CN104607468B - 兼顾磨削精度及冷轧电工钢边降控制的工作辊辊形技术 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种兼顾磨削精度和效率的冷轧电工钢高精度边降控制工作辊辊形技术，本发明采用分段辊形函数方法，形成特殊的冷轧工作辊辊形曲线，辊形曲线中指数函数曲线的系数根据带钢边降的情况进行设计；一次直线为指数曲线段外平滑过渡段，防止弯辊力作用下工作辊和中间辊在指数曲线段外侧接触造成的辊间应力集中；平辊段有两处，第一平辊段为工作辊辊面与带钢主体部分接触段，第二平辊段在工作辊辊面端部，目的为提高工作辊磨削精度与效率。各段曲线函数确定后进行分段表示。通过本发明提及的工作辊辊形技术，可以有效的提高冷轧带钢边降控制水平，提升轧辊磨削精度和效率的同时降低辊耗，降低冷轧电工钢生产成本。

Description

兼顾磨削精度及冷轧电工钢边降控制的工作辊辊形技术

技术领域

本发明涉及冶金机械及自动化、轧制技术。具体指一种兼顾磨削精度和效率的冷轧电工钢高精度边降控制工作辊辊形技术。

背景技术

板形是板带产品的最重要质量指标之一，板形控制技术及工艺也成为板带轧机的最具附加值和技术含量的组成部分。冷轧电工钢片作为高效节能、用量大的优秀软磁功能材料，是我国钢铁工业品种结构调整的重点。国内企业冷轧电工钢边降控制水平与国际先进水平相比有一定的差距，并且经常出现因边降而引发的大规模板形质量异议。因此，进行电工钢边降控制技术的研究显得十分必要。

边降(Edge Drop)可定义为在轧制过程中距离带钢边部一定尺寸的区域内，带钢在厚度方向上的减少量。带钢断面形状虽然很不规则，但是均可分为以下几个区域:中心区、边降区、骤减区，如图2所示。一般可定义骤减区在距边部约5～25mm处，边降区在距边部约25～100mm处，其余为中心区。

边降是带钢轧制过程中轧机辊系弹性变形和带钢金属三维弹塑性变形共同造成的结果。其主要的影响因素有:

1)由于轧制过程中工作辊发生弹性压扁，而工作辊在轧件边部的压扁量明显小于在中部的压扁量，相应地轧件产生边降；2)由于自由表面的影响，板带边部金属和内部金属的流动规律不同，带钢边部金属相对容易向带钢宽度方向的外侧流动；3)支持辊和工作辊或中间辊与工作辊之间存在有害接触区，使工作辊发生多余的弯曲；4)冷轧原料带钢本身就带有较大的边降。

近年来随着板形控制技术的发展，边降的控制手段多样化，相继涌现出单锥度工作辊、EDC冷却技术、EDC工作辊、工作辊窜辊和交叉等多种控制技术。在辊形方面，主要集中在锥度辊的研究，虽已取得一定效果，但是已有成果中各辊形曲线的可调参数较少，对带钢边降的多样性适应程度较小，并且设计出的辊形没有考虑轧辊下机后的磨削问题，尤其对于宽规格轧机轧制窄规格电工钢时轧辊的锥度段较长，轧辊的磨削精度和效率低等问题更加突出。

由于边降控制作用段为锥形，随着锥形曲线磨削的进行，砂轮外缘不再是平行轧辊辊面方向而是有一定的角度，然而磨床控制系统对砂轮外缘形状变化造成的轧辊磨削精度下降没有补偿措施，最终辊形曲线的磨削精度受到严重影响。另一方面，为保证辊形曲线的磨削精度，磨床会对辊形进行在线监控，当磨削后的辊形与目标辊形偏差超过允许值时，磨床会对工作辊再次磨削，直至辊形曲线达到目标辊形所允许的偏差范围内，因此，辊形曲线磨削精度的下降又导致工作辊磨削时间和磨削量增加，磨削效率降低。综上，常规边降控制辊辊形曲线在磨削时，辊形精度和磨削效率都比较低，严重影响冷轧的产品质量和连续化生产，同时增加了生产成本。

