最优辊型技术的开发和应用

第42卷　第10期　2007年10月
钢铁
Ir on and Steel
　Vol .42,No .10
Oct ober 2007
最优辊型技术的开发和应用
连家创1
,　戚向东1
,　岳晓丽1
,　杨自行2
,　王佑林
3
(1.燕山大学轧机研究所,河北秦皇岛066004;　2.中国冶金科工集团公司,北京100081;
3.唐山国丰钢铁有限公司热轧厂,河北唐山063300)
摘　要:以唐山国丰1450热连轧机精轧机组为研究对象,提出了一种轴向移动可变辊缝凸度并可变辊缝形状的轧辊辊型和与其相配合的支承辊辊型的最优辊型设计方法,经生产考核,达到了带钢出口厚度1.2～2.5mm,平直度偏差±18I .U 的技术指标,取得带钢平直度控制的良好效果。

关键词:可变凸度和形状;辊型优化;板形
中图分类号:TG333.2 文献标识码:A 文章编号:04492749X (2007)1020060204
Develop ment and Appli cati on of Opti m i zed
Shape Roll Technology(OSRT)
L I A N J ia 2chuang 1
,　Q I Xiang 2dong 1
,　Y UE Xiao 2li 1
,　Y ANG Zi 2xing 2
,　WANG You 2lin
3
(1.RollingM ill Research I nstitute,Yanshan University,Q inhuangdao 066004,Hebei,China;　2.China Metallurgical Gr oup Cor p.,Beijing 100081,China;　3.Tangshan Guofeng Steel Co .,L td .,Tangshan 063300,Hebei,China )Abstract:OSRT (Op ti m ized Shaped Roll Technol ogy )is based on t w o Chinese patents,one is VCS W ,another is VCS B.This technique is used successfully on finish stands of Tangshan Guofeng 1450hot stri p m ill .The p r oducts meet 18I .U.qualificati on of stri p flatness with stri p thickness in the range of 1.222.5mm.Key words:variable cr own and shape;shape r oll op ti m izati on;stri pe shape
作者简介:连家创(19332),男,大学本科,教授; E 2ma il :Jchlian@ysu .edu .cn; 修订日期:2007203202
板带轧机轧辊的辊型对于板带产品的板凸度和
板形有着十分重要的意义。

轧辊的辊型包括辊身的辊型和辊端的辊型或称辊端的倒角曲线,前者主要考虑板带断面形状的控制,后者除考虑断面形状控制外,还要考虑辊间接触压力的分布和轧辊的使用寿命。

辊身的辊型以往都是设计成固定不轴向移动的曲线,因此,形成的空载辊缝凸度也是固定不变的。

1980年联邦德国斯罗曼・西马克公司首先提出一种可以轴向移动连续可变辊缝凸度的新技术,称为
CVC 辊型(Continuously Variable Cr own )[1]。

1984年西马克公司首次在我国宝钢2050热连轧机和2030冷连轧机合同中出售CVC 装置。

CVC 技术在宝钢2030冷连轧机第5机架上的
应用证明,由于西马克的CVC 专利曲线所形成的空载辊缝是固定的二次曲线,可以改变凸度,但不能改变曲线的形状,因此,控制平直度的效果并不好。

宝钢2050热连轧机7个机架上都安装了CVC 装置,多年的生产实践证明,西马克的CVC 曲线对控制下游机架带钢的平直度也不理想。

针对西马克CVC 曲线存在的问题,连家创教授1985年提出“一种轴
向移动改变辊缝凸度并可变辊缝形状的轧辊辊型”,并申请了中华人民共和国专利,于2000年12月15日获得授予专利权的发明专利证书(专利号Z L95117449.5),这在辊型技术上是一项新的重要的进展和创新
[
2]。

1　CVC 辊型轧机
原联邦德国西马克公司的CVC (连续可变凸度)辊型轧机,其上、下轧辊的直径是反对称的奇函数三次多项式(见图1),即:
图1　CVC 辊型
F i g .1　CVC roll shape
第10期连家创等:最优辊型技术的开发和应用
D s(y)=D+a1(y-δ)+a3(y-δ)3
D x(y)=D s(-y)=D-a1(y+δ)-a3(y+δ)3
式中,δ=δ
+δs,δ0为辊型曲线的初始移动值,δs为
轧辊相对初始位置的移动值。

