CN101214501A - 兼顾带钢凸度、边降控制和磨损控制的工作辊及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有凸度控制、边降控制和磨损控制的三重功效的工作辊及使用方法，所述工作辊分别由三组方程确定工作辊的凸度控制段、边降和磨损控制段和结构工艺段的辊形。使用本发明工作辊及配合使用方法，带钢边降区大小和边降量均有明显减小，这些都有利于整体凸度即横向厚差的减小。它不仅显著增加了低凸度带钢比例，工业试验轧制前、后带钢出口凸度C40≤52μm的比例由13.7％提高到81.25％，还能有效控制超标卷的数量，凸度＞60μm的带钢比例从65.6％下降到6.60％。随着本发明提供的工作辊由稳定工业应用投入到连续全面稳定应用，2.3mm×1050mm无取向硅钢C40≤45μm的比率由42.05％提高到93.15％，因此利于推广应用。

Description

兼顾带钢凸度、边降控制和磨损控制的工作辊及使用方法

技术领域

本发明涉及一种宽带钢热连轧机生产中用于板形控制的工作辊及该工作辊的使用方法。

背景技术

宽带钢热连轧生产中，由于初始辊形、轧辊弯曲变形、热凸度、磨损等原因，必然会产生较大的带钢整体凸度。同时，下游机架严重的工作辊凹槽型“∪”磨损往往造成轧制单位中、后期带钢凸度偏大，尤其是边降显著，从而使轧制单位内轧制带钢块数减少，带钢凸度和边降难以控制。热连轧机板形控制的关键就在于下游机架必须具有凸度控制和磨损控制的双重能力。为了改善热轧成品横向厚差，提高带钢成材率，各类轧机或技术应运而生。目前，在板形控制特别是热带钢板形控制领域主要有以下方法：CVC轧机、K-WRS轧机、高速钢工作辊、润滑轧制、在线磨辊技术等。其中：

(1)CVC轧机(参照图1)。CVC是Continuously Variable Crown的缩写，是一种连续可变凸度技术，由德国SMS Schloemann-Siemag开发成功。CVC轧辊辊形设计是该技术的关键，其辊形曲线为近似瓶形，上下辊相同，装成一正一反，互为180°，构成S形辊缝。通过特殊S形工作辊的轴向窜移来达到连续变化空辊缝正、负凸度的目的。通过轴向反向移动上下轧辊，就可实现轧辊凸度连续变化与控制。调节CVC轧辊的抽动方向和距离，就可调节原始辊凸度的正负与大小，相当于一对轧辊具有可变的原始辊凸度。因此，利用抽辊可以连续改变辊缝形状(凸度)，相当于工作辊的凸度可连续改变。在热连轧机下游机架，CVC具有凸度控制能力，但不具有磨损控制能力，且在下游机架工作辊严重磨损导致轧辊自保持性变坏，并影响其凸度控制能力的发挥。

(2)PC轧机(参照图2)是通过调整上、下工作辊和支持辊辊系的交叉角θ来改变辊缝的形状，以控制轧件的横向厚度分布和板形。PC轧机正常轧制时交叉角θ≤1.0°。变化很小的θ就可以得到很大辊缝凸度变化，其规律是交叉角θ变大，辊缝凸度减小。PC轧机的轧辊成对交叉具有凸度控制能力，但不具有磨损控制能力。

(3)K-WRS轧机(参照图3)。由日本的Hitachi和Kawasaki联合开发出来，一般称为K-WRS轧机，简称WRS轧机。该轧机采用常规工作辊辊形的长行程窜辊可适度分散轧辊不均匀磨损，不仅工作辊局部磨损明显改善，有利于降低带钢凸度和边降，而且一定程度减轻了工作辊整体磨损并可增加相同普钢轧制单位的轧制产量和轧制长度，但由于热连轧硅钢轧制单位比其他单位的轧辊磨损更显著，在轧制后期轧辊磨损更严重，特别是在出现“箱形”磨损区且在靠近带钢边部出现局部“猫耳朵”磨损后，极易造成带钢边降显著，凸度增大。在热连轧机下游机架，WRS具有磨损控制能力，但不具有凸度控制能力。

