壓尾增張裝置優(yōu)化研究

米楠

(中冶京誠(chéng)工程技術(shù)有限公司 北京 100176)

1 前言

可逆式軋制是指帶鋼在單機(jī)架軋機(jī)上往復(fù)進(jìn)行多道次的壓下變形，最終獲得成品厚度的軋制過(guò)程。可逆式冷軋機(jī)作為調(diào)節(jié)生產(chǎn)規(guī)格和品種被廣泛應(yīng)用，如生產(chǎn)薄規(guī)格或不銹鋼、硅鋼等特殊品種[1]。

可逆式軋機(jī)的設(shè)備組成比較簡(jiǎn)單，一般由鋼卷運(yùn)送及開卷設(shè)備、軋機(jī)、1#、2#卷取機(jī)和卸卷及輸出裝置所組成。

按照軋制工藝，首道次軋制在開卷機(jī)、軋機(jī)和1#卷取機(jī)之間進(jìn)行。首道次軋制接近結(jié)束時(shí)，開卷機(jī)甩尾，帶尾將由軋機(jī)帶動(dòng)，運(yùn)動(dòng)至2#卷取機(jī)附近，然后軋機(jī)反轉(zhuǎn)，帶尾由2#卷取機(jī)卷筒夾緊，開始進(jìn)行第二道次軋制，此后的多道次軋制均在1#卷取機(jī)、軋機(jī)和2#卷取機(jī)之間交替進(jìn)行。

在上述首道次軋制過(guò)程中，當(dāng)開卷機(jī)開卷至最后一圈甩尾時(shí)，帶尾距離軋機(jī)入口還有近10m的距離，為防止帶鋼甩尾并提供一定的后張力穩(wěn)定軋制，一般在軋機(jī)與2#卷取機(jī)之間會(huì)設(shè)置一套壓尾增張裝置。

2 壓尾增張裝置的現(xiàn)狀及改進(jìn)

按照工藝需要，某廠現(xiàn)有壓尾增張裝置采用一種壓板機(jī)構(gòu)，下壓板固定，上壓板依靠液壓壓下。壓板沿鋼板寬度方向分段布置，材質(zhì)為硬木。工作時(shí)依靠液壓缸提供的壓緊力夾緊鋼板，通過(guò)硬木與鋼板表面的摩擦，起到對(duì)帶尾的壓尾增張作用。

由于現(xiàn)有技術(shù)是采用硬木與粗糙鋼板表面來(lái)直接摩擦而獲得后張力，但由于鋼板來(lái)料狀態(tài)的不同，難免存在浪形或水油等，這些因素都對(duì)硬木與鋼板的接觸狀態(tài)和二者之間摩擦系數(shù)的穩(wěn)定產(chǎn)生較大的影響，一旦摩擦條件產(chǎn)生變化，張力也就不夠穩(wěn)定。

另外，與鋼板相比，硬木還是比較“軟”的，摩擦將帶來(lái)硬木的快速磨損，且發(fā)熱現(xiàn)象的存在也需要頻繁更換硬木板，隨著硬木品質(zhì)的改變還會(huì)帶來(lái)掉屑和摩擦面條件變差的問(wèn)題。

圖2 四輥壓尾增張裝置1-壓尾機(jī)架;2-機(jī)架橫移裝置;3-換輥裝置;4-液壓配管

針對(duì)以上問(wèn)題，本文介紹一種四輥壓尾增張裝置，主要由壓尾機(jī)架、機(jī)架橫移裝置、換輥裝置、液壓配管組成，結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中壓尾增張單元主要由安裝在機(jī)架內(nèi)的上雙聯(lián)輥及下雙聯(lián)輥組成，上雙聯(lián)輥通過(guò)液壓缸同步升降，下雙聯(lián)輥固定[2][3]。

機(jī)構(gòu)本體沒(méi)有驅(qū)動(dòng)，增張?jiān)碇饕ㄈ矫妫阂皇菐т撛谳佔(zhàn)又g的彈塑性變形帶來(lái)的能量消耗；二是帶鋼對(duì)輥?zhàn)拥陌牵纬蓮埩U(kuò)大；三是機(jī)構(gòu)部件的摩擦力和帶鋼與輥?zhàn)又g的摩擦力[4]。

3 四輥壓輥增張過(guò)程有限元模擬

為全面分析各參量對(duì)增張裝置能提供的張力產(chǎn)生影響的規(guī)律，本文建立了四輥壓尾增張裝置的有限元分析模型，張力裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。由于帶鋼經(jīng)過(guò)張力裝置時(shí)，其橫向變形很小，可忽略，因此該問(wèn)題可簡(jiǎn)化為二維平面應(yīng)變問(wèn)題，所建立模型如圖3所示。

