CN107052052B - 多机型全宽度板带轧制板形控制工作辊及设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机械轧制技术领域，提供了一种多机型全宽度板带轧制板形控制工作辊及设计方法，以基准宽度设计包括特定的凸度调节段、磨损控制段和结构工艺段的板形控制工作辊，为具有工作辊液压窜辊系统的新一代轧机提供不同板带宽度的初始窜辊位置和窜辊策略，实现一套工作辊辊形适应多种轧机机型全宽度板带轧制的兼具不均匀变形边降、凸度控制和不均匀磨损控制的多重能力；本发明新颖合理，应用前景广阔。

Description

多机型全宽度板带轧制板形控制工作辊及设计方法

技术领域

本发明涉及机械轧制技术领域，特别涉及一种多机型全宽度板带轧制板形控制工作辊及设计方法。

背景技术

目前，国内外宽带钢热连轧机生产实践广泛采用国外研制发明的CVC、K-WRS、SmartCrown等主流机型的多种板形控制方法。

K-WRS工作辊辊形一端为锥形(taper)，上下工作辊反对称布置，根据板带的宽度调节工作辊窜动的位置，从而降低板带凸度、减少边部磨损，达到控制磨损的目的。K-WRS虽然具有磨损控制能力，但不具有不均匀变形凸度控制能力，适用于热连轧机下游机架。

CVC、SmartCrown轧机具有强的凸度控制能力和一定的边降控制能力，但是缺乏磨损控制能力，主要适用于磨损较小的热连轧上游机架和冷连轧机组。

发明内容

本发明的目的就是克服现有技术的不足，提供了一种多机型全宽度板带轧制板形控制工作辊及设计方法。

本发明采用的是非对称自补偿工作辊，非对称自补偿工作辊非对称自补偿技术是利用辊形和窜辊的非对称性来改变工作辊的磨损，改善辊缝的非对称性。它的基本原理是根据轧制过程中工作辊的磨损规律，通过特殊的非对称自补偿工作辊辊形配置，配合特定的窜辊策略，使工作辊的磨损形式由“U”型磨损变为“L”型磨损，打开箱型磨损的一个边，使轧件始终处于辊形平坦的区域内轧制，同时具备凸度、边降和磨损重控制能力。在授权发明专利“兼顾带钢凸度、边降控制和磨损控制的工作辊及使用方法”投入我国累计电工钢产量最大的一米七热连轧机基础上，结合生产实际自主开发了宽幅非对称自补偿N系列工作辊及液压窜辊与弯辊综合策略，突破了宽幅无取向硅钢极端轧制条件的限制。为了追求更高的尺寸精度，非对称自补偿工作辊通常根据板带宽度设计不同的辊形，随着生产柔性化、低耗高效的需求日益增加，板带宽度规格更加多样化，急需要提出一种适应所有板带宽度的非对称自补偿工作辊。

基于以上问题，本发明基于非对称自补偿工作辊技术的设计原理如图1所示，分析了不同板带宽度对磨损辊形的影响，通过改变初始窜辊位置和窜辊策略结合根据磨损规律设计的非对称辊形，解决了不同板带宽度需要配备多套辊形的问题。

本发明的具体技术方案为：一种多机型全宽度板带轧制板形控制工作辊，包括依次连接的凸度调节段、磨损控制段和结构工艺段；

所述凸度调节段的长度L₁为：其中L_w为工作辊长度，B_O为基准板带宽度，所述基准板带宽度为最大的板带宽度，S_SO为基准板带的初始窜辊位置，单位均为mm；所述凸度调节段的辊形曲线为：y＝-0.12×sin(x·π/L_w)，其中0<x<L₁；

所述磨损控制段的长度L₂为：L₂＝S_eo-S_so，其中Se_O为轧制最后一块基准板带时工作辊窜辊位置，单位均为mm；所述磨损控制段的辊形曲线为：y＝a₂(x-L₁)²+a₄(x-L₁)⁴+a₆(x-L₁)⁶，其中L₁<x<L₁+L₂；a₂、a₄、a₆为补偿曲线特征系数。

