CN106077098B

CN106077098B - 一种双锥度工作辊及其辊形设计方法

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Publication number: CN106077098B
Application number: CN201610420822.4A
Authority: CN
Inventors: 杨荃; 王晓晨; 孙友昭; 徐冬; 刘洋; 何海楠; 宋光义; 雷奇瑛; 梁治国; 马粹
Original assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Current assignee: USTB Design and Research Institute Co Ltd
Priority date: 2016-06-13
Filing date: 2016-06-13
Publication date: 2018-04-03
Anticipated expiration: 2036-06-13
Also published as: CN106077098A

Abstract

本发明提供一种双锥度工作辊及其辊形设计方法，属于板带轧制辊形设计技术领域。该工作辊主要包含三段曲线，中部凸度控制段和两侧边降控制段。其中，中部凸度控制段在两端分别和边降控制段相切，实现曲线的光滑过渡。边降控制段采用特殊的辊形曲线，实现对边降的有效控制；中部凸度控制段采用二次抛物线形式，可满足对带钢凸度的控制要求。利用本方法提供的辊形参数对应关系，可以根据热轧现场生产的需求灵活设计具有边降控制能力的双锥度辊形。

Description

一种双锥度工作辊及其辊形设计方法

技术领域

本发明涉及板带轧制辊形设计技术领域，特别是指一种双锥度工作辊及其辊形设计方法。

背景技术

目前，热轧产品以热带冷、以薄为主已逐步成为发展趋势，这就对热轧带钢的断面轮廓控制提出了更高的要求，尤其是薄规格产品的边降控制及横向厚差控制，更是成为热轧高精度带钢生产板形控制的难点。现有的热轧控制手段，通过弯窜辊、轧辊交叉等，可以实现有效的二次凸度控制，但对边降区却无能为力。如何在带钢全宽范围实现有效的断面轮廓控制，实现边降与凸度的协调控制，实现高精度的超平材控制，是目前困扰热连轧技术研究领域的共性关键问题。

目前，在板形控制领域特别是边降控制方面主要有以下方法：T-WRS边部减薄控制技术、T-WRS&C锥形工作辊横移与交叉技术、EDC轧辊技术、EDC冷却技术和ASR轧辊技术等。以上为目前主要的边部减薄控制技术，其中T-WRS、T-WRS&C、EDC轧辊技术和EDC冷却技术均用于冷轧，只有ASR技术是针对热轧设计的。

T-WRS是由川崎制铁公司开发的锥形工作辊横移技术，是目前使用最广泛的边部减薄控制技术。其采用单锥度工作辊，根据轧制带钢的钢种、宽度等不同规格进行工作辊横移，改变轧辊锥形段带钢的有效长度，从而达到减少带钢边部横向流动，控制边部减薄的目的。该方法较易实现，生产成本较低，四辊或六辊轧机均可使用，其核心技术在于锥度选择及通过板带断面形状和轧制条件确立工作辊横移位置，目前该技术多应用于冷连轧机边部减薄的反馈控制，即通过在冷连轧机组的出口处配置高分辨率的边部减薄测厚仪，并根据边部减薄的实测值来调整轧辊锥形段的有效长度值来控制断面厚差。

T-WRS&C是三菱重工在吸收川崎制铁K-WRS轧机和三菱重工PC轧机各自特点的基础上开发的板形控制技术。其工作辊既可交叉又可横移，通过交叉角可影响辊缝形状，以控制轧件的横向厚度分布，通过横移可改变工作辊与支承辊的接触长度，从而达到控制边部减薄的目的。

EDC轧辊技术是由德国西马克公司开发的边部柔性轧辊技术。其在工作辊辊身的一端挖空一圈，降低辊端面的刚度，再与工作辊窜辊相配合，降低带钢边部变形压力，从而控制边部减薄，该技术也多用于冷连轧机组。

