一种可提高型钢轧辊使用寿命的轧辊孔型优化方法

技术领域

本发明涉及金属轧制装备领域，具体地说是型钢轧辊使用方法，特别 是提高型钢轧辊使用寿命的轧辊孔型优化方法。

背景技术

型钢轧制过程是将一定规格尺寸的坯料轧制成具有规则形状、满足使 用要求的产品的过程。型钢轧制过程属于高温、大变形、大压下量加 工过程，各道次孔型完全不同，对轧件的加工作用也存在显著差异。 型钢轧辊辊形的设计包括不同道次孔型的设计，轧制线位置的设置， 设计结果直接影响到轧件的变形过程、咬入、咬出，以及轧辊的磨损 状态及分布。型钢轧制由多个道次组成，各道次孔型、轧制状态不同 ，导致各道次轧辊经轧制后磨损情况相差很大，即使是同一道次不同 部位的轧辊磨损情况也存在显著差异。孔型部位、轧制状态决定着轧 辊磨损量，而磨损量与侧壁斜度共同决定着孔型恢复时的轧辊切削量 ，而累积切削量决定着轧辊的使用寿命。因此好的孔型设计可以使轧 制过程易于实现，对轧件质量的控制、轧制力的控制、辊形修复难易 以及轧辊使用寿命的延长都是非常重要的。

型钢轧辊孔型复杂，传统的型钢轧辊孔型设计和优化一般依靠经验， 需要经过多次试轧修改孔型。不仅耗费大量的人力物力，而且增加了 孔型设计成本以及研发周期。采用传统方法设计和优化孔型只能满足 对轧件成型性方面的要求，不能兼顾轧辊的工作状态了解轧辊磨损的 分布规律，无法做到在满足轧件成型性的基础上改善轧辊磨损状 态提高轧辊的使用寿命。程鼎撰写的《热轧H型钢的孔型设计》一文中 。重点介绍了万能轧机的轧辊设计，轧边机轧辊设计，万能轧机压下 规程设计及开坯机孔型设计。但主要是根据现有H型钢生产及开发经验 ，介绍了相关H型钢工艺设计特点。杨仙等撰写的《冷弯中梁轧辊孔型 的计算机辅助没计》一文中对冷弯中梁辊式成型的轧辊结构进行了设 计，通过建立数学模型，应用计算机辅助孔型设计计算了冷弯中梁各 架次孔型尺寸，并进行了孔型优化。但并没有从减少轧辊磨损、提高 轧辊使用寿命等方面对孔型进行优化。

目前针对提高轧辊使用寿命的方法多采用改善轧辊表面属性，提高其 耐磨性的方法，如专利CN01114853.5、专利CN200910084728.6和专利 CN200710045619，所涉及到的方法只是提高轧辊使用寿命的一种弥补 手段，并没有从根本上提高轧辊使用寿命，轧辊寿命仍主要受磨损、 切削过程的影响。另一方面，改善轧辊表面属性的方法对于钢轨轧制 这种高温、轧辊磨损剧烈的加工过程，改性层厚度远小于轧辊磨损层 厚度，其作用只能是暂缓轧辊的磨损，当轧辊磨损厚度大于改性层厚 度时，改性层将对轧辊没有任何保护作用。此外，改性层的加工过程 耗时较长、工序复杂、成本高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于通过改变型钢轧制过程轧辊磨损的状 态、减少轧辊的不均匀磨损，从而减少轧辊修复的切削量，提高型钢 轧辊的使用寿命。

为从根本上提高轧辊的使用寿命，本发明从轧制过程入手，改善轧辊 与轧件的磨损状态，均匀分布轧辊磨损及切削，提高轧辊的使用寿命 。

本发明采用如下的技术方案：

建立数学模型对目标轧制工艺条件下轧件轧制状态、轧辊的磨损状态 进行预测，根据轧辊磨损量分布推算得到孔型修复时所需车削量，进 一步根据上述结论优化孔型。

本技术方案的特征在于以数学模型计算，对目标轧制工艺条件下轧辊 的磨损状态进行预测，优化指导轧钢生产工艺，通过促进轧辊磨损均 匀化，减少轧辊修复过程的切削量，提高轧辊的寿命。

