中厚板矯直機(jī)能力分析與改進(jìn)

宋磊 關(guān)宏利 牛野

北方重工集團(tuán)有限公司 遼寧沈陽(yáng) 110141

目前，隨著鋼鐵工業(yè)的結(jié)構(gòu)調(diào)整，由于中厚板具有較高附加價(jià)值，已成為各鋼鐵企業(yè)的發(fā)展重點(diǎn)，其產(chǎn)量和質(zhì)量的要求逐年提高，且其品種規(guī)格趨于多樣化。為了滿足這些生產(chǎn)要求，國(guó)內(nèi)部分大型中厚板生產(chǎn)廠家均紛紛引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)的矯直設(shè)備和技術(shù)。但在實(shí)際生產(chǎn)中即使具備先進(jìn)的設(shè)備，由于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備條件及工藝標(biāo)準(zhǔn)要求的不斷提高，仍然很難得到理想的矯直質(zhì)量，通過(guò)對(duì)矯直控制系統(tǒng)的優(yōu)化實(shí)現(xiàn)更為有效地矯直過(guò)程是非常必要的。

1 概述

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)鋼材市場(chǎng)的持續(xù)低迷，常規(guī)產(chǎn)品盈利水平極低或虧損，而有的鋼廠在中厚板方面始終處理盈利狀態(tài)，主要是對(duì)中厚板品種開(kāi)發(fā)了較高附加值的產(chǎn)品。市場(chǎng)銷量較好、附加值較高的中厚板產(chǎn)品主要有屈服強(qiáng)度在600MPa級(jí)的高強(qiáng)工程機(jī)械用鋼，高強(qiáng)耐磨鋼；低溫壓力容器鋼方面，低溫韌性的LNG儲(chǔ)罐用9Ni鋼，中溫抗氫鋼；460、550MPa級(jí)超高強(qiáng)船板、海洋平臺(tái)用鋼等，對(duì)中厚板生產(chǎn)中矯直機(jī)矯直能力提出了更高要求。酒鋼中厚板矯直機(jī)采用的是六七十年代的落后技術(shù)，目前在生產(chǎn)中存在較多問(wèn)題，矯直屈服強(qiáng)度大于400MPa的鋼板經(jīng)常出現(xiàn)工作輥和支承輥軸承損壞；工作輥表面大量粘結(jié)硬質(zhì)氧化鐵顆粒；操作人員對(duì)輥縫人工，無(wú)法定性及定量控制，經(jīng)常出現(xiàn)過(guò)矯現(xiàn)象損壞設(shè)備，使工作輥更換修磨頻繁，較大影響品種及高強(qiáng)鋼的開(kāi)發(fā)。因此，矯直能力的分析有利于矯直機(jī)的改造和使用。

2 矯直機(jī)能力分析

機(jī)架的有限元分析。本文以酒鋼中厚板矯直機(jī)為例，利用SOLIDWORKS進(jìn)行建模功能，建立矯直機(jī)機(jī)架的幾何模型。為滿足有限元計(jì)算需要，對(duì)原有實(shí)體模型進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化處理，去掉對(duì)機(jī)架剛度影響不大的小孔、倒角、溝槽、凸臺(tái)等。

（1）建立模型。矯直機(jī)機(jī)架是典型的軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，并且載荷對(duì)稱，依據(jù)對(duì)稱原則僅建立矯直機(jī)機(jī)架的1/2模型；機(jī)架底座剛度很大，在工作過(guò)程中其變形量很小，對(duì)機(jī)架整體剛度影響很小，將其作為實(shí)體處理；機(jī)架立柱間的橫梁主要起支撐聯(lián)結(jié)作用，對(duì)機(jī)架整體剛度幾乎沒(méi)有影響，將其省略；依據(jù)對(duì)稱原則僅計(jì)算單片機(jī)架牌坊的模型，其中，機(jī)架立柱部位結(jié)構(gòu)剛度單一，變形穩(wěn)定，采用比較稀疏的網(wǎng)格；橫梁為空心結(jié)構(gòu)，承受載荷很大，變形量較大，采用比較致密的網(wǎng)格。利用Ansys的網(wǎng)格模型擴(kuò)展功能，可以顯示機(jī)架整體的有限元模型[1]。

