊的挠曲位移Y_W(i)、Y_W(i)’以及工作辊压扁δ(i)可以求得横向厚度分布：

$h\left(i\right)=\mathrm{gap}\left(i\right)+2\mathrm{\δ}\left(i\right)-2R_{\mathrm{CW}}\left(i\right)+2Y_W\left(i\right)-\{Y_{\mathrm{WL}}+\frac{Y_{\mathrm{WR}}-Y_{\mathrm{WL}}}{L_4^{,}}[L_5^{,}+(i-0.5)\mathrm{\Δz}\left]\right\}$

$=\mathrm{gap}\left(i\right)+2\mathrm{\δ}\left(i\right)-2R_{\mathrm{CW}}\left(i\right)+Y_W\left(i\right)+Y_W{\left(i\right)}^{,}---\left(4\right)$

式中，h(i)-未考虑调零压力的横向厚度分布，gap(i)-设定辊缝，δ(i)-工作辊压扁，R_CW(i)-工作辊凸度，Y_W(i)’-下工作辊的挠曲位移，Y_W(i)-上工作辊的挠曲位移，Y_WL、Y_WR-上工作辊左、右两侧轴承中心位置在垂直方向上的位移，L′₄-上工作辊两侧轴承中心距离，L′₅-上支撑辊辊身边缘与上工作辊轴承中心的距离，i-钢板划分单元的编号，△z-每个钢板单元的宽度。

考虑调零压力产生的轧机牌坊的初始弹跳，利用下式计算轧件实际的横向厚度分布：

$\mathrm{thick}\left(i\right)=h\left(i\right)-\{P_{\mathrm{zerol}}/K_{3L}+\frac{P_{\mathrm{zerol}}/K_{3L}-P_{\mathrm{zeror}}/K_{3R}}{L_4^{,}}\[L_5^{,}+(i-0.5)\mathrm{\Δz}\]\}---\left(5\right)$

式中，thick(i)-实际横向厚度分布，h(i)-未考虑调零压力的横向厚度分布，P_zerol和P_zeror分别为轧机左、右两侧的零点轧制力，K_3L和K_3R分别为轧机左、右两侧的刚度值，L′₄-上工作辊两侧轴承中心距离，L′₅-上支撑辊辊身边缘与上工作辊轴承中心的距离，i-钢板划分单元的编号，△z-每个钢板单元的宽度。

对于纵轧阶段每一道次，按照当前道次入口平均厚度H_AVG、当前道次入口楔形△H_W和当前道次出口平均厚度h_AVG，按照公式(6)，就可以计算当前道次横向厚度楔形量△w：

$\mathrm{\Δw}=\frac{h_{\mathrm{AVG}}}{H_{\mathrm{AVG}}}\·{\mathrm{\ΔH}}_W---\left(6\right)$

式中，△w-当前道次横向厚度楔形量，h_AVG-当前道次出口平均厚度，H_AVG-当前道次入口平均厚度，△H_W-当前道次入口楔形。

将当前道次横向厚度楔形量△w以及轧辊挠曲、磨损和热膨胀作为初始参数，利用横向厚度预测公式(5)，基于影响函数方法计算保证横向楔形精度条件下的左、右两侧弯辊力设定J_L、J_R，及保证等比例楔形轧制条件下的两侧辊缝微调设定g_L、g_R，直至纵轧阶段所有道次计算完成。

本发明的有益效果：

本发明的横向楔形轧制变厚度钢板的生产方法虽然只能实现简单的变截面类型，但由于对传统的生产工艺改变小，钢板长度不受限制，并且不影响轧制节奏，所以采用这种方法轧制变截面钢板的效率高，可进行连续化作业。

