CN104259210B - 一种具有局部边浪控制能力的变凸度辊 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种具有局部边浪控制能力的板带材轧制用变凸度辊，该轧辊辊形由边浪控制段和连续变凸度段组合而成，连续变凸度段完成板带材轧制过程中的二次凸度控制，边浪控制段完成局部边浪的控制，边浪控制效果取决于边浪控制段进入板带的深度和所形成的板带边部最大有效辊缝差。利用本方法提供的辊形系数之间的对应关系，可以根据二次凸度控制和局部边浪控制的需要灵活设计辊形，并结合板带轧机不同宽度下变凸度辊形的窜辊位置特性，实现对不同宽度板带局部边浪的有效控制。

Description

一种具有局部边浪控制能力的变凸度辊

技术领域

本发明属于板带轧制领域，涉及一种板带生产中用于板形控制的具有局部边浪控制能力的变凸度辊的辊形设计方法及控制特性。

背景技术

本发明的辊形是在三次CVC辊形基础上发展起来的一种具有局部边浪控制能力的变凸度辊辊形。

(1)三次CVC辊形

20世纪70年代末，德国西马克公司(SMS)率先开发出连续可变凸度(CVC-Continuously Variable Crown)辊形，经过30余年的研究与发展，CVC辊形已成为板带轧制领域最主要的板形控制手段之一。该技术通过轧辊的相对轴向移动，可连续改变空载辊缝凸度，以实现对板形的控制，如图1所示。文献1(李洪波，张杰，曹建国，等.三次CVC五次CVC及SmartCrown辊形控制特性对比研究.中国机械工程，2009，20(2)：237-240)报道，CVC辊形的辊形曲线上辊半径函数方程为(如图2所示)：

R(x)＝R₀+a₁x+a₂x²+a₃x³

下辊半径函数方程可根据上下辊反对称性质得到。这种辊形的板形控制优点为：轧辊辊形及控制特性相对简单，若不考虑轧辊轴向窜辊所造成的有效辊缝长度的减小，并且不考虑轧制力的作用，则空载辊缝的二次凸度与轧辊的窜辊量呈严格线性关系，这种特性对于辊形的设计加工以及生产过程中的板形控制非常有利。

但是三次CVC辊形主要实现的是对辊缝二次凸度的控制，不具备四次凸度控制能力，对于宽、薄带钢轧制过程中出现的四次板形缺陷无能为力。另外，三次CVC辊形虽具有较强的边浪控制能力，但对于局部边浪，亦即板带生产现场所谓的碎边浪控制能力较弱，对局部边浪的控制极易导致中浪的出现。

(2)六辊CVC冷连轧机

三次CVC辊形最初主要应用于四辊冷连轧机和热连轧机，后在四辊冷连轧机的基础上发展起来的六辊CVC冷连轧机，已成为国内外冷连轧机的主流机型之一。

文献2(张云鹏，吴庆海，王长松.六辊CVC冷轧机板形控制性能研究.冶金设备，1998，(6)：8-10)报道，六辊CVC轧机具备工作辊、中间辊的正负弯辊以及CVC窜辊等板形控制手段，具有很强的板形控制能力。工作辊弯辊、中间辊弯辊和CVC窜辊在板形控制中具有线性性质，即在其他因素不变的情况下，工作辊弯辊、中间辊弯辊以及CVC窜辊所导致的二次凸度变化量dCW2、四次凸度变化量dCW4分别与工作辊弯辊力变化量、中间辊弯辊力变化量和CVC窜辊量成正比。

文献3(张清东，孙向明，白剑.六辊CVC轧机辊系变形的有限元分析.中国机械工程，2007，18(7)：789-792)分析了某1420六辊CVC冷轧机组的凸度调节域，可以看出，六辊CVC机组对二次凸度调节能力较强，凸度调节域虽表现出了板形综合调控下四次凸度的变化情况，但变化幅度较小，说明机组对四次凸度调节能力较弱。