表1 四輥壓尾增張裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖3 四輥壓尾增張有限元模型

3.1 模型邊界條件

為簡(jiǎn)化計(jì)算，忽略帶鋼自身重力。模型按照兩個(gè)分析步進(jìn)行，第一步上雙聯(lián)輥壓下到預(yù)定壓下量，第二步帶鋼以速度V向右運(yùn)動(dòng)。由于帶鋼甩尾速度較慢，此處僅計(jì)算由于彈塑性變形能帶來(lái)的張力增益，不考慮帶尾在輸送設(shè)備上的摩擦。帶鋼與增張單元間采用庫(kù)倫摩擦模型，摩擦系數(shù)取0.35。

3.2 材料模型

帶鋼的單機(jī)架可逆軋制通常在常溫下進(jìn)行，且經(jīng)過(guò)壓尾增張裝置的塑性變形量較小，因此可以不考慮金屬的加工硬化，采用理想彈塑性材料模型建模[5]。為盡量降低帶的前端和尾部對(duì)模擬結(jié)果的影響，本模型帶鋼長(zhǎng)度取3000mm。

3.3 帶鋼彎曲彈塑性變形分析

本文給出Q235帶鋼厚度3.5mm，寬度1000mm，彈性模量E=2.06×105MPa，上雙聯(lián)輥?zhàn)訅合铝?5mm的模擬結(jié)果，如圖4所示。

圖4為穩(wěn)定工作狀態(tài)下，帶鋼彎曲變形時(shí)的等效應(yīng)力分布及其與上、下雙聯(lián)輥的接觸狀態(tài)。圖5中曲線分別對(duì)應(yīng)各輥與鋼板接觸區(qū)域A～D沿厚度方向的等效應(yīng)力分布情況。從圖5中可以看出，處在A～B區(qū)域的帶鋼總體上屬于彈塑性彎曲變形，外層金屬應(yīng)力已經(jīng)超出屈服極限，進(jìn)入塑性變形狀態(tài)，C～D區(qū)域主要對(duì)帶鋼起引導(dǎo)和壓尾穩(wěn)定作用，帶鋼彎曲變形小，基本處于彈性狀態(tài)。帶鋼表層塑性區(qū)的厚度與帶鋼規(guī)格、材質(zhì)及設(shè)備結(jié)構(gòu)有關(guān)，也是影響帶鋼增張能力的因素。

圖4 帶鋼彈塑性變形

圖5 帶鋼等效應(yīng)力分布曲線

3.4 帶鋼厚度對(duì)T的影響

圖6 S板厚對(duì)增張值的影響

圖6給出了Q235，寬度1300，板厚2、3.5及5mm的三個(gè)仿真結(jié)果點(diǎn)線圖，由圖可見(jiàn)T值隨著帶鋼厚度的增大而增大，并且厚度越大，張力T的增幅也隨著變大。

3.5 上雙聯(lián)輥壓下量對(duì)T的影響

圖7給出了厚度2，3.5和5mm三種規(guī)格的帶鋼在不同壓下量下張力T的變化曲線。由圖可見(jiàn)，在壓下量增加量同為5mm情況下，帶鋼厚度越大，張力增加值就越明顯。這是由于在相同的彎曲曲率條件下，厚帶鋼產(chǎn)生的彈性變形能累積的越多，形成的張力也就越大。

圖7 壓下量對(duì)增張值的影響

4 增張裝置對(duì)比及四輥壓尾增張壓下參數(shù)

原有壓板機(jī)構(gòu)式增張裝置配置2個(gè)液壓缸，規(guī)格φ80/φ56～200mm，無(wú)桿腔工作，用戶點(diǎn)工作壓力10MPa，鋼板與硬木之間的摩擦系數(shù)為0.12～0.16[6]，上下夾板夾緊后理論上能夠提供的張力為12～16kN。

圖8 四輥壓尾增張裝置壓下量

根據(jù)以上的模擬結(jié)果，當(dāng)采用四輥壓尾增張裝置后，按照工藝規(guī)格書，來(lái)料板厚規(guī)格2～5mm，計(jì)算的壓下量與增長(zhǎng)能力曲線，如圖8所示。為達(dá)到與原機(jī)組工藝設(shè)定的增長(zhǎng)能力效果，針對(duì)不同板厚適宜的壓下量可參考虛線框?qū)?yīng)的橫坐標(biāo)值設(shè)定。

5 結(jié)論

1)現(xiàn)有可逆軋機(jī)入口側(cè)應(yīng)用的增張裝置存在不足。為此，優(yōu)化提出一種四輥壓尾增張裝置，通過(guò)帶鋼在輥?zhàn)又g的彈塑性變形耗能形成對(duì)帶尾的張力，起到穩(wěn)定軋制的作用。

2)建立了四輥壓尾增張裝置的有限元分析模型，并對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行了分析，得到了板厚、板寬、壓下量的影響規(guī)律。

3)通過(guò)結(jié)果分析，提出了四輥壓尾增張裝置的壓下量與板厚的關(guān)系曲線，可用于指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)的工藝設(shè)定。