(4)高速钢工作辊。宽带钢热连轧机生产过程中，影响硅钢板形控制的工作辊磨损非常突出，且难以控制。高速钢工作辊增加了轧辊的耐磨性，国外如日本新日铁公司、国内如宝钢、武钢、马钢等通过采用高速钢工作辊解决工作辊的不均匀磨损问题。但是，高速钢轧辊在热连轧机上游机架应用较成熟，在磨损更严重的下游机架还在探索实践中，且高速钢工作辊成本高，抗事故能力较差，容易产生剥落。高速钢工作辊具有磨损控制能力，缓解了但并未从根本上解决热轧工作辊磨损控制难题，不具有凸度控制功能。

(4)润滑轧制。宝钢2050已经同样开始进一步探索实践该技术方案，试验发现采用普通工作辊+润滑轧制轧辊磨损等损耗可进一步下降30％，而采用高速钢工作辊+润滑轧制轧辊磨损等损耗可下降10％。日本丰产钢厂在热轧中采用高速钢工作辊的同时运用润滑轧制，硅钢板的板形控制效果明显。润滑轧制则需要采用一套供油***，使得建设和应用成本增大。该技术具有磨损控制能力，较好缓解了但并未从根本上解决热轧工作辊磨损控制难题，不具有凸度控制功能。

(5)在线磨辊技术。在线磨辊技术(On-Line Roll Grinder，简称“ORG”)正是针对热连轧下游机架磨损严重，轧制周期受限这一课题而提出的。所谓“在线磨辊技术”是指在轧制过程中即可对轧辊进行修磨而无需将其从轧机上拆下来的新技术。它可以在轧制过程中对工作辊表面进行修正性的磨削，减轻和消除轧制过程中的磨损和表面缺陷，从而提高辊形的自保持形和轧机板形控制能力，改善带钢表面质量。三菱重工自20世纪80年代开始开发主要与PC(Pair Cross)轧机相配套的ORG和OPM(On-line rollProfile Meter，轧辊在线检测装置)，已先后应用于新日铁、川崎制铁、NKK、韩国浦项等公司所属的热轧厂。国内的宝钢1580热连轧机、鞍钢的1780热连轧机引进了该套设备。日立制作所自上个世纪90年代以来，推出其采用立方氮化硼(CBN)砂轮的在线磨辊装置，磨辊装置本身具有在线检测功能，并在抗振性、磨削控制等方面具有明显的优越性。德国SMS(Schloemann-Siemag)公司的热轧在线磨辊装置也具有一定的代表性。在线磨辊装置直接安装在轧机机架上，可适度消除轧辊局部不均匀磨损，但不具有凸度控制功能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适应宽带钢热连轧机的轧辊，特别是用于具有大量同宽轧制、磨损严重的硅钢等产品轧制的下游机架的工作辊以及该工作辊的使用方法。该工作辊及配合该辊的使用方法具有凸度控制、边降控制和磨损控制的三重功效。

本发明的目的是通过如下方案实现的：

一种兼顾带钢凸度、边降控制和磨损控制的工作辊，所述工作辊按长度方向由三部分组成，即凸度控制段长度L₁、边降和磨损控制段长度L₂、结构工艺段长度L₃；

确定凸度控制段长度L₁部分的辊形方程为：

$y=\frac{H_C}{1-\sin (\mathrm{\π}/2-\mathrm{\β})}\×\sin (2\mathrm{\βx}/\mathrm{Lw}+\mathrm{\π}/2-\mathrm{\β}),(x\∈[0,L_1\left)\right)$

确定边降和磨损控制段长度L₂部分的辊形方程为：

y＝a₀+a₂(x-L₁)²+a₄(x-L₁)⁴+a₆(x-L₁)⁶    (x∈[L₁，L₁+L₂])

确定结构工艺段长度L₃部分的辊形方程为：

y＝b₀+b₁(x-L₁-L₂)    (x∈(L₁+L₂，L_w])

