中厚板矯直機能力分析與改進(jìn)

宋磊 關(guān)宏利 牛野

北方重工集團有限公司 遼寧沈陽 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值，已成為各鋼鐵企業(yè)的發(fā)展重點，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，國內(nèi)部分大型中厚板生產(chǎn)廠家均紛紛引進(jìn)國外先進(jìn)的矯直設(shè)備和技術(shù)。但在實際生產(chǎn)中即使具備先進(jìn)的設(shè)備，由于現(xiàn)場設(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，通過對矯直控制系統(tǒng)的優(yōu)化實現(xiàn)更為有效地矯直過程是非常必要的。

1 概述

近年來，國內(nèi)鋼材市場的持續(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)，主要是對中厚板品種開發(fā)了較高附加值的產(chǎn)品。市場銷量較好、附加值較高的中厚板產(chǎn)品主要有屈服強度在600MPa級的高強工程機械用鋼，高強耐磨鋼；低溫壓力容器鋼方面，低溫韌性的LNG儲罐用9Ni鋼，中溫抗氫鋼；460、550MPa級超高強船板、海洋平臺用鋼等，對中厚板生產(chǎn)中矯直機矯直能力提出了更高要求。酒鋼中厚板矯直機采用的是六七十年代的落后技術(shù)，目前在生產(chǎn)中存在較多問題，矯直屈服強度大于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；操作人員對輥縫人工，無法定性及定量控制，經(jīng)常出現(xiàn)過矯現(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鋼的開發(fā)。因此，矯直能力的分析有利于矯直機的改造和使用。

2 矯直機能力分析

機架的有限元分析。本文以酒鋼中厚板矯直機為例，利用SOLIDWORKS進(jìn)行建模功能，建立矯直機機架的幾何模型。為滿足有限元計算需要，對原有實體模型進(jìn)行適當(dāng)簡化處理，去掉對機架剛度影響不大的小孔、倒角、溝槽、凸臺等。

（1）建立模型。矯直機機架是典型的軸對稱結(jié)構(gòu)，并且載荷對稱，依據(jù)對稱原則僅建立矯直機機架的1/2模型；機架底座剛度很大，在工作過程中其變形量很小，對機架整體剛度影響很小，將其作為實體處理；機架立柱間的橫梁主要起支撐聯(lián)結(jié)作用，對機架整體剛度幾乎沒有影響，將其省略；依據(jù)對稱原則僅計算單片機架牌坊的模型，其中，機架立柱部位結(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)格模型擴展功能，可以顯示機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，給機架施加矯直力，考察機架橫梁的最大撓度、應(yīng)力等參數(shù)。機架矯直過程中的載荷和邊界條件為：①機架底座底部平面施加全位移約束；②在立柱側(cè)面橫梁的位置對立柱施加X向位移約束；③在橫梁與立柱、立柱與底座之間進(jìn)行一體化實體處理；④工作過程中最大承載力按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）計算結(jié)果。機架為整體式焊接機架，立柱材料Q235A，機械性能如下：σb=375-500MPa，σs=215MPa，E=2.05E11Pa，μ=0.3。

（4）機架應(yīng)力分析。矯直過程中，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，這與實際情況相符。

3 矯直機輥系性能分析

以酒鋼中板的矯直機為例：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，矯直輥輥長為3000mm，支承輥4排，數(shù)量為36支，支承輥長度400mm，電機為2X246KW。通過計算可得許用矯直力1050噸，最大卸荷力1150噸。該矯直機最大的矯直能力范圍為：550MPa級別6mm-17mm厚度鋼板，700MPa級別6mm-13mm厚度鋼板，400MPa級別6-20mm厚度鋼板；如要開發(fā)550MPa-700MPa級別的17-40mm厚度鋼板，從此性能圖分析是無法滿足的[3]。

4 改造方向

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

（1）改造壓下機構(gòu):采用全液壓壓下裝置，增加矯直力測壓儀，增加獨立伺服控制站。實時對輥縫進(jìn)行伺服控制，簡化輥縫壓下控制，自動補償設(shè)備彈性變形，實現(xiàn)自動頭尾單獨矯直規(guī)程，增加了對矯直機的保護(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；增加輥系油氣潤滑；增大電機及減速機能力；改善輥系潤滑條件，大幅提高輥系承載能力[4]。

（3）更換矯直機機架提高機架剛度。

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

5 結(jié)語

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