文献4(李洪波，包仁人，张杰.2180mmCVC冷连轧机板形控制问题分析与辊形改进.第九届中国钢铁年会论文集，北京，2013.11：1-5)分析了某2180mmCVC冷连轧机实际连续生产的11649卷带钢的板形控制参数，包括中间辊窜辊、工作辊弯辊及中间辊弯辊，发现窄带钢轧制时CVC以负窜为主，宽带钢以正窜为主。并分析无论是超宽或是超窄带钢，常出现边中复合浪，且多表现为局部小边浪的浪形形式。进一步分析认为1300mm以下窄带钢出现边中复合浪的原因即是轧机对局部小边浪控制能力不足，而利用CVC窜辊和弯辊控制边浪的同时却导致了中浪的出现；1600mm以上宽带钢出现边中复合浪则主要是因为带钢宽度较大，其板形本身就难以控制。并分析提出。这一问题也是宽带钢和超宽带钢六辊CVC冷连轧机易出现的共性问题。

发明内容

本发明的目的是在现有三次CVC辊形的基础上，提出一种新的适用于冷轧六辊轧机的具有局部边浪控制能力的变凸度辊，该轧辊也可应用于四辊轧机。

本发明的技术方案是：

一种具有局部边浪控制能力的变凸度辊，其特征在于辊形曲线由边浪控制段和连续变凸度段组合而成(如图3所示)，其中连续变凸度段即为常规三次CVC辊形；边浪控制段是在常规三次CVC辊形的基础上，逐渐减小边部辊径，以达到控制边浪的目的。定义边浪控制段与常规三次CVC辊形之间的辊径差为边浪控制段有效辊径差，而在辊身端点处该辊径差达到最大，定义其为边浪控制段最大有效辊径差。

以轧辊辊身的边浪控制段一端为坐标原点，辊形曲线方程为：

$y_{t0}\left(x\right)=\left\{\begin{array}{cc}{R}_0+(a_1+a_1^{\&prime;})x+(a_2+a_2^{\&prime;})x^2+a_3{x}^3& 0\&le;x<L_1\\ R_0+a_0+a_{1}x+a_2{x}^2+a_3{x}^3& L_1\&le;x\&le;L\end{array}\right.$

式中y_t0(x)为轧辊辊形半径函数，单位为mm；

R₀为轧辊初始半径，单位为mm；

x为轧辊辊身坐标，单位为mm；

a₀为轧辊辊形系数，单位为mm；

a₁为轧辊辊形系数，无单位；

a′₁为轧辊辊形系数，无单位；

a₂为轧辊辊形系数，单位为mm^-1；

a′₂为轧辊辊形系数，单位为mm^-1；

a₃为轧辊辊形系数，单位为mm^-2；

L₁为轧辊边浪控制段长度，单位为mm；

L为轧辊辊身长度，单位为mm；

对某一轧机，其基本参数如轧辊辊身长度L，最大窜辊量s_m，可轧宽度范围[B_min,B_max]为已知，当给出连续变凸度段辊形空载辊缝的最大二次凸度调节范围C∈[C₁,C₂]，轧机轧制最大宽度B_max的板带时产生的局部边浪沿板带宽度方向的浪宽b，以及为消除局部边浪设计的边浪控制段最大有效辊径差d，则辊形系数之间具有如下关系：

a₀＝d

$a_1=-a_{2}L-\frac{3}{4}{a}_3{L}^2-\frac{1}{4}{a}_3{B^{\&prime;}}^2$

$a_1^{\&prime;}=\frac{2d}{L_1}$

$a_2=\frac{(2s_m-L)C_1+(2s_m+L)C_2}{2L^2{s}_m}$

$a_2^{\&prime;}=-\frac{d}{L_1^2}$

$a_3=\frac{C_1-C_2}{3L^2{s}_m}$

$L_1=\frac{L+2s_m-B_{\max }}{2}+b$

式中d为边浪控制段最大有效辊径差，mm；

b为轧制最大宽度B_max的板带时局部边浪沿板带宽度方向的浪宽，mm；

B_max为轧机最大轧制宽度；

B′为常轧板带宽度，取轧辊长度的70％，mm；

C为辊形连续变凸度段空载辊缝二次凸度，单位为mm；

C₁为辊形连续变凸度段在负极限位置-s_m时的空载辊缝二次凸度，单位为mm；

C₂为辊形连续变凸度段在正极限位置s_m时的空载辊缝二次凸度，单位为mm，根据轧辊正、负窜辊方向的定义，有C₁>C₂；

s_m为最大窜辊量，单位为mm。

由于R₀是与轧辊辊径有关的系数，在其整个服役期内是不断变化的，且与轧辊形状无关，所以当a₀、a₁、a′₁、a₂、a′₂、a₃、L₁确定后，即可唯一确定一条辊形曲线。