其中，

H_C为工作辊的基准凸度；

β为辊形特征调节角，β∈(0，π/2]；

Lw为工作辊辊身长度；

B为带钢宽度；

a₂、a₄、a₆为补偿曲线特征系数；

公式中，L₁为凸度控制段长度， $L_1=\frac{L_w}{2}+\frac{B}{2}+S_{\mathrm{st}};$

公式中，L₂为边降和磨损控制段长度，L₂＝S_end-S_st；

$a_0=\frac{H_C}{1-\sin (\mathrm{\π}/2-\mathrm{\β})}\×\sin (2\mathrm{\β}{L}_1/\mathrm{Lw}+\mathrm{\π}/2-\mathrm{\β})$

b₀＝a₀+a₂L² ₂+a₄L⁴ ₂+a₆L⁶ ₂

b₁＝2a₂L₂+4a₄L³ ₂+6a₆L⁵ ₂

S_st为轧制第一块带钢时工作辊摆放位置；

S_end为轧制最后一块带钢时工作辊摆放位置。

前述工作辊的使用方法优选为与轴向单方向不可逆窜辊配合使用，所述工作辊轴向窜辊最大行程s∈[40mm，400mm]，窜辊步长为sp∈[0mm，10mm]。

采用本发明所述工作辊及该工作辊的使用方法明显提高了热连轧机的无取向硅钢凸度控制、边降控制和磨损控制能力，用于大规模工业生产无取向硅钢，取得了实物质量显著提高的稳定控制效果，还可用于取向硅钢板形控制、热轧带钢低凸度轧制和自由规程轧制，因此利于推广应用。

附图说明

图1为CVC轧机轴向窜辊连续变凸度工作辊辊形示意图；

图2为PC轧机交叉变凸度常规平辊示意图；

图3WRS轧机长行程窜辊常规平辊示意图；

图4本发明所述工作辊外形结构示意图；

图5本发明所述工作辊辊形曲线示意图；

图6是工作辊磨损计算模型示意图；

图7是工作辊正弦和抛物线工作辊辊形曲线示意图；

图8是工作辊辊形特征调节角β含义示意图；

图9工作辊辊形补偿曲线特征系数确定示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细阐述本发明的实施方式。

具体实施方式一：

本实施方式提供一种利用1700热连轧机轧制2.3mm×1050mm低牌号无取向硅钢时使用的一种兼顾带钢凸度、边降控制和磨损控制的工作辊。

1700热连轧机F5机架工作辊辊身长度为2000mm，辊身直径使用范围为760mm～700mm，上、下工作辊辊形曲线相同，但反向180°放置，我们这里称之为ASR-Y(asymmetry self-compensating work rolls for Yrolling campaign)非对称自补偿工作辊。

以上工作辊为例，ASR-Y上工作辊按长度方向由三部分组成，即凸度控制段长度L₁、边降和磨损控制段长度L₂、结构工艺段长度L₃(参照图4)；

确定各段辊形曲线的方程如下：

凸度控制段长度L₁部分的辊形方程为：

方程1： $y=\frac{H_c}{1-\sin (\mathrm{\π}/2-\mathrm{\β})}\×\sin (2\mathrm{\βx}/\mathrm{Lw}+\mathrm{\π}/2-\mathrm{\β}),(x\∈[0,L_1\left)\right)$

边降和磨损控制段长度L₂部分的辊形方程为：

方程2：y＝a₀+a₂(x-L₁)²+a₄(x-L₁)⁴+a₆(x-L₁)⁶  (x∈[L₁，L₁+L₂])

结构工艺段长度L₃部分的辊形方程为：

方程3：y＝b₀+b₁(x-L₁-L₂)    (x∈(L₁+L₂，L_w])