EDC冷却技术也是由西马克公司开发，采用细化边部减薄区轧辊分段冷却控制的模式，在轧制过程中是轧辊沿板带宽度方向产生适当的温度分布，形成合理的平台状热凸度来控制边部减薄，该技术也多用于冷轧系统。

ASR轧辊技术即非对称自补偿工作辊技术针对热轧工作辊凹槽“U”型磨损箱体，设定特殊窜辊方式，使得工作辊的磨损由“U”型变为“L”型，即打开磨损箱体的一个边，使轧件始终处于较为平坦的辊形区域内，从而实现横向厚差的控制，减小边降。ASR技术设计核心思想为：采用单向窜辊，实现通过轧辊一侧锥形曲线补偿轧辊磨损、抑制磨损箱体的产生。然而，通过锥形辊补偿磨损辊形存在很大的精度误差，难以实现设计初衷。同时，热轧工作辊存在较大的整体凹度，其与边部锥度组合构成类似于CVC辊形的曲线形式，进行单向窜辊操作会引起有载辊缝凸度的连续变化，形成中浪缺陷，即“CVC效应”。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种双锥度工作辊及其辊形设计方法。

该工作辊包括中部的凸度控制段和两侧的边降控制段；工作辊的辊形曲线包括三段曲线，采用分段函数来表达，在板宽范围内，增加

边降控制能力的同时，辊缝凸度调节能力基本不变，工作辊的辊形曲线方程为：

式中：

L₁＝B_min/2-L_e，L_e取100mm，单位为mm；

L₂＝B_min/2-e₁，e₁取25mm，单位为mm；

B_min为带钢最小宽度，单位为mm；

h₀为常数，取值范围为0.005～0.01，单位为mm；

L_WR为工作辊辊身长度，单位为mm；

x为轧辊辊身坐标，单位为mm；

y(x)为轧辊辊形半径函数，单位为μm；

a为二次曲线辊形参数，由带钢的出口目标凸度和轧机弯辊力调控能力来确定，单位为1。

该工作辊对称设置，用于热轧带钢的边降控制。

工作辊的窜辊最大行程绝对值S_max的取值范围为[0,L_WR-L_BR]，单位为mm，L_BR的含义为支撑辊辊身长度。

工作辊使用的窜辊策略为变参数窜辊策略，其中，根据轧制单元的长度确定初始步长和行程以及步长衰减系数和行程衰减系数，确保轧制末期对凸度和边降的有效控制。

该工作辊的辊形设计方法，具体包括以下步骤：

(一)确定二次曲线y₁＝ax²的常系数a：

根据带钢宽度规格分布和设备参数，确定带钢最小宽度B_min、工作辊的窜辊最大行程绝对值S_max和工作辊辊身长度L_WR，二次曲线y₁＝ax²直接影响机架出口带钢凸度，工作辊的弯辊力最大值Fb_max的15％-30％参与带钢凸度设定，其余用于板形实时调节，常系数a的给定直接影响工作辊弯辊调节域，采用下述方法确定常系数a：

宽度为B_min带钢的出口目标凸度为C₀，由方程-C₀＝a(B_min/2)²确定初值a＝a₀，将辊形曲线为y₀＝ax²，x∈[-L_WR/2,L_WR/2]的工作辊应用于工业现场，得到弯辊力的设定值Fb₀，若Fb₀<0.15Fb_max时，则增大a为1.011a₀，若Fb₀>0.3Fb_max时，则减小a为0.989a₀，直至满足0.15Fb_max≤Fb₀≤0.3Fb_max，确定最终值a；

