高強鋼板變輥距矯直機機組研發

馬曉明

(中冶京誠工程技術有限公司 北京100176)

?

·專題論述·

高強鋼板變輥距矯直機機組研發

馬曉明①

(中冶京誠工程技術有限公司 北京100176)

簡述了新型高強板變輥距矯直機的研發背景，介紹了變輥距矯直機各主要技術特點和性能，分析了國外變輥距矯直機存在的問題，以及研發中應用的關鍵技術，簡述了設備的主要技術參數及計算結果，并總結了研發產品的結構及優點。

矯直機 變輥距 高性能 高強鋼板

1 研發背景

隨著我國造船、發電、城鎮建設、橋梁建設、汽車和工程機械等行業的迅猛發展，對輕型化、高壽命的高強度高韌性鋼的需求越來越大；鋼鐵企業板材生產正在向著高強度、新品種等方向不斷發展；對矯直鋼板厚度、鋼種、強度極限的要求都已經大大提高。

目前國內的高強板仍在大量依靠進口，國內厚板企業對這部分鋼板仍不能穩定生產，更多的企業還處于前期開發階段，國內鋼廠的矯直設備大都能力有限，迫切需要新建高性能的高強鋼矯直設備,提高矯直能力已成為當前板材生產的重要課題。中冶京誠針對高強鋼矯直機的工藝和設備進行研發，通過在線調整輥距來提高設備的矯直能力，先后成功開發出兩代高強板變輥距矯直機。作為高強板生產線重要的精整設備，突破了該設備的技術瓶頸，滿足了市場需求。并在已有矯直技術基礎上，創新研發了可在線調整輥距的矯直機，鋼板矯直屈服強度極限已高達1400MPa。

2 變輥距矯直技術特點

從矯直原理上分析，通過改變矯直輥距，調整矯直的彎矩，可以很好的適應較大的板厚變化，達到矯直目的。但是在工程上由于受空間結構所限，實現連續變輥距設計非常困難。

現有的變輥距技術都是通過減少矯直輥數的方法，使矯直輥距成倍放大。如國外某公司在寶鋼、浦鋼和營口的冷矯直機上，通過簡單升降間隔的部分矯直輥的方式改變輥距，使九輥矯直變為五輥矯直，矯直板厚大幅提高。但是其在熱矯直機上推廣使用此技術后，現場反饋效果卻不理想。此外，還有國外公司為了擴大矯直品種規格，提出在同一套矯直機上采用兩套不同輥數、輥徑的輥系來實現變輥距的方案，但是在實際使用中，由于每次換輥時間停機太長，同時還需要更換傳動系統，大大影響了生產節奏，無法適應高強板靈活多變的產品規格，實用效果不佳。國內其他設備生產廠家尚無此項技術研發。

2.1 現有變輥距矯直技術存在的問題

通過現場調研分析現有的變輥距技術，發現存在以下幾個問題：

1)機架采用整體鑄鋼牌坊，重量大，加工運輸困難，牌坊厚度受限，機架剛度較差；

2)直接采用特殊訂貨的進口軸承作為支承輥，承載能力不高，在矯直時輥子磨損很快，需常備大量的特殊軸承，訂貨周期長，成本高；需經常維護更換；

3)氧化鐵皮難以處理,以國外某公司的九五輥冷矯直機為例，該機型最早是用于連軋的精整冷矯直機，用于中厚板冷矯，對使用影響不大；但在熱矯上使用時，因氧化鐵皮粉塵多、粗大，且處于高溫潮濕環境，頻繁研傷、銹死，使用效果很不理想。

4)經常斷輥、斷軸，支承輥破壞、損耗，需經常換輥，設備故障率高。

2.2 研發的關鍵技術及研發重點

中冶京誠結合國內外制造的實際情況，通過技術創新和工藝改進，先后自主完成了兩代變輥距矯直機的研發，使矯直機承載能力大幅提高。可廣泛應用于高強板預矯直機、熱矯直機、熱處理矯直機、冷矯直機；方案結構設計更合理，板型控制手段更有效，產品規格跨度更大，實現了高性能、低投入的研發目標。

研發的第一代變輥距矯直機(矯直輥數可變，見圖1)已經達到了國際先進的水平；具有自主核心技術的第二代高強鋼變輥距矯直機(矯直輥數可變，可連續調整下邊輥距，見圖2)已經達到了國際領先的水平。矯直鋼板的強度、精度得到大幅提高；極大改善了高強鋼板的成品質量及板形，其優良的設備性能得到了廣大用戶的關注。

