新型冶金機(jī)械的設(shè)計(jì)及其調(diào)控特性研究

玄少明

（鞍鋼集團(tuán)本鋼北營(yíng)鐵運(yùn)公司，遼寧 本溪 117017）

隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，汽車(chē)船舶以及精密儀器等機(jī)械制造業(yè)也被相繼帶動(dòng)起來(lái)，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)對(duì)冶金產(chǎn)品的質(zhì)量也有著更高的要求。而鋼鐵以及有色金屬的裝備生產(chǎn)又往往以軋制為主，所以以軋機(jī)為代表的冶金機(jī)械發(fā)展水平象征著一個(gè)國(guó)家的工業(yè)技術(shù)的發(fā)展程度。但是就目前來(lái)看，我國(guó)面臨著低端產(chǎn)品的產(chǎn)能過(guò)剩、高端產(chǎn)品的生產(chǎn)能力不足等問(wèn)題。就發(fā)展形勢(shì)來(lái)看，對(duì)于冷軋板帶以及軋機(jī)的技術(shù)改革是十分有必要的，因此筆者展開(kāi)了有關(guān)方面的設(shè)計(jì)研究工作。

1 新型軋機(jī)的研制

軋機(jī)研制的出發(fā)點(diǎn)永遠(yuǎn)都是提升其生產(chǎn)質(zhì)量、提高其生產(chǎn)效率、減少其生產(chǎn)成本。因此在這一要點(diǎn)下，主要以電磁調(diào)控技術(shù)為核心，對(duì)新型軋機(jī)進(jìn)行了研制。新型軋機(jī)的整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。

圖1 新型軋機(jī)的整體結(jié)構(gòu)示意圖

軋機(jī)輥系選擇的是非對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，通過(guò)降低上工作輥的尺寸可以使軋制過(guò)程中的平均壓力得到大幅度降低，進(jìn)而可以減少軋制力矩以及能源消耗。此外，可以應(yīng)用下工作輥單輥傳動(dòng)的方式，來(lái)處理上工作輥由于直徑小而不能抵抗較大扭矩的問(wèn)題。所以在設(shè)計(jì)中，在上輥系處設(shè)置2 個(gè)單輥用來(lái)支承，還要考慮到上工作輥的水平以及豎直方向的剛度，降低工作輥的彎度從而進(jìn)一步提升生產(chǎn)精度。對(duì)于該軋機(jī)中的異徑單輥傳動(dòng)軋制來(lái)說(shuō)，上工作輥與下工作輥之間可以實(shí)現(xiàn)協(xié)同配合，可以使整個(gè)運(yùn)行過(guò)程達(dá)到平穩(wěn)狀態(tài)，不需要配備特定的控制系統(tǒng)，簡(jiǎn)化了設(shè)備的整體結(jié)構(gòu)[1]。

2 工作輥輥型調(diào)控特性分析

2.1 電磁調(diào)控軋輥的工作原理

本文提及的輥型電磁調(diào)控技術(shù)，其主要根據(jù)電磁調(diào)控軋輥得以實(shí)現(xiàn)。其中電磁調(diào)控軋輥主要的結(jié)構(gòu)組成有軋輥、電磁感應(yīng)線(xiàn)圈以及電磁棒等，電磁棒穿過(guò)具有通孔軋輥并與其連接到一塊，電磁感應(yīng)線(xiàn)圈兩端連接在感應(yīng)電源上并與電磁幫纏繞在一起。其具體工作原理是，電磁感應(yīng)線(xiàn)圈在接通電源后，會(huì)對(duì)電磁棒以及通孔周?chē)M(jìn)行加熱，根據(jù)電磁棒以及局部通孔的熱脹效應(yīng)，可以完成對(duì)軋輥形狀的調(diào)整，電磁棒的使用數(shù)量可以根據(jù)熱量需求自行調(diào)整。電磁調(diào)控軋輥工作原理示意圖如圖2 所示。