(二)得到二次曲线方程：

y₁＝ax² x∈[-L₁,0]，

其中，L₁根据最小宽度带钢宽度B_min和带钢边部控制区域长度L_e确定：

L₁＝B_min/2-L_e

由方程y₁＝ax²确定二次曲线边部点

(三)确定边降控制段的辊形曲线方程常系数：

设边降控制段的辊形曲线方程为：

y₂＝bx²+cx+d x∈[-L_WR/2,-L₁]，

根据条件方程过点且与二次曲线y₁＝ax²相切于点，式中二次项系数b大于0，求解上式系数b、c、d，即求解方程组：

其中，y₁＝ax²，y₂＝bx²+cx+d，h₁为A点纵坐标，则h₁＝aL₁ ²，点坐标由下述方法确定：

B点横坐标-L₂取带钢边部e₁处对应轧辊曲线位置：

L₂＝B_min/2-e₁，

B点纵坐标-h₂为变量，由下式得出：

式中h₀为调整辊形曲线带钢边降控制能力的设计参数，取值范围为0.005～0.01，单位为mm；

求解方程组，得出系数b、c、d分别为：

(四)由步骤(一)至步骤(三)已经确定单侧辊形曲线函数，根据轴对称原则确定另一侧曲线函数；

(五)进行工业试验得到实测边降值d₀，与期望值d_t进行比较，当d₀≈d_t值时，则完成辊形设计；当d₀与d_t偏差较大时，将步骤(三)中h₀替换为h_e，重新计算辊形曲线方程，h_e计算方法为：h_e＝d_th₀/d₀。至此，完成辊形设计。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：

该工作辊端部辊形由特殊的曲线参与边降控制，边部辊形曲线和中部二次曲线实现圆滑过渡，同时具有足够的边降调控能力。具体优点为：(1)通过对边部辊形曲线的补偿，可有效提高对带钢的边降控制能力；(2)保证带钢凸度稳定，减小辊形变化带来的凸度波动；(3)可配合自由窜辊策略使用，无单向窜辊要求，从而消除单锥度辊形由于单向窜辊引起的“CVC效应”所产生的带钢凸度与平坦度变化；(4)辊形曲线过渡平滑，辊间接触压力无明显应力集中现象；(5)在小凸度控制的前提下，可有效控制热轧产品的横向厚差，满足高精度板带材轧制的技术要求。

附图说明

图1为本发明的双锥度工作辊辊形设计方法示意图；

图2为本发明的双锥度工作辊沿辊身长度方向全貌示意图；

图3为本发明双锥度工作辊辊形曲线坐标图；

图4为本发明实施例辊形与某工业现场原辊形的比较示意图；

图5为本发明实施例在实际应用时使用的窜辊策略。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本发明提供一种双锥度工作辊及其辊形设计方法。该工作辊包括中部的凸度控制段和两侧的边降控制段，参见附图1，在图中二维坐标系下，工作辊的辊形曲线方程为：

式中x为轧辊辊身坐标，单位为mm；y(x)为轧辊辊形半径函数，单位为μm。

参见附图1，基于本发明实施例一种具有热轧带钢边降控制能力双锥度工作辊辊形设计方法包括以下步骤：

(一)确定二次曲线y＝ax²。

据带钢宽度规格分布和设备参数，确定带钢最小宽度B_min＝1000mm、工作辊的窜辊最大行程绝对值S_max＝150mm和工作辊辊身长度L_WR＝1880mm，二次曲线y₁＝ax²直接影响机架出口带钢凸度，工作辊的弯辊力最大值Fb_max＝1200KN的15％-30％参与带钢凸度设定，其余用于板形实时调节，系数a的给定直接影响工作辊弯辊调节域，通常采用下述方法确定系数a：

宽度为B_min＝1000mm带钢的出口目标凸度为C₀＝0.05mm，由方程-C₀＝a(B₀/2)²确定初值a＝a₀＝-2E-07，将辊形曲线为y₀＝-2E-07x²，x∈[-940,940]的工作辊应用于工业现场，得到弯辊力的设定值Fb₀＝640KN，Fb₀>0.3Fb_max，减小a为0.989a₀，经过3次调节后得到的弯辊力Fb₀＝245KN，满足0.15Fb_max≤Fb₀≤0.3Fb_max，确定最终值a＝-1.967E-07。