在變輥距矯直機中研發應用的關鍵技術包括：①變輥數調整機構；②高承載支承輥結構及布置；③高承載預應力機架；④輥縫伺服調整及補償機構；⑤矯直輥水平變輥距調整機構。

圖1 變輥數調整輥距示意圖

圖2 水平連續變輥距調整示意圖

第一代變輥距矯直機(見圖3)研發重點：①研發單輥調整變輥數機構；擴大矯直范圍。②創新支承輥材料和結構，使有限的空間能承受極大的負載，提高設備能力，同時降低輥耗。③針對熱矯直特點，開發新型輥系結構，避免熱區大片氧化鐵皮對輥系的損傷，減少設備故障率。④采用高剛度預應力焊接機架，提高設備承載能力。

圖3 第一代變輥距矯直機

圖4 第二代變輥矩矯直機

第二代變輥距矯直機(見圖4)研發重點：①研發變輥距技術，克服矯直機在變輥調整時，輥距交錯不一，對厚板矯直效果不穩定等問題。②創新變輥機構，使矯直機變輥后，下邊輥距可水平橫向調整。③實現智能化全自動快速換輥，無需人工干預，安全可靠。④優化單輥調整機構。⑤優化活動梁補償及調整機構。

3 主要性能參數

矯直板厚h：5～80(120)mm

矯直板寬b：3000～5000mm

矯直力：20000～45000kN

矯直速度：0～±1～±3m/s

矯直鋼板屈服極限：600～1400MPa

機架剛度：10000～12000kN/mm

水平變輥距調整量：0～200mm

彎輥調整量：±6～±10mm

傾動量和偏斜量：±10mm

快速換輥時間：40～60min

3.1 矯直機基本參數確定

3.1.1 輥距t確定

1)最大輥距咬入條件得：

tmax=8·r0·μ1≈360mm

2)最小輥距按接觸應力的條件確定時

3)最大輥距按矯正質量條件確定時：

4)最小輥距按輥徑扭轉強度計算時：

綜合以上四種條件判斷：取t=300mm較合適，但在設計中應選用較好的材料做矯直輥，并進行熱處理，以提高[τ]值(切變模量)。在結構上適當增加矯直輥輥徑處直徑。

3.1.2 輥徑D的確定

輥徑D一般按輥距t來確定；由前面計算知：

取：D=0.95t=0.95×300≈285mm

3.1.3 輥數的確定

當板厚h>5.0時，一般取7～11輥，b為板寬；

當b/h比值很大時，可增加輥數，或增加矯直道次，以提高矯直質量；

結合設計經驗，綜合比較，選取9輥。

3.2 矯直機力能參數的計算

1)矯直輥上矯正力計算

矯直輥上矯正合力為：

ΣP=P1+P2+…+P8+P9

2)矯直力核算

3)矯直機能力曲線

按以上基本參數和力能參數，調整結構作出矯直能力曲線見圖5、圖6。

4)主電機功率的計算

矯正鋼板時所需總扭矩：

ΣM=Mk+(f+μd/2)ΣP

5)接軸強度、輥系應力、機架剛度、活動梁強度有限元分析見圖7～圖10。

矯正鋼板時所需總扭矩：

∵矯正時彎曲鋼板的力矩：

式中：a —塑性變形折算系數；

cpi— 在第 i 輥矯直前，軋件的原始曲率；

f —軋件滑動摩擦系數；

μ — 軸承摩擦系數；

d — 軸承處輥徑直徑；

σs— 軋件屈服極限；

∑P — 矯直合力；t — 輥距；

b,h — 軋件寬度和厚度；

D — 矯直輥徑；E — 軋件彈性模量；

η — 傳動效率；v — 矯直速度

圖5 矯直能力之間關系曲線圖(鋼板塑性變形率75%，板寬4800mm)

圖6 矯直能力之間關系曲線圖(鋼板塑性變形率67%，板寬4900mm)

圖7 矯直輥、支承輥單元格劃分

圖8 矯直輥、支承輥應力和變形分析

圖9 預應力機架裝配應力和變形分析

圖10 壓下螺絲、壓下螺母、機架下橫梁等的應力和變形分析

∴ΣM=Mk+(f+μd/2)∑P= 412924.6N·m

綜合考慮，選用5臺250kW，4臺160kW電機。

3.2.6 接軸強度和輥系應力及機架剛度和活動梁強度分析及校核(略)

4 產品結構及特點

中冶京誠自主研發的變輥距矯直機機組由主傳動裝置、快速換輥裝置、機架裝置、液壓壓下及上活動梁機構、上下斜楔單輥調整機構、上下輥系裝置、液壓鎖緊裝置、機架輥裝置、接軸抱緊裝置、檢修操作平臺等組成，具有下列技術特點：

