冷矯直技術在寬厚板生產線的研究與應用

孟 波 毛文朵

（山東省冶金設計院股份有限公司 250101）

0 引言

1 冷矯直機控制功能

矯直多用于金屬板材加工的后部工序，很大程度上決定產品的質量水平，是利用反復彎曲并逐漸減小壓彎撓度方法達到矯直目的。萊鋼寬厚板生產線冷矯直機采取連續性反復彎曲的矯直技術，針對不同的板材，配備兩種輥盒（11輥和5輥）實現矯直控制，具有動態輥縫調整、矯直輥橫向彎曲補償[4]、整體傾動、出入口輥單獨調整等功能，能最大限度地消除可能出現的各種板形缺陷。可根據板厚調整上輥裝置的高度；上輥輥系縱向傾動調整，使矯直輥的輥縫從入口到出口逐漸增大；上輥輥系沿矯直輥的寬度方向作橫向傾動調整，以便鋼板在板寬方向作不同的延伸（矯單邊浪形鋼板）；進出口輥的單獨調節，可根據板厚和鋼板頭部情況靈活調節，矯直輥橫向彎曲，矯雙邊浪和中間浪形鋼板，生產一年來，矯直合格率達99.52%，達到設計要求。

冷矯直機采用全液壓調整系統，最大矯直力為3000噸，整個矯直機共有25 個液壓缸。上下矯直輥都擁有自己獨立的調整系統，可實現單獨控制，更換輥盒可以實現11/ 5 變輥矯直。頂部大梁的移動是通過4 個主液壓缸控制，每個液壓缸的上部都安裝有一個磁尺來精確計算液壓缸的行程，實現壓力和位置閉環控制。彎輥動作由1個彎輥液壓缸實現，由磁尺檢測液壓缸的行程，各個跟蹤數據通過Profibus現場總線直接發送到PLC上，各主液壓缸本體中部安裝有壓力傳感器，可采集、實時監控液壓壓力，在PDA（過程數據采集）上顯示波形。壓力的實時監控對矯直效果和標定都非常重要。

1.1 順序控制[2]

下圖1為順序控制邏輯圖，由光電管和光柵檢測鋼板位置，并校對跟蹤位置，當鋼板頭部到達光電管時，觸發向2 級發送數據的請求事件，2 級發送PDI數據給1 級進行預設定，主控制權限從輥道控制轉到矯直機控制；鋼板頭部到達光柵1 的位置，矯直機輸送輥道停止，對中鋼板，并最終完成設定，矯直機完成設定值的要求，準備開始矯直；鋼板頭部被光柵2檢測到，矯直機前輥刷下壓，清掃鋼板表面雜質；一道次矯直完成，根據鋼板表面效果，由操作工決定是否再次矯直；如果板型良好，鋼板離開，矯直機回到原始位置等待。

圖1 順序控制邏輯圖

表1 矯直參數

表2 模型計算結果與實際設定值比較

1.2 矯直力的計算[3]

根據十一輥矯直機設計資料，十一輥矯直機矯直參數，如表1 所示。將軋件看成是受很多集中載荷的連續梁，這些集中載荷就是各個輥對軋件的壓力。

矯直機總矯直力為：

式中：p—矯直機總矯直力；M—各工作輥上的彎曲力矩；t—矯直輥距離。

為了簡化計算，做以下假設：前面第2、3、4 輥下軋件的彎曲力矩為塑性彎曲力矩Ms：Ms=M2=M3=M4，后面第8、9、10 輥下軋件的彎曲力矩為屈服力矩Mw：Mw=M10=M9=M8，其余各輥下軋件的彎曲力矩為塑性彎曲力矩Ms 和屈服力矩Mw 的平均值，即 M5=M6=M7 ＝（Ms+Mw）/2，則作用在上、下棍子上的壓力總和為 ：p=ΣPi=4/t（Ms+Mw）（n-2）[7]

1.3 彎棍控制[8]