进一步的，所述结构工艺段的长度L₃为：L₃＝L_w-L₁-L₂，所述结构工艺段的辊形曲线为：y＝b₀+b₁(x-L₁-L₂)，L₁+L₂<x<L_w；

其中：b₀＝a₂L² ₂+a₄L⁴ ₂+a₆L⁶ ₂；

b₁＝2a₂L₂+4a₄L³ ₂+6a₆L⁵ ₂；

b₀为辊形连续性协调系数，即磨损控制段曲线在端点的值；b₁为磨损控制段曲线在端点处的斜率。

进一步的，所述磨损控制段的辊形曲线中的参数a₂、a₄、a₆为通过多个磨损控制点经过多项式拟合得到。

本发明还提供了一种多机型全宽度板带轧制板形控制工作辊的设计方法，包括如下步骤：

步骤1、确定板带宽度范围：最大宽度板带为基准板带，所述基准板带宽度为B_O；

步骤2、确定窜辊策略：所述窜辊策略包括窜辊节奏和窜辊步长，

其中，窜辊节奏为R：R＝1；

窜辊步长为t：

S_eo为轧制最后一块基准宽度板带时工作辊窜辊位置，单位mm；

步骤3、根据基准板带宽度设计所述工作辊的辊形：所述工作辊包括凸度调节段，磨损控制段和结构工艺段；所述工作辊的辊形包括凸度调节段，磨损控制段、结构工艺段的长度及辊形曲线；

所述凸度调节段的长度L₁为：其中L_w为工作辊长度，B_O为基准板带宽度，所述基准板带宽度为最大的板带宽度，S_SO为基准板带的初始窜辊位置，单位均为mm；所述凸度调节段的辊形曲线为：y＝-0.12×sin(x·π/L_w)，其中0<x<L₁；

所述磨损控制段的长度L₂为：L₂＝S_eo-S_so，其中Se_O为轧制最后一块基准板带时工作辊窜辊位置，单位均为mm；所述磨损控制段的辊形曲线为：y＝a₂(x-L₁)²+a₄(x-L₁)⁴+a₆(x-L₁)⁶，其中L₁<x<L₁+L₂；a₂、a₄、a₆为补偿曲线特征系数。

所述结构工艺段的长度L₃为：L₃＝L_w-L₁-L₂，所述结构工艺段的辊形曲线为：y＝b₀+b₁(x-L₁-L₂)，L₁+L₂<x<L_w；

其中：b₀＝a₂L² ₂+a₄L⁴ ₂+a₆L⁶ ₂；

b₁＝2a₂L₂+4a₄L³ ₂+6a₆L⁵ ₂；

b₀为辊形连续性协调系数，即磨损控制段曲线在端点的值；b₁为磨损控制段曲线在端点处的斜率。

本发明的有益效果为：为具有工作辊液压窜辊系统的新一代轧机提供不同板带宽度的初始窜辊位置和窜辊策略，然后以基准宽度设计包括特定的凸度调节段、磨损控制段和结构工艺段的板形控制工作辊，实现一套工作辊辊形适应多种轧机机型全宽度板带轧制的兼具不均匀变形边降、凸度控制和不均匀磨损控制的多重能力；其中凸度调节段L1用于控制轧件凸度、磨损控制段L2用于抵消工作辊磨损、结构工艺段L3用于保证整体辊形的简单易磨，以提高磨辊的精度；结构设计新颖、合理，应用前景广阔。

附图说明

图1所示为非对称自补偿工作辊工作简化模型图(工作辊中的箭头方向为工作辊窜辊方向)。

图2所示为不同板带宽度对轧辊磨损的影响曲线图。

图3所示为非对称自补偿工作辊辊形曲线的示意图。

图4所示为轧制起始时非对称自补偿工作辊(下辊)与支持辊及板带之间的位置关系示意图。

图5所示为非对称自补偿工作辊辊形磨损控制段磨损补偿示意图。

图6所示为非对称自补偿工作辊辊形磨损控制段热补偿示意图。

图7所示为非对称自补偿工作辊-C辊形曲线。

其中：1-工作辊磨损辊形、2-工作辊初始辊形、3-轧制中心线。

具体实施方式

下文将结合具体附图详细描述本发明具体实施例。应当注意的是，下述实施例中描述的技术特征或者技术特征的组合不应当被认为是孤立的，它们可以被相互组合从而达到更好的技术效果。在下述实施例的附图中，各附图所出现的相同标号代表相同的特征或者部件，可应用于不同实施例中。

