熱軋粗軋機APC油缸剛度變化對帶鋼鐮刀彎影響分析

朱松濤

(新疆八一鋼鐵股份有限公司軋鋼廠)

概述

八鋼1750熱軋產(chǎn)線使用單機架粗軋機往復(fù)多道次軋制，生產(chǎn)過程中粗軋機剛度變化會對帶鋼造成影響，如產(chǎn)生較嚴(yán)重鐮刀彎等問題，會造成熱軋生產(chǎn)軋制過程不穩(wěn)定，發(fā)生跑偏堆鋼，使產(chǎn)品出現(xiàn)浪形、邊部缺口等質(zhì)量缺陷，對熱軋的生產(chǎn)順行造成嚴(yán)重影響。為此，結(jié)合現(xiàn)場實際情況，在影響粗軋機剛度變化的多種因素中找到關(guān)鍵點，通過采取有效措施提升粗軋機總剛度，減少兩側(cè)剛度差，減小帶鋼鐮刀彎的程度，保證生產(chǎn)穩(wěn)定順行，從而提升了熱軋產(chǎn)品質(zhì)量。

1 粗軋剛度與鐮刀彎關(guān)聯(lián)性分析[1]

軋機剛度也稱為軋機模數(shù)，是軋機受力后所有受力部件產(chǎn)生彈性變形的總和，K 為軋機的剛度系數(shù)(簡稱為剛度)。

K=tanα=ΔP/Δf

式中:ΔP—為軋制力增量，kN;Δf—彈跳變化值，mm。K的物理意義是使軋機產(chǎn)生1mm彈性變形所需的軋制力，它表示了軋機抵抗彈性變形的能力，K愈大，軋機剛度愈好。

軋機整體剛度是軋制工藝控制過程所需的重要參數(shù)，是軋制精度的主要指標(biāo)， 軋機剛度會隨著部件使用過程中的不均勻磨損而降低，軋機剛度的降低及不對稱變化，會對板形、尺寸精度產(chǎn)生直接影響。

2020年7月八鋼1750熱軋粗軋機實測剛度值與設(shè)計值對比見表1。

表1 2020年7月實測八鋼1750熱軋粗軋機剛度指標(biāo)

1.1 粗軋機剛度對鐮刀彎的影響

理論上軋機兩端變形一致，軋機彈性變形曲線為一直線，軋出的軋件厚度h可以用彈跳方程進(jìn)行計算。

h=S0+f=S0+(P-P0)/K

式中:h—軋件厚度，mm;f—軋機彈跳值，mm；S0—考慮預(yù)壓靠變形后的空載輥縫，mm；P0—空載軋制力，kN;P—軋制力，kN;K—軋機剛度系數(shù)，kN/mm。

軋機兩側(cè)的剛度相等時，兩側(cè)的彈性變形也相等，因此兩側(cè)輥縫相等，兩側(cè)軋制力相等，兩側(cè)的輥縫差為零，跑偏產(chǎn)生鐮刀彎可能性?。划?dāng)軋機兩側(cè)剛度出現(xiàn)差異，兩側(cè)的剛度系數(shù)不同，會使軋機兩側(cè)的彈跳計算出現(xiàn)偏差，兩側(cè)輥縫設(shè)定不一致，帶鋼兩側(cè)厚度不同，跑偏產(chǎn)生鐮刀彎可能性變大。軋機彈跳值變化如圖1所示。

圖1 軋機彈跳值變化示意圖

1.2 粗軋機剛度影響因素分析

八鋼1750熱軋粗軋機結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.機架;2.壓下絲桿;3.APC油缸; 4.上支撐輥;5.上工作輥; 6.下工作輥;7.下支撐輥; 8.下階梯墊框架;9.下階梯墊調(diào)整裝置; 10.底板;11.上承壓板; 12.壓頭; 13.下承壓板;14.軋機支撐座; 15.階梯墊板; 16.支撐輥弧形墊;17.下支撐輥襯板;18.下工作輥襯板; 19.上支撐輥襯板;20.上工作輥襯板