本发明的辊形依靠辊形曲线边浪控制段进入板带，以实现对局部边浪的控制，控制效果取决于边浪控制段进入板带的深度和所形成的板带边部最大有效辊缝差。

其中辊形曲线边浪控制段进入板带的深度L₂与轧辊窜辊位置s和板带宽度B之间具有如下关系：

$L_2=\left\{\begin{array}{cc}{L}_1-\frac{L-B-2s}{2}& B\&GreaterEqual;L-2L_1-2s\\ 0& B<L-2L_1-2s\end{array}\right.$

式中L₂为辊形曲线边浪控制段进入板带的深度，mm；

B为轧制的板带宽度，mm；

s为轧辊窜辊位置，mm。

由于，所以，当板带宽度B取B_max，轧辊窜辊位置s＝-s_m时，L₂＝b，即辊形曲线边浪控制段进入板带的深度即为该宽度下局部边浪的浪宽，这主要是利用了文献4所提到的轧制超宽带钢时，变凸度辊窜辊位置多在负极限位置的特点。随着板带宽度的减小，变凸度辊窜辊位置从负极限位置向正极限位置方向移动，辊形曲线边浪控制段进入板带的深度L₂仍在b附近波动，以实现对不同宽度板带的局部边浪控制。

特别的，当板带宽度较大，如B取B_max，而轧辊窜辊位置并不在s＝-s_m附近时，如s＝s_m，则L₂远大于b，最大时可达到L₂＝b+2s_m，而根据文献4所述超宽轧机的生产特点，这种情况是基本不会发生的。而对于L₂稍大于b的情况，即轧辊进入板带的深度L₂稍大于浪宽，由于边浪控制段的有效辊径差变化是逐渐增大的，所以不会对生产及板带产品质量产生较大的负面影响。

而当板带宽度B较小，而轧辊窜辊位置并不在s＝s_m附近时，亦即B<L-2L₁-2s时，辊形曲线边浪控制段进入板带的深度为0，轧辊实际工作段即为常规变凸度辊形，虽不具备局部边浪控制能力，但不会对生产及板带产品质量产生任何的负面影响。而对于L₂稍小于b的情况，即轧辊进入板带的深度L₂稍小于浪宽，则辊形的局部边浪控制能力会略有削弱，但仍具有一定的局部边浪控制能力。

辊形曲线边浪控制段对板带宽度B所形成辊缝与常规三次CVC辊形所形成的辊缝之间的差别定义为有效辊缝差，在板带边部，有效辊缝差达到最大，定义为最大有效辊缝差Δg。最大有效辊缝差是决定边浪控制效果的另一重要因素，局部边浪大，则所需Δg大；局部边浪小，则所需Δg小，而Δg与边浪控制段最大有效辊径差和边浪控制段进入板带的深度L₂之间具有如下关系：

$\mathrm{\&Delta;g}=d{\left(\frac{L_2}{L_1}\right)}^2$

式中Δg为辊形曲线边浪控制段对板带宽度B所形成的边部最大有效辊缝差，mm。

因此，若局部边浪较大，则需要在辊形设计时给定较大的边浪控制段最大有效辊径差d；若局部边浪较小，则在辊形设计时给定较小的边浪控制段最大有效辊径差d；若无局部边浪，则d＝0，此时本发明辊形即为常规变凸度辊形。

