基于降低交叉角和弯辊力的PC轧机工作辊辊型设计方法

摘要

本发明针对PC轧机轧制特性，提供一种基于降低交叉角和弯辊力的PC轧机工作辊辊型设计方法。该方法包括以下步骤：(a)收集PC轧机设备参数与工艺参数；(b)收集典型带钢的轧制工艺参数；(c)设定工作辊的曲线方程；(d)优化计算出辊型曲线参数；(e)将辊型曲线参数代入工作辊的辊型曲线方程，得到优化后的工作辊辊型曲线方程。本发明所设计出的工作辊辊型曲线降低了交叉角与弯辊力，增加了轧机的稳定性，提高了工作辊的使用寿命，提高了PC轧机的板凸度控制能力，不仅保证了板形的质量要求，而且能够达到工业应用精度的要求。同时，根据现场实际情况，本发明也可以用于任意机架的工作辊辊型曲线设计。

说明书

技术领域

本发明涉及一种PC轧机设计技术，特别涉及一种基于降低交叉角和弯辊力的PC轧机工作辊辊型设计方法。

背景技术

在工业生产中，PC轧机以其出众的板形板凸度控制能力在热轧和冷轧带钢领域得到了广泛的应用和推广。PC轧机的特点是上下轧辊成对交叉，正是由于轧辊之间存在交叉，轧制过程中会产生较大的轴向力，随着交叉角度的增大，轴向力随之增大，这就使轧机系统的设计要求变得更为复杂。在高速轧制情况下，PC轧机由于交叉角的存在，轧机的稳定性低于普通四辊轧机，限制板带产品的质量和轧制生产效率。另外由于弯辊力的存在，会加速工作辊辊面的磨损，降低工作辊及其轴承座的使用寿命，缩短换辊周期，增加设备运行维护的工作量和费用。因此，如何提高工作辊使用寿命，有效降低交叉角和弯辊力，保证板形良好，是PC轧机使用技术的重点与难点。

发明内容

本发明的目的在于提供基于降低交叉角和弯辊力的PC轧机工作辊辊型设计方法，使得PC轧机在轧制时能够降低交叉角和弯辊力，提高PC轧机的板凸度控制能力，不仅保证板形的质量要求，而且能够达到工业应用精度的要求。

为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：基于降低交叉角和弯辊力的PC轧机工作辊辊型设计方法，包括以下步骤：

(a)收集PC轧机设备参数与工艺参数：

包括工作辊辊身长度L_w、辊身直径D_w、辊颈直径D_wj、原始凸度曲线、弯辊缸距离L_wf、弯辊力F_w、弹性模量E_w、泊松比v_w，辊系以外单片机座受力部件的刚度K_g，最大弯辊力F_wmax；

(b)收集典型带钢的轧制工艺参数：

带钢来料宽度B、厚度h、弹性模量E、泊松比v、轧制温度T、变形抗力σ_s，轧辊速度V_R，前后平均张力σ₁、σ₀，交叉角θ，弯辊力F_w；

(c)以C_2i为辊型曲线参数和优化变量，设定工作辊的曲线方程为：

$D_w\left(y\right)=D_w-\underset{i=1}{\overset{4}{\Sigma }}{C}_{2i}{\left(\frac{2y}{L_w}\right)}^{2i}$

式中：

D_w(y)-工作辊的辊型曲线分布值；

y-距工作辊中部的距离；

C_2i-辊型曲线特征系数；

(d)优化计算出辊型曲线参数，包括以下步骤：

d1)给定初始曲线参数C_2i；

d2)计算典型规格产品的最佳交叉角θ₀和最佳弯辊力F_w0；

d3)计算出辊型优化设计的目标函数G(X)；

d4)判断Powell条件是否成立，若不成立，调整辊型曲线参数，转到步骤d2)，若成立，结束计算，输出最优辊型曲线参数；

(e)将上述辊型曲线参数代入工作辊的辊型曲线方程，得到优化后的工作辊辊型曲线方程；

步骤d2)中所述的最佳交叉角θ₀和最佳弯辊力F_w0的求解包括以下由计算机系统执行的步骤：

d21)设定初始弯辊力F_w0，给定弯辊力的计算步长ΔF_w，最大交叉角θ_max，上机架交叉角θ^*，初始交叉角θ₀，给定交叉角的计算步长Δθ，板形目标函数初始值B₀＝1.0×10¹⁰，并取计算次数C_n＝1；

d22)给定交叉角θ＝Δθ×(C_n-1)；

d23)判断θ≥θ_max是否成立，若成立，转到步骤d29)；

d24)计算出相应的带材前张力横向分布值σ_1i；

d25)计算出板形目标函数B(X)的值；

d26)判断B(X)≤B₀是否成立，若成立，则令B₀＝B(X)，θ₀＝θ，F_w0＝F_w；

d27)令：C_n＝C_n+1，转到步骤d22)；

d28)判断θ₀＞θ^*是否成立，若成立，则令：F_w＝F_w0+ΔF_w，转到步骤d24)；

d29)输出最佳交叉角θ₀和最佳弯辊力F_w0；

步骤d25)中所述板形目标函数B(X)可用下式表示：

B(X)＝((max(σ_1i)-min(σ_1i))/σ₁)