（2）有限元條件設(shè)定。載荷加載按在單片牌坊上橫梁壓下螺母部位分別加載兩處均布載荷進(jìn)行，給機(jī)架施加矯直力，考察機(jī)架橫梁的最大撓度、應(yīng)力等參數(shù)。機(jī)架矯直過(guò)程中的載荷和邊界條件為：①機(jī)架底座底部平面施加全位移約束；②在立柱側(cè)面橫梁的位置對(duì)立柱施加X(jué)向位移約束；③在橫梁與立柱、立柱與底座之間進(jìn)行一體化實(shí)體處理；④工作過(guò)程中最大承載力按2400t校核，單片牌坊模型上承擔(dān)的最大載荷為1200t。在上橫梁壓下螺母的環(huán)形作用區(qū)域內(nèi)施加均載荷，為48.74MPa[2]。

（3）計(jì)算結(jié)果。機(jī)架為整體式焊接機(jī)架，立柱材料Q235A，機(jī)械性能如下：σb=375-500MPa，σs=215MPa，E=2.05E11Pa，μ=0.3。

（4）機(jī)架應(yīng)力分析。矯直過(guò)程中，牌坊主體的等效應(yīng)力很小，只在立柱與上橫梁焊接的根局部有比較大的應(yīng)力，這與實(shí)際情況相符。

3 矯直機(jī)輥系性能分析

以酒鋼中板的矯直機(jī)為例：在線輥系參數(shù)：工作輥輥徑為250mm，支承輥輥徑為250mm，輥距為260mm，矯直輥輥長(zhǎng)為3000mm，支承輥4排，數(shù)量為36支，支承輥長(zhǎng)度400mm，電機(jī)為2X246KW。通過(guò)計(jì)算可得許用矯直力1050噸，最大卸荷力1150噸。該矯直機(jī)最大的矯直能力范圍為：550MPa級(jí)別6mm-17mm厚度鋼板，700MPa級(jí)別6mm-13mm厚度鋼板，400MPa級(jí)別6-20mm厚度鋼板；如要開(kāi)發(fā)550MPa-700MPa級(jí)別的17-40mm厚度鋼板，從此性能圖分析是無(wú)法滿足的[3]。

4 改造方向

要矯直高強(qiáng)度中厚鋼板（40mm以內(nèi)，400MPa-600MPa），矯直機(jī)的鋼度大于10000KN/mm。所需的矯直力在2500噸以上，從機(jī)架及輥系的性能分析，酒鋼中板的矯直機(jī)能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，在開(kāi)發(fā)20mm/400MPa以上的鋼板，矯直機(jī)極易損壞。也就說(shuō)明了在實(shí)際使用過(guò)程中矯直機(jī)為什么經(jīng)常損壞，最主要原因是過(guò)載引發(fā)的問(wèn)題。要改造矯直機(jī)必須從以下4個(gè)方面入手，方能提高矯直機(jī)的能力。

（1）改造壓下機(jī)構(gòu):采用全液壓壓下裝置，增加矯直力測(cè)壓儀，增加獨(dú)立伺服控制站。實(shí)時(shí)對(duì)輥縫進(jìn)行伺服控制，簡(jiǎn)化輥縫壓下控制，自動(dòng)補(bǔ)償設(shè)備彈性變形，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)頭尾單獨(dú)矯直規(guī)程，增加了對(duì)矯直機(jī)的保護(hù)。

（2）改造現(xiàn)有輥系：加大工作輥及支承輥輥徑，增加輥距；增加支承輥數(shù)量和規(guī)格；導(dǎo)輥增加支承輥；增加輥系油氣潤(rùn)滑；增大電機(jī)及減速機(jī)能力；改善輥系潤(rùn)滑條件，大幅提高輥系承載能力[4]。

（3）更換矯直機(jī)機(jī)架提高機(jī)架剛度。

（4）新增電控系統(tǒng)及二級(jí)模型：實(shí)現(xiàn)智能矯直、輥縫自動(dòng)標(biāo)定、輥系控制冷卻、自動(dòng)/半自動(dòng)換輥；降低人工操作風(fēng)險(xiǎn)，穩(wěn)定矯直質(zhì)量。

5 結(jié)語(yǔ)

提高矯直機(jī)的能力，不能單純的分析某一項(xiàng)指標(biāo)性能，而是需要從多方面進(jìn)行分析，要分析機(jī)架的剛度，同時(shí)還要分析矯直機(jī)的輥系參數(shù)是否能滿足要求，這樣才能找出矯直機(jī)的問(wèn)題點(diǎn)進(jìn)行改進(jìn)。