本发明的有益效果是：在充分利用常规变凸度辊形对普通二次浪形有效控制能力的基础上，结合板带轧机不同宽度下变凸度辊形的窜辊位置特性，设计边部边浪控制段，实现了对不同宽度板带局部边浪的有效控制；在实现对局部边浪控制的基础上，可利用CVC窜辊和弯辊等其他板形控制手段控制中浪，从而也可实现对四次浪形的有效控制；边浪控制段最大有效辊径差可根据浪形大小灵活设计，满足了对生产现场复杂浪形的控制需求。

附图说明

图1为连续变凸度辊形控制技术的工作原理图。

图2为连续变凸度辊形进行轴向窜动示意图。

图3为本发明具有局部边浪控制能力的变凸度辊形示意图。

图4为根据不同边浪控制段最大有效辊径差所设计的三条具有局部边浪控制能力的变凸度辊形曲线。

图5为三条具有局部边浪控制能力的变凸度辊形曲线对比图。

图6为三条具有局部边浪控制能力的变凸度辊形曲线边浪控制段有效辊径差。

图7为s＝-200mm时三条具有局部边浪控制能力的变凸度辊形曲线所形成的辊缝；

图8为s＝0mm时三条具有局部边浪控制能力的变凸度辊形曲线所形成的辊缝；

图9为s＝200mm时三条具有局部边浪控制能力的变凸度辊形曲线所形成的辊缝；

图10为d＝0.6mm的辊形曲线在s＝-200mm、s＝0mm和s＝200mm三个窜辊位置时的辊缝；

图11为d＝0.6mm的辊形曲线在s＝-200mm、s＝0mm和s＝200mm三个窜辊位置时边部有效辊缝差。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明的技术方案做进一步说明。

一种具有局部边浪控制能力的变凸度辊，其特征在于辊形曲线由边浪控制段和连续变凸度段组合而成，首先以轧辊辊身的边浪控制段一端为坐标原点，设定辊形曲线方程为：

$y_{t0}\left(x\right)=\left\{\begin{array}{cc}{R}_0+(a_1+a_1^{\&prime;})x+(a_2+a_2^{\&prime;})x^2+a_3{x}^3& 0\&le;x<L_1\\ R_0+a_0+a_{1}x+a_2{x}^2+a_3{x}^3& L_1\&le;x\&le;L\end{array}\right.$

式中y_t0(x)为轧辊辊形半径函数，单位为mm；

R₀为轧辊初始半径，单位为mm；

x为轧辊辊身坐标，单位为mm；

a₀为轧辊辊形系数，单位为mm；

a₁为轧辊辊形系数，无单位；

a′₁为轧辊辊形系数，无单位；

a₂为轧辊辊形系数，单位为mm^-1；

a′₂为轧辊辊形系数，单位为mm^-1；

a₃为轧辊辊形系数，单位为mm^-2；

L₁为轧辊边浪控制段长度，单位为mm；

L为轧辊辊身长度，单位为mm；

当给出轧机的轧辊辊身长度L，最大窜辊量s_m，连续变凸度段辊形空载辊缝的最大二次凸度调节范围C∈[C₁,C₂]，轧机轧制最大宽度B_max的板带时产生的局部边浪沿板带宽度方向的浪宽b，为消除局部边浪设计的边浪控制段最大有效辊径差d，则辊形系数之间具有如下关系：