附图说明

图1为现有纵向变厚度钢板典型生产方法的示意图；

图2为本发明的横向楔形轧制变厚度钢板的生产方法中横轧阶段纵向变厚度轧制的示意图；

图3为本发明的横向楔形轧制变厚度钢板的生产方法中纵轧阶段进行横向楔形轧制的示意图；

图4为本发明的横向楔形轧制变厚度钢板的生产方法中横轧阶段进行纵向变厚度轧制得到的钢板的示意图；

图5为本发明的横向楔形轧制变厚度钢板的生产方法中纵轧阶段进行横向楔形轧制得到的最终成品钢板的示意图；

图6为上辊系模型示意图；

图中，1-楔形钢板，2-上支撑辊，3-上工作辊；

D_b-上支撑辊直径，D_w-上工作辊直径，P_L、P_R-左、右两侧轧制力，Y_BL、Y_BR-上支撑辊左、右两侧轴承中心位置在垂直方向的位移，J_L、J_R-左、右两侧弯辊力设定，p(i)-轧件和上工作辊之间的压力分布，q(i)-上工作辊与上支撑辊之间的压力分布，L₂-上支撑辊辊身长度，L₄-上支撑辊两侧轴承中心距离，L₅-上支撑辊辊身边缘与上支撑辊轴承中心的距离，Y_WL、Y_WR-上工作辊左、右两侧轴承中心位置在垂直方向上的位移，L′₄-上工作辊两侧轴承中心距离，L′₅-上支撑辊辊身边缘与上工作辊轴承中心的距离，△z-每个钢板单元的宽度，m-工作辊辊身沿轴线划分份数。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图2、图3所示，一种横向楔形轧制变厚度钢板的生产方法，包括如下步骤：

步骤一：横向轧制；

在横轧阶段末道次轧制时，按照钢板头部和尾部平均厚度设定值对钢板进行纵向变截面轧制；

所述的横轧阶段末道次钢板头部和尾部平均厚度设定值根据最终成品钢板楔形量设定，由下式确定：

H_head＝H+Δh₁/2，H_tail＝H-Δh₁/2

其中， $\mathrm{\Δ}{h}_1=\frac{H}{h}\·\mathrm{\Δ}{h}_W$

式中，H_head-横轧阶段末道次钢板头部平均厚度设定值，H_tail-横轧阶段末道次钢板尾部平均厚度设定值，H-横轧阶段末道次钢板的平均厚度设定值，△h₁-横轧阶段末道次钢板头尾带载压下变厚度设定，h-最终成品钢板的平均厚度设定值，△h_W-最终成品钢板楔形量设定；

步骤二：纵向轧制；

首先，在纵轧阶段，按照横轧阶段产生的头尾纵向变厚度值进行横向等比例楔形轧制；

纵轧阶段每一道次的横向厚度楔形量由下式确定：

$\mathrm{\Δw}=\frac{h_{\mathrm{AVG}}}{H_{\mathrm{AVG}}}\·\mathrm{\Δ}{H}_W$

式中，△w-当前道次横向厚度楔形量，h_AVG-当前道次出口平均厚度，H_AVG-当前道次入口平均厚度，△H_W-当前道次入口楔形；

然后，按照轧制规程分配采用影响函数方法确定辊缝调整量和弯辊力设定值，保证纵轧道次的横向厚度分布满足等比例楔形要求。

步骤二中所述的按照轧制规程分配采用影响函数方法确定辊缝调整量和弯辊力设定值，保证纵轧道次的横向厚度分布满足等比例楔形要求，具体包括如下步骤：

步骤A：将上道次轧件出口横向厚度楔形量和出口平均厚度，作为当前道次入口横向厚度楔形量和入口平均厚度；轧制规程中包含当前道次出口平均厚度；

步骤B：利用下式确定当前道次横向厚度楔形量△w，

$\mathrm{\Δw}=\frac{h_{\mathrm{AVG}}}{H_{\mathrm{AVG}}}\·\mathrm{\Δ}{H}_W$

式中，△w-当前道次横向厚度楔形量，h_AVG-当前道次出口平均厚度，H_AVG-当前道次入口平均厚度，△H_W-当前道次入口楔形；

两侧辊缝分别调整为：

操作侧辊缝设定=初始辊缝+△w/2，传动侧辊缝设定=初始辊缝-△w/2；

步骤C：采用影响函数方法计算钢板在轧制过程中的横向厚度分布；

步骤D：判断轧件凸度是否满足要求，如果不满足要求，则调整两侧弯辊力，并转去执行步骤C；如果满足要求，则执行步骤E；

步骤E：判断轧件横向厚度是否满足要求，如果不满足要求，则调整两侧辊缝，并转去执行步骤C；如果满足要求，则执行步骤F；

步骤F：输出两侧辊缝设定和弯辊力设定，由轧机控制系统执行。

轧件的两侧厚度差与轧件平均厚度的比值称为轧件的比例楔形，在钢板轧制过程中要求各个道次的比例楔形相等才能避免镰刀弯的发生，即等比例楔形要求。

本实施例选择产品的工艺参数如下：

●钢种：Q345B

●坯料规格：180mm×1400mm×2550mm

●成品尺寸：51.5mm×2070mm

●出炉温度：1150°C

●轧机刚度：7600kN／mm

●零点轧制力：20000kN

●最终成品钢板楔形量设定：5.0mm

正常的轧制规程分配如表1所示：

表1 轧制规程分配

针对以上轧制规程，采用本发明的一种横向楔形轧制变厚度钢板的生产方法，生产楔形量设定为5.Omm的横向楔形轧制变厚度钢板，具体包括如下步骤：

1)横轧阶段末道次钢板楔形轧制

横轧阶段末道次为第2道次，由公式(2)确定横轧阶段末道次钢板头尾带载压下楔形量设定：

$\mathrm{\Δ}{h}_1=\frac{H}{h}\·\mathrm{\Δ}{h}_W=\frac{123.67}{51.5}\×5.0=12.0\mathrm{mm}$

