3000 mm 中厚板矯直機能力提升改造實踐

劉開海

（福建省三鋼（集團）責(zé)任有限公司 中板廠，福建 三明 365000）

0 引言

國內(nèi)某鋼廠中板線于2006 年建成，軋線上只有一臺十一輥機械壓下矯直機，近年來，該中厚板廠產(chǎn)品由追求產(chǎn)量向追求質(zhì)量擴展，生產(chǎn)的品種鋼趨于多樣性，矯直溫度降低、材料的屈服強度提高等多種因素，軋線上僅有的一臺矯直機設(shè)備在矯直力及自動化程度方面無法滿足要求。存在鋼板瓢曲無法矯平，經(jīng)常導(dǎo)致批量板形不合格事故。而且國內(nèi)其他同類產(chǎn)線均配有預(yù)矯直機、熱矯直機兩臺矯直機共同矯直，相比于其他鋼廠該鋼廠矯直能力更顯不足。目前中板廠生產(chǎn)的主要產(chǎn)品鋼種有Q390、Q420、Q460、22SiMn2TiB、NM400，鋼板厚度8～155 mm。由于廠線長度限制，無法通過新增預(yù)矯直機進行提高產(chǎn)能及改善矯直效果。

1 矯直機能力提升改造方案制定

基于現(xiàn)狀，對擬開發(fā)的NM400 及Q500 鋼板矯直要求并結(jié)合現(xiàn)有矯直工藝，需將矯直機矯直力提升至30000 kN 才能滿足要求。主傳動通過負(fù)荷平衡設(shè)定，原設(shè)計能力仍能滿足要求。設(shè)備能力提升前后參數(shù)見表1。

表1 矯直機設(shè)備整體能力對比表

本次能力提升改造為在線改造，為最大程度縮短施工工期，以利舊原設(shè)備基礎(chǔ)安裝尺寸為前提。制定改造方案主要有以下幾點：首先，采用預(yù)應(yīng)力機架進行升級，通過預(yù)應(yīng)力機架提高機架的剛度，減少機架的應(yīng)變，保障設(shè)備精度。其次，采用液壓壓下系統(tǒng)及二級系統(tǒng)，實現(xiàn)自動執(zhí)行矯直和反矯，提高矯直效果。再者，采用負(fù)荷平衡利舊原主傳動并將矯直最高速度由1.2 m/s 提升至1.8 m/s，提高產(chǎn)量等。

2 矯直機能力提升改造實踐

2.1 矯直機機架結(jié)構(gòu)提升

2.1.1 矯直機預(yù)應(yīng)力機架簡介

為了滿足現(xiàn)場矯直機矯直能力的需求，在原機架外形尺寸的基礎(chǔ)上設(shè)計了新的高強度、高剛度的預(yù)應(yīng)力機架，主要由液壓螺母、上橫梁、立柱、拉桿、下機架和圓螺母組成，預(yù)應(yīng)力機架架構(gòu)簡圖如圖1 所示。

圖1 預(yù)應(yīng)力機架簡圖

2.1.2 矯直機預(yù)應(yīng)力機架剛度計算

預(yù)應(yīng)力機架基本結(jié)構(gòu)：由上部橫梁、下機架及4個立柱系統(tǒng)組成。上部橫梁、下機架采用焊接件，用來安裝輥縫調(diào)整的活動梁并承載矯直力，主柱系統(tǒng)由預(yù)緊拉桿、圓螺母、剖分式定距環(huán)及液壓螺母組成。拉桿與上部橫梁、下機架形成預(yù)應(yīng)力機架。液壓螺母通過剖分式定距環(huán)支撐預(yù)緊后，對拉桿和立柱產(chǎn)生作用，分別產(chǎn)生拉伸和壓縮變形，此時將上液壓螺母鎖緊，則在機架內(nèi)部產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力。

預(yù)應(yīng)力機架在預(yù)緊力[1]P0（一般預(yù)緊力P0是最大矯直力P的1.2～1.6 倍）的作用下，使拉桿受拉，有一定的生產(chǎn)量S1；相反，立柱受壓，有一定的壓縮量S2，圖2 中三角形OAM反映了拉桿和立柱的受力與變形關(guān)系。矯直機工作時，矯直力使得拉桿繼續(xù)拉伸，拉桿所受到的拉力在預(yù)緊力P0的基礎(chǔ)上增加了ΔP1，與此相對應(yīng)的拉桿變形在S1的基礎(chǔ)上又增加了ΔS，立柱的壓縮量也回彈了ΔS，由于這個變化，使得殘余預(yù)緊力P0減小到P2。正是由于預(yù)緊力P0的存在，才使得矯直力P引起的變形為ΔS，否則，按照力與剛度的線性關(guān)系，矯直力對拉桿引起的變形為ΔSp（ΔSp＞ΔS），這也就是該預(yù)應(yīng)力機架在與原機架外形不變的情況下能提高矯直機剛度的原因。