其中，

H_C为工作辊的基准凸度；

β为辊形特征调节角，β∈(0，π/2]；

Lw为工作辊辊身长度；

B为带钢宽度；

a₂、a₄、a₆为补偿曲线特征系数；

公式中，L₁为凸度控制段长度， $L_1=\frac{L_w}{2}+\frac{B}{2}+S_{\mathrm{st}};$

公式中，L₂为边降和磨损控制段长度，L₂＝S_end-S_st；

$a_0=\frac{H_C}{1-\sin (\mathrm{\π}/2-\mathrm{\β})}\×\sin (2\mathrm{\β}{L}_1/\mathrm{Lw}+\mathrm{\π}/2-\mathrm{\β})$

b₀＝a₀+a₂L² ₂+a₄L⁴ ₂+a₆L⁶ ₂

b₁＝2a₂L₂+4a₄L³ ₂+6a₆L⁵ ₂

S_st为轧制第一块带钢时工作辊摆放位置；

S_end为轧制最后一块带钢时工作辊摆放位置；

H_E为边降和磨损控制量，其值越大，边降和磨损控制能力越强，同时对窜辊精度和轧制稳定性要求越高；

H_T为锥形段整体辊径差，由边降和磨损控制量、工艺段辊径差组成；

$L_3=\frac{L_w}{2}-\frac{B}{2}-S_{\mathrm{end}};$

$L_T=L_2+L_3=\frac{L_w}{2}-\frac{B}{2}-S_{\mathrm{st}}.$

凸度控制段长度L₁部分的辊形用方程1来描述，可以通过H_C值的调节来控制带钢的凸度，通过辊形特征调节角β∈[0，π/2]调整辊缝分布形态(含义见图8)。H_C的值越小，初始空载辊缝凸度也越小，H_C小于零时，将呈现负的初始空载辊缝凸度；β值越小，辊缝中部越平坦。

边降和磨损控制段长度L₂部分的辊形用方程2来描述，a₂、a₄、a₆三个系数由热轧轧制单位内工作辊磨损计算模型和带钢宽度得出，H_E＝a₂L₂ ²+a₄L₂ ⁴+a₆L₂ ⁶，H_T＝H_E+b₁L₃，可以使轧制过程中带钢始终在工作辊“平坦区”轧制，从而克服热连轧尤其下游机架显著“箱型”磨损造成的带钢边降过大。

补偿曲线特征系数a₂、a₄、a₆的确定方法是公知技术，简单阐述如下。

工作辊磨损几何形状由oa、ab、bc、cd、df五部分组成(图6中的虚线部分，[1]曹建国，张杰，甘健斌，等.无取向硅钢热轧工作辊磨损预报模型.北京科技大学学报，2006，28(3)：286-289；[2]牟善文，张杰，曹建国，等.硅钢板轧制中工作辊磨损模型参数的研究.冶金设备，2005，(2)：18～21；[3]何安瑞，张清东，曹建国，等.热轧精轧机组工作辊磨损分析及预报.冶金设备，1999，(3)：23～26)，其中bc部分为带钢与工作辊接触区域，以四次曲线形式表示，其余用直线近似表示。在轧制完一块钢后，工作辊的磨损量w(x)为：

$w\left(x\right)=k_{w0}{L}_Z{P_a}^{k_{w1}}\frac{L_S}{D_W}(1+k_{w2}f\left(x\right))$

上式中：

k_w0：综合影响系数，与带钢材质、工作辊材质、带钢温度等有关；

Lz：轧制长度，km；

P_a：单位轧制压力，kN/mm；

k_W1：单位轧制压力影响系数；

L_S：接触弧长，mm；

D_W：工作辊直径，mm；

k_w2：带钢宽度范围内不均匀磨损系数；

f(x)：描述工作辊轴向不均匀磨损程度的函数，其形式如下：

$f_{\left(x\right)}=\left\{\begin{array}{cc}0& x\∈[0,x_1)\\ (x-a)(e_0+e_2+e_4)/L_{S1}& x\∈[x_1,x_2)\\ e_0+e_2{(\frac{x-b}{0.5B}-1)}^2+e_4{(\frac{x-b}{0.5B}-1)}^4& x\∈[x_2,x_3]\\ (c-x)(e_0+e_2+e_4)/L_{S2}& x\∈(x_3,x_4]\\ 0& x\∈(x_4,x_5]\end{array}\right.$

