中厚板冷矯機輥徑對矯直厚度影響及輥徑模型

中厚板冷矯機輥徑對矯直厚度影響及輥徑模型

李久慧1，孫長飛1，鄭健1，趙明俠1，沙明紅2

(1.鞍鋼集團工程技術有限公司，遼寧 鞍山 114021；2.遼寧科技大學材料與冶金學院，遼寧 鞍山 114051)

摘要：論述了中厚板矯直過程中影響板材矯直的關鍵因素，根據金屬材料彈塑性彎曲理論和矯直原理推導出矯直輥徑計算公式。采用該公式驗證了5.5m和4.3m中厚板生產線冷矯機輥徑與鋼板屈服強度間的關系，分析了該冷矯機所能矯平最薄鋼板的厚度，計算結果與實際吻合。

關鍵詞：冷矯機；彈塑性彎曲理論；臨界曲率半徑；平直度

中圖分類號：TG333文獻標識碼：A

收稿日期：2015-04-17；修訂日期：2015-07-09

作者簡介：李久慧(1972-)，男，工程師，從事軋鋼設備及工藝的研究與設計工作。

通訊作者：沙明紅(1976-)，女，副教授，從事材料成型工藝控制及組織性能研究。

Effect of roll diameter on the straightening thickness and the mathematicalmodel for cold leveler of heavy plate

LI Jiu-hui1, SUN Chang-fei1, ZHENG Jian1, ZHAO Ming-xia1, SHA Ming-hong2

(1.Ansteel Engineering Technology Corporation Limited, Anshan 114021, China;

2.University of Science and Technology Liaoning, Anshan 114051，China)

Abstract：Roll diameter formula of cold leveler was derived based on plastoelastic deformation theory and straightening theory. Meanwhile, the key factors of plate straightening process on medium and heavy plat were discussed in this paper. The formula was used in cold levelers of 5.5m and 4.3m heavy plate production line. The thinnest thickness of the plate straightened for the cold leveler was analyzed. The calculated results agreed with the actual production. The formula of roll diameter calculation for cold leveler has guiding significance for roller diameter designing of leveler and production organizing.

Keywords：cold leveler；plastoelastic deformation theory; critical curvature radius; flateness

0前言

中厚板生產水平是一個國家鋼鐵工業水平的重要標志。中厚板被廣泛應用于工程機械、海洋平臺、橋梁、建筑、石油化工及國防建設等諸多領域[1]。至2012年，我國投產的中厚板生產線約76條，年生產能力超過1億噸。目前我國中厚板生產已由產量效益向質量效益轉變，生產高附加值中厚板是未來發展之路[2，3]。矯直機是中厚板生產線的重要設備，直接決定著中厚板產品的生產效率、鋼板平直度、產品殘余應力以及最終質量[4,5]。近年來，各高校和科研院所也開展了關于矯直機及其性能的研究和設計，國內厚板生產線相繼進行了改造和新建項目[6-8]。冷矯機是不可缺少的設備，它關系到成品板的板形、表面質量、內部殘余應力等能否滿足用戶要求。

1影響矯直質量因素

矯直一塊鋼板，矯直質量好壞，影響因素有多種，對于鋼板來說主要是材質性能和鋼板厚度；對于矯直機來說，在矯直力和矯直扭矩滿足要求的情況下，取決于矯直輥直徑、輥間距、重疊(壓下)量、矯直輥數量等。

1.1矯直輥數

矯直輥數量多少對矯直鋼板內部殘余應力有影響，根據文獻報道矯直輥數量應不大于13個，繼續增多對減小殘余應力作用有限，而制造和使用成本都將增加，現在大多數板材冷矯機為9輥。

1.2輥徑大小

2矯直輥徑計算公式

本文根據彈塑性彎曲理論，推導出鋼板矯直時所需曲率半徑計算公式，對于矯直機選型，矯直輥系選取以及分析矯直機能力方面，都有參考意義。

2.1矯直過程的實質

矯直機能否矯平鋼板，選擇適合的矯直輥徑是前提條件。矯直過程是鋼板連續通過矯直輥，經過多次正、反向的交替彎曲，使材料中長短不一的纖維同步拉伸到超過長纖維屈服點，卸載后，使所有纖維恢復到統一長度，從而消除邊部波浪或中間鼓型等板型缺陷，此外小應變塑性變形可消除金屬內部由于軋制或熱處理過程中產生的殘余應力。

2.2金屬板材彈塑性彎曲基本理論

彈塑性彎曲是指既有彈性變形又有塑性變形的彎曲，根據材料力學中性層概念，當矯直輥作用于金屬板(厚度為h)，其應力分布示意圖如圖1所示，金屬板產生彎曲變形，以中性層為界限，凸面側纖維伸長產生拉應力，凹面側纖維縮短產生壓應力。應力到屈服極限σs之前，各條縱向纖維的變形為彈性變形(σI)，遵守胡克定律σ=Eε；當彎曲變形達到屈服極限之后，該條縱向纖維的應力與應變關系不再遵守虎克定律而表現為某種曲線或近似直線的彈塑性變形(σII)，卸載之后必然有一部分變形得不到恢復而成為永久變形，矯直鋼板就是通過彎曲變形，使其纖維層產生不同程度的塑性應變εr，距離中性層越遠的纖維層產生塑性應變率越大[10]。