通過軋輥壓靠法測量粗軋機對應(yīng)軋制壓力的軋機彈跳值，測量出軋機的靜態(tài)剛度值，在所有受力部件中，受工況影響和結(jié)構(gòu)特性所致，影響剛度變化的主要部件及因素見表2。

從表2可以看出，APC油缸作為剛度標(biāo)定產(chǎn)生正壓力的動力部件，出現(xiàn)問題不易發(fā)現(xiàn)，結(jié)合現(xiàn)場實際情況，分析粗軋機整體剛度變化。

表2 影響粗軋機剛度因素

2 APC油缸剛度變化與鐮刀彎關(guān)聯(lián)性分析[2][3]

八鋼1750熱軋粗軋機APC油缸性能參數(shù)見表3，APC油缸結(jié)構(gòu)見圖3。對APC油缸剛度變化進(jìn)行分析：上線使用時間<2年，為新品油缸(即新制造油缸)；上線使用時間>2年，返廠修理過1次以上為舊品油缸。

1.防塵圈;2、4、8.密封圈;3.有桿腔油口；5.無桿腔油口;6.位移傳感器；7.缸體；9.活塞桿和活塞；10.端蓋；11.緩沖結(jié)構(gòu)圖3 APC油缸結(jié)構(gòu)示意圖

表3 APC油缸參數(shù)

2.1 新品APC油缸剛度有限元分析

使用ANSYS軟件對新品APC油缸在不同工作載荷下的應(yīng)力變形進(jìn)行分析，見圖4。

10MPa工作載荷下的等效應(yīng)力

15MPa工作載荷下的等效應(yīng)力

20MPa工作載荷下的等效應(yīng)力圖4 不同工作載荷下新品APC油缸應(yīng)力變形情況

粗軋機結(jié)構(gòu)示意圖通過有限元分析得出新品APC油缸(材質(zhì)為42CrMo抗拉強度σb為1080MPa)不同工作載荷下的應(yīng)力和總變形量見表4。

表4 新品APC油缸(σb為1080MPa)有限元分析數(shù)據(jù)

結(jié)合圖4有限元分析可知，粗軋機APC液壓缸隨著負(fù)載增加，應(yīng)力變形主要為液壓缸未與軸承座接觸部位.呈現(xiàn)向下變形的趨勢，與軸承座接觸的區(qū)域呈現(xiàn)上翹的趨勢。由表4得出：在工作壓力增大情況下，油缸局部應(yīng)力增大，變形量增大，但最大變形量為0.1060mm，影響剛度值最大125kN/mm。說明新品APC油缸能滿足粗軋機剛度、精度要求。

2.2 舊品APC油缸剛度分析[4、5]

根據(jù)國內(nèi)外研究資料分析，合金材料在頻繁交變應(yīng)力作用下，隨著使用周期的延長，性能老化加劇，使用15年左右抗拉強度性能下降均值在25%～30%。八鋼1750熱軋粗軋機APC油缸材質(zhì)為42CrMo,使用至今14年，反復(fù)修復(fù)，缸體底面尺寸減薄約3mm，且存在一定材料性能老化.依據(jù)該觀點，現(xiàn)針對使用14年的粗軋APC油缸，按抗拉強度降低30%，42CrMo抗拉強度按σb=756MPa進(jìn)行性能老化后的有限元分析，分析此APC缸的應(yīng)力分布和最大變形量。

表5 舊品APC油缸(σb為756MPa)有限元分析數(shù)據(jù)