具体操作如下：

（1）建立数学模型，对目标轧制工艺下轧件轧制状态进行计算；

（2）预测当前生产工艺条件下轧辊磨损状况，对轧辊磨损状态进行评 价，将轧辊磨损量转化为轧辊修复量；

（3）通过轧辊切削量的评价对轧辊孔型、轧制工艺进行优化；

具体地，步骤（1）中采用有限单元法建立热-机耦合弹塑性有限元模 型计算轧制过程，输入轧件坯料断面尺寸、轧制工艺参数、定义轧辊 与轧件间接触模型，定义模型计算参数，从而获得轧件的变形情况、 轧制力F、接触应力σ、轧件速度v、温度T；

步骤（1）中通过轧件模型的单元划分，通过轧件模型表面单元及节点 将所得各计算结果与轧辊孔型位置一一对应；

步骤（2）中通过数学模型的方法对轧辊磨损状态进行计算，具体的数 学模型如下：

$H=\frac{\mathrm{k\sigma l}}{3{\sigma }_s}$

式中：H——基于Archard方程获得的轧辊磨损深度；

K——磨损系数；

σ——接触应力；

l——磨损距离；

σ_s——屈服强度；

磨损系数K可以由下式进行计算：

K=k₁·k₂

其中，k₁——温度对磨损过程影响系数，k₁=[29.29ln(7)-168.73]× 10^-6；

k₂——物理过程的修正系数，与轧辊性能和轧辊状态相关，k₂取值范 围为0.5~1.5；

T——轧件温度；

步骤（2）中通过数学方法将轧辊磨损状态以吨钢磨损量的形式进行表 示，将轧辊磨损状态转化为与孔型具体位置对应的吨钢磨损量，转换 模型如下：

$J=\frac{H}{v_B\mathrm{tS\rho }}$

其中，J——道次吨钢磨损量；

S——轧件断面面积；

ρ——轧件金属密度；

t——轧制时间；

v_B——轧件瞬时速度；

步骤（2）中考虑不同孔型侧壁斜度对切削量的影响，将轧辊吨钢磨损 量转化为轧辊切削量，具体转化数学模型如下：

D=2*J/A

其中，D——轧辊切削量；

A——孔型侧壁斜度。

步骤（3）根据步骤（2）中数学方法获得的孔型位置与其所需切削量 的对应结果，对孔型进行优化。轧辊车削量最终决定着轧辊的使用寿 命，而车削量是由轧辊磨损量和孔型结构所决定的。通过改善轧 辊磨损状态和孔型结构，从而改善轧辊车削量的不均匀分布，减少所 需最大车削量，实现提高轧辊车削次数和使用寿命的目的。

还可以在进行步骤（3）时，先同时判断各道次轧制力F比率是否与电 机电流比率相当，以及各道次轧辊吨钢磨损量与设定参考值的大小关 系。当轧制力F比率与电机电流比率偏差小于5%时，判定为是；若比率 偏差大于5%时为否。道次轧辊吨钢磨损量小于设定参考值时，判定为 是，若大于则为否。对判定为否的道次孔型进行优化，以使各道次轧 制力F比率与电机电流比率相当、轧辊吨钢磨损量小于设定参考值。若 各道次均满足轧制力与电机电流比率相当、以及轧辊吨钢磨损量小于 设定参考值，则考察轧制后轧件头尾金属延展情况，若头、尾延展量 相差小于20%判定为是，则进行步骤3；若延展量相差大于20%则判定为 否，需进一步调整轧制线位置，但若影响轧辊磨损H，轧制力F以及轧 辊切削性能中的任意一个参数，则不调整轧制线位置。

本发明方法有效改变型钢轧制过程轧辊磨损状态、减少轧辊不均匀磨 损，改善轧辊修复时切削的不均匀性，减少每次恢复孔型时所需车削 量3~10mm，增加轧辊车削次数1~2次，提高型钢轧辊的使用寿命。

