馬曉明

(中冶京誠(chéng)工程技術(shù)有限公司 北京100176)

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·專(zhuān)題論述·

高強(qiáng)鋼板變輥距矯直機(jī)機(jī)組研發(fā)

馬曉明①

(中冶京誠(chéng)工程技術(shù)有限公司 北京100176)

簡(jiǎn)述了新型高強(qiáng)板變輥距矯直機(jī)的研發(fā)背景，介紹了變輥距矯直機(jī)各主要技術(shù)特點(diǎn)和性能，分析了國(guó)外變輥距矯直機(jī)存在的問(wèn)題，以及研發(fā)中應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)，簡(jiǎn)述了設(shè)備的主要技術(shù)參數(shù)及計(jì)算結(jié)果，并總結(jié)了研發(fā)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)及優(yōu)點(diǎn)。

矯直機(jī) 變輥距 高性能 高強(qiáng)鋼板

1 研發(fā)背景

隨著我國(guó)造船、發(fā)電、城鎮(zhèn)建設(shè)、橋梁建設(shè)、汽車(chē)和工程機(jī)械等行業(yè)的迅猛發(fā)展，對(duì)輕型化、高壽命的高強(qiáng)度高韌性鋼的需求越來(lái)越大；鋼鐵企業(yè)板材生產(chǎn)正在向著高強(qiáng)度、新品種等方向不斷發(fā)展；對(duì)矯直鋼板厚度、鋼種、強(qiáng)度極限的要求都已經(jīng)大大提高。

目前國(guó)內(nèi)的高強(qiáng)板仍在大量依靠進(jìn)口，國(guó)內(nèi)厚板企業(yè)對(duì)這部分鋼板仍不能穩(wěn)定生產(chǎn)，更多的企業(yè)還處于前期開(kāi)發(fā)階段，國(guó)內(nèi)鋼廠(chǎng)的矯直設(shè)備大都能力有限，迫切需要新建高性能的高強(qiáng)鋼矯直設(shè)備,提高矯直能力已成為當(dāng)前板材生產(chǎn)的重要課題。中冶京誠(chéng)針對(duì)高強(qiáng)鋼矯直機(jī)的工藝和設(shè)備進(jìn)行研發(fā)，通過(guò)在線(xiàn)調(diào)整輥距來(lái)提高設(shè)備的矯直能力，先后成功開(kāi)發(fā)出兩代高強(qiáng)板變輥距矯直機(jī)。作為高強(qiáng)板生產(chǎn)線(xiàn)重要的精整設(shè)備，突破了該設(shè)備的技術(shù)瓶頸，滿(mǎn)足了市場(chǎng)需求。并在已有矯直技術(shù)基礎(chǔ)上，創(chuàng)新研發(fā)了可在線(xiàn)調(diào)整輥距的矯直機(jī)，鋼板矯直屈服強(qiáng)度極限已高達(dá)1400MPa。

2 變輥距矯直技術(shù)特點(diǎn)

從矯直原理上分析，通過(guò)改變矯直輥距，調(diào)整矯直的彎矩，可以很好的適應(yīng)較大的板厚變化，達(dá)到矯直目的。但是在工程上由于受空間結(jié)構(gòu)所限，實(shí)現(xiàn)連續(xù)變輥距設(shè)計(jì)非常困難。

現(xiàn)有的變輥距技術(shù)都是通過(guò)減少矯直輥數(shù)的方法，使矯直輥距成倍放大。如國(guó)外某公司在寶鋼、浦鋼和營(yíng)口的冷矯直機(jī)上，通過(guò)簡(jiǎn)單升降間隔的部分矯直輥的方式改變輥距，使九輥矯直變?yōu)槲遢伋C直，矯直板厚大幅提高。但是其在熱矯直機(jī)上推廣使用此技術(shù)后，現(xiàn)場(chǎng)反饋效果卻不理想。此外，還有國(guó)外公司為了擴(kuò)大矯直品種規(guī)格，提出在同一套矯直機(jī)上采用兩套不同輥數(shù)、輥徑的輥系來(lái)實(shí)現(xiàn)變輥距的方案，但是在實(shí)際使用中，由于每次換輥時(shí)間停機(jī)太長(zhǎng)，同時(shí)還需要更換傳動(dòng)系統(tǒng)，大大影響了生產(chǎn)節(jié)奏，無(wú)法適應(yīng)高強(qiáng)板靈活多變的產(chǎn)品規(guī)格，實(shí)用效果不佳。國(guó)內(nèi)其他設(shè)備生產(chǎn)廠(chǎng)家尚無(wú)此項(xiàng)技術(shù)研發(fā)。