上下轧辊直径函数所形成的空载辊缝S(y)是
对称的二次曲线辊缝,即:
S(y)=A-D s(y)+D x(y)
2
=
A-D+a1δ+a3δ(3y2+δ2)
辊缝函数S(y)相对边部辊缝值S(b)的凸度函数值为:
ΔS(y)
b
=S(y)-S(b)=3a3δ(y2-b2)
辊缝中部相对边部的凸度值为:
ΔS(0)
b
=S(0)-S(b)=-3a3δb2
因此,改变轴向移动量δ就可改变空载辊缝的凸度
值ΔS(0)
b
,但不能改变空载辊缝的形状,因为如辊缝函数S(y)相对边部辊缝值S(b)的凸度函数值公式所示,它的空载辊缝的形状是固定的二次曲线,不能改变。

实际生产中往往需要根据负载辊缝(带材出口断面形状)和板形的要求改变辊缝曲线的分布形状,才能保证板材的平直度,因为改变凸度值只能控制简单的中浪或对称双边浪,不能纠正复杂的四分之一浪或边中复合浪缺陷。

连家创的专利发明提供一种既可连续改变辊缝中部相对边部的凸度值,又可根据带材断面形状的目标板形的要求改变辊缝曲线形状的轧辊辊型。

发明的要点是:上、下轧辊直径采用反对称的正弦函数和三次多项式函数组合在一起的复合函数曲线:
D s(y)=D+C sin α
b
(y-δ)-
a1(y-δ)-a3(y-δ)3
D x(y)=D-C sin a
b
(y+δ)+
a1(y+δ)+a3(y+δ)3
式中,α为可改变辊缝曲线形状的角度;C为正弦曲线的幅值。

复合函数所形成的空载辊缝S(y)相对边部辊缝值S(b)的凸度函数值为:
ΔS(y)
b =C sin
α
b
(cos
α
b
y-cosα)-3a3δ(y2-b2)
辊缝中部相对边部的凸度值为:
ΔS(0)
b =C sin
αδ
b
(1-cosα)+3a3δb2
改变轴向移动量δ就可以改变辊缝的凸度值
ΔS(0)
b ,而改变α值时辊缝凸度函数ΔS(y)b是一
组丰满程度不同的曲线族,而不是象三次多项式直
径函数那样是一条固定的二次曲线。

因此,本发明
提供的轧辊辊型可以根据负载辊缝形状和板形的要
求选择所需要的α值,以保证不仅控制凸度值,还可
保证辊缝分布曲线的形状合乎带材板形精度的要求。

本发明的主要优点是使轴移式轧辊的辊型设计
不仅仅是辊缝凸度(或凹度)值的设计,而是增加了
辊缝曲线形状的选择。

由于决定板形精度的并不是
空载辊缝,而是负载辊缝,因此,针对负载辊缝和目
标板形,既进行凸度值、又进行辊缝形状两方面的设
计是板形控制技术的进一步发展。

本项技术的采用
将进一步提高热轧带钢和冷轧带钢的板形质量,为
我国板带生产带来巨大的经济效益,并且对于改变
我国目前现代化大型冷热连轧机的核心技术主要依
靠引进的局面具有重大意义。

轴移辊型一般是安装在工作辊或中间辊上,而
支承辊的辊身为平辊。

为均匀辊间接触压力分布,
改善轧辊的磨损状况,燕山大学与宝钢合作,1998—
2001年期间,在宝钢2050热连轧机F1—F5机架上
完成了更好配合CVC工作辊辊型的CVC+支承辊
辊型的试验项目,达到了预期的效果[4]。

因此,针
对燕山大学提出的新的轴移辊型曲线VCS W(Varia2
ble Cr own and Shape ofWork2r oll),燕山大学又设计
了一种与VCS W更好配合的支承辊辊身曲线VCS B
(Backup2r oll Shape t o Match VCS W),并于2004年申
请了中国专利(申请号:2004100081950),两者结合
在一起可简称为VCS WB。