附图说明

图1是轧辊孔型优化流程图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进行进一步说明：

实施例1  以60kg/mU75V钢轨粗轧机轧辊孔型优化为例

（1）对目标轧制工艺下轧制过程进行建模、计算

首先建立轧制过程预测模型，输入60kg/m钢轨轧件坯料断面尺寸为23 0mm×230mm，建立轧件三维模型 ，60kg/mU75V钢轨粗轧机采用五道 次轧制法，输入钢轨粗轧机轧辊规格及初始孔型并建立轧辊模型；然 后输入轧件材料U75V性能参数（比热、热传导系数、应力-应变曲线、 弹性模量、泊松比、热膨胀系数、密度），轧辊与轧件间接触摩擦系 数0.4和接触换热系数6，定义热功转换系数为0.9。采用有限单元法获 得轧件的变形、轧制力F、接触应力以及温度变化情况。

（2）预测轧辊磨损状态

采用以下过程计算轧辊的磨损H情况：

$H(m,\mathrm{nn})=\frac{K·\sigma (m,\mathrm{nn})·l}{3{\sigma }_s}$

式中：H(m,nn)——轧辊磨损深度；

m——模型中的单元号；

nn——模型中的积分点号。

K——磨损系数；

σ(m,nn)——接触应力；

l——磨损距离；

σ_s——U75V钢1000℃~1150℃时屈服强度约为的526MPa。

则在单位时间步内轧辊的磨损量由下式得出：

$\mathrm{dh}=\frac{\mathrm{K\sigma v}}{3{\sigma }_S}\mathrm{dt},H=\int \mathrm{dh}$，

式中：dh——单位时间步内的磨损深度；

H——总磨损深度；

σ——接触应力，由于力的作用是相互的，此处用轧件所受应力等效 轧辊所受应力；

v——轧件与轧辊之间的相对滑动速度；

dt——单位时间步长。

磨损系数K可以由下式进行计算：

K=k₁·k₂

其中，k₁——温度对磨损过程影响系数，k₁=[29.29ln(7)-168.73]× 10^-6；

k₂——物理过程的修正系数，与工况和轧辊性能相关。轧辊采用铸铁 辊，轧辊为新开辊进行轧制，k₂取值0.8。

T——轧件温度。

相对滑动速度v可以由下式进行计算：

v=v_B-v_R

其中，v_B——轧件瞬时速度，用所在单元与当前积分点最近的节点速 度值进行赋值；

v_R——轧辊转速。

计算吨钢磨损量：

其中，J——道次吨钢磨损量；

S——轧件断面面积；

ρ——轧件金属密度。

通过计算，获得的五个道次的轧制力、吨钢最大磨损量如表1所示。

表1 轧制参数

对轧辊磨损状态进行评价，将轧辊磨损量转化为轧辊切削量；

D=2*J/A

其中D——轧辊切削量；

A——侧壁斜度。

通过计算获得轧辊最大切削量位于第三道次，约为22mm。

（3）通过轧制力、轧件出钢状态、轧辊切削量的评价对轧辊孔型、轧 制工艺进行优化

从表1中可以看出，五个道次轧制力比约为3:4.5:5.5:5:2，与电机电 流比值相当，轧制力大小满足要求。吨钢磨损量最大为第4道次5.5× 10-4mm/t，小于设定参考值6×10-4mm/t，满足要求。

通过考察轧件变形状态，头尾延展差超过20%，需要对轧制线进行调整 。在不改变孔型的前提下将第二道次轧制水平中线向上移动。调整轧 制系统轧制力变化不大，下卫板受力显著降低，轧件两端延伸的均匀 性得到改善。同时轧制线调整后增加了第二道次下辊的辊径，减小了 第二道次上辊的辊径。由于上辊辊径最小处位于第三道次，上辊的有 效修磨次数不受影响。

针对最大切削部位为第三道次，增加侧壁斜度5%，同时满足孔型头底 金属流量，改善后第三道次轧辊最大切削量减少到18mm。当轧辊使用 寿命为-90mm辊颈时，改善前切削次数为4次，改善后切削次数为5次。 增加轧辊轧出量25%。

实施例2  以75kg/mU71Mn钢轨粗轧机轧辊孔型优化为例

（1）对目标轧制工艺下轧制过程进行建模、计算

首先建立轧制过程预测模型，输入75kg/m钢轨轧件坯料断面尺寸为23 0mm×230mm，建立轧件三维模型，75kg/mU71Mn钢轨粗轧机采用五道次 轧制法，输入钢轨粗轧机轧辊规格及初始孔型并建立轧辊模型；然后 输入轧件材料U71Mn性能参数（比热、热传导系数、应力-应变曲线、 弹性模量、泊松比、热膨胀系数、密度），轧辊与轧件间接触摩擦系 数0.43和接触换热系数6，定义热功转换系数为0.9。采用有限单元法 获得轧件的变形、轧制力F、接触应力以及温度变化情况。