本发明实施例的设计方法包括以下步骤：

步骤1、窜辊策略的确定

从不同宽度对磨损辊形的影响如图2可以看出，不同板带宽度时工作辊磨损辊形的形式相同，磨损辊形的宽度随着板带宽度的增加而增加，因此可以根据不同的板带宽度设定不同的初始窜辊位置(轧制第一块板带时的窜辊位置)，首先将最大的板带宽度选定为基准板带宽度B₀。基准板带宽度的初始窜辊位置(轧制第一块基准宽度板带时的工作辊窜辊位置)：

S_so＝S_s

其他宽度板带的窜辊位置为

使轧制不同宽度板带时第一块板带的侧边与非对称自补偿工作辊锥形段的端点重合。

然后根据单位轧制量，结合窜辊行程长度等因素，制定合适的窜辊策略以使不同宽度板带均能充分利用窜辊行程。窜辊策略主要分为窜辊节奏和窜辊步长，根据以上分析不同板带宽度使用同一种窜辊策略。首先单位轧制量可以表示为：

其中S_so为轧制最后一块基准宽度板带时工作辊窜辊位置，mm；R为窜辊节奏，t为窜辊步长，mm。一般，窜辊节奏取R＝1，即每轧制一块板带，窜动一次，则窜辊步长为：

再根据基准宽度设计的包括特定的凸度调节段，磨损控制段和结构工艺段如图3所示的工作辊辊形：

其中S为工作辊窜辊位置。

步骤2、根据基准板带宽度设计所述工作辊的辊形

步骤2.1、凸度调节段L1

①凸度调节段长度的确定

根据非对称自补偿工作辊的设计原理，为保证在轧制过程中充分利用轧机的最大窜辊行程，锥形段长度的设定原则是保证非对称自补偿工作辊辊形锥形段的起始部分与板带边部对齐，根据图4轧制起始时非对称自补偿工作辊、支持辊及板带之间的相对位置关系，可得：

式中，B为带钢宽度，mm；L_W为工作辊长度，mm；L_BUR为支持辊长度，mm；S_so为工作辊初始偏摆位置，mm；L_a、L_b为计算用参数，mm。

所述凸度调节段的长度为L₁

其中L_w为工作辊长度，mm

②所述凸度调节段的辊形曲线的确定：

y＝-0.12×sin(x·π/L_w)(0<x<L₁)

并且由图2同时可以计算所述的非对称自补偿工作辊辊曲线段长度为：

通常为了能最大限度的发挥窜辊的作用L_e取最大值。

步骤2.2、磨损控制段L₂

①磨损控制段L₂长度的确定：

由于非对称自补偿工作辊的特征其轴向单方向不可逆窜辊策略配合特殊的工作辊辊形，使整个轧制周期板带始终保持在平坦的区域轧制，因此磨损控制段的长度由轧机的最大窜辊行程决定：

L₂＝S_eo-S_so

②磨损控制段L₂辊形曲线的确定：

非对称自补偿工作辊轧辊L₂曲线段主要目的是抵消轧制过程中的磨损，轧制过程中工作辊磨损随着轧制量的增加而不断加剧，而热辊形一旦建立将趋于稳定，所以非对称自补偿工作辊新辊形磨损控制段曲线的设计要充分考虑不同轧制阶段工作辊磨损和热辊形的影响。根据上述分析，以基准宽度板带的磨损辊形为依据设计磨损控制段L₂辊形曲线。在设计非对称自补偿工作辊磨损控制段曲线时，每轧n/10块板带确定一个磨损控制点，即拟定基准宽度板带轧制单位为n块板带，通过11个磨损控制点的坐标来确定一条非对称自补偿工作辊磨损控制段曲线。

结合现场数控磨床实际情况，本文采用多项式描述L₂段辊形曲线。

y＝a₂(x-L₁)²+a₄(x-L₁)⁴+a₆(x-L₁)⁶(L₁<x<L₁+L₂)

