一种渐变曲率曲型辊的设计方法

1.本发明涉及连铸设备设计技术领域，特别涉及一种渐变曲率曲型辊的设计方法。


背景技术：

2.随着我国工业的迅速发展，大断面钢材的需求不断增加，在保证一定轧制压缩比的前提下，铸坯断面随着钢材断面的增加而增加。在连铸过程中，由于大断面铸坯的两相区长、凝固收缩量大以及钢液溶质富集现象严重，加剧了中心偏析和中心疏松，从而导致轧材的带状偏析和z向性能不均，严重制约了轧材的性能。
3.现有的主要解决手段是采用在铸坯两相区轻压下，通过施加一定压下量促进溶质富集钢液流动，改善铸坯中心偏析和疏松，但随着铸坯的增宽加厚，轻压下的压下量难以渗透到铸坯心部，对铸坯内部质量的改善效果有限，因此在轻压下的基础上进一步开发了重压下技术，即在凝固末端施加较大的压下量以改善铸坯内部质量，但压下量的增加势必会导致压坯力的增加，特别是完全凝固后铸坯的硬度增加，加剧了压坯抗力的增加，而现有的连连铸机压下能力有限，技术应用成本大幅提高。因此，通常采用改变辊型的方法使压下下量增大的同时不超过设备的压下极限，以达到改善铸坯内部质量的目的。
4.但现有的曲型辊的设计方法并没有考虑宽厚板坯特有的宽向不均匀凝固特征，或者其未考虑凸起部分和未凸起部分的渐变过渡，导致其适用性单一，且实际操作较为复杂。
5.因此，一种具有较强泛用性且操作简单的渐变曲率曲型辊的设计方法亟待研究。


技术实现要素：

6.针对上述现有技术存在的不足之处，本发明提供了一种渐变曲率曲型辊的设计方法，解决了现有技术中曲型辊的设计方法适用性单一，且实际操作复杂的技术问题。
7.本发明提供了一种渐变曲率曲型辊的设计方法，所述凸型辊包括辊身、凸台和渐变区，所述凸型辊的设计参数包括凸台长度、凸台高度和渐变长度，所述方法包括：
8.获取二次冷却区的水流密度，并根据所述水流密度计算得到对流换热系数，根据所述水流密度和所述对流换热系数，确定铸坯的最终凝固位置；
9.获取在相同压下量下不同所述凸台长度对应的所述最终凝固位置的变形量和压坯抗力，当所述压坯抗力小于等于预设参数时，选取所述最终凝固位置的最大变形量所对应的所述凸台长度，其中，所述预设参数为连铸机的极限输出压力；
10.根据目标压下量，获取多组所述凸台高度和所述渐变长度，计算每组所述凸台高度和所述渐变长度对应的铸坯表面的峰值应力和所述压坯抗力，当所述压坯抗力小于等于预设参数时，选取所述铸坯表面的峰值应力最小值所对应的所述凸台高度和所述渐变长度；
11.根据所述凸台长度、所述凸台高度和所述渐变长度加工所述渐变曲率凸型辊。
12.可选的，所述获取二次冷却区的水流密度，包括：
13.将连铸机喷嘴的进水口与水源和气泵连接，使得连铸机喷嘴与水管的顶部高度距
离与连铸机喷嘴到铸坯表面的垂直距离相等，进而使得所述连铸机喷嘴喷出的水流入水管中；
14.根据所述水管中水的高度来确定所述连铸机喷嘴的水量分布；
15.将所述铸坯宽度方向上的所有所述连铸机喷嘴的水量分布进行叠加，得到二次冷却区在宽度方向上的水流密度。
16.可选的，所述根据所述水流密度计算得到对流换热系数，包括：
17.应用下述公式计算得到所述对流换热系数：
18.h
ispary＝aiwi0.55
(1-0.075tw)
19.其中，h
ispary
为对流换热系数，i为所述二次冷却区，ai为连铸机参数，wi为水流密度，tw为二次冷却区的水温。
20.可选的，所述获取在相同压下量下不同所述凸台长度对应的所述最终凝固位置的变形量和压坯抗力，包括：
21.根据凸型辊压下三维热力耦合模型，计算不同设计参数的所述凸型辊压下过程的热力学行为规律；
22.根据所述热力学行为规律，计算相同压下量下不同所述凸台长度对应的所述最终凝固位置的变形量和压坯抗力。
23.可选的，在所述根据所述凸台长度、所述凸台高度和所述渐变长度加工所述渐变曲率凸型辊之前，所述方法还包括：
24.根据所述凸台高度和所述渐变长度确定所述渐变区的三阶贝塞斯曲线的参数方程如下述公式：
