一種控制邊部減薄的優化方法
2023-06-03 19:50:01
專利名稱：一種控制邊部減薄的優化方法
技術領域：
本發明屬於金屬材料加工領域，涉及過程控制中控制邊部減薄的優化方法。
背景技術：
對於一定寬度的冷軋或熱軋帶鋼，在距兩邊一定位置處，板帶厚度發生急劇減小 的現象稱之為邊部減薄，邊部減薄是板帶軋制過程中輥系彈性變形和帶鋼金屬發生三維變 形的結果。為了減少軋後帶鋼的切邊量，提高產品的成材率，必須針對有效的控制手段對邊 部減薄進行研究和控制。最初採用比工作輥短的支撐輥，通過減少支撐輥對工作輥的有害彎矩達到減少邊 部減薄的目的。之後，人們採用工作輥彎輥方法通過改變帶鋼凸度以控制邊部減薄。目前， 許多先進的邊部減薄控制方法被開發出來。西門子公司研究出邊部減薄的控制冷卻系統， 還開發出控制邊部減薄的柔性輥。國外開發出在森吉米爾軋機上利用小直徑的工作輥和 錐形中間輥橫移的方法控制帶鋼橫斷面厚度以減少邊部減薄。日立公司開發出中間輥橫 移、工作輥彎輥的六輥HC軋機，在此基礎上開發出帶有中間輥彎輥的UC軋機。該軋機可 以通過中間輥橫移改善輥系變形，減少工作輥所受的有害彎矩，減少邊部減薄，控制板形質 量。西門子公司在鋁帶軋制生產中利用變凸度支撐輥對邊部減薄進行補償以提高軋制過 程中板形質量。寶鋼2030冷連軋機組採用變接觸長度的支撐輥，通過減少輥系變形的有害 彎矩達到減少邊部減薄，改善板形的目的。日本川崎制鐵開發出來的錐形工作輥橫移軋機 T-WRS(Taper Work Roll Shifting Mill)，通過帶鋼在錐形區有效工作輥長度來控制金屬 邊部的橫向流動，補償工作輥壓扁引起的邊部金屬變形，減少邊部減薄的發生。6H3C軋機是 通過長工作橫移來控制邊部減薄的。
發明內容
本發明目的是要優化工作輥橫移控制手段，解決邊部減薄問題。影響邊部減薄的最主要因素就是(1)軋制壓力導致軋輥壓扁變形的不均勻分布。軋輥在軋件邊部的壓扁量明顯小 於中部的壓扁量，相應地邊部軋件的厚度較小。(2)對於普通四輥冷軋機，帶鋼邊部支撐輥對工作輥產生一個有害的彎矩，造成了 軋件在邊部出現減薄現象(3)邊部金屬和內部金屬的流動規律明顯不同。邊部金屬所受到的橫向阻力比內 部要小得多，在最外點，橫向阻力為零。這樣在帶鋼的邊部區域，金屬除了縱向流動外，還明 顯發生橫向流動，進一步降低了邊部區域的軋制壓力以及軋輥壓扁量，使金屬發生邊部減 薄現象。工作輥橫移是有效控制帶鋼邊部減薄的手段。工作輥的軸向移動，改變了輥系的 接觸狀態，消除了有害的接觸應力，大大的緩解了支撐輥在帶鋼邊部給工作輥帶來的有害 彎矩，減小了工作輥的彎曲變形，因此改善了邊部減薄的現象，進而完成了對於冷軋板帶的
7邊部減薄控制。因此優化設定工作輥橫移成為控制邊部減薄的最主要因素。一種控制邊部減薄的優化方法，其特徵是針對典型產品，採用迭代方法進行計算， 流程圖如圖1所示。首先給定初始橫移量Stl，考慮到輥系彈性變形，確定軋制時的實際輥縫 形狀，由此輥縫形狀即可確定軋後的實際軋件橫向厚度分布，然後通過調整工作輥橫移量 重新計算，當板帶比例凸度小於1%，而且邊部減薄為最小的時候，確定工作輥的橫移位置。 計算後工作輥橫移設定值，如表1所示。軋輥彈性變形程序是以影響函數法為思想，建立軋輥輥系彈性變形矩陣基本方 程。