由此可确定该道次钢板头部和尾部平均厚度设定值分别为：

H_head＝H+Δh₁/2＝123.67+6＝129.675m，

H_tail＝H-Δh₁/2＝123.67-6＝117.67mm。

由于横轧阶段末道次钢板头部平均厚度设定值由123.67mm变为129.67mm，按照轧机弹跳方程重新计算初始辊缝设定，计算结果为130.5mm，轧件咬入后由绝对AGC算法保证头尾厚度的楔形变化。

2)纵轧阶段横向厚度控制

第3、4、5道次为纵轧阶段道次，为了保证轧制的稳定性，根据公式(6)，使每道次入口、出口平均厚度满足等比例楔形要求。采用影响函数方法计算钢板在轧制过程中的横向厚度分布，计算弯辊力设定以增加凸度控制精度，并由厚度楔形设定精确计算两侧辊缝设定，计算结果见表2。

表2 纵轧阶段规程调整

Claims (2)

1.一种横向楔形轧制变厚度钢板的生产方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：横向轧制：

在横轧阶段末道次轧制时，按照钢板头部和尾部平均厚度设定值对钢板进行纵向变截面轧制；

所述的横轧阶段末道次钢板头部和尾部平均厚度设定值根据最终成品钢板楔形量设定，由下式确定:

H_head＝H+△h₁/2，H_tail＝H-△h₁/2

其中， $\mathrm{\Δ}{h}_1=\frac{H}{h}\·\mathrm{\Δ}{h}_W$

式中，H_head—横轧阶段末道次钢板头部平均厚度设定值，H_tail—横轧阶段末道次钢板尾部平均厚度设定值，H—横轧阶段末道次钢板的平均厚度设定值，△h_l—横轧阶段末道次钢板头尾带载压下变厚度设定，h—最终成品钢板的平均厚度设定值，△h_W—最终成品钢板楔形量设定；

步骤二：纵向轧制；

首先，在纵轧阶段，按照横轧阶段产生的头尾纵向变厚度值进行横向等比例楔形轧制；

纵轧阶段每一道次的横向厚度楔形量由下式确定：

$\mathrm{\Δw}=\frac{h_{\mathrm{AVG}}}{H_{\mathrm{AVG}}}\·\mathrm{\Δ}{H}_W$

式中，△w—当前道次横向厚度楔形量，h_AVG—当前道次出口平均厚度，H_AVG—当前道次入口平均厚度，△H_W—当前道次入口楔形；

然后，按照轧制规程分配采用影响函数方法确定辊缝调整量和弯辊力设定值，保证纵轧道次的横向厚度分布满足等比例楔形要求。

2.根据权利要求1所述的横向楔形轧制变厚度钢板的生产方法，其特征在于步骤二中所述的按照轧制规程分配采用影响函数方法确定辊缝调整量和弯辊力设定值，保证纵轧道次的横向厚度分布满足等比例楔形要求，具体包括如下步骤：

步骤A：将上道次轧件出口横向厚度楔形量和出口平均厚度，作为当前道次入口横向厚度楔形量和入口平均厚度：轧制规程中包含当前道次出口平均厚度：

步骤B：利用下式确定当前道次横向厚度楔形量△w，

$\mathrm{\Δw}=\frac{h_{\mathrm{AVG}}}{H_{\mathrm{AVG}}}\·\mathrm{\Δ}{H}_W$

式中，△w—当前道次横向厚度楔形量，h_AVG—当前道次出口平均厚度，H_AVG—当前道次入口平均厚度，△H_W—当前道次入口楔形；

两侧辊缝分别调整为：

操作侧辊缝设定=初始辊缝+△w/2，传动侧辊缝设定=初始辊缝-△w/2；

步骤C：采用影响函数方法计算钢板在轧制过程中的横向厚度分布；

步骤D：判断轧件凸度是否满足要求，如果不满足要求，则调整两侧弯辊力，并转去执行步骤C；如果满足要求，则执行步骤E；

步骤E：判断轧件横向厚度是否满足要求，如果不满足要求，则调整两侧辊缝，并转去执行步骤C；如果满足要求，则执行步骤F；

步骤F：输出两侧辊缝设定和弯辊力设定，由轧机控制系统执行。

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