CN109214017A - 用于控制六辊ucm轧机边缘降的中间辊辊形设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于控制六辊UCM轧机边缘降的中间辊辊形设计方法。本发明的方法包括如下步骤：(1)采取多项式辊形曲线f(x)对六辊UCM轧机中间辊端部辊形进行优化，同时根据板形的实际情况配合一定的窜辊量——上中间辊沿其轴向方向从传动侧向工作侧窜动S，下中间辊沿其轴向方向从工作侧向传动侧窜动S，对边降进行控制，(2)根据中间辊端部辊形设计原则确定以下子目标函数；(3)根据步骤(2)的子目标函数，采用线性加权组合法确定总目标函数以及约束条件。本发明能够解决冷轧镀锡板过程中带钢边缘降明显问题，改善板形质量，提高冷轧镀锡板市场竞争力。

Description

用于控制六辊UCM轧机边缘降的中间辊辊形设计方法

技术领域：

本发明涉及一种用于控制六辊UCM轧机边缘降的中间辊辊形设计方法，属于冷轧工艺控制技术领域。

背景技术：

近年来随着工业用户自身自动化和节能要求不断提高，用户对带钢板形质量要求日趋严格，板形问题成为影响产品竞争力的重要因素。带钢板形包括平坦度和横截面外形两个项目，边降和凸度是横截面外形的主要参数。平坦度和横截面凸度精度基本上已满足用户要求，而边缘降控制水平一直未能有突破性进展。为了控制边降，提高板形质量，近年相继出现了EDC辊形技术、K-WRS技术、工作辊EDC冷却技术等多种控制手段。其中边部控制EDC辊形技术是在工作辊的两末端开环形槽，工作辊沿轴向窜动以适应不同宽度的带钢。EDC辊的设计使其靠近带钢边部承受一定的压力，保证带钢与辊面能够光滑的接触，同时又能减小边降的发生，对边缘降的控制取得了良好的效果，但是轧辊加工和维护难度较大；K-WRS技术是

UCMW轧机采用了K-WRS轧辊，即轧机使用一端带有倒角的单锥度工作辊，通过单锥度辊实现对带钢边部厚度的控制，并根据带钢宽度调节工作辊窜位置，以实现带钢边缘降的有效控制。但是单锥度工作辊控制不当极易出现“断带”问题，降低生产量；工作辊强化EDC冷却技术是通过在轧辊边部进行低温强化冷却，使带钢边部与中部形成一定的温度差，从而控制带钢边部厚度急剧减薄的现象，边缘降控制效果明显，但是建设和维护成本较大。

发明内容

本发明的目的是针对上述存在的问题提供一种用于控制六辊UCM轧机边缘降的中间辊辊形设计方法，解决冷轧镀锡板过程中带钢边缘降明显问题，改善板形质量，提高冷轧镀锡板市场竞争力。

上述的目的通过以下技术方案实现：

一种用于控制六辊UCM轧机边缘降的中间辊辊形设计方法，该方法包括如下步骤：

(1)采取多项式辊形曲线f(x)对六辊UCM轧机中间辊端部辊形进行优化，该上中间辊和该下中间辊均包括用于控制边降的多项式辊形段和不参与边缘降控制的平辊段，其中上中间辊的多项式段位于轧机的传动侧，下中间辊的多项式辊形段位于轧机的工作侧，同时根据板形的实际情况配合一定的窜辊量——上中间辊沿其轴向方向从传动侧向工作侧窜动S，下中间辊沿其轴向方向从工作侧向传动侧窜动S，对边降进行控制，其中：

f(x)＝a₀+a₂x²+a₄x⁴+a₆x⁶(150≤L≤250)

式中f(x)—辊形函数；

a₁～a₆——辊形多项式系数；

a₀——辊形多项式的常数项；

x——端部距辊形起点的距离，mm；

L——中间辊端部辊形设计长度，单位mm；

窜辊量S为中间辊辊的相对窜辊量：中间辊端部70mm处，与带钢端部对齐时，窜辊为0mm；中间辊边部70mm处进入带钢内部窜辊为负；中间辊边部70mm处伸出带钢边缘时，窜辊为正；