軋輥輥系彈性變形矩陣基本方程包括6個力-變形關係方程，4個平衡方程，3個變形 協調關係方程；影響函數計算包括工作輥彈性彎曲影響函數，中間輥彈性彎曲影響函數，支 撐輥彈性彎曲影響函數，工作輥彎輥力影響函數和中間輥彎輥力影響函數；壓扁影響函數 包括輥間壓扁影響函數理論模型和軋制力引起的工作輥彈性壓扁影響函數。一軋輥輥系彈性變形矩陣基本方程用矩陣方法計算輥系彈性變形，共13個方程，其中6個力_變形關係方程，4個平 衡方程，3個變形協調關係方程。6個力-變形關係方程(1)工作輥彈性彎曲方程Xv=Gw(Nwi-P)-GhwFw(1)其中 式中，-工作輥彎曲影響函數矩陣；工作輥彎輥力影響函數向量；
Fw-工作輥彎輥力，K\ ；\LW-工作輥單元數；:YW -工作輥總彎曲撓度。(2)中間輥彈性彎曲方程Y1 = O1 (Qw -Nm)-GfiF1(2)式中，-中間輥彈性彎曲影響函數矩陣；GFI _中間輥彎輥力影響函數向量；F1-中間輥彎輥力，kN ;Qib -中間輥與支撐輥間的輥間壓力，kN ;Nwl ~工作輥與中 間輥間的輥間壓力，kN -中間輥彎曲撓度。(3)支撐輥彈性彎曲方程YB=0BQ1B(3)式中，是支撐輥彈性彎曲影響函數矩陣。(4)軋制壓力引起的工作輥彈性壓扁方程Yws=QwsP(4)式中，^s-軋制壓力引起的工作輥壓扁變形向量；工作輥壓扁影響函數矩陣。(5)工作輥和中間輥間的彈性壓扁方程Ym =0mNw,(5)式中，θ,,「工作輥和中間輥間彈性壓扁影響函數矩陣。(6)中間輥和支撐輥間的彈性壓扁方程Yw=OwQw(6)式中，-中間輥和支撐輥之間彈性壓扁影響函數矩陣。4個平衡方程(1)工作輥靜力平衡方程PtI + IFw=NwJ(7)式中，/ = P 1 ；「 4是單位列向量；KWI-工作輥與中間輥接觸單元數。
KlVI 個(2)中間輥靜力平衡方程NwirI + IF1 = Qjl(8)(3)工作輥力矩平衡方程PrX+ Fw χ zlw = Nw1X(9)式中，X -軋件單元橫坐標。(4)中間輥力矩平衡方程NwirX + F1X zli = QwrX(10)式中，zli-中間輥彎輥缸中心距，mm。3個變形協調關係方程(1)軋件和工作輥之間的變形協調關係H = HQ+{Yws-Ywso) + {Mw-fw)(11)式中，F = ...軋件軋後厚度向量；h(i)-i單元軋件在過0點的水平線以上的高度，mm ；··· ^(0)] _常向量，h(0)_板中心點處軋件高度一半，讓。
A/個·；· JVs(O)]-常向量，yws(0)_板中心處軋制壓力引起工作輥壓扁
M個
量，mm ；M『-工作輥凸度向量。(2)工作輥和中間輥之間的變形協調關係Ym =Ywi^Y1-Yw-M1-Mw(12)式中，f_-常向量，工作輥和中間輥在軋機中心線處的壓扁量，mm ；中間輥凸度向量。(3)中間輥和支撐輥之間的變形協調關係
9
式中，-中間輥和支撐輥在軋機中心線處的壓扁量，mm ；Ms-支撐輥凸度向量。二影響函數計算1、彈性彎曲影響函數對於軋輥離散化後的任意兩個單元i和j，設其中點坐標分別為Xi和\，j單元對 i單元的影響函數為gffi(i，j)，則
(1)工作輥彈性彎曲影響函數
(14)
式中，Ew-工作輥的楊氏模量，MPa ;vff-工作輥的泊松比； Iff-工作輥的抗彎斷面模數；Dw-工作輥直徑，mm。(2)中間輥彈性彎曲影響函數
gt{Uj) = giihj) =
1
/'
Clf 1 6
5
6EJ,
χ;(3χ,-χ》+ -(1 + ν》Ζ^ 6