2.1 現(xiàn)有變輥距矯直技術(shù)存在的問(wèn)題

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研分析現(xiàn)有的變輥距技術(shù)，發(fā)現(xiàn)存在以下幾個(gè)問(wèn)題：

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

2)直接采用特殊訂貨的進(jìn)口軸承作為支承輥，承載能力不高，在矯直時(shí)輥?zhàn)幽p很快，需常備大量的特殊軸承，訂貨周期長(zhǎng)，成本高；需經(jīng)常維護(hù)更換；

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

4)經(jīng)常斷輥、斷軸，支承輥破壞、損耗，需經(jīng)常換輥，設(shè)備故障率高。

2.2 研發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)及研發(fā)重點(diǎn)

中冶京誠(chéng)結(jié)合國(guó)內(nèi)外制造的實(shí)際情況，通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新和工藝改進(jìn)，先后自主完成了兩代變輥距矯直機(jī)的研發(fā)，使矯直機(jī)承載能力大幅提高?？蓮V泛應(yīng)用于高強(qiáng)板預(yù)矯直機(jī)、熱矯直機(jī)、熱處理矯直機(jī)、冷矯直機(jī)；方案結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更合理，板型控制手段更有效，產(chǎn)品規(guī)格跨度更大，實(shí)現(xiàn)了高性能、低投入的研發(fā)目標(biāo)。

研發(fā)的第一代變輥距矯直機(jī)(矯直輥數(shù)可變，見(jiàn)圖1)已經(jīng)達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)的水平；具有自主核心技術(shù)的第二代高強(qiáng)鋼變輥距矯直機(jī)(矯直輥數(shù)可變，可連續(xù)調(diào)整下邊輥距，見(jiàn)圖2)已經(jīng)達(dá)到了國(guó)際領(lǐng)先的水平。矯直鋼板的強(qiáng)度、精度得到大幅提高；極大改善了高強(qiáng)鋼板的成品質(zhì)量及板形，其優(yōu)良的設(shè)備性能得到了廣大用戶(hù)的關(guān)注。

在變輥距矯直機(jī)中研發(fā)應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)包括：①變輥數(shù)調(diào)整機(jī)構(gòu)；②高承載支承輥結(jié)構(gòu)及布置；③高承載預(yù)應(yīng)力機(jī)架；④輥縫伺服調(diào)整及補(bǔ)償機(jī)構(gòu)；⑤矯直輥水平變輥距調(diào)整機(jī)構(gòu)。

圖1 變輥數(shù)調(diào)整輥距示意圖

圖2 水平連續(xù)變輥距調(diào)整示意圖

第一代變輥距矯直機(jī)(見(jiàn)圖3)研發(fā)重點(diǎn)：①研發(fā)單輥調(diào)整變輥數(shù)機(jī)構(gòu)；擴(kuò)大矯直范圍。②創(chuàng)新支承輥材料和結(jié)構(gòu)，使有限的空間能承受極大的負(fù)載，提高設(shè)備能力，同時(shí)降低輥耗。③針對(duì)熱矯直特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)新型輥系結(jié)構(gòu)，避免熱區(qū)大片氧化鐵皮對(duì)輥系的損傷，減少設(shè)備故障率。④采用高剛度預(yù)應(yīng)力焊接機(jī)架，提高設(shè)備承載能力。

圖3 第一代變輥距矯直機(jī)

圖4 第二代變輥矩矯直機(jī)

第二代變輥距矯直機(jī)(見(jiàn)圖4)研發(fā)重點(diǎn)：①研發(fā)變輥距技術(shù)，克服矯直機(jī)在變輥調(diào)整時(shí)，輥距交錯(cuò)不一，對(duì)厚板矯直效果不穩(wěn)定等問(wèn)題。②創(chuàng)新變輥機(jī)構(gòu)，使矯直機(jī)變輥后，下邊輥距可水平橫向調(diào)整。③實(shí)現(xiàn)智能化全自動(dòng)快速換輥，無(wú)需人工干預(yù)，安全可靠。④優(yōu)化單輥調(diào)整機(jī)構(gòu)。⑤優(yōu)化活動(dòng)梁補(bǔ)償及調(diào)整機(jī)構(gòu)。