式中：

σ₁-平均前张力；

步骤d4)中所述辊型优化设计的目标函数G(X)可用下式表示：

G(X)＝|C_r-C_r0|

式中：

C_r-计算所得的板凸度值；

C_r0-目标板凸度值。

本发明的有益效果是：该发明在大量理论研究的基础上，结合现场轧制情况，根据PC轧机轧制时的生产工艺特点，兼顾降低交叉角与弯辊力的要求，将带材的出口前张力横向分布值作为优化目标函数、而把保证一定比例的板凸度作为约束条件来完成工作辊辊型曲线的优化。根据本发明所设计出的工作辊辊型曲线降低了交叉角与弯辊力，增加了轧机的稳定性，提高了工作辊的使用寿命，提高了PC轧机的板凸度控制能力，不仅保证了板形的质量要求，而且能够达到工业应用精度的要求。同时，根据现场实际情况，本发明也可以用于任意机架的工作辊辊型曲线设计。

附图说明

图1是PC轧机轧制带钢时的工作辊辊型曲线参数求解计算流程图；

图2是实施例的PC轧机轧制典型规格带钢时的最佳交叉角和最佳弯辊力求解计算流程图；

图3是辊型曲线方程设计的工作辊辊型曲线示意图；

图4是优化前后的前张力横向分布图。

具体实施方式

以下给出了采用本发明的方法优化设计某1880PC热连轧机精轧机组轧制带钢时，对其第四机架的工作辊辊型曲线参数求解过程，如图1和图2所示，包括以下步骤：

(a)收集PC轧机设备参数与工艺参数：

工作辊辊身长度1880mm、辊身直径785mm(835mm～735mm)、辊颈直径610mm、弯辊缸距离3080mm、弹性模量175GPa、泊松比0.25，辊系以外单片机座受力部件的刚度3400kN/mm，最大弯辊力±1200kN；

(b)收集某典型带钢的轧制工艺参数，具体数据如表1所示：(c)以C_2i为辊型曲线参数和优化变量，设定工作辊的曲线方程，并取X₀＝[C₂，C₄，C₆，C₈]＝[0.04，0.03，0.02，0.01]；

表1  某典型带钢参数

(d)优化计算出辊型曲线参数，包括以下由计算机系统执行的步骤：

d1)设定弯辊力F_w0＝-600kN，给定弯辊力的计算步长ΔF_w＝50kN，最大交叉角θ_max＝1.2°，上机架交叉角θ^*＝0.3°，初始交叉角θ₀＝0°，给定交叉角的计算步长Δθ＝0.01°，板形目标函数初始值B_x0＝1.0×10¹⁰，并取计算次数C_n＝1；

d2)令交叉角θ＝0.01×(C_n-1)；

d3)判断θ≥θ_max是否成立，若成立，转入步骤d9)；

d4)计算相应的带材前张力横向分布值σ_1i；

d5)计算目标板形目标函数值B(X)＝34.088；

d6)判断B(X)≤B₀是否成立，若成立，则令B₀＝B(X)＝34.088，θ₀＝0°，F_w0＝-600kN；

d7)令：C_n＝C_n+1，转到步骤d2)

d8)判断θ₀＞0.3°是否成立，若成立，则令：F_w＝(-600+50)kN，转到步骤d4)；

d9)输出最佳交叉角θ₀＝0.25°，最佳弯辊力F_w0＝400kN；

d10)取目标板凸度值C_r0＝0.15mm，计算出辊型优化设计目标函数G(X)＝2.764×10^-5；

d11)判断Powell条件是否成立，若不成立，调整辊型曲线参数X₀，转到步骤d1)，直至Powell条件成立，结束计算，得出最优辊型曲线参数；

(e)将上述辊型曲线参数代入工作辊的辊型曲线方程，得到优化后的工作辊辊型曲线方程。

满足最优化成立条件后得到最优辊型参数：X₀＝[0.12，0.0，0.0，0.0]

即优化后的工作辊辊型曲线方程为：

$D_w\left(y\right)=785-0.12{\left(\frac{2y}{L_w}\right)}^2$

工作辊辊型曲线示意图如图3所示。

由图4可知，交叉角和弯辊力相对于优化前均减小，优化后的前张力值分布比较均匀，板形良好。原工艺参数下的G(X)值为0.12141mm，优化后的G(X)值为2.764×10^-5mm，可见优化后提高了轧机控制板凸度的能力。通过实例可以看出，该方法计算稳定准确，达到工业应用精度的要求。