Xi > χ,.時
Xi < Xj+時
(15)
式中，Ei-中間輥的楊氏模量，MPa ;Vi-中間輥的泊松比 Ii-中間輥的抗彎斷面模數諷-中間輥直徑，mm。(3)支撐輥彈性彎曲影響函數
gbi}J) = gbQJ) =
^EbIh 1
"zlb X1)-(Xi-x.)3+7x(l + n)A2(Xi -Xi)
χ,2(
2
6
Xj > χ)時
^EbIh
3 χ χ, (--χ, )
'2 J
(16)
Xi < χ式中，Eb-支撐輥的楊氏模量，MPa ;vb-支撐輥的泊松比；Db-支撐輥直徑，mm ；Ib-支撐輥的抗彎斷面模數；zlb-壓下螺絲中心距，mm。(4)工作輥彎輥力影響函數由於工作輥可軸向移動，可由Xi < Xj且\ 出彎輥力影響函數，
zlw 2
士 Αζ/ 的工作輥彎曲影響函數求 ^(0 =
1
6EJ,,,
2 6
(17)
10
式中，zlw-工作輥彎輥缸中心距，mm ；shift-工作輥橫移量，mmc(5)中間輥彎輥力影響函數 可由Xi < X1且Xj=zli/2的中間輥彎曲影響函數求出， 式中，zli-中間輥彎輥缸中心距，mm。2、壓扁影響函數(1)輥間壓扁影響函數理論模型 式中，X「i，j兩單元距離，mm ;i，j-單元號；Fw(Xi), F1(Xi), Fe(Xi)-分別代表j單元輥間壓力引起的軋輥i單元壓扁量，下標 W、I、B分別代表工作輥、中間輥和支撐輥。Fw(Xi) ,F1(Xi), Fe(Xi)由式(19)求出， 其中各項係數為
式中，b-輥間壓扁接觸長度，mm ；R-軋輥直徑，mm ；ν-軋輥材料泊松比；E-軋輥彈性模量，MPa0
求工作輥彈性壓扁F。(X，)時，R—心，V—V。，E—E。；
求中間輥彈性壓扁Fl(Xi)時，R—Rl，V—Vl，E—El；
求支撐輥彈性壓扁F話(X，)時，R—心，V—V。，E—L。
式中，k。1k1k。一工作輥1中間輥和支撐輥彈性壓扁常量。
(2)軋制力引起的工作輥彈性壓扁影響函數
軋制力引起的工作輥壓扁影響函數理論模型
起的工作輥i單元壓變量，可由式(23)求出
其中各項係數為 式中，L一單元工作輥壓扁弧長，mm；△h1一軋件單元壓下量，mm；
p一單元的軋制力，kN。
本發明通過工作輥橫移裝置的設定值優化，改善了板材的邊部減薄嚴重的情況，提高了成材率，帶來了可觀的經濟效益。
圖l為本發明工作輥橫移裝置的設定值優化流程圖
圖2為預設定計算出口厚度比較圖。
圖3為實際生產產品出口厚度比較圖
軋輥彈性變形程序如下做具體的說明。
表l典型規格產品的橫移值
具體實施例方式以材質SPHC，板寬1256mm，軋制過程參數如表2所示的產品為例，計算其最優工作 輥橫移量為82mm，而外商提供的工作輥橫移量-78mm。分別根據兩種模型提供的工作輥橫 移量，進行理論計算和實際生產。兩種模型理論計算後的板帶橫向厚度分布以及實測的厚 度分布比較如圖2、圖3所示。本文給出的模型較好的解決了邊部減薄問題。根據現場定義 的邊部減薄為邊部IOOmm與15mm處的厚度差值，分別計算兩種模型條件下的軋後邊部減薄 值，新舊模型的邊部減薄量分別為0. 0003mm和0. 0006mm。本文給出的工作輥預設定模型使 得邊部減薄減小為原來的50%，提高了板帶的成材率。表2試驗軋制過程參數
權利要求