其中e₀、e₂、e₄为多项式系数；x为工作辊轴向坐标；由图5中几何关系可得：

x₁＝Lw/2-S-B/2-L_s1

x₂＝x1+L_s1

x₃＝x1+L_s1+B

x₄＝x1+L_s1+B+L_s2

x₅＝Lw

L_s1，L_s2：工作辊与带钢接触磨损区域两侧的锥形部分长度，通常取值范围为15mm·～40mm。Lw：工作辊辊身长度，mm；B：带钢宽度，mm；S：工作辊轴向窜动量，mm。

一个轧制单位结束后，工作辊的轴向各点磨损的计算值Cw为：

$\mathrm{Cw}=\underset{i=1}{\overset{n_w}{\mathrm{\Σ}}}w{\left(x\right)}_i$

式中n_w：一个轧制单位所含带钢块数。

按照磨损计算模型代入轧制单位编排、窜辊策略、轧制长度等工艺参数计算出工作辊磨损辊形，利用磨损预报模型计算出不同窜辊策略的磨损辊形曲线如图9所示，并对L₁～(L₁+L₂)段用下式拟合可确定补偿曲线特征系数a₂、a₄、a₆范围，通过试验确定实际值：

y＝a₀+a₂(x-L₁)²+a₄(x-L₁)⁴+a₆(x-L₁)⁶    (x∈[L₁，L₁+L₂])

结构工艺段长度L₃部分的辊形用方程3来描述，它的设计原则是尽量降低轧辊磨削量，保证整体辊形的简单易磨，从而提高磨辊精度。

实际设计时，凸度控制段和边降和磨损控制段的交点处需要进行平滑处理。

前述工作辊最好与轴向单方向不可逆窜辊配合使用，所述工作辊轴向窜辊最大行程s∈[40mm，400mm]，窜辊步长为sp∈[0mm，10mm]，这样可以使轧制过程中带钢始终在工作辊“平坦区”进行轧制。

结合本实施例所述1700热连轧机取值如下：

Lw为工作辊辊身长度，本实施方式中取Lw＝2000mm。B为带钢宽度，对于本实施方式为B＝1050mm。H_C为工作辊的基准凸度；L₁为凸度控制段，取L₁＝1525mm。H_E为边降和磨损控制量，其值越大，边降和磨损控制能力越强，同时对窜辊精度和轧制稳定性要求越高，取H_E＝77μm。H_T为锥形段整体辊径差，由边降和磨损控制量、工艺段辊径差组成，其中任何一项的增大都会使其增大。而它主要受磨床磨削能力，H_T越大，对磨床能力要求越高，本实例取H_T＝1024μm。S_st为轧制第一块带钢时工作辊摆放位置，取S_st＝0mm；S_end为轧制最后一块带钢时工作辊摆放位置，取S_end＝145mm。

在1700热连轧机F5机架应用上述轧辊及与轴向单方向不可逆窜辊配合使用的方法进行了2期共4个轧制单位计5835t的轧制实验，取得了明显的控制效果。采用常规工作辊辊形长行程窜辊轧制时，硅钢中部凸度偏大、尤其是边降显著，导致带钢整体凸度很大，即横向厚差显著偏大。相比之下，使用本发明所述工作辊的低牌号无取向硅钢的横截面形状明显改善：带钢边降区大小和边降量均有明显减小，这些都有利于整体凸度即横向厚差的减小。使用本发明所述工作辊不仅显著增加了低凸度带钢比例，工业试验轧制前、后带钢出口凸度C40≤52μm的比例由13.7％提高到81.25％，还能有效控制超标卷的数量，凸度＞60μm的带钢比例从65.6％下降到6.60％。由于热连轧硅钢横向厚差(即带钢整体凸度)质量要求严苛，且硅钢轧制单位比其他单位的轧辊磨损更显著，在轧制后期轧辊磨损更严重，特别是在出现“箱形”磨损区且在靠近带钢边部出现局部“猫耳朵”磨损后，极易造成带钢边降显著，凸度增大。因此无取向硅钢轧制单位明显比普钢轧制单位要小，前者采用常规工作辊通常只能轧约60块，而后者可轧到近140块带钢。采用本发明提供技术的试验轧制单位带钢块数由常规工作辊的60块增加到80块、甚至95块时，仍能取得明显的控制效果，该技术的应用为轧制单位的扩大提供了有力的技术保证。且工业应用轧制单位已由60块稳定扩大到80块以上。1700热连轧机低牌号无取向轧制单位由60块稳定扩大到80块以上条件下，随着本发明提供的工作辊由稳定工业应用投入到连续全面稳定应用，2.3mm×1050mm无取向硅钢C40≤45μm的比率由42.05％提高到93.15％。