(2)根据中间辊端部辊形设计原则确定以下子目标函数：

式中：n——不同带钢宽度的个数；

di——第i种带钢宽度所占n种带钢宽度的比例；

β(i)——第i种带钢宽度下的辊间接触压力分布不均匀度；

Kq(i)——第i种带钢宽度下的辊缝横刚度，kN/mm/μm；

KBF2(i)——第i种带钢宽度下的弯辊力二次调控功效，μm/kN；

KBF4(i)——第i种带钢宽度下的弯辊力四次调控功效，μm/kN；

(3)根据步骤(2)的子目标函数，采用线性加权组合法，总目标函数以及约束条件为：

min(w₁Target₁+w₂Target₂+w₃Target₃)

在约束条件中，w₁、w₂、w₃为加权系数；C_BUR为支撑辊凸度；C_W为工作辊凸度；为保证辊形曲线的光滑且单调增加，所以要求辊形函数的二阶倒数值大于零，即g″(x)＞0，根据现场实际生产镀锡板的宽度规格，确定辊形长度值L；根据轧机的稳定性确定最大辊径差δ范围为400um～1000um。

所述的用于控制六辊UCM轧机边缘降的中间辊辊形设计方法，步骤(1)中所述的辊形多项式系数通过有限元软件计算获得，其具体步骤为：

1)使用优化算法进行筛选，优化计算的设计变量是辊形系数ai，优化计算的目标函数与约束条件是①辊缝横刚度最大；②辊间接触压力分布最均匀；③中间辊弯辊调控功效最强；④辊形函数的二阶倒数值大于零，即g″(x)＞0；辊形长度在150mm～250mm之间；⑤最大辊径差δ范围在400um～1000um之间；

2)在优化计算迭代中，每计算一次目标函数与约束条件，需要再通过有限元仿真来计算轧机的辊间接触压力分布、辊缝横刚度、中间辊弯辊力二次调控功效，然后对整个辊形曲线再进行寻优，最后确定出最佳的辊形曲线。

有益效果：

将上下中间辊反对称放置，根据带钢边降、宽度等，来确定中间辊窜辊量，使带钢边部进入中间辊边降控制段一定距离，在冷连轧镀锡板中除了能达到控制边降的目的，该中间辊还具备以下优点：辊形曲线表达式简单，方便磨床加工；提高镀锡板成材率，提高企业的生产效率；提高辊缝横刚度，增强轧机的稳定性；均匀辊间接触压力分布，降低辊耗，避免辊面剥落。

附图说明

图1为辊形设计流程图；

图2为优化后的上中间辊辊形；

图3为优化后的下中间辊辊形；

图4为优化后的部辊形曲线；

图5为第一机架出口带钢横截面轮廓；

图6为处于工作状态时，六辊UCM轧机结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

下面结合附图对本发明进一步说明。

为了实现本发明上述的目的，本发明提供了一种用于控制六辊UCM轧机边缘降的中间辊,对六辊UCM轧机中间辊端部辊形进行优化，采取多项式辊形曲线f(x)，该上中间辊和该下中间辊均包括用于控制边降的多项式辊形段和不参与边缘降控制的平辊段，其中上中间辊的多项式段位于轧机的传动侧，下中间辊的多项式辊形段位于轧机的工作侧，同时根据板形的实际情况配合一定的窜辊量——上中间辊沿其轴向方向从传动侧向工作侧窜动S，下中间辊沿其轴向方向从工作侧向传动侧窜动S，对边降进行控制。其中：

f(x)＝a₀+a₂x²+a₄x⁴+a₆x⁶(150≤L≤250)

式中f(x)—辊形函数；

a₂～a₆——辊形多项式系数；

a₀——辊形多项式的常数项；

x——端部距辊形起点的距离，mm；

L——中间辊端部辊形设计长度，单位mm。

(1)根据实际生产中存在的问题,确定辊形设计原则如下：

1)改善该机组边缘降偏大问题，提高板形质量。

2)新辊形在改善板形质量时，保证辊间接触压力峰值和辊间接触应力不均匀度较低以及不降低弯辊力的调节效率。

(2)根据中间辊端部辊形设计原则确定以下子目标函数：

式中：n——不同带钢宽度的个数；

di——第i种带钢宽度所占n种带钢宽度的比例；

β(i)——第i种带钢宽度下的辊间接触压力分布不均匀度；

Kq(i)——第i种带钢宽度下的辊缝横刚度，kN/mm/μm；

KBF2(i)——第i种带钢宽度下的弯辊力二次调控功效，μm/kN。

KBF4(i)——第i种带钢宽度下的弯辊力四次调控功效，μm/kN。

根据上述的子目标函数，采用线性加权组合法，总目标函数为：

min(w₁Target₁+w₂Target₂+w₃Target₃)

