爐卷軋機軋輥輥型的計算方法
2023-10-16 22:52:39 1
專利名稱：爐卷軋機軋輥輥型的計算方法
技術領域：
本發明涉及冶金領域的輥型的計算方法，具體的說是爐卷軋機輥型的計算方法。
背景技術：
採用軋制方法生產金屬板帶材時，減小軋輥半徑可以降低軋制力，但是同時也降低了軋輥的抗彎曲能力，使得軋件斷面呈中凸形狀的趨勢加強，即板凸度變大，嚴重時導致產品不合格。為了在降低軋制力的同時抑制軋輥彎曲，爐卷軋機採用四輥軋機，即採用一對直徑較小的工作輥和一對直徑較大的支撐輥，支撐輥輥面壓靠在工作輥輥面上，支撐輥通過支撐輥軸承座安裝在軋機機架上。軋制時，由工作輥完成對軋件的變形、而支撐輥的作用是抑制工作輥的彎曲變形。
對於四輥軋機而言，為了進一步提高軋件斷面形狀的控制能力，採取了液壓彎輥措施，通常採用工作輥正彎輥，即通過液壓缸在工作輥兩端的軸承座上各施加一對指向支撐輥的力，造成工作輥的彎曲，其方向與軋制力造成的工作輥彎曲方向相反，以實現改善板凸度的目的。
圖1為四輥軋機輥系受力示意圖，q(x)為支撐輥和工作輥之間的輥間壓力，p(x)為軋制單位壓力，由圖可知，在軋制過程中，工作輥2承受來自軋件1的軋制力、彎輥力和來自支撐輥3的支撐力，而支撐輥3承受著來自工作輥2的作用力和來自軸承座的支撐力。支撐輥3和工作輥2之間的輥間壓力分布，對於軋輥的使用壽命有著重要影響。如果支撐輥3和工作輥2之間某處的輥間壓力偏大，則會引起軋輥的不均勻磨損，嚴重時會造成軋輥的疲勞破壞，導致軋輥局部剝落，而這個問題在支撐輥3上表現更甚，因為支撐輥3的工作周期大於工作輥2的工作周期。
當軋制規程一定時，軋輥在工作時的輥型決定了輥系的受力情況，包括軋制力分布、輥間壓力分布、以及輥縫的形狀(即軋件斷面形狀)。而軋輥在工作時的輥型取決於磨削後的原始輥型、軋輥磨損和軋輥熱膨脹。因此，在考慮到軋輥磨損、軋輥熱膨脹的基礎上設計軋輥原始輥型，對保證軋輥使用壽命和軋件斷面形狀具有重要意義。
圖2為支撐輥和工作輥都採用平輥時的輥間壓力分布圖，由圖可見，在軋輥工作周期的中後期，軋輥邊部的輥間壓力大大高於平均值，軋輥存在邊部剝落的危險，若施加彎輥力，會加劇這種危險。
為了改善輥間受力情況，可以對支撐輥施以一定的倒角，但是在軋制過程中，倒角處的輥間壓力偏大，尤其是在軋輥工作周期的中後期，倒角處的輥間壓力上升更大，圖3是支撐輥採用倒角輥、工作輥採用平輥時輥間壓力沿輥身方向(L)的分布圖，軋輥在此處仍然存在剝落的危險。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是針對以上現有技術存在的缺點，提出一種能改善支撐輥和工作輥的輥間壓力分布狀態，降低軋輥磨損，提高軋制產品板形，減小板凸度的爐卷軋機軋輥輥型的計算方法。
本發明解決以上技術問題的技術方案是 爐卷軋機軋輥輥型的計算方法，按以下步驟進行 (1)輸入爐卷軋機軋輥規格及其軋制制度； (2)輸入爐卷軋機軋輥輥型參數； (3)輸入工作輥彎輥力Fw初始值； (4)計算支撐輥和工作輥之間的輥間壓力q和軋件的板凸度δ； (5)判斷軋件的板凸度δ是否小於等於軋件的板凸度允許值δa，若是，則判斷支撐輥和工作輥之間的輥間壓力最大值qmax是否小於等於支撐輥和工作輥之間的輥間壓力平均值q的1.2倍，若是，則輸出爐卷軋機軋輥輥型，若支撐輥和工作輥之間的輥間壓力最大值qmax大於支撐輥和工作輥之間的輥間壓力平均值q的1.2倍，則修改軋輥輥型後返回步驟(3)，若軋件的板凸度δ是大於軋件的板凸度允許值δa，則判斷工作輥彎輥力Fw是否小於工作輥彎輥力允許值Fwa，若是，則調節工作輥彎輥力Fw後，返回步驟(4)，若否，則修改軋輥輥型後返回步驟(3)； (6)判斷步驟(5)是否終軋道次，若是則結束計算，若否，則返回步驟(3)進入下道次計算。