其中a₂、a₄、a₆为补偿曲线特征系数，通过以下磨损控制点，经过多项式拟合得到a₂、a₄、a₆的取值。

步骤2.3、结构工艺段L3

结构工艺段L₃在轧制过程中并不起实际的控制作用，其设计初衷是尽量降低轧辊的磨削量，保证整体辊形的简单易磨，以提高磨辊的精度

所述的结构工艺段的长度为L₃：

所述的结构工艺段的棍形曲线为：

y＝b₀+b₁(x-L₁-L₂)(L₁+L₂<x<L_w)

b₀＝a₂L² ₂+a₄L⁴ ₂+a₆L⁶ ₂

b₁＝2a₂L₂+4a₄L³ ₂+6a₆L⁵ ₂

式中，b₀为辊形连续性协调系数，即磨损控制段曲线在端点的值；b₁为磨损控制段曲线在端点处的斜率。

实施例

以某1700自由规程轧机轧制板带宽度范围为980mm～1280mm，窜辊行程为-150～150mm为例详细加以说明。

步骤1、窜辊策略

不同板带宽度对磨损辊形的影响如图2所示，可以看出，不同板带宽度时工作辊磨损辊形的形式相同，磨损辊形的宽度随着板带宽度的增加而增加，因此可以根据不同的板带宽度设定不同的初始窜辊位置(轧制第一块板带时的窜辊位置)，某1700自由规程轧机轧制板带宽度范围为980mm～1280mm，窜辊行程为-150～150mm首先将最大的板带宽度选定为基准板带宽度即B₀＝1280mm。基准板带宽度的初始窜辊位置(轧制第一块基准宽度板带时的工作辊窜辊位置)：

S_so＝S_s＝-150

其他宽度板带的窜辊位置为

不同宽度板带初始窜辊量如表1所示。

表1轧制不同宽度板带时工作辊的初始窜辊位置

结合1700热连轧机的实际情况，为使所有宽度板带都能满足生产需求，设计1280mm板带单位轧制量为200块。由于非对称自补偿工作辊辊形的特殊性，其单位轧制量由窜辊行程，窜辊策略决定可以表示为：

其中S_so为轧制最后一块基准宽度板带时工作辊窜辊位置，mm；R为窜辊节奏，t为窜辊步长，mm。一般，窜辊节奏取R＝1则窜辊步长为：

由上式计算可以得到1280mm的窜辊步长为1.5mm/step。由上述分析可知不同板带宽度使用同一种窜辊策略。同时可以计算出不同板带宽度时的单位轧制量1180mm为166块，1080为133块，980为100块，均满足生产要求。以下为根据板带宽度980mm为基准宽度设计的非对称自补偿工作辊辊形。

步骤2、根据基准板带宽度设计所述工作辊的辊形

步骤2.1、凸度调节段L1

①凸度调节段长度的确定

根据上述分析凸度调节段的长度L₁为：

其中L_w为工作辊长度，mm

结合1700热连轧机的实际情况，工作辊长度为L_w＝2000mm；支持辊长度为L_BUR＝1700mm。可以计算出L₁＝1670mm

②所述凸度调节段的辊形曲线的确定：

y＝-0.12×sin(x·π/L_w)(0<x<L₁)

步骤2.2、磨损控制段L₂

①磨损控制段L₂长度的确定：

非对称自补偿工作辊的技术原理是通过特殊设计的辊形，巧妙地补偿轧辊磨损的“箱形”壁，使轧件始终处于辊形较为“平坦”的区域内，并结合工作辊强力弯辊保证辊缝形状的正常和可控。而“特殊设计的辊形”的关键部分，即控制热连轧机下游机架严重的工作辊磨损和板带凸度的锥形段设计是整个辊形设计系统中的最重要的部分。

由于非对称自补偿工作辊的特征其轴向单方向不可逆窜辊策略配合特殊的工作辊辊形，使整个轧制周期板带始终保持在平坦的区域轧制，因此磨损控制段的长度由轧机的最大窜辊行程决定。

