基于凸度转移理念的冷轧支撑辊辊型设计.pdf

September20232023年9 月ChinaMetallurgy中国冶金第3 3 卷第9 期Vol.33.Cp112-117D0l:10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20230182基于凸度转移理念的冷轧支撑辊辊型设计李硕1，于洋1，宋浩源，马家骥，马宁，陈彦旭3（1.首钢集团有限公司技术研究院，北京10 0 0 43；2.北京首钢股份有限公司，北京10 0 0 43；3.首钢冷轧薄板有限公司，北京10 13 0 0）摘要：在当前冷轧产品品种结构不断丰富的背景下，拓展冷轧机的板形控制能力具有重要意义。针对某钢厂产品规格拓展轧机正凸度提供能力不足、工作辊凸辊使用频率高的问题，提出将工作辊凸度转移到支撑辊上、支撑辊提供部分凸度、工作辊尽量采用平辊的思想，设计CVC、VCL、VCL 十这3 类支撑辊辊型，建立轧件辊系一体化模型并仿真对比新辊型与原辊型配置下轧机板形控制能力。结果表明，采用VCL140十支撑辊搭配工作辊平辊，可起到代替原支撑辊平辊搭配工作辊凸辊的效果，并可显著改善辊间接触压力的均匀性。新辊型上机应用后，超高强钢边浪板形发生率由3 3%降至4%，工作辊凸辊使用率由95%降至5%，机组弯辊和窜辊超限的问题得到彻底解决，支撑辊月平均过钢量从原12 万t提高到15万t，生产效率得到显著提高。关键词：CVC轧机；支撑辊；辊型；有限元分析；凸度转移文献标志码：A文章编号：10 0 6-93 56（2 0 2 3）0 9-0 112-0 6Roll contour design of cold rolling backuproll based on crown transfer conceptLI Shuo，YU Ya n g ，SO NG H a o y u a n ，IMAJiaji?,MANing,CHENYanxu(1.Research Institute of Technology,Shougang Group Co.,Ltd.,Beijing 10o043,China;2.Beijing ShougangCo.,Ltd.,Beijing100043,China;3.Shougang Cold Rolled Sheet Co.,Ltd.,Beijing 101300,China)Abstract:It is of great significance to expand flatness control ability of cold rolling mill in the context of continuousenrichment for current cold rolling products variety structure.In view of the problems on insufficient ability to pro-vide positive crown of extended rolling mill and high frequency use of convex work roll in a steel plant,the idea oftransferring work roll crown to backup roll,providing part of the crown by backup roll,and using flat roll as far aspossible for work roll was put forward,and three types of backup roll profiles,CVC,VCL,VCL+,were de-signed.The integrated model of roll system was established,and the simulation comparison of control ability wasmade between new roll type and original roll type.The results show that VCLl4o+backup roll with flat work rollcan replace original flat backup roll with convex work roll,and can significantly improve the uniformity of contactpressure between rolls.After the application of new roll type on the machine,the occurrence rate of