工作輥彎輥力Fw的初始值設置為0，計算過程逐步增加，步長可以設為0.5t或者1t。
支撐輥和工作輥之間的輥間壓力q的計算基於下面7個方程的聯立求解 ①工作輥彈性彎曲方程 ②支撐輥彈性彎曲方程 ③軋制壓力引起的工作輥彈性壓扁方程 ④輥間接觸壓扁方程 ⑤靜力平衡關係方程 ⑥工作輥和支撐輥之間的變形協調關係方程 ⑦工作輥和軋件之間的變形協調關係方程 式中
——輥間接觸壓力向量；
——軋制力向量； Fw——彎輥力；
——工作輥和支撐輥的撓度向量；
——工作輥和支撐輥的撓度影響係數矩陣；
——彎輥力影響函數向量；
——工作輥和支撐輥的壓扁向量；
——工作輥與軋件間壓扁影響函數矩陣；
——工作輥與支撐輥間接觸壓扁影響函數矩陣；
——工作輥中心處的壓扁向量，為常向量；
——軋輥中心處工作輥與支撐輥間的壓扁向量，為常向量；
——工作輥和支撐輥的凸度向量。
軋件的板凸度δ等於軋件橫截面中心處厚度hc與距離軋件邊部40mm處厚度he之差，即δ＝hc-he。
軋件的板凸度允許值δa由生產現場提出的要求設定。
支撐輥和工作輥之間的輥間壓力最大值qmax由輥間壓力分布q產生，計算出輥間壓力分布後，求出max(q)即可。
支撐輥和工作輥之間的輥間壓力平均值q等於輥間總壓力除以輥間接觸單元數，即軋制力與彎輥力之和除以支撐輥和工作輥接觸單元數。
q＝Q/nwb或者q＝(P+2×Fw)/nwb 式中Q——支撐輥和工作輥輥間總壓力； nwb——支撐輥與工作輥輥間接觸單元數； P——軋制壓力； Fw——彎輥力。
輥型曲線可以採用高次曲線、正弦曲線及其組合，輥間壓力分布和軋件斷面形狀的計算採用影響函數法或者有限單元法。
本發明的優點是本發明採用影響函數法或者有限單元的計算方法，在一定的軋制規程條件下，考慮到軋輥磨損、軋輥熱膨脹的基礎上設計軋輥原始輥型。根據軋制規程計算軋制力，工作輥和支撐輥的撓度以及壓扁，進而計算出軋制力、軋輥輥間接觸壓力以及軋件厚度的分布情況，從而得到軋制過程中輥間壓力分布合理、板凸度滿足要求的合理的支撐輥和工作輥輥型，以及彎輥力。採用本發明所設計的支撐輥和工作輥，可明顯改善支撐輥和工作輥的輥間壓力分布狀態，抑制軋輥剝落，同時可以滿足板凸度要求。由於該方法全面考慮到軋輥在實際生產過程中存在的熱凸度和磨損現象，計算結果更接近實際情況，更準確反映了生產過程中軋輥的受力情況。採用本發明的爐卷軋機軋輥輥型的計算方法，設計的支撐輥和工作輥輥型，輥間接觸壓力分布合理，在實際生產過程中，能有效解決原來存在的軋輥邊部剝落問題。某爐卷軋機原採用平支撐輥和倒角支撐輥，在生產過程中，支撐輥邊部剝落問題嚴重，七支支撐輥中，已有五支出現剝落問題，其中兩支剝落嚴重者已停用，其餘產生剝落的支撐輥經打磨後繼續服役，但修磨後的剝落處仍有繼續擴大的趨勢。採用本計算方法設計軋輥輥型，不再發生支撐輥邊部剝落現象，包括原來產生剝落的支撐輥，經過修磨後可以正常使用，不再產生邊部剝落。此外，採用該方法設計輥型時，可以將彎輥力許用最大值Fwa降低，在獲得良好板型的同時可以降低彎輥力，從而降低支撐輥與工作輥之間的輥間壓力，有利於減少軋輥磨損，延長軋輥使用壽命。採用本方法進行的計算表明，在同樣的板凸度要求下，與採用平支撐輥相比，採用本方法設計的支撐輥輥型，彎輥力可降低50％～100％(即彎輥力降低一半、甚至不採用彎輥力)。