中厚板輥式矯直機的矯直輥輥縫由彎輥機構與壓下機構相結合來確定，由彎輥機構確定彎輥量的彎輥模型及壓下機構確定壓彎量的壓彎模型組成了矯直機的矯直模型，研究表明，除必須的壓彎量外，對矯直輥施加合適的彎輥量，能有效減小沿板寬方向上縱向纖維的不均現象，殘余應力可得到消除或呈均勻分布，生產實踐證明，配有彎輥裝置的矯直機矯直效率大大提高。

2 彎輥模型

該矯直機彎輥模型利用梁的彈塑性彎曲理論，通過建立板材在寬度方向上不同的彎曲模型，確定不同的彎曲撓度，得到了矯直輥的彎輥量。

2.1 機械裝置[5]

彎輥能夠實現與機械結構密不可分，矯直機的上壓力框架為對分式，分兩個部分，中間由液壓銷固定，更換輥盒時，液壓銷鎖定，使之成為一個整體，矯直過程中，液壓銷打開，上壓力框架成為對稱兩部分。上輥盒有偏轉補償，可以執行正負彎曲設置。上矯直輥和支承輥輥盒將安裝在伸縮式對分框架上。這個框架由于框架上端裝有偏心裝置，可實現這兩個部件的分離，因此也能實現矯直輥的彎曲。矯直過程彎曲由液壓缸和調節杠桿（偏心式）實現。位置控制則由安裝在彎曲缸內部的位置變送器實現控制。

2.2 彎曲理論

矯直輥彎輥量的確定是建立在梁的彈塑性彎曲理論基礎上，由此需要下列假設：板材的彎曲為純彎曲，板材縱向截面內各縱向纖維的變形符合虎克定律，材料為理想彈塑性材料。

根據上述假設，從材料力學可得，彎曲撓度滿足下列關系：

式中，き為x 處的撓度，M（x）為x 處的彎曲力矩，E 為彈性模量；，I 為材料橫斷面的慣性矩。

建立彎輥模型，利用上述公式在不同的彎曲及邊界條件下求出各撓度值及彎輥量。

2.3 模型建立[1]

本模型矯直輥彎輥裝置特點是以矯直輥中部為對稱點，兩邊對稱彎曲矯直輥，假設板材受集中載荷P，作用點在板端或中部，整體調整上排支撐輥彎曲上矯直輥來確定各自不同彎曲的撓度，板材的矯直過程是在多個矯直輥的作用下反復交替彎曲來進行的，考慮到矯直輥受壓下機構和彎曲機構的雙重作用，可認為板材的彎曲是由這兩種機構作用下的兩種彎曲疊加而成的，即：壓下機構對板材施加的彎曲和彎輥機構作用在板材上的彎曲，本模型主要通過梁2 的彎曲，建立彎輥機構的不同彎曲模型。那么，由式（1）積分，可分別得到板材在不同的矯直輥作用下彎曲的撓度。

2.3.1 矯直輥凸向上彎曲

主要用于矯直邊浪，將矯直輥中部當作支點，各支撐輥對矯直輥的作用簡化為兩端受集中力，由式（1）積分得到彎曲撓度

式中，P 為集中載荷；B 為板材寬度；σs 為屈服強度；h 為板材厚度；1/ρw

為最大彈性彎曲曲率；C 為相對總變形曲率，即沿厚度彈性區高度與厚度之比。2.3.2?矯直輥凸向下彎曲

主要矯直中浪，將矯直輥的兩端當作支點，各支撐輥對矯直輥的作用簡化為中部受集中載荷，矯直輥凸向下彎曲撓度由式（1）積分得：

2.3.3 矯直輥橫向傾斜

主要矯直邊浪，矯直輥的橫向傾斜仍由壓下機構來完成，為消除邊浪，矯直輥在正常的壓下以后，對板寬方向有邊浪一側須加大壓彎量，或者把加大部分叫作增量，因該增量所起的作用是矯邊浪，故把該增量的確定也放在彎輥模型這一部分。同上，將矯直輥在橫向傾斜時板材在矯直過程中的受力情況簡化，板材的支點放在板材無邊浪一側，由端部撓度來確定矯直輥的增量部分，由式（1）積分得：