3 主要性能參數(shù)

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(jī)架剛度：10000～12000kN/mm

水平變輥距調(diào)整量：0～200mm

彎輥調(diào)整量：±6～±10mm

傾動(dòng)量和偏斜量：±10mm

快速換輥時(shí)間：40～60min

3.1 矯直機(jī)基本參數(shù)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(yīng)力的條件確定時(shí)

3)最大輥距按矯正質(zhì)量條件確定時(shí)：

4)最小輥距按輥徑扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度計(jì)算時(shí)：

綜合以上四種條件判斷：取t=300mm較合適，但在設(shè)計(jì)中應(yīng)選用較好的材料做矯直輥，并進(jìn)行熱處理，以提高[τ]值(切變模量)。在結(jié)構(gòu)上適當(dāng)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(lái)確定；由前面計(jì)算知：

?。篋=0.95t=0.95×300≈285mm

3.1.3 輥數(shù)的確定

當(dāng)板厚h>5.0時(shí)，一般取7～11輥，b為板寬；

當(dāng)b/h比值很大時(shí)，可增加輥數(shù)，或增加矯直道次，以提高矯直質(zhì)量；

結(jié)合設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，綜合比較，選取9輥。

3.2 矯直機(jī)力能參數(shù)的計(jì)算

1)矯直輥上矯正力計(jì)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(jī)能力曲線(xiàn)

按以上基本參數(shù)和力能參數(shù)，調(diào)整結(jié)構(gòu)作出矯直能力曲線(xiàn)見(jiàn)圖5、圖6。

4)主電機(jī)功率的計(jì)算

矯正鋼板時(shí)所需總扭矩：

ΣM=Mk+(f+μd/2)ΣP

5)接軸強(qiáng)度、輥系應(yīng)力、機(jī)架剛度、活動(dòng)梁強(qiáng)度有限元分析見(jiàn)圖7～圖10。

矯正鋼板時(shí)所需總扭矩：

∵矯正時(shí)彎曲鋼板的力矩：

式中：a —塑性變形折算系數(shù)；

cpi— 在第 i 輥矯直前，軋件的原始曲率；

f —軋件滑動(dòng)摩擦系數(shù)；

μ — 軸承摩擦系數(shù)；

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(dòng)效率；v — 矯直速度

圖5 矯直能力之間關(guān)系曲線(xiàn)圖(鋼板塑性變形率75%，板寬4800mm)

圖6 矯直能力之間關(guān)系曲線(xiàn)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(yīng)力和變形分析

圖9 預(yù)應(yīng)力機(jī)架裝配應(yīng)力和變形分析

圖10 壓下螺絲、壓下螺母、機(jī)架下橫梁等的應(yīng)力和變形分析

∴ΣM=Mk+(f+μd/2)∑P= 412924.6N·m

綜合考慮，選用5臺(tái)250kW，4臺(tái)160kW電機(jī)。

3.2.6 接軸強(qiáng)度和輥系應(yīng)力及機(jī)架剛度和活動(dòng)梁強(qiáng)度分析及校核(略)

4 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

中冶京誠(chéng)自主研發(fā)的變輥距矯直機(jī)機(jī)組由主傳動(dòng)裝置、快速換輥裝置、機(jī)架裝置、液壓壓下及上活動(dòng)梁機(jī)構(gòu)、上下斜楔單輥調(diào)整機(jī)構(gòu)、上下輥系裝置、液壓鎖緊裝置、機(jī)架輥裝置、接軸抱緊裝置、檢修操作平臺(tái)等組成，具有下列技術(shù)特點(diǎn)：

1)采用組合式焊接機(jī)架和高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力拉桿(見(jiàn)圖11)，機(jī)架重量輕，結(jié)構(gòu)剛度大，矯直機(jī)機(jī)架剛度達(dá)到12000kN/mm以上。設(shè)備精度高，布置緊湊，便于運(yùn)輸和安裝。

2)采用高剛度的四重式輥系結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖12～圖14)，矯直輥下布置多排支承輥；矯直輥可單輥升降調(diào)整，可變輥數(shù)調(diào)整輥距，下邊輥可水平調(diào)整變輥距。矯直機(jī)的承載能力強(qiáng)，矯直鋼板的質(zhì)量高。