圖1是四輥軋機輥系受力示意圖。
圖2是支撐輥和工作輥皆採用平輥時輥間壓力沿輥身方向的分布圖。
圖3是支撐輥採用倒角輥工作輥採用平輥時輥間壓力沿輥身方向的分布圖。
圖4是本發明的流程框圖。
圖5是支撐輥和工作輥均採用曲線輥型時輥間壓力沿輥身方向的分布圖。
圖6是支撐輥和工作輥均採用曲線輥型時軋件厚度沿寬度方向的分布圖。
具體實施例方式 本發明是一種爐卷軋機軋輥輥型的計算方法，其流程如圖4所示，計算過程如下首先針對典型產品進行設計，輸入產品規格及其軋制制度，同時輸入現有軋輥輥型參數並賦以合適的彎輥力初始值。然後計算各道次輥間壓力與軋件斷面形狀，若板凸度符合要求則進入下一步計算；若不符合要求，則調節彎輥力以及修改軋輥輥型，直至板凸度符合要求。當板凸度符合要求後，對輥間壓力分布進行判斷。若輥間壓力的最大值小於等於輥間壓力平均值的1.2倍，則將計算結果作為設計值輸出；否則修改軋輥輥型，直至滿足判斷條件。輸出結果包括軋輥輥型、各道次軋件斷面形狀以及各道次彎輥力設定值。圖中，Fw為工作輥彎輥力，Fwa為工作輥彎輥力允許值，q為支撐輥和工作輥之間的輥間壓力，qmax為支撐輥和工作輥之間的輥間壓力最大值，q為支撐輥和工作輥之間輥間壓力平均值，δ為軋件的板凸度，δa為板凸度允許值。
針對典型產品按以上步驟設計軋輥輥型，然後採用其它產品及其軋制制度、按上圖所示步驟對所設計的軋輥輥型進行檢驗和修正，最終確定軋輥的原始輥型，同時可以確定各道次彎輥力的設定值。輥型曲線可以採用高次曲線、正弦曲線及其組合，輥間壓力分布和軋件斷面形狀的計算採用影響函數法或者有限單元法。
實施例一 本實施例以某爐卷軋機為例，其支撐輥尺寸為Φ1950mm×3400mm(輥徑×輥身長度)，工作輥尺寸為Φ1010mm×3500mm(輥徑×輥身長度)，典型產品為X70管線鋼，規格為10mm×3000mm，採用的坯料尺寸為150mm×3000mm(厚度×寬度)，軋制規程為150mm→131mm→112mm→100mm→88mm→77mm→68mm→58mm→50mm→42mm→35mm→30mm→25mm→21mm→18mm→16mm→14mm→12mm→11mm→10mm。
採用本發明的爐卷軋機軋輥輥型的計算方法進行計算，其中輥間壓力分布和軋件厚度分布的計算採用影響函數法進行，原支撐輥和工作輥皆採用平輥，結果造成支撐輥邊部大面積剝落，在支撐輥邊部設置倒角(2mm×200mm，高度×長度)，仍然未止住剝落問題。
支撐輥輥型採用凸度為1mm的六次曲線，工作輥輥型在支撐輥工作周期的前期、中期和後期，分別採用凸度為-0.03mm、0.1、0.18mm的正弦曲線，圖5和圖6為典型產品軋制時終軋道次的輥間壓力分布和軋件厚度分布的計算結果，其中，a為支撐輥和工作輥皆為工作前期的情況，b為支撐輥和工作輥皆處於工作中期的情況，c為支撐輥和工作輥皆處於工作後期的情況。
表1為採用不同配輥、在軋輥工作後期軋制上述典型產品時，終軋道次所需要的彎輥力Fw、輥間壓力最大值qmax、輥間壓力最大值與平均值的比值qmax/q，以及相應的板凸度δ。
表1 可見，採用曲線型軋輥時，輥間壓力分布均勻，qmax<1.2q，需要的彎輥力小(此時為零)。採用實施例方法設計的支撐輥和工作輥輥型在實際的生產過程中，軋輥剝落情況不再發生。
本發明還可以有其它實施方式，凡採用同等替換或等效變換形成的技術方案，均落在本發明要求保護的範圍之內。
權利要求
1.爐卷軋機軋輥輥型的計算方法，其特徵在於按以下步驟進行
(1)輸入爐卷軋機軋輥規格及其軋制制度；
(2)輸入爐卷軋機軋輥輥型參數；