轧辊辊端的倒角曲线国内外热连轧机以往一般
采用三角型和圆弧型倒角,并且多数是根据经验确
定其参数。

20世纪90年代以后,北京科技大学陈
先霖教授首先采用计算分析的方法确定倒角曲线的
形状,1998年燕山大学与宝钢合作完成的“1580热
连轧机支承辊辊型曲线和工作辊磨削精度”研究项
目和2001年完成的“2050CVC热连轧机支承辊辊
型曲线”研究项目都证明,倒角曲线的优化设计在
防止轧辊辊面剥落与降低辊耗方面效果良好,并且
有利于提高弯辊对板凸度和板形的控制效果。

2004年1月,中国冶金科工集团公司、唐山国
丰钢铁有限公司与燕山大学科技开发总公司签订了
“国丰1450精轧机组轧辊辊型优化设计”合同书
(ZY22004262NE2422),确定在F1—F4机架采用燕山
大学VCS W辊型专利曲线和配合工作辊VCS W曲
线的支承辊VCS B辊型曲线以及辊端倒角曲线的优
化设计,在F5—F6机架采用燕山大学支承辊和工
・
1
6
・
钢　铁第42卷
作辊平辊端的辊型优化设计。

本合同所确定的内容
实质上是确定了该热连轧机精轧机组所采用的机型选择方案,即上游机架F1—F4采用VCS WB +倒角曲线辊型+弯辊,下游机架F5—F6采用工作辊平辊串动+辊端辊型+弯辊的板形控制技术方案,这在目前热连轧机精轧机组机型选择方案中是公认的先进方案,既有利于控制板凸度,又有利于控制精轧出口的板形,并有利于提高带钢的表面质量和提高轧辊的使用寿命。

以上燕山大学连家创教授课题组所开发的VC 2S W 、VCS B 和辊端倒角曲线的辊型可称为最优辊型技术(Op ti m ized Shaped Roll Technol ogy,简写为OS 2RT )。

2　F1—F4工作辊轴移辊型专利技术VCS W 的设计
轴移辊型专利技术VCS W 辊型曲线是上、下轧辊直径采用反对称的正弦函数和三次多项式函数组合在一起的复合函数曲线,曲线方程为:
D s (y )=D -C sin α
b
(y -δs -δ0)+
a 1(y -δs -δ0)+a 3(y -δs -δ0)3
(1)
D x (y )=D +C sin
α
b
(y +δs +δ0)-a 1(y +δs +δ0)-a 3(y -δs +δ0)
3
(2)
根据提供的典型规格的精轧规程,进行了辊型参数的设计计算,计算结果如图2所示。

考虑到简
化轧辊的磨削和管理,F1—F2和F3—F4分别采用相同的曲线,故辊型曲线的参数为两组数值。

3　F1—F4支承辊VCS B 辊型设计
为使辊间压力分布比较均匀,上、
下支承辊
(a )F1—F2;　(b )F3—F4
图2　机架VCS W 辊型的辊径差曲线
F i g .2　D i fference i n d i a m eter of work i n g
rolls
图3　VCSB 支承辊包络线辊型示意图
F i g .3　Envelop curve of backup 2roll
VCS B 辊型曲线采用工作辊VCS W 辊型曲线在串动
量δs 从δs m 至-δs m 移动过程中的包络线,如图3所示。

以上工作辊和支承辊为例,整个包络线由4段组成。

AB 段是上工作辊移至最左端时包络工作辊的曲线。

B C 段是对应工作辊最大直径点的包络线,为直线。

CD 段和D E 段分别是上工作辊移至最右端和最左端时包络工作辊的曲线。

4段曲线可以统
一用式(3)、
(4)表示:D zs (y )=D z +C sin
α
b
(y -δ)-a 1(y -δ
)-a 3(y -δ)3
(3)
D zx (y )=D z +C sin
α
b
(y +δ)+
a 1(y +δ)+a 3(y +δ)3
(4)
对于上支承辊,座标s 由CD 与D E 段曲线的交点确定。