L₂＝S_eo-S_so

②磨损控制段L₂辊形曲线的确定：

非对称自补偿工作辊轧辊L₂曲线段主要目的是抵消轧制过程中的磨损，轧制过程中工作辊磨损随着轧制量的增加而不断加剧，而热辊形一旦建立将趋于稳定，所以非对称自补偿工作辊新辊形磨损控制段曲线的设计要充分考虑不同轧制阶段工作辊磨损和热辊形的影响。根据上述分析，以基准宽度板带的磨损辊形为依据设计磨损控制段L₂辊形曲线。在设计非对称自补偿工作辊磨损控制段曲线时，每轧n/10块板带确定一个磨损控制点，即拟定基准宽度板带轧制单位为150块板带，通过11个磨损控制点的坐标来确定一条非对称自补偿工作辊磨损控制段曲线。

要使板带在轧制时总处于平坦的区域内，非对称自补偿工作辊磨损控制段的补偿量应为板带对工作辊的磨损量叠加工作辊的热胀量。由于工作辊的窜辊方式为单方向均匀窜辊，而工作辊的最大磨损量与板带轧制块数成正比，所以磨损控制段的磨损补偿曲线为一次曲线，如图5所示，其中指定锥形段起始点为坐标原点，X轴为距轧辊锥形段起始点的距离，Y轴为工作辊热胀量。非对称自补偿工作辊新辊形磨损控制段的设计中，必须考虑工作辊热膨胀的影响才能完全打开箱型磨损的一个边。从工作辊热辊形可以看出，工作辊越靠近板带中部的地方辊温越高，膨胀量越大，在设计非对称自补偿工作辊磨损控制段曲线时，需对工作辊与板带边部接触处的热膨胀量进行补偿，补偿值为该处热膨胀量与原点处热膨胀量的差值，如图6所示，其中指定锥形段起始点为坐标原点，X轴为距轧辊锥形段起始点的距离，Y轴为工作辊磨损补偿量。

将非对称自补偿工作辊新辊形磨损控制段磨损补偿值与热补偿值相加即得磨损控制点当轧辊的辊形曲线以多项式形式出现时，现场数控磨床对于奇数项不能很好地达到既定目标。在前期研究和使用非对称自补偿工作辊技术的基础上结合现场数控磨床实际情况，本文采用多项式描述L₂段辊形曲线。

y＝a₂(x-L₁)²+a₄(x-L₁)⁴+a₆(x-L₁)⁶(L₁<x<L₁+L₂)

其中a₂、a₄、a₆为补偿曲线特征系数，通过上述11个磨损控制点，经过多项式拟合得到a₂、a₄、a₆的取值，如表2所示。

表2新设计的非对称自补偿工作辊辊形的部分特征参数/mm

步骤2.3、结构工艺段L₃

结构工艺段L₃在轧制过程中并不起实际的控制作用，其设计初衷是尽量降低轧辊的磨削量，保证整体辊形的简单易磨，以提高磨辊的精度。

所述的结构工艺段的长度为L₃：

所述的结构工艺段的棍形曲线为：

y＝b₀+b₁(x-L₁-L₂)(L₁+L₂<x<L_w)

b₀＝a₂L² ₂+a₄L⁴ ₂+a₆L⁶ ₂

b₁＝2a₂L₂+4a₄L³ ₂+6a₆L⁵ ₂

式中，b₀为辊形连续性协调系数，即磨损控制段曲线在端点的值；b₁为磨损控制段曲线在端点处的斜率。

在磨损控制段L₃的端点开始对没有实际控制作用的一端按照切线的方式进行平滑处理，一方面可以保证整体辊形曲线的平滑，增强磨损控制段的控制稳定性；另一方面可以最大程度地降低辊形的整体辊径差，保证辊形简单易磨、减少轧辊磨削总量，增加轧辊使用期限内的使用次数。

按照上述设计方法及流程，完成非对称自补偿工作辊辊形曲线设计，新设计的辊形非对称自补偿工作辊C系列曲线如图7所示。

本发明的有益效果为：为具有工作辊液压窜辊系统的新一代轧机提供不同板带宽度的初始窜辊位置和窜辊策略，然后以基准宽度设计包括特定的凸度调节段、磨损控制段和结构工艺段的板形控制工作辊，实现一套工作辊辊形适应多种轧机机型全宽度板带轧制的兼具不均匀变形边降、凸度控制和不均匀磨损控制的多重能力；其中凸度调节段L1用于控制轧件凸度、磨损控制段L2用于抵消工作辊磨损、结构工艺段L3用于保证整体辊形的简单易磨，以提高磨辊的精度；结构设计新颖、合理，应用前景广阔。