25.x(t)＝l
gc
t
3-3/2l
gc
t2 3/2l
gc
t(0≤t≤1)
26.y(t)＝-2h
pc
t3 3h
pc
t2(0≤t≤1)
27.其中，l
gc
为所述渐变长度，h
pc
为所述凸台高度。
28.可选的，所述根据所述凸台长度、所述凸台高度和所述渐变长度加工所述渐变曲率凸型辊，包括：
29.保持所述凸台长度部分的直径不变，将所述辊身两侧按照所述渐变区的三阶贝塞斯曲线的参数方程进行切削，其中，所述凸台的直径为d
roll
，所述辊身的直径为d
roll-2h
pc
。
30.可选的，所述获取二次冷却区的水流密度，并根据所述水流密度计算得到对流换热系数，根据所述水流密度和所述对流换热系数，确定铸坯的最终凝固位置之后，所述方法还包括：
31.根据所述最终凝固位置获取所述最终凝固位置所在的压下扇形段，将所述压下扇形段设为所述凸型辊的改造扇形段。
32.可选的，所述压下扇形段覆盖所述最终凝固位置的固相率0.85-1的区域。
33.可选的，在所述根据所述凸台长度、所述凸台高度和所述渐变长度加工所述渐变曲率凸型辊之后，所述方法还包括：
34.将所述渐变曲率凸型辊装配到所述凸型辊的改造扇形段。
35.本发明提供的渐变曲率凸型辊的设计方法，获取到铸坯凝固前沿的形貌确定最终凝固位置，并计算得到铸坯表面的峰值应力和压坯抗力等数据，同时以铸坯心部变形量尽可能大、铸坯表面峰值尽可能小、不能超过连铸机极限输出压力这三个准则确定渐变曲率
凸型辊的设计参数，能够有效增加连铸机的压下量，改善中心线偏析的情况，并且对于非均匀凝固液芯宽度小于凸台长度的工况凸型辊均可适用，具有较强的适用性。
36.本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
37.下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
38.附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
39.图1为本技术实施例提供的一种渐变曲率凸型辊的设计方法的流程示意图；
40.图2是本技术实施例提供的一种渐变曲率凸型辊的设计方法中凸型辊的结构示意图；
41.图3是本技术实施例提供的一种渐变曲率凸型辊的设计方法中铸坯凝固前沿的形貌；
42.图4是本技术实施例提供的一种渐变曲率凸型辊的设计方法中凸型辊压下过程示意图；
43.图5是本技术实施例提供的一种渐变曲率凸型辊的设计方法中二次冷却区各区铸坯宽向水流密度示意图；
44.图6是本技术实施例提供的一种渐变曲率凸型辊的设计方法中铸坯凝固前沿的形貌所在二次冷却区；
45.图7是本技术实施例提供的一种渐变曲率凸型辊的设计方法中凸型辊不同凸台长度对应的最终凝固点的变形量；
46.图8是本技术实施例提供的一种渐变曲率凸型辊的设计方法中凸型辊不同凸台长度对应压坯抗力；
47.图9是本技术实施例提供的一种渐变曲率凸型辊的设计方法中凸型辊不同凸台高度和渐变区梯度对应的压坯力大小；
48.图10是本技术实施例提供的一种渐变曲率凸型辊的设计方法中凸型辊不同凸台高度和渐变区梯度对应的表面峰值应力大小。
具体实施方式
49.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
50.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，
除非另有明确具体的限定。
51.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