一種控制邊部減薄的優化方法，其特徵是採用迭代方法進行計算，首先給定初始橫移量S0，考慮到輥系彈性變形，確定軋制時的實際輥縫形狀，由此輥縫形狀即可確定軋後的實際軋件橫向厚度分布，然後通過調整工作輥橫移量重新計算，當板帶比例凸度小於1％，而且邊部減薄為最小的時候，確定工作輥的橫移位置，計算出工作輥橫移設定值；以影響函數法為思想編制軋輥彈性變形程序，建立軋輥輥系彈性變形矩陣基本方程；軋輥輥系彈性變形矩陣基本方程包括6個力 變形關係方程，4個平衡方程，3個變形協調關係方程；影響函數計算包括工作輥彈性彎曲影響函數，中間輥彈性彎曲影響函數，支撐輥彈性彎曲影響函數，工作輥彎輥力影響函數和中間輥彎輥力影響函數；壓扁影響函數包括輥間壓扁影響函數理論模型和軋制力引起的工作輥彈性壓扁影響函數。
2.如權利要求1所述一種控制邊部減薄的優化方法，其特徵是矩陣方法計算輥系彈性 變形，6個力-變形關係方程為(1)工作輥彈性彎曲方程 式中，工作輥彎曲影響函數矩陣工作輥彎輥力影響函數向量； Fff-工作輥彎輥力，kN ；NLff-工作輥單元數；& -工作輥總彎曲撓度；(2)中間輥彈性彎曲方程Y1=G1(Q1B-NW1)-GF1FI(2)式中，-中間輥彈性彎曲影響函數矩陣； G1,-中間輥彎輥力影響函數向量；F1-中間輥彎輥力，kN -,Qm -中間輥與支撐輥間的輥間壓力，kN -,Nm -工作輥與中間輥 間的輥間壓力，kN -J1 -中間輥彎曲撓度；(3)支撐輥彈性彎曲方程YB=GBQ1B(3)式中，^fl是支撐輥彈性彎曲影響函數矩陣；(4)軋制壓力引起的工作輥彈性壓扁方程 Yws=^wsP⑷ 式中，-軋制壓力引起的工作輥壓扁變形向量；軋制壓力引起的工作輥壓扁影響函數矩陣；(5)工作輥和中間輥間的彈性壓扁方程mm ；Ym=GmNw,(5)式中，「工作輥和中間輥間彈性壓扁影響函數矩陣； (6)中間輥和支撐輥間的彈性壓扁方程^lB = ^1bQib(6)式中，中間輥和支撐輥之間彈性壓扁影響函數矩陣； 4個平衡方程為(1)工作輥靜力平衡方程ΡΤ + 2FW =NwJ(7)式中，/=[1 1 - Ij是單位列向量；KWI-工作輥與中間輥接觸單元數；Km個(2)中間輥靜力平衡方程Nwi7I+IF1 =QwtI(8)(3)工作輥力矩平衡方程PrX+ Fw χ zlw = NW,X(9)式中，Z-軋件單元橫坐標；(4)中間輥力矩平衡方程Nwir X + F1X zli = QjX(10)式中，zli-中間輥彎輥缸中心距，mm ； 3個變形協調關係方程為(1)軋件和工作輥之間的變形協調關係H =釓-YWS0) + {MW-YW)(11)式中，應=[樹1)…/Z(M)]-軋件軋後厚度向量；h(i)-i單元軋件在過0點的水平線以上的高度，mm ；H° =、_) .:·柳]-常向量，h (0)-板中心點處軋件高度一半，mm ；M個^^,[^,(O) ·:. >^,(0)]-常向量，yws(0)-板中心處軋制壓力引起工作輥壓扁量，M個工作輥凸度向量；(2)工作輥和中間輥之間的變形協調關係 Ym=Yw1^Y1-Yw-M1-Mw(12)式中，^/ο-常向量，工作輥和中間輥在軋機中心線處的壓扁量， 斤廠中間輥凸度向量；(3)中間輥和支撐輥之間的變形協調關係 Yib=Yib^Yb-Y1-Mb-Mi(13)式中，t。「中間輥和支撐輥在軋機中心線處的壓扁量，mm ；3總β-支撐輥凸度向量。