文献1(宽带钢冷连轧机边降控制支持辊辊形研究，2008，中南大学学报)研究了工作辊/变接触支持辊辊形一体化模型，研究整个辊系对边降的影响，没有涉及边降控制方法；文献2(UCM冷连轧机硅钢边降控制技术，北京科技大学学报)在辊形端部采用六次曲线形成锥度辊以解决带钢边降；文献3(UCMW轧机正弦函数形单锥度工作辊边降控制，2009，北京科技大学学报)在辊形端部采用正弦曲线以解决带钢边降，但文献3中设计的辊形曲线所含参数较少，不足以应对实际生产中边降的位置及程度在较大范围内的变化时辊形曲线设计的灵活性要求，以上技术都没有考虑边降控制工作辊辊形磨削精度和效率等与生产息息相关的关键问题。

从检索到的文献看，尚未检索到在冷轧中采用工作辊辊形技术兼顾工作辊磨削精度和效率的同时有效控制冷轧电工钢边降的方法。

发明内容

目前冷轧电工钢生产载体多为六辊轧机，工作辊辊形多为平辊，除少数的UCMW机组外多不具备边降控制能力。电工钢生产过程中，一个换辊周期内轧制的品种和规格较为单一，为通过辊形技术控制边降问题提供了解决的契机。本发明旨在开发一种特殊的工作辊辊形技术，其目的是兼顾工作辊磨削精度和效率的同时进行冷轧电工钢边降控制，补偿由于设备和原料固有问题带来的板形不良，丰富冷轧电工钢板形控制手段，提高冷轧电工钢产品质量的同时降低生产成本。

带钢边降如图2所示，带钢厚度在距离边部100mm处开始出现减薄，25mm处出现骤减量。采用辊形的作用机理主要是通过辊形补偿辊系变形和轧辊压扁造成的带钢边部局部压下量过大，同时减小工作辊与中间辊或支承辊的有害接触区。带钢边降可以通过弯辊、窜辊、辊形加以改善，但是弯辊和窜辊主要作用是控制带钢整个宽度上的板形，其对边降控制的作用非常有限，因此辊形是最为直接和有效的手段。实际生产中多采用带锥度的工作辊进行边降控制。

带边降控制的工作辊磨削过程中，当磨床的砂轮磨削到锥度区域时，砂轮的形状也会随着锥度段发生变化而出现偏磨损，导致砂轮外缘形状异常，最终会降低磨削后辊形曲线精度和磨削效率，这是锥度辊磨削过程中不可避免的问题。尤其对于轧辊辊面长度比带钢宽度大较多时，锥形段长度更长，辊径差更大，砂轮的偏磨损导致的辊形磨削精度和磨削效率更加低下，严重时磨床不得不采用重复磨削保证辊形磨削质量。

本发明中第一平辊段是带钢中部与轧辊接触段，指数曲线辊形段的作用机理主要是控制带钢的边降；一次直线段的作用在于防止在弯辊力作用下工作辊和中间辊在指数曲线段末端接触造成轧辊辊面的接触应力集中而损伤辊面；第二平辊段的作用在于简化工作辊磨削过程，提高工作辊磨削精度和效率。

本发明中第一平辊段为平辊，其辊形高度为辊形的基准，辊形方程表示如下：

y₀(x)＝a₁；

由于第一平辊段是整个辊形的基准，一般可取a₁＝0。

边降控制段采用指数函数曲线，辊形曲线方程如下：

$y_1\left(x\right)=b_1+b_2{e}^{-{\left(\frac{x-b_3}{b_4}\right)}^2};$

在带钢边降区与工作辊接触范围内，设计此指数曲线辊形，系数b₁～b₄的取值根据实际生产条件下电工钢边降的位置和大小进行设计，且需满足如下方程组：

$\left\{\begin{array}{c}{b}_1+b_2{e}^{-{\left(\frac{\frac{L_0}{2}-L_1-L_2-L_3-b_3}{b_4}\right)}^2}=a_1\\ b_1+b_2{e}^{-{\left(\frac{\frac{L_0}{2}-L_2-L_3-b_3}{b_4}\right)}^2}=a_1-H_0\\ -\frac{{2b}_2}{b_4}\left(\frac{\frac{L_0}{2}-L_1-L_2-L_3-b_3}{b_4}\right)e^{-{\left(\frac{\frac{L_0}{2}-L_1-L_2-L_3-b_3}{b_4}\right)}^2}=0\end{array}\right.;$

