板带矫直机压下量的计算方法及其对矫直质量的影响

1、板带矫直机压下量的计算方法及其对矫直质量的影响第32卷第4期2009年8月武汉科技大学JournalofWuhanUniversityofScienceandTechnologyVo1.32.No.4Aug.2009板带矫直机压下量的计算方法及其对矫直质量的影响王志刚,王辉,李友荣(武汉科技大学冶金装备及其控制教育部重点实验室,湖北武汉,430081)摘要:针对某辊式板带矫直机的结构特点,采用大变形法则确定了压下量,并利用曲线拟合方法,模拟矫直时带钢的变形曲线,确定了压下量与反弯挠度的关系.结果表明,利用该方法可方便地预测压下规程的矫直效果.关键词:板带矫直机;压下量;反弯挠度;残余挠度中图分

2、类号:TG333.2_.1文献标志码:A文章编号:16743644(2O09)O4一O347一O4随着国民经济的发展和机械工业的技术进步,用户对钢材产品质量的要求越来越高,而对板带材而言,则是对其平直度和精度要求的提高.辊式板带矫直机是板带材精整生产线上的关键设备,用以消除板带材的波浪弯和瓢曲等形状缺陷.对于不同材质和厚度的板带材,合适的压下量(辊位)是确保矫直质量的技术关键1.由于辊式矫直机矫直过程是由多次反弯,弹复组成的弹塑性变形过程,板带材变形复杂,虽有很多对矫直辊压下量设定的研究,但有关压下量对矫直质量的影响却研究较少.为此,本文针对某厂七辊板带矫直机,采用大变形原则确定了各工作辊的压

3、下量,利用曲线拟合的方法,模拟了该压下规程时带钢的变形曲线.利用该变形曲线确定压下量和反弯挠度的关系,可方便地预测该压下规程的矫直效果.该方法克服了传统矫直理论利用残余曲率表征矫直质量时曲率和压下量之间的关系不直观的缺点,为工业现场合理设定矫直机工作辊的压下规程,提高板带矫直质量提供了一种简便可行的方法.1矫直辊的压下量设定板带材在辊式矫直过程中是一个多次交替反弯的过程,类似于连续梁的多载荷弯曲,所以矫直理论基础采用梁的弹塑性弯曲理论2.为了简化分析,需对模型作如下假设:板材的弯曲为纯弯曲;忽略矫直辊与板材接触点位置对弯曲力矩的影响.弯曲有曲率和挠度两种不同的表示方法.反弯曲率C对应反弯挠度,

4、弹复曲率c对应弹复挠度,而残余曲率C(残余曲率一反弯曲率一弹复曲率),则对应残余挠度,故反弯挠度由弹复挠度和残余挠度组成:=+(1)矫直辊的压下量是根据作用在板材上的反弯挠度来确定的.图l为在F作用下的各挠度之间的对应关系.由图1可看出,当残余挠度为0时,说明板材已被矫直,反之板材未矫直.圈1弯曲挠厦不恿图Fig.1Drawingofbendingdeflection1.1弹复挠度的确定在矫直过程中,板材的弯曲与挠度之间的关系用的是材料力学中表示弯曲与挠度关系的公式,且建立在弹性变形基础上,因此得到的应是弹复挠度与弯曲力矩的关系,即:一面t2M(2)M一号一丢()+詈+丢c.一号c3收稿日期:

5、20090512基金项目:湖北省高等学校优秀中青年团队计划资助项目(T200905).作者简介:王志刚(1973一),男,武汉科技大学教授,博士生导师.E-mail:.ca武汉科技大学2009年第4期式中:M为弹塑性弯曲力矩,kN?mm;t为矫直辊辊距,mm;E为板材的弹性模量,MPa;为板材横截面对中性轴的惯性矩,inm;o-为屈服极限,MPa;b,H分别为板材的宽度和厚度,mm为材料的最大弹性应变;1/p为总变形曲率,mm-.;E为材料的加工硬化强度模量,MPa.1.2残余挠度的确定传统弯曲理论中的挠度公式是由弹性变形得到的.在此,塑性变形遗留下来的残余挠度

6、采用文献E3-1的研究结果,当残余曲率小于屈服曲率时,即:一C(4)当残余曲率大于屈服曲率时,有:筹式中:为弹性极限挠度;C为残余曲率与屈服曲率之比.1.3矫直辊压下量的确定由于该矫直机的上辊系必须整体倾斜调整,在下辊固定的情况下,按照文献E2确定人口辊2和出口辊6的压下量,则中间辊的压下量就可以确定.入口辊2的压下量为一2=2(-I-)(6)出口辊6的压下量为一(02)(7)根据几何关系可得到中间辊4的压下量:34一(32+)/2(8)2基于带钢变形曲线拟合的矫直质量计算方法矫直机的矫直质量一般以带钢的残余挠度或残余曲率来判定,残余挠度越小,矫直效果越好,带钢越平直.直接影响带钢残余挠度大小

7、的是矫直辊的反弯挠度,它等于该辊前后两个零弯矩点间带钢的挠度嘲,故在确定矫直工艺或计算矫直效果时,必须明确矫直辊压下量和反弯挠度之间的关系.一般认为,各辊的压下量应按照该辊的反弯挠度与其前后相邻二辊反弯挠度及其1/2相加的结果来计算4,即:一+÷(卜_1)+(升1)(9)文献28在确定矫直机的工艺参数模型时也按此处理.但在实际应用中,利用式(9)将理论计算得到的反弯挠度值转化为压下量(辊位)后并不能准确地保证各辊应有的反弯挠度,导致达不到理论的矫直效果.同时根据已知的压下量也无法得到各辊的反弯挠度和残余曲率,难以对最终的矫直效果进行评价.笔者运用曲线拟合的方法,利用已知的压下量,模拟