具体实施方式二：

凸度控制段长度L₁部分的辊形曲线也可采用普通抛物线辊型 $y=H_C[1-{(\frac{2x}{L_W}-1)}^2],$ 见图7，(见Remn-Min Guo，Characteristics ofrolling mills with roll shifting，Iron and steelengineer，1988，65(12)：45～54)加上热轧轧制单位建立的热辊形稳定分量(见张杰，张绚丽，曹建国，等.基于遗传算法的工作辊温度场参数优化模型，冶金设备，2003，(4)：4-7；Ginzburg V B，High-Quality SteelRolling：Theory and Practice，Marcel Dekker，New York，1993：488-528)复合而成。其它与具体实施方式一相同。

另外，凸度控制段长度L₁部分的辊形曲线也可以采用余弦形等常规凸度辊形构成方式，都可以实现本发明所述目的。

Claims (3)

1.一种兼顾带钢凸度、边降控制和磨损控制的工作辊，其特征在于所述工作辊按长度方向由三部分组成，即凸度控制段长度L₁、边降和磨损控制段长度L₂、结构工艺段长度L₃；

确定边降和磨损控制段长度L₂部分的辊形方程为：

y＝a₀+a₂(x-L₁)²+a₄(x-L₁)⁴+a₆(x-L₁)⁶    x∈[L₁，L₁+L₂]

确定结构工艺段长度L₃部分的辊形方程为：

y＝b₀+b₁(x-L₁-L₂)    x∈(L₁+L₂，L_w]

其中，

$a_0=\frac{H_c}{1-\sin (\mathrm{\π}/2-\mathrm{\β})}\×\sin (2\mathrm{\β}{L}_1/\mathrm{Lw}+\mathrm{\π}/2-\mathrm{\β})$

H_C为工作辊的基准凸度；

β为辊形特征调节角，β∈(0，π/2]；

Lw为工作辊辊身长度；

B为带钢宽度；

a₂、a₄、a₆为补偿曲线特征系数；

b₀＝a₀+a₂L² ₂+a₄L⁴ ₂+a₆L⁶ ₂

b₁＝2a₂L₂+4a₄L³ ₂+6a₆L⁵ ₂

L₁为凸度控制段长度， $L_1=\frac{L_w}{2}+\frac{B}{2}+S_{\mathrm{st}};$

L₂为边降和磨损控制段长度，L₂＝S_end-S_st；

S_st为轧制第一块带钢时工作辊摆放位置；

S_end为轧制最后一块带钢时工作辊摆放位置。

2.根据权利要求1所述的兼顾带钢凸度、边降控制和磨损控制的工作辊，其特征在于确定凸度控制段长度L₁部分的辊形方程为：

$y=\frac{H_C}{1-\sin (\mathrm{\π}/2-\mathrm{\β})}\×\sin (2\mathrm{\βx}/\mathrm{Lw}+\mathrm{\π}/2-\mathrm{\β}),x\∈[0,L_1)$

3.一种前述权利要求所述工作辊的使用方法，其特征在于所述工作辊与工作辊轴向单方向不可逆窜辊配合使用，所述工作辊轴向窜辊最大行程s∈[40mm，400mm]，窜辊步长为sp∈[0mm，10mm]。

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