edge wave plateshape for ultra-high strength steel is reduced from 33%to 4%,and the utilization rate of convex work roll is re-duced from 95%to 5%.Over-limit problem of roll bending and shifting of the unit has been completely solved.Themonthly steel throughput of backup roll has increased from 120 000 t to 150 000 t on average,and the production ef-ficiencyhas been significantlyimproved.Key words:CVC rolling mill;backup roll;roll contour;finite analysis;crown transfer为适应市场需求的变化，钢铁企业不断调整产品品种结构、拓宽生产能力，同时对生产工艺也提出了更高要求1-5。产品规格拓展对轧机板形控制提出了挑战，在复杂的产品结构下，提高轧机板形控制能力以适应不同产品的工艺需求是未来关注的焦点问题之一6-10 某钢厂197 0 mm五机架酸轧线采用了西马克公司的六辊昆 CVC(Continous Variable Crown）轧机，板形控制手段包括中间辊窜辊、中间辊弯辊和工作辊弯辊，近年来产品强度从原设计的7 8 0 MPa拓展到118 0 MPa，厚度从2.5mm拓展到3.5mm，宽度从18 50 mm拓展到18 90 mm，目前产品覆盖IF（I n t e r s t i t i a l Fr e e）钢、低碳钢、烘烤硬化钢、含磷钢、高强和超高强钢等一系列汽车板、家电板产品用钢。但是，在生产98 0 MPa及以上级别高强钢时，窜辊、弯辊接近正极限，边浪控制能力严重不足。为作者简介：李硕（1993 一），男，博士，工程师；E-mail:;收稿日期：2 0 2 3-0 3-2 8李硕，等：基于凸度转移理念的冷轧支撑辊辊型设计第9 期113了应对轧机凸度提供能力不足导致的双边浪板形缺陷，需要配置不同凸度的工作辊，现场采用的轧机支撑辊为平辊、中间辊为CVC辊型，大部分订单采用工作辊凸辊轧制、少量汽车外板订单采用平辊轧制的策略，生产过程中工作辊凸辊换辊较为频繁，支撑辊月过钢量仅为1 2 万t，存在工作辊更换频繁、备辊压力大、轧制效率低等问题。另外，高强钢轧制过程中轧制压力较大，辊间不均匀的压力分布导致边部应力集中 1 1 ，造成辊面损伤，进而将缺陷转移到带钢上，影响了产品质量。因此，通过合理的工艺优化，在工作辊尽量用平辊的情况下提高轧机凸度提供能力、减少工作辊凸辊的使用频率，对改善轧辊的不均匀磨损和提高产品质量有重要意义。轧机机型确定后，辊型优化是提高轧机能力的有效手段之二 1 2-1 5。5门。近年来，国内外学者在实践过程中提出了诸多辊型优化设计曲线，北京科技大学陈先霖院士提出的VCL(VaryingContactLength)变接触支撑辊型，已经在四辊冷轧、热轧轧机上取得了显著的应用效果 1 6-2 1 ；于孟等 2 2 通过对平整机中间辊型进行优化，有效减轻了辊端压靠；杨忠杰等 2 3 建立了基于调控功效系数的边降及断面控制数学模型，初始窜辊边降通过功效系数调控，改善了硅钢生产过程中的边部减薄问题；张建雷等 2 4 针对某热轧薄带平整机工作辊磨损不均匀问题，采用支撑辊两端倒角设计提高了轧辊的使用寿命；张龚等 2 5 采用混合遗传算法求解目标函数来优化辊型的方法，设计开发了支撑辊辊型，传统意义上支撑辊主要起到提高轧机刚度的作用，由于其换辊周期长，为应对冷轧钢种规格拓展的需求，笔者提出将工作辊凸度转移到支撑辊上、支撑辊提供部分凸度、工作辊尽量用平辊的思想，以此拓宽冷连轧机板形调控能力，并设计了CVC、VCL、VCL十这3 类支撑辊辊型。仿真对比了新辊型与原辊型配置下轧机板形控制能力，结果表明，采用VCL140十支撑辊搭配工作平辊可起到代替原支撑辊平辊搭配工作辊凸辊的效果，并可改善辊间接触压力的均匀性。新辊型上机应用后，机组弯辊和窜辊超限的问题得到彻底解决，生产效率得到显著提高。1辊型曲线设计1.1支撑辊辊型优化目标1)将工作辊凸度转移到支撑辊上，降低工作辊凸辊的使用频率，实现不依靠工作辊凸辊就可对板形有效控制的目标。2)改善支撑辊-中间辊辊间接触压力分布均匀性，避免发生局部应力集中，提高辊型的自保持性。1.2支撑辊CVC曲线的设计支撑辊平辊辊型在与中间辊三次CVC辊型配合过程中，不可避免会出现不均匀磨损导致辊型自保持性差的现象。