a₀＝d

$a_1=-a_{2}L-\frac{3}{4}{a}_3{L}^2-\frac{1}{4}{a}_3{B^{\&prime;}}^2$

$a_1^{\&prime;}=\frac{2d}{L_1}$

$a_2=\frac{(2s_m-L)C_1+(2s_m+L)C_2}{2L^2{s}_m}$

$a_2^{\&prime;}=-\frac{d}{L_1^2}$

$a_3=\frac{C_1-C_2}{3L^2{s}_m}$

$L_1=\frac{L+2s_m-B_{\max }}{2}+b$

式中d为边浪控制段最大有效辊径差，mm；

b为最大宽度B_max时的局部边浪沿板带宽度方向的浪宽，mm；

B_max为轧机最大轧制宽度；

B′为常轧板带宽度，取轧辊长度的70％，mm；

C为辊形连续变凸度段空载辊缝二次凸度，单位为mm；

C₁为辊形连续变凸度段在负极限位置-s_m时的空载辊缝二次凸度，单位为mm；

C₂为辊形连续变凸度段在正极限位置s_m时的空载辊缝二次凸度，单位为mm，根据轧辊正、负窜辊方向的定义，有C₁>C₂；

s_m为最大窜辊量，单位为mm。

当取轧机设计参数：L＝2600mm，最大窜辊量s_m＝200mm及辊形连续变凸度段空载辊缝二次凸度调节范围[0mm,-1mm]，轧制板带宽度范围为1000mm～2100mm，依据本发明设计当轧制2100mm板带局部边浪浪宽为200mm，边浪控制段最大有效辊径差d分别为0mm、0.3mm和0.6mm时的辊形曲线如图4所示。令设计的三条辊形曲线另一端的半径相同，则得到如图5所示的三条辊形曲线对比图，可以看出当边浪控制段辊径差d为0mm，辊形即为常规三次CVC辊形；而随着d的增大，辊形边部控制段与三次CVC辊形之间的差别亦逐渐增大(边浪控制段有效辊径差如图6所示)，其局部边浪控制能力亦逐渐增强。

图7-图9为依据本发明所设计的三条辊形曲线在s＝-200mm、s＝0mm和s＝200mm三个窜辊位置时的所形成的辊缝对比图，从三张图中可以看出：

1)随着轧辊窜辊位置从负极限到正极限的窜动过程中，辊缝凸度逐渐减小；

2)随着辊形曲线边部边浪控制段有效辊径差的增大，辊缝与常规三次CVC辊形(d＝0)在边部的辊缝差别，亦即有效辊缝差亦逐渐增大；

3)随着窜辊位置的变化，所形成边部边浪控制段有效辊缝长度有所不同，随着轧辊窜辊位置从负极限到正极限的窜动过程中，边部边浪控制段有效辊缝长度逐渐增大。

因此，本发明辊形曲线边浪控制段进入板带的深度L₂不仅与板带宽度B有关，还与轧辊窜辊位置s有关，它们之间的具体关系为：

$L_2=\left\{\begin{array}{cc}{L}_1-\frac{L-B-2s}{2}& B\&GreaterEqual;L-2L_1-2s\\ 0& B<L-2L_1-2s\end{array}\right.$

式中L₂为辊形曲线边浪控制段进入板带的深度，mm；

B为轧制的板带宽度，mm；

s为轧辊窜辊位置，mm。

以d＝0.6mm的辊形曲线为例，在s＝-200mm、s＝0mm和s＝200mm三个窜辊位置时的辊缝如图10所示，其具体边部控制段所形成的有效辊缝差对比如图11所示。

由图11可以看出，轧辊处于s＝-200mm时，边部边浪控制段有效辊缝长度最短，对1700mm以下板带，该辊形与三次CVC辊形所形成的辊缝完全相同，只对1700mm以上的板带才开始形成有效的边浪控制，且随着板带宽度的增大，边部边浪控制段有效辊缝长度逐渐增大，对1900mm的板带，可形成板带边部100mm的边浪控制段辊缝，对2100mm的板带，可形成板带边部200mm的边浪控制段辊缝。

当s＝0mm时，边部边浪控制段对1300以上的板带开始形成有效的边浪控制，并随着板带宽度的增大，边部边浪控制段有效辊缝长度逐渐增大，对1500mm的板带，可形成边部100mm的边浪控制段辊缝，对1700mm的板带，可形成板带边部200mm的边浪控制段辊缝，对1900mm的板带，可形成板带边部300mm的边浪控制段辊缝，对2100mm的板带，可形成板带边部400mm的边浪控制段辊缝，但根据文献4所述超宽轧机的生产特点，当s＝0mm时，轧制1900mm以上板带的情况是不会出现的，而轧制1700mm以上板带的情况也是不易出现的，即使形成板带边部略大于200mm的边浪控制段辊缝的情况，虽然该边浪控制段辊缝大于实际出现的局部边浪浪宽，但于边浪控制段的辊径差变化是逐渐增大的，所以不会对生产及板带产品质量产生较大的负面影响。