圖2 立柱和拉桿受力變形簡圖

圖3 各矯直輥受力分析簡圖

矯直狀態(tài)時拉桿和立柱受力變化之和等于矯直力，即：ΔP1+ ΔP2=P。

機架的剛度系數(shù)為：k= 4（k1+k2）

當(dāng)材料一定時，剛度與拉桿和立柱的斷面積及其有效長度有關(guān)：

拉桿剛度系數(shù)：

立柱剛度系數(shù)

拉桿的相對剛度系數(shù)：

立柱的相對剛度系數(shù)：

則有，ΔP2=K2×P，ΔP2=K2×P

令：n=

得ΔP1=

從上式可知，e為常數(shù)，與拉桿和立柱選用的材料有關(guān)，r值與設(shè)備結(jié)構(gòu)有關(guān)，酌情考慮即可，故只考慮增加n值（即增大立柱與拉桿的面積比）便可以使ΔP1減小，檔n值又不宜過大，n過大意味著ΔP2過大，導(dǎo)致殘余預(yù)緊力P2減小。一般取n= 2 ～5。

2.1.3 矯直機立柱和拉桿參數(shù)選擇

最大矯直力P總= 30000 kN，預(yù)緊力取矯直力的1.4 倍，則單根拉桿預(yù)緊力P0= 10500 kN。

設(shè)計拉桿斷面尺寸：φ180 mm，則其截面面積S1=25447 mm2，拉桿有效長度L1= 6750mm，彈性模量E1= 210 GPa。

立柱斷面尺寸：400 × 400 × 70，其截面面積S2=92400 mm2，立柱有效長度L2= 6750 mm，彈性模量E2= 210 GPa。

經(jīng)以上公式可得：

在預(yù)緊力和矯直力共同作用下，機架拉桿所受最大拉伸力為：

對立柱和拉桿進行強度校核：

拉桿截面最大應(yīng)力：

立柱截面最大應(yīng)力：

機架剛度計算

拉桿剛度：

立柱剛度：

機架整體剛度：

經(jīng)計算，拉桿和立柱設(shè)計尺寸滿足改造提升要求。

2.2 矯直機輥系承載能力核算

輥系由矯直輥、支承輥、輥盒等組成。矯直輥是進行板材矯直的主要部件，上矯直輥五件，下矯直輥六件（包括出入口邊輥），上下矯直輥交錯排列。除兩根邊輥設(shè)有三排支承輥外，其余九根矯直輥每根輥下面（上面）均設(shè)有五排支承輥，有10 個軸承。為了承擔(dān)矯直力和防止工作輥在運行過程中發(fā)生扭曲，矯直機支撐輥兩兩交錯布置，中心交錯距離為35 mm，輥系各

矯直過程為先殘留彎曲后矯直，各矯直輥受到的矯直力可根據(jù)軋件斷面的力矩平衡條件求出[2，3]，簡化計算公式得：

式中：Ms為塑性彎曲力矩，N·m；Mw為彈性彎曲力矩，N·m；σs為鋼板屈服強度，MPa；b為鋼板寬度，mm；h為鋼板厚度，mm；t為輥距，mm。

通過計算可得各矯直輥（輸入矯直輥1#至輸出矯直輥11#）受力比例約為1.5∶4.5∶6∶5.8∶5.3∶3∶4.8∶4.3∶4∶3∶1。3#矯直輥的支撐輥軸承受到的載荷最大。3#輥輥子位于下輥座，下輥座受力比例約為1.5∶6∶5.3∶4.8∶4∶1，按提升后最大矯直力30000 kN，計算得3# 輥子受力約為30000 × 6 ÷（1.5 + 6 + 5.3 + 4.8 + 4 + 1）=7965 kN。3#輥五排支撐輥承載，軸承型號為24130CC，額定動載荷為915 kN，單排矯直輥下的額定支撐力，滿足能力提升后的支撐條件。