为提高辊间接触压力分布均匀性、消除局部应力集中、延长支撑辊辊期，支撑辊使用与中间辊匹配的CVC辊型代替平辊是一种有效途径。在支撑辊CVC辊型曲线的设计过程中，首先要考虑到轧机中间辊极限窜辊位置时的辊缝凸度，然后按照支撑辊的辊身长度进行设计。中间辊和支撑辊CVC辊型曲线表达式及各项系数分别如式（1)和表1 所示，曲线形状如图1 所示R()=ai+a2+agx3(1)式中：R(）为辊径方向坐标；为辊身方向坐标；aia 3 为CVC辊型多项式系数。表1 CVC辊型曲线参数Table1Curve parameters of CVC roll contour项目a1a2a3中间辊1.385X10-3-1.11310-62.671X10-10支撑辊0.657X1030.79010-6-2.67610-10600500400300中间辊CVC-支撑辊CVC200100011050010001500 20002500辊身长度/mm图1CVC辊型曲线Fig.1Roll contour curves of CvCroll1.3VCL曲线设计VCL技术的核心是在支撑辊上磨削特殊的辊型曲线，近年来在四辊轧机上的应用效果表明，在轧制力的作用下，应用VCL技术可以使支撑辊与工作辊的辊间接触长度与所轧带钢宽度相适应，消除或减少辊间“有害接触区”，增加承载辊缝的横向刚度，提高轧机对板形干扰因素（包括来料板形波动和第3 3 卷中国冶金114轧制力波动等）的抵抗能力。笔者利用VCL辊型设计思想，以“提供凸度”为目标之一设计支撑辊辊型。在设计VCL辊型曲线时，主要考虑现场实际生产参数包括身长度、带钢规格和材质、轧制力和弯辊力范围等，最终拟合为一个六次多项式。辊型曲线表达式如式（2）所示。R()=b1a+b2+b33+b44+b5+b（2)式中：bib 为VCL辊型多项式系数。为提高轧机凸度提供能力，设计基于宽度自适应的支撑辊辊型，目标函数如式（3)所示min Ti=2g:n1g:Ki=1n1min T,=g;KBFW(3)i=1min T;=1式中：TiT：为承载辊缝曲线的子目标函数；g:为第i个带钢宽度权重；K。为承载辊缝横刚度；KBwF为弯辊调控功效；为辊间接触压力不均匀度。使上述支撑辊辊型设计目标函数为最小值的曲线即为最佳支撑辊辊型曲线。进一步制定上述设计过程中的求解边界条件如式（4）所示。Cw=0Cwo.0+20CwoCwo.0+30(4)300g(Lg/2)800R()0式中：Cw为工作辊凸度；Cwoo为轧机配置支撑辊原辊型的基本凸度；Cwo为轧机配置支撑辊新辊型的基本凸度；LB为辊身长度；g为带钢宽度权重；R（）为辊型曲线多项式的二阶导数。根据调研结果，VCL辊型开口度设定为1 0 0 800mm为宜，以避免寻优计算中出现辊型凸度过大。另外，还要保证该辊型曲线为连续单调递增的凹函数，因此辊型曲线的二阶导数为正值，即满足R()0且一阶导数R()0。针对现场容易出现浪形缺陷的高强钢钢种，以DP780带钢为代表设计支撑辊辊型，遵循辊型幅值由小到大、逐步逼近的原则开展上机试验，设计了3 组开口度分别为1 40、1 8 0、2 50 m的辊型，其曲线表达式的各项系数和辊型形状分别如表2 和图2 所示。表2 VCL辊型曲线参数Table2Curve parameters of VCL roll contour辊型61b2b364b5b6VCL1400.712X10-3-0.16210-60.206X10-5-0.151X10-80.605X10-12-0.102X10-15VCL1801.15910-3-0.321X10-60.47310-5-0.38110-80.15910-12-0.269X10-15VCL2501.83610-3-0.57210-60.908X10-.5-0.766X10-80.326X10-12-0.550X10-15300250200150100VCL140-VCL18050VCL25000500100015002.000辊身长度/mm图2VCL支撑辊辊型曲线Fig.2Roll contour curves of VCL roll1.4VCL+曲线设计由于VCL曲线的特点在于可有效减少辊间“有害接触区”，提高承载辊缝的横向刚度，而CVC曲线支撑辊配合CVC中间辊使用有均匀辊间接触压力的作用。因此，考虑通过VCL曲线叠加反CVC曲线，采用相互组合的方式综合两者优势，以取得更加突出的效果，叠加后辊型形状和辊型曲线表达式的各项系数分别如图3 和表3 所示。