当s＝200mm时，边部边浪控制段对900mm以上的板带开始形成有效的边浪控制，并随着板带宽度的增大，边部边浪控制段有效辊缝长度逐渐增大，对1100mm的板带，可形成边部100mm的边浪控制段辊缝，对1300mm的板带，可形成板带边部200mm的边浪控制段辊缝，对1500mm的板带，可形成板带边部300mm的边浪控制段辊缝，对1700mm的板带，可形成板带边部400mm的边浪控制段辊缝，但根据文献4所述超宽轧机的生产特点，当s＝200mm时，轧制1300mm以上板带的情况是不易出现的。

辊形曲线边浪控制段对板带宽度B所形成的边部最大有效辊缝差Δg是决定边浪控制效果的另一重要因素，局部边浪大，则所需Δg大；局部边浪小，则所需Δg小，而Δg与边浪控制段最大有效辊径差和边浪控制段进入板带的深度L₂之间具有如下关系：

$\mathrm{\&Delta;g}=d{\left(\frac{L_2}{L_1}\right)}^2$

式中Δg为辊形曲线边浪控制段对板带宽度B所形成的边部最大有效辊缝差，mm。

因此，若局部边浪较大，则需要在辊形设计时给定较大的边浪控制段最大有效辊径差d；若局部边浪较小，则在辊形设计时给定较小的边浪控制段最大有效辊径差d；若无局部边浪，则d＝0，此时本发明辊形即为常规变凸度辊形。

Claims (3)

1.一种具有局部边浪控制能力的变凸度辊，其特征在于辊形曲线由边浪控制段和连续变凸度段组合而成，首先以轧辊辊身的边浪控制段一端为坐标原点，设定辊形曲线方程为：

式中y_t0(x)为轧辊辊形半径函数，单位为mm；

R₀为轧辊初始半径，单位为mm；

x为轧辊辊身坐标，单位为mm；

a₀为轧辊辊形系数，单位为mm；

a₁为轧辊辊形系数，无单位；

a′₁为轧辊辊形系数，无单位；

a₂为轧辊辊形系数，单位为mm^-1；

a′₂为轧辊辊形系数，单位为mm^-1；

a₃为轧辊辊形系数，单位为mm^-2；

L₁为轧辊边浪控制段长度，单位为mm；

L为轧辊辊身长度，单位为mm；

当给出轧机的轧辊辊身长度L，最大窜辊量s_m，辊形连续变凸度段空载辊缝二次凸度C的调节范围[C₁,C₂]，轧机轧制最大宽度B_max的板带时产生的局部边浪沿板带宽度方向的浪宽b，为消除局部边浪设计的边浪控制段最大有效辊径差d，则辊形系数之间具有如下关系：

a₀＝d

式中d为边浪控制段最大有效辊径差，mm；

b为轧制最大宽度B_max的板带时局部边浪沿板带宽度方向的浪宽，mm；

B_max为轧机最大轧制宽度；

B′为常轧板带宽度，取轧辊长度的70％，mm；

C为辊形连续变凸度段空载辊缝二次凸度，单位为mm；

C₁为辊形连续变凸度段在负极限位置-s_m时的空载辊缝二次凸度，单位为mm；

C₂为辊形连续变凸度段在正极限位置s_m时的空载辊缝二次凸度，单位为mm，根据轧辊正、负窜辊方向的定义，有C₁>C₂；

s_m为最大窜辊量，单位为mm。

2.根据权利要求1所述的具有局部边浪控制能力的变凸度辊，其特征在于辊形曲线边浪控制段进入板带的深度L₂与轧辊窜辊位置s和板带宽度B之间具有如下关系：

式中L₂为辊形曲线边浪控制段进入板带的深度，mm；

B为轧制的板带宽度，mm；

s为轧辊窜辊位置，mm。

3.根据权利要求1所述的具有局部边浪控制能力的变凸度辊，其特征在于辊形曲线边浪控制段对板带宽度B所形成的边部最大有效辊缝差Δg与边浪控制段最大有效辊径差和边浪控制段进入板带的深度L₂之间具有如下关系：

式中Δg为辊形曲线边浪控制段对板带宽度B所形成的边部最大有效辊缝差，mm。