中厚板矫直机能力分析与改进

宋磊 关宏利 牛野

北方重工集团有限公司 辽宁沈阳 110141

目前，随着钢铁工业的结构调整，由于中厚板具有较高附加价值，已成为各钢铁企业的发展重点，其产量和质量的要求逐年提高，且其品种规格趋于多样化。为了满足这些生产要求，国内部分大型中厚板生产厂家均纷纷引进国外先进的矫直设备和技术。但在实际生产中即使具备先进的设备，由于现场设备条件及工艺标准要求的不断提高，仍然很难得到理想的矫直质量，通过对矫直控制系统的优化实现更为有效地矫直过程是非常必要的。

1 概述

近年来，国内钢材市场的持续低迷，常规产品盈利水平极低或亏损，而有的钢厂在中厚板方面始终处理盈利状态，主要是对中厚板品种开发了较高附加值的产品。市场销量较好、附加值较高的中厚板产品主要有屈服强度在600MPa级的高强工程机械用钢，高强耐磨钢；低温压力容器钢方面，低温韧性的LNG储罐用9Ni钢，中温抗氢钢；460、550MPa级超高强船板、海洋平台用钢等，对中厚板生产中矫直机矫直能力提出了更高要求。酒钢中厚板矫直机采用的是六七十年代的落后技术，目前在生产中存在较多问题，矫直屈服强度大于400MPa的钢板经常出现工作辊和支承辊轴承损坏；工作辊表面大量粘结硬质氧化铁颗粒；操作人员对辊缝人工，无法定性及定量控制，经常出现过矫现象损坏设备，使工作辊更换修磨频繁，较大影响品种及高强钢的开发。因此，矫直能力的分析有利于矫直机的改造和使用。

2 矫直机能力分析

机架的有限元分析。本文以酒钢中厚板矫直机为例，利用SOLIDWORKS进行建模功能，建立矫直机机架的几何模型。为满足有限元计算需要，对原有实体模型进行适当简化处理，去掉对机架刚度影响不大的小孔、倒角、沟槽、凸台等。

（1）建立模型。矫直机机架是典型的轴对称结构，并且载荷对称，依据对称原则仅建立矫直机机架的1/2模型；机架底座刚度很大，在工作过程中其变形量很小，对机架整体刚度影响很小，将其作为实体处理；机架立柱间的横梁主要起支撑联结作用，对机架整体刚度几乎没有影响，将其省略；依据对称原则仅计算单片机架牌坊的模型，其中，机架立柱部位结构刚度单一，变形稳定，采用比较稀疏的网格；横梁为空心结构，承受载荷很大，变形量较大，采用比较致密的网格。利用Ansys的网格模型扩展功能，可以显示机架整体的有限元模型[1]。

（2）有限元条件设定。载荷加载按在单片牌坊上横梁压下螺母部位分别加载两处均布载荷进行，给机架施加矫直力，考察机架横梁的最大挠度、应力等参数。机架矫直过程中的载荷和边界条件为：①机架底座底部平面施加全位移约束；②在立柱侧面横梁的位置对立柱施加X向位移约束；③在横梁与立柱、立柱与底座之间进行一体化实体处理；④工作过程中最大承载力按2400t校核，单片牌坊模型上承担的最大载荷为1200t。在上横梁压下螺母的环形作用区域内施加均载荷，为48.74MPa[2]。

（3）计算结果。机架为整体式焊接机架，立柱材料Q235A，机械性能如下：σb=375-500MPa，σs=215MPa，E=2.05E11Pa，μ=0.3。

（4）机架应力分析。矫直过程中，牌坊主体的等效应力很小，只在立柱与上横梁焊接的根局部有比较大的应力，这与实际情况相符。

3 矫直机辊系性能分析

以酒钢中板的矫直机为例：在线辊系参数：工作辊辊径为250mm，支承辊辊径为250mm，辊距为260mm，矫直辊辊长为3000mm，支承辊4排，数量为36支，支承辊长度400mm，电机为2X246KW。通过计算可得许用矫直力1050吨，最大卸荷力1150吨。该矫直机最大的矫直能力范围为：550MPa级别6mm-17mm厚度钢板，700MPa级别6mm-13mm厚度钢板，400MPa级别6-20mm厚度钢板；如要开发550MPa-700MPa级别的17-40mm厚度钢板，从此性能图分析是无法满足的[3]。

4 改造方向

要矫直高强度中厚钢板（40mm以内，400MPa-600MPa），矫直机的钢度大于10000KN/mm。所需的矫直力在2500吨以上，从机架及辊系的性能分析，酒钢中板的矫直机能力远远不够，在开发20mm/400MPa以上的钢板，矫直机极易损坏。也就说明了在实际使用过程中矫直机为什么经常损坏，最主要原因是过载引发的问题。要改造矫直机必须从以下4个方面入手，方能提高矫直机的能力。

（1）改造压下机构:采用全液压压下装置，增加矫直力测压仪，增加独立伺服控制站。实时对辊缝进行伺服控制，简化辊缝压下控制，自动补偿设备弹性变形，实现自动头尾单独矫直规程，增加了对矫直机的保护。

（2）改造现有辊系：加大工作辊及支承辊辊径，增加辊距；增加支承辊数量和规格；导辊增加支承辊；增加辊系油气润滑；增大电机及减速机能力；改善辊系润滑条件，大幅提高辊系承载能力[4]。

（3）更换矫直机机架提高机架刚度。

（4）新增电控系统及二级模型：实现智能矫直、辊缝自动标定、辊系控制冷却、自动/半自动换辊；降低人工操作风险，稳定矫直质量。

5 结语

提高矫直机的能力，不能单纯的分析某一项指标性能，而是需要从多方面进行分析，要分析机架的刚度，同时还要分析矫直机的辊系参数是否能满足要求，这样才能找出矫直机的问题点进行改进。