一种四辊轧机支持辊辊形及其与工作辊辊形配置的方法

技术领域

本发明属于轧钢技术领域，特别是涉及一种四辊轧机支持辊辊形及其与工作辊辊形配置的方法。解决宽带钢热连轧四辊粗轧机轧辊剥落并改善中间坯板形的支持辊辊形技术及其与工作辊辊形配置的工艺技术，特别适用于解决轧辊由于辊间接触应力集中导致的轧辊剥落，改善热轧板带轧制过程中间坯板形，提高热轧带钢板形质量。

背景技术

板带材被广泛应用于工业、农业、国防以及日常生活的方方面面，在国民经济发展中起着重要的作用。热连轧机是把一定尺寸和化学成份的钢坯通过压延的方式加工成所要求的一定厚度和宽度规格带钢卷的设备，板带钢生产流程中的重要一环，也一直是轧制领域的研究热点。

热轧轧辊工作环境恶劣，热轧辊常工作在700℃～800℃的高温环境，与灼热的钢坯相接触，需要承受强大的轧制力，同时表面要承受轧材的强力磨损，反复被热轧材加热及冷却水冷却，经受温度变化幅度较大的热疲劳作用。这就要求热轧辊材料必须具有高的淬透性、低的热膨胀系数、高的热传导能力和高的高温屈服强度及高的抗氧化性。据统计，在我国轧钢企业用户的辊耗中有35％～50％都属非生产性消耗，也就是说，全国每年所消耗的近一半数量的轧辊都不是正常轧钢的生产性消耗，而是因各种轧制事故，如卡钢、断辊、剥落、掉肉、辊环掰裂等事故所造成的异常消耗部分。轧辊非生产性消耗比例的居高不下，也造成了轧机作业率低下、高档轧材轧制困难、轧辊更新换代成本过大等问题，从而影响了轧线的生产效率。

随着科学技术的发展，特别是一些现代化工业部门如汽车、制罐以及家电行业等的飞速发展，不仅对板带材的需求量急剧增加，而且对其质量、尺寸精度、表面质量及性能提出了严格的要求。板带的厚度精度(纵向厚差和横向厚差)和板形(断面形状和平坦度)是衡量板带材几何尺寸精度的两个重要指标。特别是对于我国的板带材生产来说，每年由板形不良所造成的经济方面的损失十分严重。提高热轧带钢的板形质量可以减少带钢使用过程中由于形变带来的附加工序，提高生产效率。面对日益激烈的市场竞争，提高热轧带钢的板形质量同时也可以使得热轧带钢生产厂家处于有利位置。所以，解决板带生产中板形质量问题是一项具有巨大经济意义并具有非常重要的社会意义。

国内大多数热轧生产厂粗轧机组为四辊轧机，支持辊和工作辊大多采用平辊形，支持辊边部也只是加工倒角。由于粗轧四辊轧机支持辊与工作辊大多采用平辊形，在轧钢生产过程中支持辊或者工作辊在边部容易发生大面积剥落，导致生产停机、轧辊提前报废或者辊耗剧增，造成较大的经济损失。同时，采用平辊形，导致轧制过程中中间坯轧后出现负凸度、楔形和镰刀弯问题导致精轧板形控制难度增大，板形控制精度命中率降低。

解决宽带钢轧机轧辊由于辊间接触应力集中导致的剥落问题，国内的相关研究大多集中在了如何改进轧辊材质及其制造工艺方面的相关研究。如专利申请号：200510038980.5，名称为复合高速钢轧辊及制备方法；专利申请号：02138774.5，名称为一种复合粘结硬质合金轧辊的制造工艺；专利申请号：200610085881.7，名称为半高速钢复合轧辊及制备方法；专利申请号：200610041705.3，一种低裂纹型高速钢轧辊及其离心铸造方法；专利申请号：CN93100898.0，复合铸铁轧辊及其铸造方法；专利申请号：200710017612.1，一种高碳高钒高速钢复合轧辊及其热处理方法。另外，从轧辊使用与管理方面，做到尽量防治剥落事故发生，也同样有相关的研究，如专利号：200810052212.9，一种恢复提高热轧辊和冷轧辅助辊使用寿命的方法。