式中，a₁为第一平辊段的辊形高度；H₀为指数曲线段高度，35μm≤H₀≤55μm；L₀为工作辊辊面长度，由设备尺寸决定；L₁为带钢边降控制区范围，80mm≤L₁≤110mm；；L₂为一次直线在X轴上投影长度，50mm≤L₂≤80mm；L₃为第二平辊段在X轴上投影长度，L₃＝L₀/2-L₁-L₂。

在指数曲线辊形外侧，为防止在弯辊力作用下工作辊和中间辊接触造成划伤，并考虑磨床加工特性，设计一次直线段，方程如下：

y₂(x)＝c₁x+c₂；

在一次直线段辊形外侧，为简化工作辊磨削过程，提高工作辊磨削精度和效率，设计一段辊面突降段，并根据突降高度决定第二平辊段的曲线方程，方程如下：

y₃(x)＝a₂；

第二平辊段的辊形高度参数a₂与指数曲线高度H₀、一次直线在Y轴上的投影长度H₁及辊面突降的高度H₂有关，通过现场实际生产情况来确定a₂的值，需满足：

a₂＝a₁-H₀-H₁-H₂

式中，H₀为指数曲线高度，H₁为一次直线段长度在Y轴的投影长度，H₂为辊面突降的高度，H_2min≤H₂≤H_2max，即a₂需控制在一定的范围内，当a₂小于一定值后才进行一次磨削，直到磨削到H₂＝H_2max。在后续的生产过程中轧辊下机后只需要磨削第一平辊段、指数函数段和一次直线段即可。实际应用中取H_2min＝2mm，H_2max＝10mm。

各曲线分别设计完成后，对曲线进行综合，得到综合曲线方程如下：

$y\left(x\right)=\left\{\begin{array}{cc}{a}_1& X_0\≤x\≤X_1\\ b_1+b_2{e}^{-{\left(\frac{x-b_3}{b_4}\right)}^2}& X_1\≤x\≤X_2\\ c_{1}x+c_2& X_2\≤x\≤X_3\\ a_2& X_3\≤x\≤X_4\end{array}\right.;$

其中X₀为工作辊辊面端点坐标，X₁为工作辊平辊段与指数曲线段交点坐标，X₂为指数曲线段与一次直线段交点坐标，X₃为一次直线段末端横坐标，X₄为工作辊辊面右端点坐标，x为以工作辊中点为原点的轧辊横向坐标，y为轧辊辊形高度纵坐标。新工作辊辊形曲线如图3所示。

本发明内容设计的工作辊辊形曲线，在实际应用中，只有当辊面突降值a₂小于一定值后才进行一次磨削，直到磨削到最大的辊径值。这样砂轮的偏磨量会大幅度降低，砂轮沿辊面的运行长度也有所降低，从而达到提高冷轧带钢边降控制能力的同时兼顾工作辊磨削精度和效率。由于磨削精度的提高不会出现因磨削精度达不到要求而出现的重复磨削问题，轧辊辊耗也有效的降低。设计完成后以离散点的方式输入磨床对工作辊磨削即可。因此，本发明在冷连轧机上实现起来可行性强、成本低。在某1720mm冷连轧厂上机使用表明，此种辊形可显著提高冷轧带钢边降控制能力的同时提升工作辊辊形磨削精度和效率，降低辊耗。

附图说明

图1为本发明辊形曲线分段示意图；

图2为带钢边降定义图；

图3为本发明工作辊上工作辊上表面辊形曲线；

图4为现有技术使用常规工作辊辊形生产电工钢成品断面厚度分布；

图5本发明工作辊上机后成品断面厚度分布。

具体实施方式

下面结合具体实施案例对本发明做进一步的说明：

针对某厂1720mm电工钢冷连轧机组，该机组工作辊无窜辊功能，且生产中有大量的1000mm宽度的电工钢产品，由于轧辊辊面长度远比带钢宽度要大。因此采用常规边降控制锥度工作辊时边降控制效果不佳，且由于锥形段很长，工作辊磨削时砂轮的偏磨损严重，导致边降工作辊磨削精度和磨削效率大幅度下降，有时出现多次重复磨削现象。