圖2 電磁調(diào)控軋輥工作原理示意圖

由圖2 可知，隨著感應(yīng)線(xiàn)圈的進(jìn)一步加熱處于通孔內(nèi)部的Ⅰ區(qū)域會(huì)受到線(xiàn)圈的直接加熱效果，周?chē)鷾囟妊杆偕仙?；通孔?nèi)部的Ⅱ區(qū)域會(huì)由于電磁棒以及通孔表面接觸產(chǎn)生熱的傳遞，溫度也會(huì)隨著增長(zhǎng)；通孔周?chē)臏囟壬仙沟幂伈堪l(fā)生變形。

2.2 電磁棒位置變動(dòng)對(duì)輥型調(diào)控的影響

為了進(jìn)一步分析工作輥輥型調(diào)控特性，通過(guò)改變電磁棒的位置來(lái)觀察輥型曲線(xiàn)的變化。當(dāng)電磁棒處于軋輥的中部時(shí)，對(duì)應(yīng)的輥型曲線(xiàn)是關(guān)于y 軸對(duì)稱(chēng)的，隨著電磁棒由中心位置處向左分別偏移20 mm、40 mm以及60 mm，從而得到了如圖3 所示的各個(gè)狀態(tài)下的輥型曲線(xiàn)。

圖3 不同工況下的輥型曲線(xiàn)

由圖3 可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)加熱時(shí)間達(dá)到300 s 時(shí)，每個(gè)位置所獲得的輥型曲線(xiàn)都有差異，但對(duì)于其徑向變化量的最大值基本一致，追尋其造成偏差的原因，實(shí)際上是軋輥的位置以及結(jié)構(gòu)造成的。當(dāng)加熱時(shí)間達(dá)到600 s 時(shí)，其產(chǎn)生的輥型曲線(xiàn)與之前相比未出現(xiàn)明顯變化。綜合以上分析，隨著電磁棒一步步向左偏移，其與之相對(duì)應(yīng)的輥型曲線(xiàn)都不盡相同，但其形狀都大體相似，且當(dāng)加熱時(shí)間進(jìn)一步延長(zhǎng)時(shí)，曲線(xiàn)的變化規(guī)律不受到影響。

2.3 電磁棒直徑增大對(duì)輥型凸度的影響

在上述分析中可知，保持軋輥的直徑一定，進(jìn)一步增加電磁棒的直徑會(huì)使得通孔尺寸加大，從而降低軋輥的剛度。然而隨著電磁棒的直徑進(jìn)一步增大，會(huì)加大電磁調(diào)控能力。因此，本文主要研究當(dāng)電磁棒的直徑為60 mm、80 mm 或者100 mm 時(shí)，分析其調(diào)控能力。

對(duì)于電磁調(diào)控技術(shù)而言，電磁參數(shù)的不同會(huì)影響工作輥的凸度。改變電磁參數(shù)的大小，可以得到不同的輸入功率，電磁調(diào)控的效率以及能力也會(huì)有差異。也就是說(shuō)，改變電磁棒的直徑大小，會(huì)得到不同尺寸的加熱區(qū)域，從而改變加熱的效率，很難進(jìn)行分析。要想研究三種電磁棒的調(diào)控能力，就要把電磁棒的溫度加熱至極限溫度，從而得到對(duì)應(yīng)情況下的極限凸度調(diào)控量。為此，將電磁棒的長(zhǎng)度設(shè)置成150 mm，同時(shí)加熱的頻率調(diào)整為統(tǒng)一的400 Hz 進(jìn)行了加熱實(shí)驗(yàn)，并最終得到了如表1 所示的不同直徑電磁棒下電磁調(diào)控能力的大小。由下表可以知道，隨著電磁棒直徑的進(jìn)一步加大，其電磁調(diào)控能力也會(huì)進(jìn)一步上升。