从板形控制方面，主要研究热点集中在了精轧机组支持辊与工作辊结构及其辊形，作为板形控制改进手段，如CVC、HC、SmartCrown、PC、UPC、HVC等辊形。支持辊方面还是以常规支持辊(平辊或抛物线辊形)为主。北京科技大学板形控制研究课题组自主开发的变接触长度支持辊(VCL，VCR)技术可在不改变现有轧机结构和不影响生产的条件下，解决机组板形调控能力不足的问题。这种辊形也只是在精轧机组得到了应用，还没有在粗轧机组进行推广。近年来，在轧辊，尤其是支持辊的结构方面也有很多新型的产品和专利，如动态支持辊技术，瑞士苏黎士S-ES公司开发NIPCO阶梯形支持辊、法国CLECIM公司的DSR(Dynamic Shape roll)也已成功应用于工业生产，但其结构复杂，成本高，不易在常规轧机上推广。国内专利号：96103393.2，一种支承宽度连续可变的支承辊，也是属于支持辊结构的创新，同样也是结构复杂，成本高。

支持辊与工作辊辊形技术与辊形配置是一种解决轧辊间接触压力分布均匀化的一种有效的手段。大多热轧宽带钢生产线的四辊粗轧机还停留在使用平辊形的阶段，时有轧辊剥落事故发生，造成较大的经济损失。所以，有必要改进粗轧机组的支持辊与工作辊辊形及其配置进这种落后的生产工艺。由于这种对支持辊和工作辊辊形技术与配置可在不改变现有轧机结构和不影响生产的条件下进行，投资小，见效快，具有显著的经济效益和社会意义。

发明目的

1)解决宽带钢热连轧机组中支持辊与工作辊由于边部应力集中导致的剥落问题；

2)解决轧辊磨损量大而且不均问题，降低轧辊消耗；

3)改善中间坯负凸度、楔形大等板形问题，提高热轧带钢板形控制精度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种四辊轧机支持辊辊形及其与工作辊辊形配置的方法，解决的问题是：

1)消除了平辊形支持辊与工作辊在两端在超出带钢边缘的部分产生大的扰曲变形的有害接触区域，解决了宽带钢热连轧机组中支持辊与工作辊由于边部应力集中导致的剥落问题；

2)解决了平辊形轧辊磨损量大而且不均问题，降低轧辊消耗，节能降耗，降低轧钢成本；

3)通过R2工作辊辊形与支持辊辊形技术配置，解决了改善中间坯产生负凸度、楔形大等板形问题，提高了热轧带钢板形控制精度。

该发明的思路是：在平辊形接触应力分析结果的基础上，根据热轧带钢生产线所轧制的最多的三种带钢宽度规格，给出新的支持辊辊形曲线，并与工作辊辊形相配置，使得支持辊与工作辊接触长度与所轧带钢宽度相适应，解决轧辊边部由于应力集中导致剥落的问题；改变平辊形工作辊造成的轧钢稳定性差，板坯跑偏严重，造成大量镰刀弯、楔形和负凸度的板形问题。

本发明的技术方案是：

根据热轧带钢生产线所轧制的最多的三种带钢宽度规格，使用6次方多项式支持辊辊形技术并与2次方的工作辊辊形曲线进行配置，使得支持辊与工作辊接触长度与所轧带钢宽度相适应：

对粗轧四辊轧机的支持辊和工作辊均采用平辊形的情况：采用6次多项式曲线完成轧辊边部与中部的光滑过渡，使得支持辊辊径在边部与中部有0.4mm～2mm辊径差；根据轧制负荷大小，确定具体所需要的0.8mm～1.2mm的辊径差，设计支持辊高次多项式辊形曲线；

工作辊采用负辊形，使得工作辊具有0.05～0.3mm的负凸度，工作辊辊形曲线为二次方曲线；

给定支持辊和工作辊辊形曲线方程后，需要对支持辊和工作辊进行辊面的辊形磨削；

完成轧辊磨削准备工作后，在热轧自动化控制系统中给出相应的支持辊与工作辊辊形曲线方程；，轧钢二级控制系统中需要录入辊形曲线方程，使得系统完成复合与板形控制设定计算；在二级系统中录入方程之前，需要对上述两个辊形曲线进行单位变换处理。

本发明的原理如下：

1、对粗轧四辊轧机的支持辊和工作辊均采用平辊形的情况进行了辊间接触应力的理论分析计算。根据分析结果表明，平支持辊与工作辊在边部形成接触应力集中是疲劳裂纹产生的根源(如图1所示)，导致剥落问题的发生。由于应力集中导致的磨损量大而且不均，使得轧辊下机后磨削量大，造成轧钢的辊耗大，增加了生产成本，也不利于节能降耗。同时，平辊形支持辊与工作辊在两端在超出带钢边缘的部分产生大的扰曲变形的有害接触区域，对带钢边降等板形控制不利，同时也对带钢轧制稳定性不利，导致板坯粗轧后中间坯产生负凸度、楔形大等板形问题，导致精轧板形控制精度不高。