2.3 矯直機壓下裝置提升

為實現(xiàn)自動輥縫調(diào)整，新壓下結(jié)構(gòu)須為全液壓壓下裝置，并采用四個帶位移傳感器的AGC 液壓缸實現(xiàn)輥縫調(diào)整動作。AGC 液壓缸提供矯直機壓下動力來源，可提高輥縫設(shè)定精度，實現(xiàn)補償矯直過程機架垂直方向的彈跳，全液壓壓下輥縫設(shè)定精度（±0.1 mm）比電動機械壓下輥縫設(shè)定精度（±1.0 mm）提高了10倍，同時可避免機械壓下絲桿、銅螺母螺紋副加工誤差及機械間隙造成的輥縫多次調(diào)整后出現(xiàn)四角不平現(xiàn)象。提升后的全液壓壓下裝置可實現(xiàn)伺服閉環(huán)控制，提高熱矯直機的輥縫設(shè)定精度及高輥縫標(biāo)定的快捷性與準(zhǔn)確度，從而保證了鋼板的矯直效果。多道次矯直時，出入口傾動量需時時調(diào)整，全液壓壓下裝置可根據(jù)矯直道次實現(xiàn)自動進行調(diào)整，相對機械壓下手工調(diào)整，大大提高了矯直作業(yè)效率。此外，可在矯直過程中實時監(jiān)測矯直力，一旦過載可快速增大輥縫，避免設(shè)備損壞。

2.4 矯直機換輥裝置提升

換輥裝置用于拆出和裝入整套上下輥系（包括矯直輥、支承輥），另平時矯直輥輥面粘渣需通過換輥裝置進行抽輥檢查、修磨，因此換輥裝置的快速性直接影響到矯直機作業(yè)率。提高換輥快速性，主要方案：接軸托架兩側(cè)對稱安裝一個位移傳感器，將位移傳感器上部通過傳感器支架固定在接軸托架滑架上，測桿支架固定在接軸托架上。并將接軸托架最高位設(shè)置為位移傳感器的最大值，將接軸托架最底位設(shè)置為位移傳感器的最小值。機旁操作箱可視化步序換輥功能，并要在操作箱上可看到接軸托架升降過程中入口側(cè)及出口側(cè)的高度數(shù)值。在國內(nèi)實現(xiàn)了獨有的快速抽下輥系修磨上、下矯直輥的功能，并使單次矯直輥修磨時間約20 min，整套輥系更換約50 min。

2.5 矯直機自動矯直功能提升

對矯直機控制系統(tǒng)更新，提升其自動化程度。主要控制邏輯為矯直機控制系統(tǒng)在精軋機末道次時，接收軋機或者MES 待矯鋼板信息，并形成跟蹤隊列，當(dāng)鋼板抵達(dá)快冷出口時，控制系統(tǒng)根據(jù)來料PDI 信息以及其屈服強度、規(guī)格等信息，通過與控制系統(tǒng)內(nèi)調(diào)用合適的參數(shù)，根據(jù)模型計算，計算出相應(yīng)的矯直輥縫、速度等規(guī)程，之后進行預(yù)設(shè)定下自動發(fā)給矯直機基礎(chǔ)自動化系統(tǒng)。矯直機自動化系統(tǒng)判定當(dāng)前矯直機區(qū)域無鋼時，接收數(shù)據(jù)并完成預(yù)擺。當(dāng)鋼板抵達(dá)矯前高溫計時，根據(jù)高溫計反饋的溫度，通過矯直機控制系統(tǒng)溫度模型，經(jīng)過二次精確計算，之后再次自動下發(fā)給矯直機基礎(chǔ)自動化系統(tǒng)，由其自動完成所有規(guī)程的精確定位執(zhí)行，輥道此時也降速到咬入速度，板頭到達(dá)機后熱檢后提升到矯直速度，完成自動矯直過程。

2.6 矯直機生產(chǎn)能力的提升

軋制、矯直生產(chǎn)能力進行對比：主要影響矯直時間是鋼板矯直多道次，結(jié)合現(xiàn)場各鋼板各工序時間，矯直機的矯直時間比精軋的軋制時間更長的軋制塊數(shù)占比43.4%，限制了軋線速度的提升。矯直機能力提升后Q355 鋼種部分規(guī)格由3 道次矯直減為單道次矯直；另一方面通過優(yōu)化軋制、冷卻和矯直工藝，矯直最高速度由1.2 m/s 提升至1.8 m/s，使精軋的軋制時間比矯直機的矯直時間更快的軋制塊數(shù)占比43.4%降至30%，從而提升軋線效率。

3 結(jié)論

通過本次3000 mm 矯直機在線能力提升的改造，制定了合理的設(shè)計、制造、安裝施工方案，將矯直機的矯直力由23000 kN 提升至30000 kN，投產(chǎn)以來，軋線平均機時塊數(shù)由36 塊提高至45 塊。同時依托物料宏跟蹤、與MES、L1 及其他設(shè)備L2 的通訊，矯直機具備了在線參數(shù)設(shè)定和模型計算、短期自學(xué)習(xí)模型、長期自學(xué)習(xí)模型的功能，同時也為智能化工廠建設(shè)奠定良好的基礎(chǔ)。