表1 不同直徑電磁棒下電磁調(diào)控能力的大小

3 軋機(jī)調(diào)控特性實(shí)驗(yàn)研究

3.1 實(shí)驗(yàn)方案

在對(duì)新型軋機(jī)設(shè)計(jì)之后，通過(guò)理論分析了它的調(diào)控特性，為了進(jìn)一步驗(yàn)證其在實(shí)際軋制過(guò)程中的調(diào)整效果，展開(kāi)了鋁帶軋制實(shí)驗(yàn)。在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)之前，首先要打開(kāi)電源加熱電磁棒，隨著電磁棒溫度逐步上升到實(shí)驗(yàn)要求的溫度以后，電源可以通過(guò)改變頻率的大小對(duì)被測(cè)點(diǎn)進(jìn)行階段性加熱，從而使得該處溫度趨于穩(wěn)定，在階段性加熱一段時(shí)間直至溫度基本不發(fā)生變化后，再進(jìn)行軋制實(shí)驗(yàn)[2]。對(duì)機(jī)構(gòu)調(diào)整完畢后，對(duì)軋制力的大小控制在設(shè)定值，打開(kāi)軋機(jī)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行連續(xù)的軋制過(guò)程。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，其軋制速度保持在每秒100 mm 左右，鋁帶的厚度為0.5 mm、寬度為250 mm。

在電磁棒的溫度監(jiān)測(cè)位置采集四個(gè)目標(biāo)溫度，其大小分別為20 ℃、150 ℃、200 ℃以及250 ℃。隨著溫度上升到某個(gè)目標(biāo)溫度軋制完成后，要關(guān)閉電源終止加熱，等到設(shè)備的溫度降到室溫大小后，在重復(fù)上述的操作。這樣做的目的是保證整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的穩(wěn)定性，防止相鄰兩個(gè)工況溫度會(huì)彼此之間相互影響，降低了實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性。

3.2 軋制實(shí)驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果分析

整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，軋制力的大小控制在10 t，當(dāng)不采用電磁棒進(jìn)行加熱時(shí)，鋁制板帶在軋制一段時(shí)間后，形成了彎曲失穩(wěn)的現(xiàn)象，此外板帶的寬度也有所減小。開(kāi)啟電源后，將溫度上升到150 ℃時(shí)，其所形成的彎曲失穩(wěn)現(xiàn)象得到了一定程度的控制，但是仍舊不能使得軋制過(guò)程趨于平穩(wěn)，為此我們將電磁棒溫度又升高至200 ℃，鋁制板帶已經(jīng)不存在較為明顯的失穩(wěn)現(xiàn)象，但是軋制后依然獲得不了好的板形。最后，又進(jìn)一步將其溫度提高到250 ℃，鋁帶在整個(gè)軋制過(guò)程中，都保持著較為良好的形狀。軋輥板帶的受力分析示意圖如下頁(yè)圖4 所示。

圖4 軋輥板帶的受力分析示意圖

由圖4 可知，當(dāng)鋁制板帶受到軋制力的作用后會(huì)產(chǎn)生撓曲，從而使得形成的輥縫有明顯的凸度，就造成了板帶在邊部的變形。當(dāng)電磁調(diào)控溫度進(jìn)一步上升時(shí)，會(huì)使得軋輥凸度進(jìn)一步增大，鋁制板帶的邊部與中部的下壓量相差較小，極大程度地削減了板帶軋制過(guò)程中由于失穩(wěn)而造成的局部浪型問(wèn)題。因此，通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果可以知道，當(dāng)電磁棒的溫度在加熱過(guò)程中進(jìn)一步升高后，會(huì)使得電磁調(diào)控軋輥的凸度也進(jìn)一步增加，這一現(xiàn)象也優(yōu)化了軋制力在鋁制板帶上分布不平均的情況[3]。由此可以得出結(jié)論，研制的新型軋機(jī)在引入電磁調(diào)控技術(shù)后，可以使得軋機(jī)在軋制過(guò)程中更加的穩(wěn)定可靠。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，冶金機(jī)械的發(fā)展水平越來(lái)越象征著一個(gè)國(guó)家的工業(yè)技術(shù)的發(fā)展程度，對(duì)于國(guó)內(nèi)該方面技術(shù)手段落后的局面，根據(jù)電磁調(diào)控技術(shù)，研制出了一種新型軋機(jī)。經(jīng)由理論分析以及實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的分析方式，針對(duì)其工作原理以及調(diào)控特性等關(guān)鍵問(wèn)題開(kāi)展了一系列研究，并進(jìn)行了軋機(jī)性能的實(shí)驗(yàn)研究，其結(jié)果表明該設(shè)備在引入了電磁調(diào)控技術(shù)后，可以使得軋機(jī)在軋制過(guò)程中軋制力分布不均勻的現(xiàn)象得到改善，使得整個(gè)過(guò)程更加穩(wěn)定。