2、支持辊辊形技术是此发明的核心内容，根据热轧带钢生产线所轧制的最多的三种带钢宽度规格，采用高次多项式曲线完成轧辊边部与中部的光滑过渡，使得支持辊辊径在边部与中部有0.4mm～2mm辊径差。根据轧线所轧轧制带钢宽度规格最多的三种，作为辊形设计关键点，然后，根据轧制负荷大小，确定具体所需要的0.8mm～1.2mm的辊径差，设计支持辊高次多项式辊形曲线。

支持辊辊形曲线方程：

辊形曲线方程式如下，如图2所示：

R(x)＝a₀+a₁x+a₂x²+a₃x³+a₄x⁴+a₅x⁵+a₆x⁶；式中，x为轧辊辊身轴向坐标，坐标原点为辊身中点，单位：mm；R为轧辊半径相对偏差量，单位：um；a₆、a₅、a₄、a₃、a₂、a₁、a₀为多项式中从6次到常数项的系数，范围分别为：

a₆＝-3.6129709640*10^-16～-2.6756900092*10^-16；

a₅＝1.9459747028*10^-24～2.6756900092*10^-17；

a₄＝8.4465873947*10^-11～1.1209998557*10^-10；

a₃＝-2.2103822104*10^-11～-5.0453517503*10^-17；

a₂＝-1.1433660012*10^-4～-4.3095500441*10^-5；

a₁＝1.5616796745*10^-10～8.2423485419*10^-6；

a₀＝-8.6146187639*10^-3～2.5537538268*10^-3。

3、为了控制中间坯板形，改善粗轧后中间坯板形和镰刀弯，并有利于轧制稳定性，在粗轧四辊轧机的工作辊采用负辊形。使得工作辊具有0.05～0.3mm的负凸度，加强板坯轧制时具有良好的对中性和稳定性。

工作辊辊形方程：

工作辊辊形曲线为二次方曲线，如图3所示，R₂(x)＝b₀+b₁x+b₂x²，式中，x为轧辊轴向坐标，坐标原点位于辊身中点，单位mm；R₂为轧辊半径相对偏差量，单位um。多项式中系数范围：

b₂＝-1.5802470000*10^-4～-3.9505973672*10^-5；

b₁＝-1.9751881062*10^-3～-6.1062266354*10^-16；

b₀＝-2.4884545848*10^-2～-5.6843418861*10^-13。

4、对上述四辊轧机支持辊与工作辊新的辊形曲线进行了接触压力分布分析。本发明6次曲线支持辊辊形可以改变轧钢时支持辊与工作辊辊身的接触长度，如图4所示，可显著降低辊间接触压力尖峰值，使得辊间接触应力分布均匀，如图5所示，有力地缓解了接触压力尖峰地出现。适应所轧制带钢宽度和轧制负荷，消除轧辊悬臂段有害接触区，使得支持辊与工作辊辊间接触应力集中问题得到彻底解决，解决轧辊由于边部有害接触区导致的剥落问题，对延长支持辊、工作辊的寿命均有益。

5、给定支持辊和工作辊辊形曲线方程后，需要对支持辊和工作辊进行辊面的辊形磨削工作。在磨床的辊形曲线方程录入与管理系统中，按照以多项式方程的方式，进行上述支持辊和工作辊辊形曲线的多项式系数录入，核实曲线方程凸度大小与设计曲线是否吻合。进行磨削程序编程，对所磨削的支持辊和工作辊的磨削程序中选择所给定的辊形曲线方程，并在磨削程序中进行固化，对支持辊和工作辊进行磨削。磨削后的辊形误差要满足上机工作要求。支持辊上机前，需要进行辊面和辊形的检查。

6完成轧辊磨削准备工作后，需要在热轧自动化控制系统中给出相应的支持辊与工作辊辊形曲线方程。与磨削管理工作类似，轧钢二级控制系统中需要录入辊形曲线方程，使得系统完成复合与板形控制设定计算。在二级系统中录入方程之前，需要对上述两个辊形曲线进行单位变换处理。

