熱軋2250 卷取夾送輥咬入帶鋼狀態分析及改進

余慧敏，陳建峰，譚 進，曹 媛，溫 肖

（中國重型機械研究院股份公司，陜西 西安 710032）

卷取是熱軋高強度厚規格板生產線的關鍵工序之一。該工序中，帶鋼頭部在進入卷取機時，總是會出現夾緊力不足，夾送輥無法壓緊帶鋼，帶鋼與卷筒之間無法形成足夠的張力，進入卷取機時易出現堆鋼、起套等問題，造成卷取效果不理想，后果嚴重的還會影響帶鋼的質量，造成廢卷。2250 熱軋生產線在生產此類產品時就存在卷取機卷取能力不足的問題。當前經濟發展迅速，國內外對帶鋼的需求量日趨增加，市場形勢要求我們必須盡快提高大批量生產帶鋼的能力，對夾送輥咬入狀態進行系統分析，以此制定相關的措施，從而改善2250 熱軋生產線的卷取工藝，優化產品質量，同時提高生產效率，增強產品的競爭力。

1 帶鋼的咬入狀態分析

帶鋼頭部在張力的作用下進入夾送輥，進入狀態的好壞與卷取能否成功有著直接關系。理論研究表明，無論何種規格的帶鋼，在夾送輥處的咬入狀態分為理想咬入狀態和非理想咬入狀態。夾送輥咬入帶鋼時，上下夾送輥在液壓缸的推力作用下產生的力矩主要是克服帶鋼的彈塑性彎曲變形力矩，使帶鋼產生向下的合適的彈塑性彎曲變形，以便帶鋼可以通過導向板順利地進入卷取機。如果夾送輥的最大夾緊力足以克服帶鋼的彈塑性彎曲變形，帶鋼可以順利地進入卷取機，此狀態稱為理想咬入狀態；當夾送輥的最大夾緊力產生的彎曲力矩小于帶鋼的彈塑性彎曲變形力矩，帶鋼彈塑性彎曲不明顯，甚至可能無法彎曲，那么帶鋼此時不能以良好狀態進入卷取機，甚至無法進入，此時帶鋼處于非理想咬入狀態。

1.1 帶鋼的理想咬入狀態分析

當帶鋼處于理想咬入狀態，受力分析如圖1 所示。

圖1 理想咬入狀態時的受力分析

理論上，作用在帶鋼上由外力產生的彎曲力矩為靜摩擦力產生的彎曲力矩和夾緊力產生的彎曲力矩，但由于靜摩擦力的作用遠小于夾緊力的作用，故忽略不計，那么外力產生的彎曲力矩就只剩下夾緊力產生的彎曲力矩，即：M=MF，那么帶鋼咬入時所需的夾緊力為：

式中：MW為帶鋼的彈塑性彎曲變形力矩。

帶鋼張力穩定，夾送輥在理想狀態咬入帶鋼時，它的變形曲率為理想變形曲率：

1.2 帶鋼的非理想咬入狀態分析

夾送輥的作用是引導帶鋼頭部進入卷取機入口導板。帶鋼在非理想的咬入狀態下，夾緊力小于理想狀態下所需的夾緊力，彎曲力矩小于帶鋼的彈塑性彎曲變形力矩，夾送輥無法壓緊帶鋼，帶鋼不能順利的咬入，產生反作用力，迫使上夾送輥往上移動。根據圖2 的受力分析，對比理想狀態，夾緊力的力臂在增加，當力臂增加到彎曲力矩克服帶鋼的彈塑性彎曲變形力矩時，上夾送輥不再上移，輥縫穩定，帶鋼與夾送輥之間達到了力矩平衡，帶鋼可以咬入，但這種方法是通過增加力臂來增大彎曲力矩的，雖然可以咬入，但是咬入狀態不好，此時的穩定是非理想狀態的穩定。

圖2 非理想咬入狀態時的受力分析

2 計算實例分析

2.1 帶鋼咬入狀態的實例分析

實際生產中，帶鋼的咬入受到各種因素的制約，很難達到理想的狀態，一般介于理想咬入狀態和非理想咬入狀態之間，當然越接近理想狀態越好，那么如何判斷帶鋼咬入狀態是否接近理想狀態是一個重要的問題。通過前面的研究可以知道，帶鋼的變形曲率是一個重要的參數，帶鋼咬入時的變形曲率越接近于理想變形曲率，則咬入狀態越好，反之，則效果不理想，影響產品質量?；趯嶋H生產的要求，帶鋼咬入狀態的實際情況可以通過帶鋼的相對變形曲率來判斷，將非理想狀態的變形曲率與理想狀態的變形曲率進行對比，即相對變形曲率：

2250 熱軋卷取機的設計能力為：規格寬（w）×高（h）為2 000 mm×25.4 mm 的帶鋼經過夾送輥時，它的彈塑性彎曲變形力矩，其中σS為卷取溫度下帶鋼的熱屈服強度，根據計算得MW=169.3kN·m。