3002502001501005000500100015002.000辊身长度/mm图3VCL+支撑辊辊型曲线Fig.3Roll contourcurves of VCL+roll李第9 期硕，等：基于凸度转移理念的冷轧支撑辊辊型设计115表3VCL+辊型曲线参数Table3Curve parameters of VCL+roll contour辊型b1b2b364b566VCL140+0.060X10-3-0.083X10-60.17910-50.15110-80.605X10-12-0.10210-152不同辊型板形控制能力仿真分析为对比以上各类支撑辊辊型与产线使用的原辊型配置方式（支撑辊平辊、工作辊平辊十凸辊）下轧机板形控制能力，建立了基于二维变厚度有限元-差分法的六辊CVC轧机轧件辊系一体化仿真模型，主要思想是利用变厚度有限元法计算辊缝形状，并作为假定的出口带钢横向厚度分布来计算轧件三维塑性变形过程，反复迭代直至板宽方向轧制力分布满足收敛条件为止。板形控制能力的表征指标包括辊缝凸度调节域、辊缝横向刚度、辊间接触压力分布不均匀度、轧制力分布，其中辊缝凸度调节域指各板形调控手段对承载辊缝二次凸度Cw2和四次凸度Cw4的最大调节范围，反映轧机的承载辊缝调节柔性。在带钢宽度为1 2 50 mm、单位轧制力为2 0 kN/mm、中间辊窜辊量为0 mm及工作辊/中间辊弯辊力为0、1 0 0、200kN情况下，各类支撑辊辊型配置下的辊缝凸度调节域对比结果如图4所示。从图4(a)可以看出，支撑辊平辊辊型与CVC辊型凸度调节域相当，支撑辊VCL辊型和VCL十辊型凸度调节域相当。使用VCL/VCL十辊型后可提高轧机对正凸度的提供能力，承载辊缝二次凸度最大提供能力由原来的656.7m增加到6 98.5m，提高6.4%，四次凸度由原来的6.9m减小到6.0 m，减小1 3%。图4(b)中对比了不同的VCL辊型与现场常用的配辊模式（支撑辊平辊十工作辊7 5m凸辊）下的凸度调节域，可以看出，采用VCL140支撑辊十工作辊平辊与采用支撑辊平辊十工作辊7 5m凸辊的辊缝凸度调节域基本相当，说明通过设计支撑辊VCL辊型，理论上可以起到代替工作辊凸辊的效果。800(a)平辊(b)支撑辊平辊+工作辊7 5m凸辊700支撑辊VCL140+工作辊平辊CVC700支撑辊VCL180+工作辊平辊VCL支撑辊VCL250+工作辊平辊m/X二600VCL+6005005004004003003002002001-15-10-50510-12-10-8-6-4-202468承载辊缝四次凸度/um承载辊缝四次凸度/um（a）不同类型辊型对比；（b）VCL系列辊型与现场常用辊型对比图4不同辊型下辊缝凸度调节域Fig.4Adjustment domain of roll gap crown with different roll contours辊缝横向刚度表征轧制过程中轧制力变动时承载辊缝的稳定性，反映辊缝的抗干扰能力。在带钢宽度为1 2 50 mm、中间辊窜辊量为0 mm、工作/中间辊弯辊力为OkN的情况下，几种支撑辊辊型配置下的辊缝横向刚度对比结果如图5所示。从图中可以看出，各类支撑辊承载辊缝横向刚度相近，可见支撑辊辊型改变对凸度调控范围有影响，但对承载辊缝横向刚度的影响有限。辊间接触压力分布不均匀度（沿轧辊接触线长度方向的辊间接触压力最大值与平均值之比）和峰值是衡量轧制过程中轧辊表面磨损程度的指标，辊间接触压力不均匀度越高，峰值越大，越易造成支撑辊使用寿命减少甚至发生剥落风险。在带钢宽度为1250mm、单位轧制力为2 0 kN/mm、工作辊弯辊和中间辊弯辊力均为0、中间辊窜辊量为0 情况下，支撑辊-中间辊辊间接触压力分布的情况如图6 所示，可以看出，平辊辊型和VCL辊型辊间接触压力分布呈现类似CVC曲线的形状，CVC辊型和VCL十中国冶金第3 3 卷116辊型设计过程中考虑到了中间辊的曲线形状，因此辊间接触压力的均匀性相对最好。辊间接触压力不均匀度对比见表4，4种支撑辊辊型配置下支撑辊与中间辊辊间接触压力分布的不均匀度分别为2.001、1.2 6 9、1.8 8 9、1.6 56,C V C、V C L、V C L+这 3类新支撑辊辊型均优于原平辊辊型(a)平辊(b)支撑辊平辊+工作辊7 5um凸辊950950支撑辊VCL140+工作辊平辊CVC辊型支撑VCL180+工作辊平辊/二900VCL辊型900支撑辊VCL250+工作平辊VCL+辊型8508508008007507507006507002.02.22.42.62.83.02.02.22.42.62.83.0单位板宽轧制力/(kNmm)单位板宽轧制力/(kNmml)（a）不同类型辊型对比；（b）V C L系列辊型与现场常用辊型对比图5不同辊型下辊缝横向刚度Fig.5Roll gap transverse stiffness with different roll contours平辊2.5CVC(/VCLVCL+2.01.51.0-1000-50005001000辊身长度/mm图6不同辊型下辊间接触压力分布Fig.6Contact