根据本发明的内容，设计相应的工作辊辊形曲线。根据现场测量结果，电工钢边降区出现在从边部往内L₁＝100mm的宽度范围内，考虑带钢边部的平均减薄值，将指数曲线段高度设定为H₀＝45μm，考虑到工作辊多个轧制周期内磨损量和在弯辊力作用下工作辊和中间辊接触造成划伤问题，一次直线段在X轴投影长度L₂取60mm，可推算得第二平辊段长度L₃为300mm。且一次直线端部X₃处辊面突降高度H₂为初始最大突降高度，即H₂＝H_2max＝10mm，根据综合曲线方程：

$y\left(x\right)=\left\{\begin{array}{cc}{a}_1& X_0\≤x\≤X_1\\ b_1+b_2{e}^{-{\left(\frac{x-b_3}{b_4}\right)}^2}& X_1\≤x\≤X_2\\ c_{1}x+c_2& X_2\≤x\≤X_3\\ a_2& X_3\≤x\≤X_0\end{array}\right.$

取a₁＝0，可以得到：

将各已知量代入，其中H₀＝45μm，H₂＝10mm，L₀＝1720mm，L₁＝100mm，L₂＝60mm，L₃＝300mm，解方程组可得各参数的解为：

$\left\{\begin{array}{c}{a}_1=0\\ a_2=-10.091\end{array}\right.,\left\{\begin{array}{c}{b}_1=0\\ b_2=-0.05951\\ b_3=534.9\\ b_4=63.38\end{array}\right.,\left\{\begin{array}{c}{c}_1=-7.63e-04\\ c_2=0.337\end{array}\right.$

从而得到工作辊横向离散点数据(间隔10mm一个点)：

表1 工作辊横向离散点数据

x	y	x	y	x	y	x	y	x	y
										-860	0	-510	0	-160	0	190	0	540	-0.077
-850	0	-500	0	-150	0	200	0	550	-0.084
										-840	0	-490	0	-140	0	210	0	560	-0.091
-830	0	-480	0	-130	0	220	0	560	-10.091
										-820	0	-470	0	-120	0	230	0	570	-10.091
-810	0	-460	0	-110	0	240	0	580	-10.091
										-800	0	-450	0	-100	0	250	0	590	-10.091
-790	0	-440	0	-90	0	260	0	600	-10.091
										-780	0	-430	0	-80	0	270	0	610	-10.091
-770	0	-420	0	-70	0	280	0	620	-10.091
										-760	0	-410	0	-60	0	290	0	630	-10.091
-750	0	-400	0	-50	0	300	0	640	-10.091
										-740	0	-390	0	-40	0	310	0	650	-10.091
-730	0	-380	0	-30	0	320	0	660	-10.091
										-720	0	-370	0	-20	0	330	0	670	-10.091
-710	0	-360	0	-10	0	340	0	680	-10.091
										-700	0	-350	0	0	0	350	0	690	-10.091
-690	0	-340	0	10	0	360	0	700	-10.091

-680	0	-330	0	20	0	370	0	710	-10.091
										-670	0	-320	0	30	0	380	0	720	-10.091
-660	0	-310	0	40	0	390	0	730	-10.091
										-650	0	-300	0	50	0	400	0	740	-10.091
-640	0	-290	0	60	0	410	-0.001	750	-10.091
										-630	0	-280	0	70	0	420	-0.002	760	-10.091
-620	0	-270	0	80	0	430	-0.004	770	-10.091
										-610	0	-260	0	90	0	440	-0.006	780	-10.091
-600	0	-250	0	100	0	450	-0.011	790	-10.091
										-590	0	-240	0	110	0	460	-0.017	800	-10.091
-580	0	-230	0	120	0	470	-0.023	810	-10.091
										-570	0	-220	0	130	0	480	-0.030	820	-10.091
-560	0	-210	0	140	0	490	-0.037	830	-10.091
										-550	0	-200	0	150	0	500	-0.045	840	-10.091
-540	0	-190	0	160	0	510	-0.053	850	-10.091
										-530	0	-180	0	170	0	520	-0.062	860	-10.091
-520	0	-170	0	180	0	530	-0.070