2.3.4 彎輥量的確定

從上面幾個公式中看出，要確定撓度值，確定C即可.就是說，板材各平直度缺陷被矯直所需要的彎曲變形量，應由板材厚度方向上縱向纖維的塑性區高度決定，因彎輥是在板材已受到矯直輥壓彎基礎上進行的，那么它使塑性區高度的增加量，能使小曲率處的縱向纖維拉伸到與大曲率處的縱向纖維長度一致的程度矯直輥在入口處的壓彎量，一般由塑性變形區高度占厚度的80% 時的彎曲程度得到，由此可設定彎輥量能使塑性區高度占厚度5%～15%，即矯直輥彎輥后作用在板材上的彎曲曲率使塑性變形區高度為（5～ 15）% h，為便于計算，可將該值認為從最大彈性極限變形開始，由此可得相對總變形曲率

將式（5）代入式（2）～式（4），則求出上述三種情況的撓度值。

3 應用

萊鋼4300mm熱處理生產線十一輥冷矯直機，板材溫度630 ℃，σs = 107.8 MPa，E =68600 MPa，Eˊ= 13700 Mpa，計算矯直輥的彎輥量時，板1，2，3 屈服撓度分別為0.64，1.18，0.36，板1，2 的計算值與設定值相近，板3 的計算值與設定值誤差較大.板1，2結果接近說明板材在進入矯直機時的板形較好，板3誤差大表明板材在進入矯直機時的板形不好，瓢曲情況較為嚴重，故生產中采用了較大的彎輥量；另外由于板3 相對較厚，屈服撓度值相應較小，矯直輥的壓彎量也就較小，故對板形較差的板材局部區域彎曲量就不足，則由彎輥糾正板形的量就相對較大，實際生產中，遇到這種情況可依賴經驗解決，出現這種情況應是正常的，因即使對于相同尺寸、材質、溫度等的板材，彎曲的情況可以多種多樣，彎曲的曲率也是大小不同，這可以通過對C 值進行修改來解決。

彎輥功能具有單獨的控制回路，操作人員按下負彎輥鈕就能改變彎輥位置。除了按標定過程的部分順序控制外，彎輥控制模式一般處于工作狀態中，所有用于彎輥控制系統的伺服閥和電磁閥都在自動控制方式下完成。

4 結論

生產經驗表明，需要冷矯的鋼板，厚度大多在25～35mm 以下，速度范圍0～30/60m/sec。鋼板的冷矯直一般采用多道次、逐道次改變壓下量的方法，將鋼板的不平直度減少到要求的范圍以內。板材在矯直過程中的彎曲是由壓下機構和彎曲機構共同作用在矯直輥上的結果，利用梁的彈塑性彎曲理論，考慮到板材厚度方向上塑性變形區的高度，得出了矯直輥的彎輥量為屈服撓度的1.05～ 1.15 倍，經與生產中的設定值比較，較為吻合，可以作為彎輥量確定的基本公式，以此建立的彎輥模型應有一定的實際意義.能最大限度地消除鋼板在冷卻和剪切過程中可能出現的各種板形缺陷。

[1] 崔甫，矯直理論與矯直機械。[J]北京：治金工業出版社，2002.P124

[2] 蔣慰孫，俞金壽。過程控制工程。[J]北京：烴加工出版社出版，1988。P68

[3] 孫一康，帶鋼熱連軋數學模型基礎。[J]北京：治金工業出版社，1979。P94

[4] 王效崗；黃慶學；；新式中厚板矯直機的技術特點[J]；山西治金；2006年02期 P241

[5] 李世蓉；十七輥可調式銅板矯直機的研究[D]；昆明理工大學；2007年 P25

[6] 袁國，黃慶學，董輝，孟曉偉；中厚板矯直技術發展的現狀與展望[J]；太原重型機械學院學報；2002年S1期 P67

[7] 楊固川；中厚板變輥距矯直機的結構與國內外使用概況[J]；治金設備；2002年06期 P192

[8] 薛軍安；中厚板矯直過程的理論分析及其控制系統[D]；東北大學；2009年 P29