1)采用組合式焊接機架和高強度預應力拉桿(見圖11)，機架重量輕，結構剛度大，矯直機機架剛度達到12000kN/mm以上。設備精度高，布置緊湊，便于運輸和安裝。

2)采用高剛度的四重式輥系結構(見圖12～圖14)，矯直輥下布置多排支承輥；矯直輥可單輥升降調整，可變輥數調整輥距，下邊輥可水平調整變輥距。矯直機的承載能力強，矯直鋼板的質量高。

3)采用下邊輥成組水平調整技術(見圖16)，可連續精確調整輥距；消除鋼板內應力，提高鋼板平直度；擴大可矯鋼板厚度范圍。

4)支承輥交錯密排布置，高承載內嵌式專利結構(見圖15)，內置油氣潤滑，成組分段加工、裝配。下支承輥還增設了快拆式防塵罩、氧化鐵皮收集裝置。簡化制造工藝、降低成本，方便現場使用維護。

圖11 機架裝配

圖12 四重式輥系

圖13 上活動梁、上斜楔調整、上輥系

5)采用液壓伺服控制系統實現上輥系的輥縫調整(見圖11、圖13)，可傾動調整和擺動調整；位置控制精度高；可準確靈活地實現輥縫壓下、傾動控制，矯正板材鐮刀彎、波形彎曲、單邊浪等板形缺陷；液壓壓下系統帶有安全自動保護控制和壓力、位置監控功能，可隨時監控整個矯直過程。

6)采用分段式液壓在線實時變形補償技術控制調整上矯直輥的輥形(見圖13)，輥形控制精度高；可矯正板材雙邊浪和中間瓢曲等多種板形缺陷。

圖14 上輥系、下輥系

圖15 內嵌式支承輥

圖16 水平變輥距機構

7)自動控制模型和電氣操作系統可以對輥縫開口度、彎輥量、傾動量、邊輥調整量、矯直力、矯直力矩及多種機、電、液參數、報警信號等進行實時顯示、調整和記錄，見圖17。

圖17 高強板變輥距矯直機自動控制模型

8)采用上輥系液壓自動快速卡緊裝置、接軸液壓鎖緊、準確定位及快速對輥、上下輥系整體液壓快速換輥等多項專利技術；保證輥系整體快速更換；

9)主傳動裝置采用獨立傳動結構，雙閉環控制均衡各矯直輥負載，減少矯直輥內應力，對薄板進行微張力矯直控制；并設有傳動軸定位檢測及安全保護裝置；

10)矯直輥、上活動梁采用內部通水冷卻；輥系軸承采用先進的可獨立監控的智能油氣潤滑系統；提高了矯直輥和支承輥軸承的使用壽命。

5 結束語

隨著對高強板變輥距矯直機設備不斷進行改進和優化設計，技術更加成熟，產品特點及優勢更為突出。中冶京誠自主研發的第二代變輥距矯直機擁有多項專利技術，該矯直機擴大了高強板的矯直厚度范圍，矯直負載能力更強，智能化程度更高，換輥時間更短，提高了鋼板生產率和產品質量，使得第二代變輥距矯直機具有更強的市場競爭力。可廣泛應用在各種板帶連軋、中厚板、熱處理生產線上，完全滿足工藝和生產要求，得到了用戶的廣泛認同。

[1]黃慶學主編.軋鋼機械設計.北京：冶金工業出版社，2007.

[2]成大先主編.機械設計手冊(第5版).北京：化學工業出版社，2008.

[3]崔甫主編.矯直原理與矯直機械(第2版).北京：冶金工業出版社，2005.

[4]鄒家祥主編.軋鋼機械(第3版).北京：冶金工業出版社，2005.

Research and Development of Variable Roller Spacing High-strength Plate Leveler Unit

Ma Xiaoming

(MCC Capital Engineering & Research Incorporation Limited, Beijing 100176)

This article describes the R & D background of a new type of high-strength plate leveler with variable roller spacing, introduces the main technical characteristics and performance of variable roller spacing leveler, analyzes the foreign variable roller spacing leveler shortcomings, as well as the R & D application of key technology, resume the main technical parameters and the calculation results, in the end, summarizes the structure and advantages of the development of products.

Leveler Variable roller spacing High-Performance High-strength plate

馬曉明，男，1969年出生，畢業于太原重機學院，四川大學工程碩士，高級工程師

TG333.23

A

10.3969/j.issn.1001-1269.2014.01.015

2013-08-12)