中厚板矯直機能力分析與改進

宋磊 關宏利 牛野

北方重工集團有限公司 遼寧沈陽 110141

目前，隨著鋼鐵工業的結構調整，由于中厚板具有較高附加價值，已成為各鋼鐵企業的發展重點，其產量和質量的要求逐年提高，且其品種規格趨于多樣化。為了滿足這些生產要求，國內部分大型中厚板生產廠家均紛紛引進國外先進的矯直設備和技術。但在實際生產中即使具備先進的設備，由于現場設備條件及工藝標準要求的不斷提高，仍然很難得到理想的矯直質量，通過對矯直控制系統的優化實現更為有效地矯直過程是非常必要的。

1 概述

近年來，國內鋼材市場的持續低迷，常規產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，主要是對中厚板品種開發了較高附加值的產品。市場銷量較好、附加值較高的中厚板產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，目前在生產中存在較多問題，矯直屈服強度大于400MPa的鋼板經常出現工作輥和支承輥軸承損壞；工作輥表面大量粘結硬質氧化鐵顆粒；操作人員對輥縫人工，無法定性及定量控制，經常出現過矯現象損壞設備，使工作輥更換修磨頻繁，較大影響品種及高強鋼的開發。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，對原有實體模型進行適當簡化處理，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構，并且載荷對稱，依據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結作用，對機架整體剛度幾乎沒有影響，將其省略；依據對稱原則僅計算單片機架牌坊的模型，其中，機架立柱部位結構剛度單一，變形穩定，采用比較稀疏的網格；橫梁為空心結構，承受載荷很大，變形量較大，采用比較致密的網格。利用Ansys的網格模型擴展功能，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行，給機架施加矯直力，考察機架橫梁的最大撓度、應力等參數。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的最大載荷為1200t。在上橫梁壓下螺母的環形作用區域內施加均載荷，為48.74MPa[2]。

（3）計算結果。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）機架應力分析。矯直過程中，牌坊主體的等效應力很小，只在立柱與上橫梁焊接的根局部有比較大的應力，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：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，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遠不夠，在開發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常損壞，最主要原因是過載引發的問題。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: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。實時對輥縫進行伺服控制，簡化輥縫壓下控制，自動補償設備彈性變形，實現自動頭尾單獨矯直規程，增加了對矯直機的保護。

（2）改造現有輥系：加大工作輥及支承輥輥徑，增加輥距；增加支承輥數量和規格；導輥增加支承輥；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）新增電控系統及二級模型：實現智能矯直、輥縫自動標定、輥系控制冷卻、自動/半自動換輥；降低人工操作風險，穩定矯直質量。

5 結語

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