52.本发明提供了一种渐变曲率凸型辊的设计方法，参见图1，凸型辊包括辊身、凸台和渐变区，凸型辊的设计参数包括凸台长度、凸台高度和渐变长度，具体步骤包括首先获取二次冷却区的水流密度，并根据水流密度计算得到对流换热系数，根据水流密度和对流换热系数，确定铸坯的最终凝固位置，其次获取在相同压下量下不同凸台长度对应的最终凝固位置的变形量和压坯抗力，当压坯抗力小于等于预设参数时，选取最终凝固位置的最大变形量所对应的凸台长度，其中，预设参数为连铸机的极限输出压力，然后根据目标压下量，获取多组凸台高度和渐变长度，计算每组凸台高度和渐变长度对应的铸坯表面的峰值应力和压坯抗力，当压坯抗力小于等于预设参数时，选取铸坯表面的峰值应力最小值所对应的凸台高度和渐变长度，最后根据凸台长度、凸台高度和渐变长度加工渐变曲率凸型辊。
53.本发明提供的渐变曲率凸型辊的设计方法，获取到铸坯凝固前沿的形貌确定最终凝固位置，并计算得到铸坯表面的峰值应力和压坯抗力等数据，同时以铸坯心部变形量尽可能大、铸坯表面峰值尽可能小、不能超过连铸机极限输出压力这三个准则确定渐变曲率凸型辊的设计参数，能够有效增加连铸机的压下量，改善中心线偏析的情况，并且对于非均匀凝固液芯宽度小于凸台长度的工况凸型辊均可适用，具有较强的适用性。
54.具体地，获取在相同压下量下不同所述凸台长度对应的所述最终凝固位置的变形量和压坯抗力，可以通过定义渐变区梯度m，m＝l
gc
/h
pc
，l
gc
为渐变长度，h
pc
为凸台高度，再根据目标压下量设计机组不同的渐变长度和凸台高度，计算每一组的形状参数的铸坯表面的峰值应力和压坯抗力，在压坯抗力不超过设备极限输出压力的前提下选取铸坯表面峰值应力最小的一组。
55.具体地，在上述实施例中，获取二次冷却区的水流密度，包括：首先将连铸机喷嘴的进水口与水源和气泵连接，使得连铸机喷嘴与水管的顶部高度距离与连铸机喷嘴到铸坯表面的垂直距离相等，进而使得连铸机喷嘴喷出的水流入水管中，再根据水管中水的高度来确定连铸机喷嘴的水量分布，最终将铸坯宽度方向上的所有连铸机喷嘴的水量分布进行叠加，得到二次冷却区在宽度方向上的水流密度。在本实施方式中，通过连接水源以及气泵，对连铸机喷嘴施加一定的水压和气压，使得喷嘴喷出的水能被连接的水管所承接，根据水管中水的高度获取到单个喷嘴的水量分布，将铸坯宽度方向上的所有喷嘴的水量分布进行叠加，即可得到二次冷却区的水流密度。
56.具体地，二次冷却区也称为二冷后区，是指冷却区设备改造、二次冷却工艺以及二次冷却水配水等方面进行研究，可降低事故率，使机械设备能高效的运转。在二冷区内对铸坯冷却温度的控制效果将直接影响到铸坯的质量，因此，对不同规格的连铸坯，必须对冷却水的分区、喷雾角度、喷嘴距离和水压进行适当的调整。喷嘴必须适当放置，以使被冷却的铸坯在同一平面上周围获得均匀或几乎均匀的表面温度。
57.具体地，在上述实施例中，根据水流密度计算得到对流换热系数，包括：应用下述
公式计算得到对流换热系数：
58.h
ispary＝aiwi0.55
(1-0.075tw)
59.其中，h
ispary
为对流换热系数，i为二次冷却区，ai为连铸机参数，wi为水流密度，tw为二次冷却区的水温。
60.在本实施方式中，通过得到的水流密度即可计算得到对流换热系数，对流换热系数是表征对流换热过程强弱的指标，与流体的物性、流动状态、温度，管束中管子的布置结构、冲刷方式以及管壁温度等因素有关。通过获取到的水流密度以及计算得到的对流换热系数，可以先计算出二次冷却区的热流密度，再依据计算得到的热流密度，确定铸坯非均匀凝固的凝固前沿形貌，进而得到最终凝固位置点距离铸坯中心的距离。
61.具体地，在上述实施例中，获取在相同压下量下不同凸台长度对应的最终凝固位置的变形量和压坯抗力，包括：首先根据凸型辊压下三维热力耦合模型，计算不同设计参数的凸型辊压下过程的热力学行为规律，再根据热力学行为规律，计算相同压下量下不同凸台长度对应的最终凝固位置的变形量和压坯抗力。在本实施方式中，通过建立凸型辊压下三维热力耦合模型来计算不同结构参数的凸型辊压下过程的热/力学行为规律，能够准确计算得到计算相同压下量下不同凸台长度对应的最终凝固位置的变形量和压坯抗力。