(3)輸入工作輥彎輥力Fw初始值；
(4)計算支撐輥和工作輥之間的輥間壓力q和軋件的板凸度δ；
(5)判斷軋件的板凸度δ是否小於等於軋件的板凸度允許值δa，若是，則判斷支撐輥和工作輥之間的輥間壓力最大值qmax是否小於等於支撐輥和工作輥之間的輥間壓力平均值q的1.2倍，若是，則輸出爐卷軋機軋輥輥型，若支撐輥和工作輥之間的輥間壓力最大值qmax大於支撐輥和工作輥之間的輥間壓力平均值q的1.2倍，則修改軋輥輥型後返回步驟(3)，若軋件的板凸度δ是大於軋件的板凸度允許值δa，則判斷工作輥彎輥力Fw是否小於工作輥彎輥力允許值Fwa，若是，則調節工作輥彎輥力Fw後，返回步驟(4)，若否，則修改軋輥輥型後返回步驟(3)；
(6)判斷步驟(5)是否終軋道次，若是則結束計算，若否，則返回步驟(3)進入下道次計算。
2.如權利要求1所述的爐卷軋機軋輥輥型的計算方法，其特徵在於工作輥彎輥力Fw的初始值設置為0。
3.如權利要求1所述的爐卷軋機軋輥輥型的計算方法，其特徵在於支撐輥和工作輥之間的輥間壓力q的計算基於7個方程的聯立求解
①工作輥彈性彎曲方程
②支撐輥彈性彎曲方程
③軋制壓力引起的工作輥彈性壓扁方程
④輥間接觸壓扁方程
⑤靜力平衡關係方程
⑥工作輥和支撐輥之間的變形協調關係方程
⑦工作輥和軋件之間的變形協調關係方程
式中
——輥間接觸壓力向量；
——軋制力向量；
Fw——彎輥力；
——工作輥和支撐輥的撓度向量；
——工作輥和支撐輥的撓度影響係數矩陣；
——彎輥力影響函數向量；
——工作輥和支撐輥的壓扁向量；
——工作輥與軋件間壓扁影響函數矩陣；
——工作輥與支撐輥間接觸壓扁影響函數矩陣；
——工作輥中心處的壓扁向量，為常向量；
——軋輥中心處工作輥與支撐輥間的壓扁向量，為常向量；
——工作輥和支撐輥的凸度向量。
4.如權利要求1所述的爐卷軋機軋輥輥型的計算方法，其特徵在於軋件的板凸度δ等於軋件橫截面中心處厚度hc與距離軋件邊部40mm處厚度he之差，即δ＝hc-he。
5.如權利要求1所述的爐卷軋機軋輥輥型的計算方法，其特徵在於支支撐輥和工作輥之間的輥間壓力最大值qmax由輥間壓力分布q產生，計算出輥間壓力分布後，求出max(q)即可。
6.如權利要求1所述的爐卷軋機軋輥輥型的計算方法，其特徵在於支撐輥和工作輥之間的輥間壓力平均值q等於輥間總壓力除以輥間接觸單元數，即軋制力與彎輥力之和除以支撐輥和工作輥接觸單元數，
q＝Q/nwb或者q＝(P+2×Fw)/nwb
式中Q——支撐輥和工作輥輥間總壓力；
nwb——支撐輥與工作輥輥間接觸單元數；
P——軋制壓力；
Fw——彎輥力。
全文摘要
本發明涉及冶金領域的輥型的計算方法，是爐卷軋機輥型的計算方法。本發明採用影響函數法或者有限單元的計算方法，在一定的軋制規程條件下，考慮到軋輥磨損、軋輥熱膨脹的基礎上設計軋輥原始輥型。根據軋制規程計算軋制力，工作輥和支撐輥的撓度以及壓扁，進而計算出軋制力、軋輥輥間接觸壓力以及軋件厚度的分布情況，從而得到軋制過程中輥間壓力分布合理、板凸度滿足要求的合理的支撐輥和工作輥輥型，以及彎輥力。採用本發明所設計的支撐輥和工作輥，可明顯改善支撐輥和工作輥的輥間壓力分布狀態，抑制軋輥剝落，同時可以滿足板凸度要求。
文檔編號G05B19/18GK101477353SQ20081024344
公開日2009年7月8日 申請日期2008年12月23日 優先權日2008年12月23日
發明者軍 黨, 王道遠, 成 周, 張建國, 郭懷兵, 達 滕, 楊兆根, 強 李 申請人:南京鋼鐵股份有限公司