在约束条件中，加权系数的取值为：w₁＝0.3、w₂＝0.35、w₃＝0.35；C_BUR为支撑辊凸度；C_W为工作辊凸度；为保证辊形曲线的光滑且单调增加，所以要求辊形函数的二阶倒数值大于零，即g″(x)＞0。根据现场实际生产镀锡板的宽度规格，确定辊形长度值L；根据轧机的稳定性确定最大辊径差δ范围(400um～1000um)。

(3)通过约束条件与目标函数搜索出符合条件的辊形曲线。辊形系数ai通过有限元软件计算获得，其具体步骤为：

1)使用优化算法进行筛选，优化计算的设计变量是辊形系数ai，优化计算的目标函数与约束条件是①辊缝横刚度最大；②辊间接触压力分布最均匀；③中间辊弯辊调控功效最强；④辊形函数的二阶倒数值大于零，即g″(x)＞0；辊形长度在150mm～250mm之间；⑤最大辊径差δ范围在400um～1000um之间。

2)在优化计算迭代中，每计算一次目标函数与约束条件，需要再通过有限元仿真来计算轧机的辊间接触压力分布、辊缝横刚度、中间辊弯辊力调控功效，然后对整个辊形曲线再进行寻优。最后确定出最佳的辊形曲线，具体参数如下：

a₀＝a₁＝a₃＝a₅＝0 a₂＝1.0425×10^-2 a₄＝-4.666×10^-7 a₆＝1.7669×10^-11

工作辊端部辊形曲线为：

f(x)＝1.0425×10^-2x²-4.666×10^-7+1.7669×10^-11x⁶

根据现场实际情况以及优化结果，确定辊形长度L＝200mm；最大辊径差δ＝800um,优化后的中间辊辊形如图2、图3所示。

根据磨床的参数需要，特给出工作辊的磨削数据如表1和图4示

表1中间辊磨削数据

(4)新旧辊形仿真结果对比

通过比较不同工况下的仿真结果,就可以分析新的中间辊对边降的控制程度。根据生产实际情况，选取工况如表2。

表2仿真工况

参数	数值	参数	数值
				支撑辊直径/mm	1300	中间辊端部辊形	平辊、多项式端部辊形
中间辊直径/mm	490	入口厚度/mm	4mm
				工作辊直径/mm	435	中间辊窜辊量/mm	10、20、30
带钢宽度/mm	1250	单位轧制力t/mm	1.0
				中间辊弯辊力/t	25	工作辊弯辊力/t	12

图5所示是在常轧宽度为1250mm，单位轧制力为1t/mm，工作辊弯辊力为12t、中间辊弯辊力为25t，中间辊横移量分别为10mm、20mm、30mm的条件下，新、旧中间辊辊形下带钢宽度范围内厚度分布。

表3带钢横截面厚差仿真结果对比

从图5以及表3中可以看出：原中间辊随着窜辊量的减小，带钢横向厚差稍有改善，但横截面凸度以及边降值仍不能达到质量要求；新的多项式中间辊端部辊形，配合窜辊的使用，使工作辊与中间辊间存在一定的开度差，增大了带钢边部的横向阻力，对板形质量起到了明显的改善作用。

新中间辊使用时，随着中间辊窜辊量的减小,中间辊与工作辊辊间开度差增大，横截面凸度值减小，边降也随之减小。当窜辊量为10mm，在带钢边部，中间辊与工作辊辊间开度差106um，带钢凸度值由原来的35um降到20um，边降由原来的13um降到5um；当窜辊量为20mm，在带钢边部，中间辊与工作辊辊间开度差89um，带钢凸度值由原来的37um降到26um，边降由原来的16um降到9um；当窜辊量为30mm，在带钢边部，中间辊与工作辊辊间开度差75um，带钢凸度值由原来的39um降到31um，边降由原来的17um降到12um。新中间辊辊形并配合一定的窜辊量的使用可以有效改善带钢厚度在宽度方向上分布不均匀的问题。