圖1　應力應變曲線及彈塑性變形應力分布 Fig.1　Stress-strain curve and stress distributed of plastoelastic deformation

2.3彈塑性彎曲變形基本關系

本研究采用染色體步移技術獲得了長度為2143 bp的LhsorMYB12基因啟動子序列(圖6)，并將其與該基因的核苷酸序列進行拼接(圖7)，提交至GenBank數據庫(登錄號：MG593164)。順式作用元件分析結果表明，該基因啟動子區內不僅含有核心啟動子元件TATA-box和CAAT-box，還包含多個與光響應相關的順式元件、晝夜節律調控元件和MYB蛋白的識別與結合位點等(表3)。

如圖2所示，金屬板材為理想彈塑性材料，單位長度的材料b0b2受彎曲后，其截面b2b2轉到b1b1位置。這時弧長b2b1等效地代表纖維b0b2的應變量，用εr表示。

材料塑性變形率fp=1-He/H，反映了材料的彈塑性變形程度。中厚板矯直時，材料塑性變形率fp通常在70%～85%之間選取，鋼板厚度越薄，fp數值應越大，高強薄板矯直時fp應在80%以上，避免矯直后，鋼板內殘余應力引起變形。

圖2　矯直輥與鋼板彈性彎曲變形關系 Fig.2　Basic relation of leveler roll and plastoelastic deformation of steel plate

2.4公式推導

根據圖中幾何關系和虎克定律，可得如下基本關系。

單位材料纖維長度：L=Rsα

單位材料纖維長度屈服變形后伸長：ΔL=Hα/2

(1)

整理得

(2)

其中，Rs為材料達到塑性變形時所需臨界曲率半徑。

由于矯直鋼板時需要材料產生塑性彎曲變形εr，因此矯直輥直徑應小于Ds，根據材料塑性變形率fp，計算矯直輥直徑公式

Dp=Ds×(1-fp)

(3)

將式(2)代入式(3)，可得矯直輥直徑計算公式(4)

(4)

式中,α為彎曲時材料與輥面接觸角；ρ為材料中性層的曲率半徑；H為材料的整個厚度；He為

彈塑性交界處的厚度；E為材料彈性模量；Rs為輥半徑；Ds為輥直徑；σs為材料屈服強度；εs為材料屈服變形；Dp為矯直輥直徑。

3矯直輥直徑計算公式分析應用

3.1鞍鋼5.5 m厚板生產線冷矯機

鞍鋼鲅魚圈5.5 m厚板生產線是2007年引進一臺冷矯機，其由德國SMS公司設計，該矯直機為可調矯直輥數和輥距型，矯直輥徑φ220×240，矯直鋼板厚度5～50 mm；廠家反映該矯直機對屈服強度<500 MPa中厚度鋼板矯直效果良好，矯直薄規格鋼板效果不好。

利用公式(4)分析該矯直機能夠矯直鋼板的最小厚度和強度關系，矯直鋼板最高溫度Tmax=100 ℃,E=200 GPa,fp=0.85,Dp=220 mm，計算結果如表1所示。當σs≤500 MPa時，該矯直輥徑(φ220)對厚度 5～50 mm鋼板都能滿足要求；而當σs≥700 MPa時，對于6 mm以下鋼板該輥徑不能矯平，無論是增加矯直力或壓下量都是無意義的。

表1　可矯直鋼板最小厚度與強度的關系

3.2鞍鋼4.3m厚板生產線冷矯直機

鞍鋼4.3 m厚板生產線是2014年引進一臺冷矯直機，由意大利DANIELI公司設計，該矯直機為可換輥系型，矯直鋼板厚度5～70 mm, 屈服強度195～1 500 MPa,一套輥系矯直輥徑φ205×240，用于矯直薄板；一套輥系矯直輥徑φ360×380，用于矯直厚板。

由于該矯直機位于1#冷床之后，2#冷床入口輥道位置上，矯直在線鋼板溫度Tmax=600 ℃，矯直熱處理線鋼板時為常溫，常溫時E=200 GPa。

利用公式(4)分析該矯直機分別配置小輥系(fp=0.85Dp=205 mm)和大輥系(fp=0.85Dp=360 mm)情況下，能夠矯直鋼板的最小厚度，結果如圖3所示。從圖中可以看出，隨著鋼板屈服強度的增加，大輥系與小輥系所能矯直鋼板的最小厚度值相差越來越大；對于t≤5 mm薄規格普碳鋼及t≤10 mm高強鋼板只能由小輥系來完成矯直。小輥系的最小矯直厚度可達3.5 mm，比普通矯直機厚度減小12.5%。

圖3　雙輥系矯直機鋼板最小矯直厚度與強度的關系 Fig.3　The thinnest thickness and strength of the plate straightened for the leveler of double roller system

4結論

根據彈塑性彎曲理論和矯直原理推導出矯直輥直徑公式，并應用該公式分析鞍鋼中厚板現有矯直機能矯到的最薄板厚，與設備實際能力一致。對于可換輥系矯直機，通過該公式可初選不同矯直輥徑和輥距的輥系；可調輥數和輥距矯直機，由于矯直輥直徑不能變化，廠家選型時可根據自己產品大綱，采用該公式來確定該型矯直機矯直輥直徑大小。

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