本文虽然已经给出了本发明的几个实施例，但是本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明精神的情况下，可以对本文的实施例进行改变。上述实施例只是示例性的，不应以本文的实施例作为本发明权利范围的限定。

Claims (3)

1.一种多机型全宽度板带轧制板形控制工作辊，其特征在于，包括依次连接的凸度调节段、磨损控制段和结构工艺段；

所述凸度调节段的长度L₁为：其中L_w为工作辊长度，B_O为基准板带宽度，所述基准板带宽度为最大的板带宽度，S_SO为基准板带的初始窜辊位置，单位均为mm；所述凸度调节段的辊形曲线为：y＝-0.12×sin(x·π/L_w)，其中0<x<L₁；

所述磨损控制段的长度L₂为：L₂＝S_eo-S_so，其中Se_O为轧制最后一块基准板带时工作辊窜辊位置，单位均为mm；所述磨损控制段的辊形曲线为：y＝a₂(x-L₁)²+a₄(x-L₁)⁴+a₆(x-L₁)⁶，其中L₁<x<L₁+L₂；a₂、a₄、a₆为补偿曲线特征系数；

所述结构工艺段的长度L₃为L₃＝L_w-L₁-L₂所述结构工艺段的辊形曲线为：y＝b₀+b₁(x-L₁-L₂)，L₁+L₂<x<L_w；

其中：b₀＝a₂L² ₂+a₄L⁴ ₂+a₆L⁶ ₂；

b₁＝2a₂L₂+4a₄L³ ₂+6a₆L⁵ ₂；

b₀为辊形连续性协调系数，即磨损控制段曲线在端点的值；b₁为磨损控制段曲线在端点处的斜率。

2.如权利要求1所述的工作辊，其特征在于，所述磨损控制段的辊形曲线中的参数a₂、a₄、a₆为通过11个磨损控制点经过多项式拟合得到。

3.一种多机型全宽度板带自由规程轧制板形控制工作辊的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、确定板带宽度范围：最大宽度板带为基准板带，所述基准板带宽度为B_O；

步骤2、确定窜辊策略：所述窜辊策略包括窜辊节奏和窜辊步长，

其中，窜辊节奏为R：R＝1；

窜辊步长为t：

S_eo为轧制最后一块基准宽度板带时工作辊窜辊位置，单位mm；Se_O为轧制最后一块基准板带时工作辊窜辊位置；n为单位轧制量；

步骤3、根据基准板带宽度设计所述工作辊的辊形：所述工作辊包括凸度调节段，磨损控制段和结构工艺段；所述工作辊的辊形包括凸度调节段，磨损控制段、结构工艺段的长度及辊形曲线；

所述凸度调节段的长度L1为：其中L_w为工作辊长度，B_O为基准板带宽度，所述基准板带宽度为最大的板带宽度，S_SO为基准板带的初始窜辊位置，单位均为mm；所述凸度调节段的辊形曲线为：y＝-0.12×sin(x·π/L_w)，其中0<x<L₁；

所述磨损控制段的长度L₂为：L₂＝S_eo-S_so，其中Se_O为轧制最后一块基准板带时工作辊窜辊位置，单位均为mm；所述磨损控制段的辊形曲线为：y＝a₂(x-L₁)²+a₄(x-L₁)⁴+a₆(x-L₁)⁶，其中L₁<x<L₁+L₂；a₂、a₄、a₆为补偿曲线特征系数。

所述结构工艺段的长度L₃为：L₃＝L_w-L₁-L₂，所述结构工艺段的辊形曲线为：y＝b₀+b₁(x-L₁-L₂)，L₁+L₂<x<L_w；

其中：b₀＝a₂L² ₂+a₄L⁴ ₂+a₆L⁶ ₂；

b₁＝2a₂L₂+4a₄L³ ₂+6a₆L⁵ ₂；

b₀为辊形连续性协调系数，即磨损控制段曲线在端点的值；b₁为磨损控制段曲线在端点处的斜率。