1)对辊身坐标以辊身中部位置作为坐标原点进行正则化，也就是使得辊身坐标在[-1，+1]间；

2)对辊形曲线方程的纵坐标单位进行变换，也就是轧辊半径差数值的单位转换成二级模型中所使用辊形参数的单位；

3)对辊形方程进行重新拟合，得到新的函数，把多项式的各项系数对应的输入到二级系统中新定义的辊形曲线编码对应的各项系数。

7、更换轧辊时需要做的工作：

1)当更换支持辊和工作辊时候，磨辊间操作人员在换辊通知单上著名轧辊辊形类型；

2)轧钢操作人员在输入轧辊编号、直径等参数到控制系统中的HMI中时候，必须在对应轧辊辊形所对应的轧辊辊形编号那栏选中提前规定好的辊形编号。

8、完成上述工作后，就可以用新的辊形和配置进行轧钢了。需要进行下列数据测量来评价改善效果：

1)支持辊下机后的磨损辊形；

2)更换工作辊时候，观察工作辊表面状况；

3)工作辊下机后的磨损辊形；

4)在支持辊和工作辊的工作初期、中期和末期所轧制的中间坯的横断面轮廓测量，给出凸度、楔形和镰刀弯等板形数据；

5)对精轧机组板形控制结果数据进行收集与分析；

6)根据上述数据结果进行综合评价，给出新辊形及其配置的使用效果。

9、使用6次方多项式支持辊辊形技术并与2次方的工作辊辊形曲线进行配置，可以用在四辊粗轧机上，其应用效果是：

1)解决轧辊由于辊间接触压力集中导致的剥落问题，支持辊磨损均匀化，降低辊耗；

2)改善了中间坯板形质量，提高热轧带钢板形控制精度的命中率。

本发明专利创新点：

1)设计6次方多项式曲线为热轧机组粗轧机架支持辊辊形，改变支持辊与工作辊的接触长度，使得这个接触长度与所轧制带钢宽度和负荷大小相适应，解决轧辊边部有害接触区内的应力集中导致的疲劳裂纹扩展最终致使的轧辊剥落问题。

2)6次方多项式支持辊辊形曲线可以使得支持辊与工作辊辊间接触压力均匀化，轧辊磨损得到均匀化，轧辊磨削量降低，轧辊损耗降低。

3)粗轧R2机架工作辊辊形采用负凸度辊形与6次方多项式支持辊辊形曲线配置，增加了粗轧阶段轧钢的稳定性，改善中间坯凸度和楔形等板形质量，提高热轧带钢板形的控制精度。

4)采用6次方支持辊辊形设计曲线和负凸度工作辊辊形配置，并应用到首钢2160mm宽带钢热连轧生产线，应用效果显著，解决了粗轧R2轧辊剥落和中间坯板形控制问题。

本发明的经济意义和社会意义：

首钢迁钢2160热轧宽带钢生产线是于2006年年底投产，在2007年的一个年度的生产过程中，出现了多次粗轧和精轧机组上的支持辊与工作辊的轧辊辊面剥落或断裂导致轧辊在服务期间提前报废的生产事故，造成较大的经济损失。在2008年，顺畅生产后，还多次发生轧辊辊面剥落和断辊事故，尤其是粗轧R2机架。而且带钢的板形控制命中率也相对较低，需要进一步提高。

为了消除热轧宽带钢轧辊辊端接触应力集中导致的表面剥落问题和控制中间坯板形，设计研发了六次方多项式曲线的支持辊辊形技术和二次工作辊辊形曲线及其配置方案，在首钢迁钢2160mm热连轧宽带钢轧机粗轧R2上得到了成功应用。该发明支持辊辊形技术在解决轧辊剥落、降低辊耗、延长轧辊使用寿命、改善中间坯板形质量等方面的技术研究具有创新性，并在解决轧辊由于边部应力集中导致的剥落问题方面取得了显著的经济效益(由于轧辊剥落事故而导致的直接经济损失，累计对比经济效益564万元)。辊形设计与优化，无需对设备进行投入，成本低，效果显著，对首钢公司及其他公司的热连轧生产线具有推广作用，此技术具有重大的社会意义。

附图说明

图1R2机架采用平辊形时辊间接触压力分布。

图2支持辊辊形设计曲线。

图3R2工作辊设计辊形曲线。

图4设计支持辊辊形与工作辊接触示意图。

图5设计支持辊辊形与工作辊间接触压力分布。

图6常规支持辊倒角形式。

图7支持辊辊形为平辊形时下机后测量的磨损辊形。

图8R2机架支持辊采用设计辊形后磨损辊形结果。

图9使用此设计辊形前后的硬度比较。

图10R2使用负辊形前中间坯板形测量。

图11R2工作辊采用设计的负辊形后中间坯板形结果。

图12支持辊采用平辊形、工作辊采用平辊时工作辊的磨损辊形。

图13R2工作辊采用设计的负辊形后的下机磨损辊形。