62.具体地，在上述实施例中，在根据凸台长度、凸台高度和渐变长度加工渐变曲率凸型辊之前，方法还包括：根据凸台高度和渐变长度确定渐变区的三阶贝塞斯曲线的参数方程如下述公式：
63.x(t)＝l
gc
t
3-3/2l
gc
t2 3/2l
gc
t(0≤t≤1)
64.y(t)＝-2h
pc
t3 3h
pc
t2(0≤t≤1)
65.其中，l
gc
为渐变长度，h
pc
为凸台高度。
66.在本实施方式中，得到凸台高度和渐变长度之后，进而能够确定渐变区的三阶贝塞斯曲线，三阶贝塞斯曲线需要在平面内选取4个不同线的点并且依次用线段进行连接，所得出的三阶贝塞斯曲线即为渐变曲率凸型辊凸台以及渐变区的外形曲线。
67.进一步的，根据凸台长度、凸台高度和渐变长度加工渐变曲率凸型辊，包括：保持凸台长度部分的直径不变，将辊身两侧按照渐变区的三阶贝塞斯曲线的参数方程进行切削，其中，凸台的直径为d
roll
，辊身的直径为d
roll-2h
pc
。在本实施方式中，凸台长度部分的直径不变为d
roll
，而凸台的高度为h
pc
，因此辊身的直径为凸台长度部分的直径d
roll
减去两个凸台的高度，而渐变区的曲线上各点坐标均满足三阶贝塞斯曲线的参数方程。
68.具体地，在上述实施例中，获取二次冷却区的水流密度，并根据水流密度计算得到对流换热系数，根据水流密度和对流换热系数，确定铸坯的最终凝固位置之后，方法还包括：根据最终凝固位置获取最终凝固位置所在的压下扇形段，将压下扇形段设为凸型辊的改造扇形段。在本实施方式中，扇形段的内弧侧辊子加工成渐变曲率凸型辊，外弧侧依然保持平辊，在不进行移动的前提下可以当做平辊正常压下。
69.进一步的，压下扇形段覆盖最终凝固位置的固相率0.85-1的区域。在本实施方式中，在连铸工艺过程中，钢由液体凝固为固体过程中固相率变化是最重要的工艺参数，也是最终决定铸坯质量的决定性因素，也是是用于研究轻压下的一个重要参数，从计算公式可知中心固相率与铸坯中心点的温度有关，选取固相率为0.85-1的区域作为凸型辊的改造扇形段。
70.具体地，在上述实施例中，在根据凸台长度、凸台高度和渐变长度加工渐变曲率凸型辊之后，方法还包括：将渐变曲率凸型辊装配到凸型辊的改造扇形段。在本实施方式中，在获取到凸型辊的改造扇形段后，将完成加工后的渐变曲率凸型辊装配到凸型辊的改造扇形段，并应用到铸坯的压下过程中。
71.具体地，参见图2至图10，本技术提供利用上述渐变曲率凸型辊的设计方法设计的渐变曲率凸型辊的具体实施例如下：
72.以某钢厂2200
×
300mm断面宽厚板坯连铸生产45#钢为例：
73.1、根据现场连铸机的喷嘴排布和二次冷却区水量，计算出铸坯宽度方向的水流密度，如图5所示，并基于此计算出铸坯的凝固前沿形貌，最终凝固点p距铸坯中心的距离为762mm，根据最终凝固点p的完全凝固位置确定凸型辊改造区间为14段，如图6所示。
74.2、根据连铸机参数和工况建立铸坯凸型辊压下过程的三维热力耦合模型，压下量为7mm，计算不同凸台长度时p点的变形量如图7所示。凸台长度小于1720时p点的变形量随之凸台长度增加而增加，不同凸台长度的压坯抗力如图8所示。设备允许的最大凸台长度为1705.6mm，所以确定凸台长度l
pc
＝1700mm。
75.3、设计凸台高度h
pc
：10、15、20mm，梯度m：1.5、2、2.5、3、3.5、4。总共18组对比参数，每组的压坯抗力如图9所示，表面峰值应力如图10所示。由图可知在不超过设备最大输出压力的前提下表面应力最小的一组是h
pc
＝15mm，m＝3(h
pc
＝15mm,l
gc
＝45)。
76.4、根据设计的最优形状参数加工凸型辊，装配到第14段内弧侧后，单段压下量由原来的4.5mm提升至7mm，其使用前后铸坯中心偏析和中心疏松改善效果十分明显。
77.显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。