（2）预测轧辊磨损状态

采用以下过程计算轧辊的磨损H情况：

$H(m,\mathrm{nn})=\frac{K·\sigma (m,\mathrm{nn})·l}{3{\sigma }_s}$

式中：H(m,nn)——轧辊磨损深度；

m——模型中的单元号；

nn——模型中的积分点号。

K——磨损系数；

σ(m,nn)——接触应力；

l——磨损距离；

σ_s——U71Mn钢1000℃~1150℃时屈服强度约为的465MPa。

则在单位时间步内轧辊的磨损量由下式得出：

$\mathrm{dh}=\frac{\mathrm{K\sigma v}}{3{\sigma }_S}\mathrm{dt},H=\int \mathrm{dh}$，

式中：dh——单位时间步内的磨损深度；

H——总磨损深度；

σ——接触应力，由于力的作用是相互的，此处用轧件所受应力等效 轧辊所受应力；

v——轧件与轧辊之间的相对滑动速度；

dt——单位时间步长。

磨损系数K可以由下式进行计算：

K=k₁·k₂

其中，k₁——温度对磨损过程影响系数，k₁=[29.29ln(T)-168.73]× 10^-6；

k₂——物理过程的修正系数，与工况和轧辊性能相关，轧辊采用钢质 辊，轧辊为新开辊进行轧制，k₂取值1.2。

T——轧件温度。

相对滑动速度v可以由下式进行计算：

v=v_B-v_R

其中，v_B——轧件瞬时速度，用所在单元与当前积分点最近的节点速 度值进行赋值；

v_R——轧辊转速。

计算吨钢磨损量：

$J=\frac{H}{v_B\mathrm{tS\rho }}$

其中，J——道次吨钢磨损量；

S——轧件断面面积；

ρ——轧件金属密度；

通过计算，获得的五个道次的轧制力、吨钢最大磨损量如表2所示。

表2 轧制参数

对轧辊磨损状态进行评价，将轧辊磨损量转化为轧辊切削量；

D=2*J/A

其中D——轧辊切削量；

A——侧壁斜度。

通过计算获得轧辊最大切削量位于第三道次，约为31mm。

（3）通过轧制力、轧件出钢状态、轧辊切削量的评价对轧辊孔型、轧 制工艺进行优化

从表2中可以看出，五个道次轧制力比约为3:4.5:6:5:2，电机电流比 值为3:4.5:5.5:5:2，第3道次的轧制力超过设定偏差5%的范围，轧制 力大小不满足要求。吨钢磨损量中第4道次6.7×10-4mm/t，大于设定 参考值6×10-4mm/t，同样不满足要求。因此对第3道次、第4道次孔型 进行优化，减少第3道次压下量2mm，增加第4道次宽展1.5mm。优化后 第3道次轧制力降为7204Mpa，第4道次轧制力降为6360，吨钢磨损量降 为5.8mm/t。优化后轧制力比值约为3:4.5:5:4.9:2，没有超过设定偏 差5%的范围，满足要求。第4道次吨钢磨损量也满足小于6×10-4mm/t 的要求。优化后轧辊最大切削量仍位于第三道次，约为27mm。

通过考察轧件变形状态，轧件头尾延展量相差超过20%，需要 对轧制线进行调整。在不改变孔型的前提下将第二道次轧制水平中线 向下移动。但是移动后减小了第二道次下辊的辊径，增加了第二道次 上辊的辊径。由于下辊辊径最小处位于第二道次，下辊的有效修磨次 数受到影响，因此不能进行轧制线的调整。

针对最大切削部位为第三道次，增加侧壁斜度4%，同时满足孔型头底 金属流量，改善后第三道次轧辊最大切削量减少到23mm。当轧辊使用 寿命为-90mm辊颈时，改善前切削次数为3次，改善后切削次数为4次。 增加轧辊轧出量33%。