L₁根据最小宽度带钢宽度B_min＝1000mm和带钢边部控制区域长度L_e＝100mm确定：L₁＝B_min/2-L_e＝1000/2-100＝400mm。

(二)得到二次曲线方程：

y(x)＝-1.967E-07x² x∈[-L₁,0]

得到二次曲线方程为：y(x)＝-1.967E-07x²，x∈[-400,0]

由方程y₁＝ax²可确定二次曲线边部点A(-400，-0.031472)。

(三)确定修型段辊形曲线方程常系数：

设修形段曲线方程为：

y₂＝bx²+cx+d x∈[-L_WR/2,-L₁]

根据条件方程过点且与二次曲线y＝-1.967E-07x²相切于A(-400，-0.031472)点，式中二次项系数b大于0，求解上式系数b、c、d，即求解方程组：

其中，y＝-1.967E-07x² y₂＝bx²+cx+d，h₁为A点纵坐标，则h₁＝aL₁ ²，

B点横坐标-L₂通常取带钢边部e₁＝25处对应轧辊曲线位置：

L₂＝B_min/2-e₁＝475mm；B点纵坐标-h₂为变量：

式中h₀为调整辊形曲线带钢边降控制能力的设计参数，取h₀＝0.01mm；此处为距离带钢边部25mm与距离带钢边部100mm之间的区域。确定B点坐标(-475，-0.041472)。

求解方程组：

得出系数b、c、d分别为：b＝3.2036E-07，c＝4.1364444E-04，d＝-0.082728176。

(四)步骤(一)至步骤(三)已经确定单侧辊形曲线函数，根据轴对称原则确定另一侧曲线函数，完整的辊形曲线函数表达式为：

参见附图5，一种用于热轧板带材边降控制的双锥度工作辊应用时的窜辊策略为为变行程和变步长的窜辊策略，其中，最大窜辊量为130mm，初始步长为32.5mm，步长衰减系数为0.9，行程衰减系数为0.88。

图2为本发明实施例提供的工作辊辊形沿辊身长度方向全貌示意图，图3为采用本实例提供的辊形曲线坐标图，因辊形为一条轴对称曲线，在这里仅绘出一侧的的辊形曲线坐标；图4为采用该曲线的工作辊与某1580mm四辊七机架热连轧机轧制现场采用的原工作辊辊形的比较示意图，由图4可以看出，在工作辊边部，二次抛物线辊形由特殊形状辊形曲线代替，该段曲线利用辊形和窜辊的非对称性来改变工作辊的磨损特性，根据轧制过程中轧辊的磨损规律，使得工作辊的磨损箱体呈打开趋势，从而控制边部减薄。

采用辊形为该曲线的工作辊(如图3所示)试投入到某1580mm热连轧机组进行大规模工业应用后，取得了非常显著的边降控制效果。由于热轧无边降测量手段，采用冷轧数据进行对比，若分别取距离带钢边部100mm、40mm点与25mm点厚度差值作为带钢边降的考核定义量，对于同一硅钢牌号，C25-C100的均值由辊形投入前的28.75μm降至19.48μm；C25-C40的均值由辊形投入前的12.28μm降至7.34μm；跟踪同批次冷轧数据，同板差≤7μm的比率由该辊形投入前的74.04％提高至90.49％，可见，该辊形对于热轧带钢边降控制具有明显效果。

以上所述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，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种双锥度工作辊，其特征在于：包括中部的凸度控制段和两侧的边降控制段；工作辊的辊形曲线包括三段曲线，采用分段函数来表达，工作辊的辊形曲线方程为：

