新型冶金機械的設計及其調控特性研究

玄少明

（鞍鋼集團本鋼北營鐵運公司，遼寧 本溪 117017）

隨著經濟的飛速發展，汽車船舶以及精密儀器等機械制造業也被相繼帶動起來，國內市場對冶金產品的質量也有著更高的要求。而鋼鐵以及有色金屬的裝備生產又往往以軋制為主，所以以軋機為代表的冶金機械發展水平象征著一個國家的工業技術的發展程度。但是就目前來看，我國面臨著低端產品的產能過剩、高端產品的生產能力不足等問題。就發展形勢來看，對于冷軋板帶以及軋機的技術改革是十分有必要的，因此筆者展開了有關方面的設計研究工作。

1 新型軋機的研制

軋機研制的出發點永遠都是提升其生產質量、提高其生產效率、減少其生產成本。因此在這一要點下，主要以電磁調控技術為核心，對新型軋機進行了研制。新型軋機的整體結構示意圖如圖1 所示。

圖1 新型軋機的整體結構示意圖

軋機輥系選擇的是非對稱結構，通過降低上工作輥的尺寸可以使軋制過程中的平均壓力得到大幅度降低，進而可以減少軋制力矩以及能源消耗。此外，可以應用下工作輥單輥傳動的方式，來處理上工作輥由于直徑小而不能抵抗較大扭矩的問題。所以在設計中，在上輥系處設置2 個單輥用來支承，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一步提升生產精度。對于該軋機中的異徑單輥傳動軋制來說，上工作輥與下工作輥之間可以實現協同配合，可以使整個運行過程達到平穩狀態，不需要配備特定的控制系統，簡化了設備的整體結構[1]。

2 工作輥輥型調控特性分析

2.1 電磁調控軋輥的工作原理

本文提及的輥型電磁調控技術，其主要根據電磁調控軋輥得以實現。其中電磁調控軋輥主要的結構組成有軋輥、電磁感應線圈以及電磁棒等，電磁棒穿過具有通孔軋輥并與其連接到一塊，電磁感應線圈兩端連接在感應電源上并與電磁幫纏繞在一起。其具體工作原理是，電磁感應線圈在接通電源后，會對電磁棒以及通孔周圍進行加熱，根據電磁棒以及局部通孔的熱脹效應，可以完成對軋輥形狀的調整，電磁棒的使用數量可以根據熱量需求自行調整。電磁調控軋輥工作原理示意圖如圖2 所示。

圖2 電磁調控軋輥工作原理示意圖

由圖2 可知，隨著感應線圈的進一步加熱處于通孔內部的Ⅰ區域會受到線圈的直接加熱效果，周圍溫度迅速上升；通孔內部的Ⅱ區域會由于電磁棒以及通孔表面接觸產生熱的傳遞，溫度也會隨著增長；通孔周圍的溫度上升使得輥部發生變形。

2.2 電磁棒位置變動對輥型調控的影響

為了進一步分析工作輥輥型調控特性，通過改變電磁棒的位置來觀察輥型曲線的變化。當電磁棒處于軋輥的中部時，對應的輥型曲線是關于y 軸對稱的，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 所示的各個狀態下的輥型曲線。

圖3 不同工況下的輥型曲線

由圖3 可以發現，當加熱時間達到300 s 時，每個位置所獲得的輥型曲線都有差異，但對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，實際上是軋輥的位置以及結構造成的。當加熱時間達到600 s 時，其產生的輥型曲線與之前相比未出現明顯變化。綜合以上分析，隨著電磁棒一步步向左偏移，其與之相對應的輥型曲線都不盡相同，但其形狀都大體相似，且當加熱時間進一步延長時，曲線的變化規律不受到影響。

2.3 電磁棒直徑增大對輥型凸度的影響

在上述分析中可知，保持軋輥的直徑一定，進一步增加電磁棒的直徑會使得通孔尺寸加大，從而降低軋輥的剛度。然而隨著電磁棒的直徑進一步增大，會加大電磁調控能力。因此，本文主要研究當電磁棒的直徑為60 mm、80 mm 或者100 mm 時，分析其調控能力。