在y =s 的曲线交点处需进行平滑处理。

对于下支承辊,在y =-s 的曲线交点处也需进行平滑处理。

4　F1—F4机架支承辊辊身边部优化
曲线的设计
为改善边部的受力状况,在原有设计辊型基础上,对支承辊边部辊型进行进一步优化设计。

辊型曲线参见图4,上、下支承辊直径函数分别为:
D zs1(y )=D zs (y )　-(l s /2-l z )<y <l s /2-l z
(5)
D zs1(y )=D zs (y )-2a 0
|y |-(l s /2-l z )
l z
m
y ≤-(l s /2-l z )或y ≥l s /2-l z
(6)D zx1(y )=D zx (y )-(l s /2-l z )<y <l s /2-l z
(7)
・
26・
第10期连家创等:最优辊型技术的开发和应用
D zx1(y )=D zx (y )-2a 0
|y |-(l s /2-l z )
l z
m
y ≤-(l s /2-l z )或y ≥l s /2-l z
(8)
式中,D s (y )、D x (y )是由公式(3)、公式(4)确定的
上、下支承辊直径;l z ,a 0、m 是根据优化目标确定的常数。

5　F5—F6辊端辊型的设计
F5—F6采用工作辊平辊窜动
+支承辊辊端辊
型+弯辊,其中支承辊辊端辊型是为了提高弯辊的
作用效果,并有利于降低辊端的接触载荷以提高轧辊的使用寿命。

支承辊辊型优化曲线采用幂函数曲线,即:
图4　支承辊辊型进一步优化的设计曲线
F i g .4　O pti m i zed desi gned curve of backup 2roll
δr =δ0
z
l z
α
(9)
式中,δ0、
l z 、α为根据优化目标确定的常数。

6　结语
以上最优辊型技术的组成中,支承辊辊端倒角曲线已在宝钢1580热连轧机、2050热连轧机和攀钢1450热连轧机上实际应用并取得良好的效果。

支承辊辊身与工作辊辊身CVC 曲线相配合的曲线在宝钢2050CVC 热连轧机的F1—F4的机架上也已有应用的实绩,而国丰1450mm 热连轧机精轧机组是目前全面应用最优辊型技术的轧机机组,包括辊端的倒角曲线、工作辊辊身曲线VCS W 和支承辊辊身曲线VCS B 。

经近期的生产考核试验,证明取得带钢平直度控制的良好效果,达到了合同规定的出口厚度1.2～2.5mm ,平直度偏差±18I .U 的技术指标,并通过了鉴定。

可变辊缝凸度和形状的板形控制技术的成功应用,对提高产品的板形质量起到了很好的作用。

参考文献:
[1]　上海宝山钢铁总厂热轧厂.热轧带钢板形控制新技术—CVC
简介[M ].上海:上海宝山钢铁股份有限公司,1987.
[2]　连家创.一种轴向移动改变辊缝凸度并可变辊缝形状的轧辊
辊型[P ].中国专利:Z L95117449.5,2000212215.
中瑞(典)双边结构材料科技研讨会在京召开
2007年9月17-19日,“中瑞(典)双边结构材料科技研讨会”在京召开。

此次会议是依托中国钢研科技集团公司及瑞典Chal m ers 大学的中瑞双边新材料合作交流中心的年度例会,并受邀列入今年“中瑞科技周”系列活动之一。

科技部部长万钢和瑞典教育与科研大臣Lars Leij onborg 亲切接见了与会代表。

中国钢研科技集团公司总经理、中国工程院干勇院士及瑞典国家创新局国际合作司司长M r .Staffan H …kanss on 担任大会名誉主席,中国钢研科技集团公司副总经理田志凌及
Chal m ers 大学材料与工艺系主任M r .Lars Nyborg 担任大会主
席;科技部国际合作司欧洲处副处长刘迟、科技部高新司材料处处长王琦安、中国工程院院士陈国良、“863”材料领域首
席科学家徐坚、中国钢研科技集团公司结构材料研究所副所长刘正东作为大会嘉宾致词并作主题报告。

此次会议涉及钢铁材料技术、粉末冶金材料技术、高温合金及金属间化合物材料技术及材料基础研究四个研讨领域,共有包括两国政界、学术科研界及商界的70余名代表与会交流。

会议期间,双方讨论确定了一系列的未来合作项目,签署了钢铁研究总院与Chal m ers 大学的研究生联合培养协议,加快了中国钢研科技集团公司研究生教育的国际化进程。

中瑞两国政府对本次研讨会的成功举办及中瑞双边新材料合作交流中心开展的各项工作给予了高度评价,并对今后中心的具体工作进行了部署。

(明理)
・
36・。