式中：

L₁＝B_min/2-L_e，L_e取100mm，单位为mm；

L₂＝B_min/2-e₁，e₁取25mm，单位为mm；

B_min为带钢最小宽度，单位为mm；

h₀为常数，取值范围为0.005～0.01，单位为mm；

L_WR为工作辊辊身长度，单位为mm；

x为轧辊辊身坐标，单位为mm；

y(x)为轧辊辊形半径函数，单位为μm；

a为二次曲线辊形参数，由带钢的出口目标凸度和轧机弯辊力调控能力来确定，单位为1；

工作辊的辊形设计方法包括如下步骤：

(一)确定二次曲线y₁＝ax²的常系数a：

宽度为B_min带钢的出口目标凸度为C₀，由方程-C₀＝a(B_min/2)²确定初值a＝a₀，将辊形曲线为y₀＝ax²，x∈[-L_WR/2,L_WR/2]的工作辊应用于工业现场，得到弯辊力的设定值Fb₀，若Fb₀<0.15 Fb_max时，则增大a为1.011 a₀，若Fb₀>0.3Fb_max时，则减小a为0.989 a₀，直至满足0.15Fb_max≤Fb₀≤0.3 Fb_max，确定最终值a；

(二)得到二次曲线方程：

y₁＝ax² x∈[-L₁,0]，

L₁＝B_min/2-L_e

由方程y₁＝ax²确定二次曲线边部点

(三)确定边降控制段的辊形曲线方程常系数：

设边降控制段的辊形曲线方程为：

y₂＝bx²+cx+d x∈[-L_WR/2,-L₁]，

根据条件方程过点B(-L₂,-h₂)且与二次曲线y₁＝ax²相切于点，式中二次项系数b大于0，求解上式系数b、c、d，即求解方程组：

<mrow> <mfenced open = "{" close = ""> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <msubsup> <mi>bL</mi> <mn>1</mn> <mn>2</mn> </msubsup> <mo>-</mo> <msub> <mi>cL</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>+</mo> <mi>d</mi> <mo>=</mo> <mo>-</mo> <msub> <mi>h</mi> <mn>1</mn> </msub> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <msubsup> <mi>bL</mi> <mn>2</mn> <mn>2</mn> </msubsup> <mo>-</mo> <msub> <mi>cL</mi> <mn>2</mn> </msub> <mo>+</mo> <mi>d</mi> <mo>=</mo> <mo>-</mo> <msub> <mi>h</mi> <mn>2</mn> </msub> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <msubsup> <mi>y</mi> <mn>1</mn> <mo>&prime;</mo> </msubsup> <msub> <mo>|</mo> <mrow> <mi>x</mi> <mo>=</mo> <mo>-</mo> <msub> <mi>L</mi> <mn>1</mn> </msub> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <msubsup> <mi>y</mi> <mn>2</mn> <mo>&prime;</mo> </msubsup> <msub> <mo>|</mo> <mrow> <mi>x</mi> <mo>=</mo> <mo>-</mo> <msub> <mi>L</mi> <mn>1</mn> </msub> </mrow> </msub> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> <mo>,</mo> </mrow>

其中，y₁＝ax²，y₂＝bx²+cx+d，h₁为A点纵坐标，则h₁＝aL₁ ²，

点B(-L₂,-h₂)坐标由下述方法确定：

B点横坐标-L₂取带钢边部e₁处对应轧辊曲线位置：

L₂＝B_min/2-e₁，

B点纵坐标-h₂为变量，由下式得出：

求解方程组，得出系数b、c、d分别为：

(五)进行工业试验得到实测边降值d₀，与期望值d_t进行比较，当d₀≈d_t值时，则完成辊形设计；当d₀与d_t偏差较大时，将步骤(三)中h₀替换为h_e，重新计算辊形曲线方程，h_e计算方法为：h_e＝d_th₀/d₀。

2.根据权利要求1所述的双锥度工作辊，其特征在于：所述工作辊对称设置。

3.根据权利要求1所述的双锥度工作辊，其特征在于：所述工作辊的窜辊最大行程绝对值S_max的取值范围为[0,L_WR-L_BR]，单位为mm，L_BR的含义为支撑辊辊身长度。