圖5 舊品APC油缸軋制過程監(jiān)測曲線圖

3 APC油缸剛度變化對鐮刀彎影響分析

軋制模型控制是按照軋機兩端剛度一致，來控制軋件厚度，但由于兩側(cè)剛度偏差，實際軋出的軋件厚度差Δh用彈跳方程計算。

依據(jù)2020年7月粗軋機剛度標(biāo)定過程中實測值，標(biāo)定軋制力P=10000kN,P0=0,操作側(cè)剛度K操=1950kN/mm， 傳動側(cè)剛度/K傳=2350kN/mm

h操=S0+f

=S0+(P-P0)/K操=S0+10000/1950

=S0+5.12

h傳=S0+f=S0+(P-P0)/K傳

=S0+10000/2350

=S0+4.25

2)令為各評價指標(biāo)的最優(yōu)值，其中若j為正指標(biāo)，則越大越好；若j為負(fù)指標(biāo)表示越小越好。xij相對于的接近度用矩陣Dij表示，并對其進(jìn)行歸一化處理，得d=(dij)n×m。

Δh=h操-h傳=(S0+5.12)-(S0+4.25)

=0.87mm

通過彈跳方程計算可知：由于兩側(cè)APC缸剛性不一致，使板坯寬度方向上厚度不同Δh達(dá)到0.87mm，必然使板坯發(fā)生鐮刀彎變形。

4 更換APC油缸后效果對比分析

通過對APC油缸的有限元分析，鎖定目前影響粗軋剛度的關(guān)鍵因素在于APC油缸，于是更換了2件新品APC油缸，更換后粗軋機剛度如表6所示。

表6 最新粗軋機剛度數(shù)據(jù)

粗軋道次間板坯鐮刀彎改善明顯，板型穩(wěn)定可控，因粗軋來料側(cè)彎造成的廢鋼次數(shù)大幅縮減，通過質(zhì)檢每日統(tǒng)計數(shù)據(jù)驗證，鋼卷邊部缺口質(zhì)量缺陷損失率由前期0.8%下降至0.2%，鋼卷浪型抽檢合格率提升，抽檢合格率由前期均值90%上升至98%～100%，且能夠持續(xù)保持。

5 APC油缸的檢修及維護(hù)措施

通過使用有限元分析和更換APC油缸前后的效果對比，驗證了粗軋APC油缸應(yīng)力變化是軋機剛度不足的主要影響因素。APC油缸在長期使用后，自身剛度會明顯降低且不穩(wěn)定，從而對粗軋機剛度產(chǎn)生較大影響，造成中間板坯鐮刀彎現(xiàn)象嚴(yán)重，出現(xiàn)一系列產(chǎn)品質(zhì)量問題。

為此制定了管控措施：

(1)粗軋機APC新品上線制定2年使用周期，到期必須下線，上線油缸必須是履歷一致、幾何尺寸一致成對更換；(2)APC油缸下線后進(jìn)行全方位探傷檢測，且必須進(jìn)行消除應(yīng)力處理；

(3)下線APC油缸修復(fù)，原則上只修復(fù)一次，及時申報新品油缸；

(4)因輥系磨損，需在APC油缸與支撐輥軸承座之間添加墊板時，必須規(guī)范添加墊片，避免隨意使用不同規(guī)格墊板，因接觸面積過小對APC油缸造成的不可逆的變形損害。即定制標(biāo)準(zhǔn)墊板尺寸為1200mm×700mm×(1、2、3)mm，每次添加墊片數(shù)量不得超過2塊；

(5)對粗軋機嚴(yán)格執(zhí)行周期精度檢測和嚴(yán)格執(zhí)行部件周期檢修更換，將粗軋剛度持續(xù)保持在4800～5000 kN/mm。

6 結(jié)束語

針對八鋼1750熱軋帶鋼造成較嚴(yán)重鐮刀彎的問題，對熱軋粗軋機APC油缸應(yīng)力變化進(jìn)行了分析，依據(jù)變化規(guī)律，制定了管控措施，使粗軋機達(dá)到了設(shè)計剛度值，減小了帶鋼鐮刀彎的程度，提升了熱軋軋制穩(wěn)定性和產(chǎn)品質(zhì)量。