pressure distribution betweenrolls with different roll contours表4辊间接触压力不均匀度对比Table4Comparison of contact pressure irregularitydistribution betweenrolls支撑辊类型辊间接触压力不均匀度平辊2.001CVC1.269VCL1.889VCL+1.656不同类型支撑辊轧制力分布的仿真结果如图7所示，可以看出，与支撑辊平辊辊型相比，CVC辊型对轧制力分布改变不大，但VCL辊型、VCL十辊型的轧制力不均匀度有所减轻，这是因为VCL辊型和VCL十辊型的边部辊型有效减轻了工作辊的有害弯曲，使得带钢边缘区域轧制力有所减小。在实际轧制薄窄规格带钢时，CVC中间辊窜辊对辊缝凸度的调节能力与带钢宽度的平方成正比，即随着带钢宽度的下降CVC窜辊对凸度的调节能力急剧下降，因此有可能出现冷轧较难消除的碎边浪板形缺陷，而采用VCL辊型理论上会对该类由边部压扁和有害接触区引起的板形缺陷有一定程度的改善作用。10.8平辊CVCVCL10.6VCL+10.410.2600800100012001400带钢宽度/mm图7不同辊型下轧制力分布Fig.7Distribution of rolling force with different roll contours3现场应用效果2021年6 月开始在某1 9 7 0 mm酸轧机组开展现场上机应用，将原辊系配置“支撑辊平辊十工作辊凸辊/平辊”优化为“支撑辊VCL辊型十工作辊平”后，工作辊凸辊使用率大幅降低，目前仅少数如1180MPa级别及特殊薄规格高强钢采用工作辊凸辊生产，工作辊凸辊使用率下降约90%，弯辊和窜辊工艺处于极限位置的情况明显减少；超高强钢边李硕，等：基于凸度转移理念的冷轧支撑辊辊型设计第9 期117浪板形发生率由3 3%降至4%，厚度0.8 mm、宽度1250mm以下薄窄规格边浪板形发生率从40%降至2 5%；支撑辊过钢量从原来的1 2 万t提高到平均15万t，增幅达2 5%，大幅提高了生产效率。4结论1)在当前冷轧品种结构不断丰富、工作辊凸辊使用频率高、板形控制能力不足的背景下，提出将工作辊凸度转移的思想，以某钢厂六辊CVC轧机为研究对象，设计CVC、VCL、VCL十这3 类支撑辊辊型。2)建立了基于二维变厚度有限元-差分法的六辊轧机轧件辊系一体化模型，仿真对比各类辊型配置下下轧机板形控制能力，结果表明，使用VCL/VCL十辊型可提高弯辊力对正凸度的提供能力，采用VCL140支撑辊搭配工作辊平辊与采用7 5m工作辊凸辊的辊缝凸度提供能力基本相当，达到了代替工作辊凸辊的效果。3)平辊、CVC、VCL、VCL十这4类支撑辊辊型的改变对承载辊缝横向刚度影响有限，采用CVC辊型和VCL十辊型可显著改善辊间接触压力的均匀性，采用VCL、VCL十辊型对由边部压扁和有害接触区引起的板形缺陷也有一定程度的改善作用。4)采用基于凸度转移理念设计的支撑辊VCL140十辊型代替原平辊辊型后，工作辊凸辊使用率大幅降低，实现了将工作辊凸度转移到支撑辊、降低工作辊凸辊使用频率的目的，板形质量和生产效率也有明显提升。参考文献：白振华，李秀军，李建中，等.超薄宽幅高品质冷轧板带工业化生产关键技术开发.中国治金，2 0 2 1，3 1（6）：1 1 5.2 袁国，孙杰，付天亮，等高质绿色化发展趋势下轧制技术的创新实践 J.轧钢，2 0 2 1，3 8（4）：1.3 严明，周又吾。高强度厚规格钢板板形控制研究 J轧钢，2022,39(2):92.4康永林，朱国明，陈贵江，等中国薄宽带钢无头轧制技术最新进展 J.钢铁，2 0 2 3，58（7）：1.5刘宏民，于华鑫，王东城，等，冷轧带钢板形测控技术的发展状况和关键问题J.钢铁，2 0 2 2，57（1 1）：2 2.6 王文广，徐芳，李兴波，等，热连轧高速钢轧辊对产品表面质量和板形控制的影响 J.中国冶金，2 0 2 2，3 2（2）：97.7杨喜恩，王莹，闫青华，等.极薄规格冷轧带钢板形控制研究J.轧钢，2 0 2 2,3 9（2）：1 1 8.8 宋沙沙，桑圣峰，闻杨，等.1 42 0 mm酸轧机组带钢板形分析与控制研究 J.轧钢，2 0 2 2，3 9（5）：1 0 8.9张金飞，么洪勇，李子正，等.七机架热连轧机组板形综合控制技术J.钢铁，2 0 2 3，58（3）：97.10刘宏民，于华鑫，王东城，等冷轧带钢板形测控前沿技术的创新方略.钢铁，2 0 2 3，58（4）：7 7.11尚飞，李申光，李艳琳辊型配置对辊间接触压力与板形调控影响分析 J中国冶金，2 0 2 2,3 2（8）：1 2 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