3)采用下邊輥成組水平調(diào)整技術(shù)(見(jiàn)圖16)，可連續(xù)精確調(diào)整輥距；消除鋼板內(nèi)應(yīng)力，提高鋼板平直度；擴(kuò)大可矯鋼板厚度范圍。

4)支承輥交錯(cuò)密排布置，高承載內(nèi)嵌式專(zhuān)利結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖15)，內(nèi)置油氣潤(rùn)滑，成組分段加工、裝配。下支承輥還增設(shè)了快拆式防塵罩、氧化鐵皮收集裝置。簡(jiǎn)化制造工藝、降低成本，方便現(xiàn)場(chǎng)使用維護(hù)。

圖11 機(jī)架裝配

圖12 四重式輥系

圖13 上活動(dòng)梁、上斜楔調(diào)整、上輥系

5)采用液壓伺服控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)上輥系的輥縫調(diào)整(見(jiàn)圖11、圖13)，可傾動(dòng)調(diào)整和擺動(dòng)調(diào)整；位置控制精度高；可準(zhǔn)確靈活地實(shí)現(xiàn)輥縫壓下、傾動(dòng)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(tǒng)帶有安全自動(dòng)保護(hù)控制和壓力、位置監(jiān)控功能，可隨時(shí)監(jiān)控整個(gè)矯直過(guò)程。

6)采用分段式液壓在線(xiàn)實(shí)時(shí)變形補(bǔ)償技術(shù)控制調(diào)整上矯直輥的輥形(見(jiàn)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(nèi)嵌式支承輥

圖16 水平變輥距機(jī)構(gòu)

7)自動(dòng)控制模型和電氣操作系統(tǒng)可以對(duì)輥縫開(kāi)口度、彎輥量、傾動(dòng)量、邊輥調(diào)整量、矯直力、矯直力矩及多種機(jī)、電、液參數(shù)、報(bào)警信號(hào)等進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示、調(diào)整和記錄，見(jiàn)圖17。

圖17 高強(qiáng)板變輥距矯直機(jī)自動(dòng)控制模型

8)采用上輥系液壓自動(dòng)快速卡緊裝置、接軸液壓鎖緊、準(zhǔn)確定位及快速對(duì)輥、上下輥系整體液壓快速換輥等多項(xiàng)專(zhuān)利技術(shù)；保證輥系整體快速更換；

9)主傳動(dòng)裝置采用獨(dú)立傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，雙閉環(huán)控制均衡各矯直輥負(fù)載，減少矯直輥內(nèi)應(yīng)力，對(duì)薄板進(jìn)行微張力矯直控制；并設(shè)有傳動(dòng)軸定位檢測(cè)及安全保護(hù)裝置；

10)矯直輥、上活動(dòng)梁采用內(nèi)部通水冷卻；輥系軸承采用先進(jìn)的可獨(dú)立監(jiān)控的智能油氣潤(rùn)滑系統(tǒng)；提高了矯直輥和支承輥軸承的使用壽命。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著對(duì)高強(qiáng)板變輥距矯直機(jī)設(shè)備不斷進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化設(shè)計(jì)，技術(shù)更加成熟，產(chǎn)品特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)更為突出。中冶京誠(chéng)自主研發(fā)的第二代變輥距矯直機(jī)擁有多項(xiàng)專(zhuān)利技術(shù)，該矯直機(jī)擴(kuò)大了高強(qiáng)板的矯直厚度范圍，矯直負(fù)載能力更強(qiáng)，智能化程度更高，換輥時(shí)間更短，提高了鋼板生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量，使得第二代變輥距矯直機(jī)具有更強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。可廣泛應(yīng)用在各種板帶連軋、中厚板、熱處理生產(chǎn)線(xiàn)上，完全滿(mǎn)足工藝和生產(chǎn)要求，得到了用戶(hù)的廣泛認(rèn)同。

[1]黃慶學(xué)主編.軋鋼機(jī)械設(shè)計(jì).北京：冶金工業(yè)出版社，2007.

[2]成大先主編.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)(第5版).北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

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

[4]鄒家祥主編.軋鋼機(jī)械(第3版).北京：冶金工業(yè)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(yè)于太原重機(jī)學(xué)院，四川大學(xué)工程碩士，高級(jí)工程師

TG333.23

A

10.3969/j.issn.1001-1269.2014.01.015

2013-08-12)