3.如權利要求1所述一種控制邊部減薄的優化方法，其特徵是影響函數計算，對於軋 輥離散化後的任意兩個單元i和j，設其中點坐標分別為Xi和\，j單元對i單元的影響函 數為gffi(i，j)，則(1)工作輥彈性彎曲影響函數 式中，Ew-工作輥的楊氏模量，MPa ;vff-工作輥的泊松比； Iff-工作輥的抗彎斷面模數；Dw-工作輥直徑，mm ； (2)中間輥彈性彎曲影響函數 式中，Ei-中間輥的楊氏模量，MPa ;Vi-中間輥的泊松比； Ii-中間輥的抗彎斷面模數；D「中間輥直徑，mm ； (3)支撐輥彈性彎曲影響函數 Xi < Xj.時式中，Wb-支撐輥的楊氏模量，MPa ；Vb-支撐輥的泊松比； Db-支撐輥直徑，mm ； Ib-支撐輥的抗彎斷面模數； zlb-壓下螺絲中心距，匪；(4)工作輥彎輥力影響函數 由於工作輥能軸向移動，能由Xi < Xj且\ 輥力影響函數， ±化壚的工作輥彎曲影響函數求出彎 式中，zlw-工作輥彎輥缸中心距，mm ；shift-工作輥橫移量，mm ； (5)中間輥彎輥力影響函數 zli可由Xi < X1^A 的中間輥彎曲影響函數求出， 式中，zli-中間輥彎輥缸中心距，mm。
4.如權利要求1所述一種控制邊部減薄的優化方法，其特徵是輥間壓扁影響函數理論 模型為 式中，Xi-I，J兩單元距離，mm ；i，j_單元號；Fff(Xi)，F1(Xi)，Fe(Xi)-分別代表j單元輥間壓力引起的軋輥i單元壓扁量，下標W、I、 B分別代表工作輥、中間輥和支撐輥； 其中各項係數為 式中，b-輥間壓扁接觸長度，mm ；R-軋輥直徑，mm ； ν-軋輥材料泊松比；E-軋輥彈性模量，MPa ； 求工作輥彈性壓扁Fff(Xi)時，R = Rw，ν = vw，E = Ew 求中間輥彈性壓扁F1(Xi)時，R = R1, ν = V1, E = E1 求支撐輥彈性壓扁Fe(Xi)時，R = RB，ν = vB, E = Eb 工作輥與中間輥間 (21)I^Qih χ cos(釣-χ2)χ {k, +kB)x RiRb(R 丨 + Rb)式中，Hke-工作輥、中間輥和支撐輥彈性壓扁常量； 軋制力引起的工作輥壓扁影響函數理論模型為中間輥與支撐輥間 式中，Φ (Xi)-J單元軋制力引起的工作輥i單元壓變量，由式(23)求出Φ(Χι) = Νχ[ΑΙ + Α2-Α3·其中各項係數為 式中，L-單元工作輥壓扁弧長，mm； Ahi-軋件單元壓下量，mm P-單元的軋制力，kN。
全文摘要
本發明屬於金屬材料加工領域，涉及一種控制邊部減薄的優化方法，其特徵是採用迭代方法進行計算，首先給定初始橫移量S0，考慮到輥系彈性變形，確定軋制時的實際輥縫形狀，由此輥縫形狀即可確定軋後的實際軋件橫向厚度分布，然後通過調整工作輥橫移量重新計算，當板帶比例凸度小於1％，而且邊部減薄為最小的時候，確定工作輥的橫移位置，計算出工作輥橫移設定值。通過有效控制工作輥的軸向移動，改變輥系的接觸狀態，消除有害的接觸應力，改善邊部減薄的現象。本發明通過優化工作輥橫移設置，改善了板材的邊部減薄嚴重的情況，提高了成材率，帶來了可觀的經濟效益。
文檔編號B21B37/40GK101912886SQ201010232489
公開日2010年12月15日 申請日期2010年7月15日 優先權日2010年7月15日
發明者令狐克志, 佟強, 劉光明, 劉李斌, 吳輝, 周建, 常安, 朱國森, 李本海, 李飛, 滕華湘, 王海全, 陽代軍 申請人:首鋼總公司