将以上数据输入到磨床，并上机磨削，在保证表面无刀花、辊形曲线良好的同时，该辊形磨削时间比常规锥度辊减少了67.5％，而且辊耗比磨削常规锥度辊降低了36.3％，与平辊基本持平，极大地提高了磨辊效率，降低了辊耗。上机实验后，通过对产品的跟踪监测，该辊形可有效改善该1720mm冷连轧机组轧制1000mm宽度电工钢的边降，图4和5分别为使用该辊形技术前后成品断面曲线，可见带钢边降已经控制在较小的范围，完全能够满足市场的要求。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，通过辊形技术在兼顾辊形磨削精度和效率的同时达到改善冷轧电工钢边降控制质量所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种兼顾磨削精度及冷轧电工钢边降控制的工作辊辊形技术，其特征在于，所述工作辊辊形采用分段函数表示，所述工作辊自轧辊的一端至另一端方向包括第一平辊段、指数函数曲线段、一次直线段及第二平辊段；

自工作辊的一端至另一端方向的辊形以分段函数表示如下：

$y\left(x\right)=\left\{\begin{array}{cc}{a}_1& X_0\≤x\≤X_1\\ b_1+b_2{e}^{-{\left(\frac{x-b_3}{b_4}\right)}^2}& X_1\≤x\≤X_2\\ c_{1}x+c_2& X_2\≤x\≤X_3\\ a_2& X_3\≤x\≤X_4\end{array}\right.$

x为以工作辊中心点为原点的工作辊横向坐标，y(x)为工作辊的高度纵向坐标，X₀-X₁为第一平辊段，X₁-X₂为指数函数曲线段，X₂-X₃为一次直线段，X₃-X₄为第二平辊段，其中X₀为工作辊辊面左端点坐标，X₁为工作辊第一平辊段与指数曲线段交点横坐标，X₂为指数曲线段与一次直线段交点横坐标，X₃为一次直线段末端横坐标，X₄为工作辊辊面右端点横坐标，所述b₁、b₂、b₃、b₄、c₁、c₂、a₂为参数，a₁＝0；

其中系数b₁～b₄需满足如下方程组：

$\left\{\begin{array}{c}{b}_1+b_2{e}^{-{\left(\frac{\frac{L_0}{2}-L_1-L_2-L_3-b_3}{b_4}\right)}^2}=a_1\\ b_1+b_2{e}^{-{\left(\frac{\frac{L_0}{2}-L_2-L_3-b_3}{b_4}\right)}^2}=a_1-H_0\\ -\frac{2b_2}{b_4}\left(\frac{\frac{L_0}{2}-L_1-L_2-L_3-b_3}{b_4}\right)e^{-{\left(\frac{\frac{L_0}{2}-L_1-L_2-L_3-b_3}{b_4}\right)}^2}=0\end{array}\right.$

a₁为第一平辊段的辊形高度，H₀为指数曲线段高度，35μm≤H₀≤55μm；L₀为工作辊辊面长度，由设备尺寸决定，L₁为带钢边降控制区范围，80mm≤L₁≤110mm，L₂为一次直线段在x轴上投影长度，L₃为第二平辊段在x轴上投影长度，L₃＝L₀/2-L₁-L₂；

c₁满足：

2.根据权利要求1所述的一种兼顾磨削精度及冷轧电工钢边降控制的工作辊辊形技术，其特征在于，第一平辊段、指数曲线段、一次直线段每次轧辊下机后都要进行磨削，第二平辊段只有当一次直线段和平辊段二在X₃点处辊径差小于最小允许值时才进行一次磨削，直至将此辊径差磨削到最大允许值为止。

3.根据权利要求1所述的一种兼顾磨削精度及冷轧电工钢边降控制的工作辊辊形技术，其特征在于：上下工作辊辊形曲线反对称布置。