根據理想咬入狀態分析，以及對應公式的計算可以知道，2250 熱軋卷取機理想狀態時的偏移角和理想曲率分別為16.8°和3.807×10-3。

根據理論設計，要改善咬入狀態，必須增大彎曲力矩，也就是增大夾緊力或者力臂，但是非理想狀態時增大力臂的效果并不好，所以最好是增大夾緊力。上夾送輥的夾緊力：

式中：D 為液壓缸的直徑，230 mm；d 為活塞桿直徑，125 mm；p1為液壓缸的工作壓力，20 MPa；p2為液壓缸背壓，5 MPa；s 為力臂比，1。

由此可以得到上夾送輥夾緊力為1 368.46 kN。

根據式（2），可以得到當液壓缸直徑為230 mm時，帶鋼咬入時夾緊力作用在帶鋼上的彎曲力矩，得出帶鋼處于非理想的咬入狀態。

根據式（5）和式（6），可以解出α2為11.04°，變形曲率為1.578×10-3，將這兩個值帶入式（7），則得出帶鋼的相對變形曲率為41.44%。

由此可以知道，此時夾送輥的夾緊力遠遠不足，咬入狀態根本無法使帶鋼順利進入卷取機，這種情況下帶鋼頭部勢必會對導向板、助卷輥、卷筒等造成嚴重損壞，也極易損壞帶鋼，造成卷型不良甚至廢卷，嚴重影響生產效率和產品質量，降低企業整體的生產能力。針對這一問題，2250 熱軋卷取機需要增大夾送輥的夾緊力，使帶鋼的咬入狀態趨近于理想狀態，使卷取的成功率達到生產要求。

2.2 改進措施

為解決這一問題，從設備、參數、帶鋼頭部的熱處理以及層冷等方面進行了嘗試，最終采取了優化參數、增大液壓缸直徑的方法來提高夾送輥的夾緊力，此方法符合實際情況，可以有效快速地改善帶鋼咬入狀態的問題。

將液壓缸的直徑分別增大到250 mm 和280 mm，由式（8）和式（9）可以知道，上夾送輥的夾緊力分別為1 625.74 kN 和1 912.26 kN。再根據式（2）可以計算出帶鋼在理想咬入狀態時所需的夾緊力F=2 131kN。

將液壓缸的直徑增大到250 mm 和280 mm，夾送輥的最大夾緊力由原來的1 368.46 kN 增大到1 625.74kN 和1912.26kN，分別提高了18.8%和39.7%。

改進后的夾緊力不斷增大，但依然小于理想咬入狀態時所需要的夾緊力，由此可以證實在實際生產中，缸徑無法無限增大，還有其他不可控的因素影響，所以帶鋼進入理想咬入狀態是很難實現的，所采取的改進措施只能是趨于理想。帶鋼處于非理想咬入狀態時，根據式（5），可以計算出缸徑為250 mm和280 mm 時，α2分別為13.6°和15.64°，帶入式（6）中，求出變形曲率分別為：2.323×10-3和3.162×10-3，此時帶鋼的相對變形曲率為61.04%和83.07%。

對比改進前的相對變形曲率只有41.44%，由此可看出改進后，帶鋼咬入的實際狀態有了很大改善。

2.3 夾送輥扭矩分析及驗證

通過對比上面的數據可知，液壓缸直徑增大到280 mm，帶鋼的咬入狀態更好，但是液壓缸的增大不是沒有限制的，改進前后夾送輥的電機是不變的，因此必須滿足所選電機的動力要求。

夾送輥的電機參數：T=9 550P/n=17.7 kN·m，Tmax=2.25T=39.9 kN·m，Ttop=Ti=31.8 kN·m，Ttopmax=Tmaxi=71.8kN·m。其中，T 為標準扭矩；P 為電機額定功率，650 kW；n 為電機額定轉速，350 r/min；Ttop為上夾送輥標準扭矩；i 為減速比，1.8；最大過載系數為2.25。

由帶鋼咬入的要求可以知道，上下夾送輥作用在帶鋼上的力矩大于等于帶鋼的彈塑性彎曲變形力矩，帶鋼才會發生彎曲變形，即：

式中：T1為上夾送輥所需的扭矩；T2為下夾送輥所需的扭矩。

改進前，夾送輥在咬入或者夾送帶鋼的過程中，上下夾送輥所需的扭矩分別為T1=60.1 kN·m

改進后，夾送輥夾緊力增大，電機的減速比i=3.6，通過式（10）（11）計算出：當液壓缸直徑為250 mm時，ρ2=430.4 mm，T1=118 kN·mTtopmax=143.6 kN·m，T2=44.6 kN·m>Tmax=39.9kN·m，無法滿足所選電機的要求。

因此，由于受到構件強度、制造條件、現場實際工況等條件的限制，綜合各種因素以后，液壓缸的直徑增大到250 mm 合格。

2.4 改進后的效果

實際上，夾送輥夾緊力還包括上夾送輥自身的重力，只是由于該力相對太小，因此忽略不計，所以改進后的夾緊力比理論計算的還會有所增加，咬入狀態還會更好一點。從改進后的數據對比及現場生產情況來看，夾送輥咬入帶鋼的狀態明顯改善了。帶鋼頭部在增大的夾緊力的作用下，彎曲成形滿足生產的要求，帶鋼順利進入卷取機，最大程度上減輕了帶鋼對導向板、助卷輥、卷筒等設備的損壞，延長了設備的使用壽命，同時也改善了卷形質量，減少廢卷，提高了整體的生產效率。熱軋廠大批量生產高質量厚板的能力得到了提升，增強了市場競爭力。

3 結論

1）熱軋2250 卷取機夾送輥在咬入帶鋼時存在著理想咬入狀態和非理想咬入狀態兩種情況，帶鋼的實際咬入狀態可以用相對變形曲率來衡量。

2）采用增大液壓缸直徑的方法來增加夾緊力，從而改善帶鋼的咬入狀態，是可行的方法之一，但直徑不能無限增大，需滿足原來電機的要求，增大液壓缸直徑的辦法在現場條件受限的情況下，改動少、成本低、節省時間、見效快，是比較接近現實的辦法。

3）改善帶鋼的咬入狀態之后，帶鋼的卷形質量有了保證，因此熱軋生產線卷取技術的改進對提高熱軋生產線的生產能力有重要的意義。