對于電磁調控技術而言，電磁參數的不同會影響工作輥的凸度。改變電磁參數的大小，可以得到不同的輸入功率，電磁調控的效率以及能力也會有差異。也就是說，改變電磁棒的直徑大小，會得到不同尺寸的加熱區域，從而改變加熱的效率，很難進行分析。要想研究三種電磁棒的調控能力，就要把電磁棒的溫度加熱至極限溫度，從而得到對應情況下的極限凸度調控量。為此，將電磁棒的長度設置成150 mm，同時加熱的頻率調整為統一的400 Hz 進行了加熱實驗，并最終得到了如表1 所示的不同直徑電磁棒下電磁調控能力的大小。由下表可以知道，隨著電磁棒直徑的進一步加大，其電磁調控能力也會進一步上升。

表1 不同直徑電磁棒下電磁調控能力的大小

3 軋機調控特性實驗研究

3.1 實驗方案

在對新型軋機設計之后，通過理論分析了它的調控特性，為了進一步驗證其在實際軋制過程中的調整效果，展開了鋁帶軋制實驗。在進行實驗之前，首先要打開電源加熱電磁棒，隨著電磁棒溫度逐步上升到實驗要求的溫度以后，電源可以通過改變頻率的大小對被測點進行階段性加熱，從而使得該處溫度趨于穩定，在階段性加熱一段時間直至溫度基本不發生變化后，再進行軋制實驗[2]。對機構調整完畢后，對軋制力的大小控制在設定值，打開軋機的驅動電機進行連續的軋制過程。在整個實驗過程中，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。

在電磁棒的溫度監測位置采集四個目標溫度，其大小分別為20 ℃、150 ℃、200 ℃以及250 ℃。隨著溫度上升到某個目標溫度軋制完成后，要關閉電源終止加熱，等到設備的溫度降到室溫大小后，在重復上述的操作。這樣做的目的是保證整個實驗過程中的穩定性，防止相鄰兩個工況溫度會彼此之間相互影響，降低了實驗的準確性。

3.2 軋制實驗過程及結果分析

整個實驗過程中，軋制力的大小控制在10 t，當不采用電磁棒進行加熱時，鋁制板帶在軋制一段時間后，形成了彎曲失穩的現象，此外板帶的寬度也有所減小。開啟電源后，將溫度上升到150 ℃時，其所形成的彎曲失穩現象得到了一定程度的控制，但是仍舊不能使得軋制過程趨于平穩，為此我們將電磁棒溫度又升高至200 ℃，鋁制板帶已經不存在較為明顯的失穩現象，但是軋制后依然獲得不了好的板形。最后，又進一步將其溫度提高到250 ℃，鋁帶在整個軋制過程中，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圖4 所示。

圖4 軋輥板帶的受力分析示意圖

由圖4 可知，當鋁制板帶受到軋制力的作用后會產生撓曲，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。當電磁調控溫度進一步上升時，會使得軋輥凸度進一步增大，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程中由于失穩而造成的局部浪型問題。因此，通過實驗研究結果可以知道，當電磁棒的溫度在加熱過程中進一步升高后，會使得電磁調控軋輥的凸度也進一步增加，這一現象也優化了軋制力在鋁制板帶上分布不平均的情況[3]。由此可以得出結論，研制的新型軋機在引入電磁調控技術后，可以使得軋機在軋制過程中更加的穩定可靠。

4 結語

隨著隨著經濟的飛速發展，冶金機械的發展水平越來越象征著一個國家的工業技術的發展程度，對于國內該方面技術手段落后的局面，根據電磁調控技術，研制出了一種新型軋機。經由理論分析以及實驗研究相結合的分析方式，針對其工作原理以及調控特性等關鍵問題開展了一系列研究，并進行了軋機性能的實驗研究，其結果表明該設備在引入了電磁調控技術后，可以使得軋機在軋制過程中軋制力分布不均勻的現象得到改善，使得整個過程更加穩定。