(5)上机应用效果

2017年5月多项式中间辊端部辊形在某钢厂1420酸轧机组一、二、三机架试用。如图6所示为处于工作状态时轧机结构示意图，中间辊多项式端部辊形配合一定的窜辊量(相对窜辊量S＝30mm)使用对边缘降有一定的控制作用，具体效果见表4。在未采用本项发明之前，该厂镀锡板边缘降为9.3um，而在采用本发明所述的用于一种用于控制六辊UCM轧机边缘降的中间辊后，带钢边缘降低至4.1um，使得边缘降合格率提高了35.3％，从而改善了镀锡板材宽度方向上厚度分布不均的现象，满足了客户对镀锡板材厚度和精度的严格要求。

表4新辊形应用后边降控制效果对比

所使用辊形	数量/卷	边降均值/um	边降合格率
				原中间辊	131	9.3	52.3％
新中间辊	211	4.1	87.6％

本发明的新辊形加工方便，成本低，适应于生产镀锡板材边缘降控制，具有广阔的应用场景。

本发明所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明方法的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本专利的保护范围。

Claims (2)

1.一种用于控制六辊UCM轧机边缘降的中间辊辊形设计方法，其特征是：该方法包括如下步骤：

(1)采取多项式辊形曲线f(x)对六辊UCM轧机中间辊端部辊形进行优化，该上中间辊和该下中间辊均包括用于控制边降的多项式辊形段和不参与边缘降控制的平辊段，其中上中间辊的多项式段位于轧机的传动侧，下中间辊的多项式辊形段位于轧机的工作侧，同时根据板形的实际情况配合一定的窜辊量——上中间辊沿其轴向方向从传动侧向工作侧窜动S，下中间辊沿其轴向方向从工作侧向传动侧窜动S，对边降进行控制，其中：

f(x)＝a₀+a₂x²+a₄x⁴+a₆x⁶(150≤L≤250)

式中f(x)—辊形函数；

a₁～a₆——辊形多项式系数；

a₀——辊形多项式的常数项；

x——端部距辊形起点的距离，mm；

L——中间辊端部辊形设计长度，单位mm；

窜辊量S为中间辊辊的相对窜辊量：中间辊端部70mm处，与带钢端部对齐时，窜辊为0mm；中间辊边部70mm处进入带钢内部窜辊为负；中间辊边部70mm处伸出带钢边缘时，窜辊为正；

(2)根据中间辊端部辊形设计原则确定以下子目标函数：

式中：n——不同带钢宽度的个数；

di——第i种带钢宽度所占n种带钢宽度的比例；

β(i)——第i种带钢宽度下的辊间接触压力分布不均匀度；

Kq(i)——第i种带钢宽度下的辊缝横刚度，kN/mm/μm；

KBF2(i)——第i种带钢宽度下的弯辊力二次调控功效，μm/kN；

KBF4(i)——第i种带钢宽度下的弯辊力四次调控功效，μm/kN；

(3)根据步骤(2)的子目标函数，采用线性加权组合法，总目标函数以及约束条件为：

min(w₁Target₁+w₂Target₂+w₃Target₃)

在约束条件中，w₁、w₂、w₃为加权系数；C_BUR为支撑辊凸度；C_W为工作辊凸度；为保证辊形曲线的光滑且单调增加，所以要求辊形函数的二阶倒数值大于零，即g″(x)＞0，根据现场实际生产镀锡板的宽度规格，确定辊形长度值L；根据轧机的稳定性确定最大辊径差δ范围为400um～1000um。

2.根据权利要求1所述的用于控制六辊UCM轧机边缘降的中间辊辊形设计方法，其特征是：步骤(1)中所述的辊形多项式系数通过有限元软件计算获得，其具体步骤为：

1)使用优化算法进行筛选，优化计算的设计变量是辊形系数ai，优化计算的目标函数与约束条件是①辊缝横刚度最大；②辊间接触压力分布最均匀；③中间辊弯辊调控功效最强；④辊形函数的二阶倒数值大于零，即g″(x)＞0；辊形长度在150mm～250mm之间；⑤最大辊径差δ范围在400um～1000um之间；

2)在优化计算迭代中，每计算一次目标函数与约束条件，需要再通过有限元仿真来计算轧机的辊间接触压力分布、辊缝横刚度、中间辊弯辊力二次调控功效，然后对整个辊形曲线再进行寻优，最后确定出最佳的辊形曲线。