8、带钢矫直过程中的变形曲线,用几何解析法找出压下量和反弯挠度之间的关系,以确定压下量对矫直质量的影响.2.1基本思想根据变形连续性假设,带钢在矫直过程中受矫直辊作用产生连续的弯曲变形.由于中性层不发生弹塑性变形,故中性层弯曲变形曲线可由几条不同曲率的曲线光滑连接而成.图2为带钢中性层曲线示意图.带钢中图2带钢中性层曲线示意图Fig.2DrawingofdeformationcurveofplateSneutro-sphere利用曲线拟合方法,按已知的各辊压下量,分段求解出各相邻两辊间带钢中性层曲线的方程,确定各段曲线的几何拐点的位置.此几何上的拐点对应着矫直模型中物理上的零弯矩点.因此,带钢中性

9、层曲线顶点坐标到两相邻零弯矩点所在直线的距离,在数值上等于该辊的反弯挠度.2.2基于带钢变形曲线的反弯挠度计算方法以水平放置于下辊上的平整带钢的底面所在直线为水平轴(所有下辊的压下量均为0),以第一辊与水平轴的切点为原点建立坐标系(见图2),矫直过程中带钢中性层曲线的各顶点纵坐标与矫直辊压下量的关系有:l+当i一1,3,5时Y一t-/(10)I一当i一2,4,6时L厶设第(1)辊与第辊之间的曲线方程为Yace.+bx+衄+d(11)该曲线过点(z,),(z+t,.),且这两点为此曲线的顶点,联立求解方程:.一甜.+凹+(12)【一0得到曲线方程的系数:2009年第4期王志刚,等:板带矫直机压下

10、量的计算方法及其对矫直质量的影响349f2(1一Y2)f一广一l6一_3(Yl-Y2)(2xl+t)(13)l扫一一LljI6(z;Y1-.272+Lz1】tEx1.y2)一了一将求得的系数代入式(11)可得到第一段曲线的方程,由几何拐点特性可求得拐点坐标(,Y).用相同的方法求得第二段曲线的方程和拐点(z,Y),则顶点(+,Yz)与此两拐点所在的直线距离为AI-(x+)(Y)+():+/(z+z)+(+Y).(14)此几何上的拐点即对应压弯模型中的零弯矩点,距离A则对应此辊的反弯挠度,即:iA(15)则可得矫直辊的反弯挠度比:一/(16)式中:为弹性极限挠度.2.3带钢的矫直质量带钢残余曲率

11、的计算式为C一一1.5一O.5(17)(Co+).相应的残余挠度,可根据C的大小按式(4)或式(5)计算.3实例与分析为提高产品质量,某热轧带钢厂在精整横切线设置了2台辊式矫直机.粗矫七辊矫直机的工作辊为上三下四布置,上辊(2,4,6辊)整体调整,下辊(1,3,5,7辊)单独调整(见图3).其辊径D一220mm,辊距一230mm.rf图3七辊板带矫直机的工作辊系Fig.3Rollersof7-roller-platestraightener需矫直的带钢厚度H:8mm,宽度b一1280mm,屈服极限一285MPa,杨氏模量E一2.1×10MPa,根据已建立的矫直模型计算矫直机的压下量和

12、原始曲率比c.分别为一5,0,5时各辊的残余挠度.带钢弹性极限挠度为一()O.56mm据式(2)式(6)得到人口辊2的压下量为一5.83mm,辊6的压下量为.:0mm,则中间上辊的压下量为4一(2+)/22.921TIm由于下辊固定,其他各辊压下量均为0.由此得到各辊对应的带钢中性层曲线顶点纵坐标如表1所示.表1带钢中性层曲线顶点纵坐标(单位:mm)Table1YcoordinatesofcurvesummitsofplateSneutro-sphere辊号1234567坐标40.8341.08444采用解析法求得各辊对应的反弯挠度如表2所示.表2各辊的反弯挠度(单位:ram)Table2Re

13、versebendingdeflectionsoftherollers辊号1234567垦奎堑壁:!:!:!:!表3为3种原始曲率的带钢通过该矫直机后各辊对应的残余挠度值.由表3可见,带钢经过前四辊较大变形量的压弯,残余挠度迅速减小,到出口处时已经趋于一致并降到了比较低的水平,板型得到明显改善.表3不同原始曲率时各辊的残余挠度(单位:mm)Table3Reversebendingdeflectionsoftherollersatdifferentoriginalcurvatures采用这种方法设定压下量时,该矫直机从入口开始前四辊都属于较大变形压弯,第一辊的压下量对最终矫直效果的影响不大,因此

14、在实际生产中,可以适当地调整第一辊的压下量,以保证带钢的顺利咬入.4结论(1)结合某板带矫直机的结构特点,研究矫直机压下量的设定,提出了一种计算矫直机矫直质量的计算方法.该方法可以在已确定各辊压下量的情况下采用几何解析法求得各辊的反弯挠度,350武汉科技大学2009年第4期最终得到各辊的残余挠度,对最终的矫直质量进行预测和评判.(2)本方法克服了传统矫直理论利用残余曲率表征矫直质量时曲率和压下量之间的关系不直观的缺点,为工业现场合理设定矫直机工作辊的压下规程,提高板带矫直质量提供了一种简便可行的途径.(3)本方法也适用于不同辊数或其他结构的板带矫直机,对板带矫直机的设计与实际矫直工艺参数的选取

15、有借鉴意义.12参考文献黄雨华徐有忠杨会林.辊式矫直机的矫直变形理论新探J.重型机械,1999(6):2830.周存龙.中厚板热矫直机压下模型l-J.钢铁研究学345678报,2006(8):2831.崔甫.矫直理论与矫直机械M.北京:冶金工业出版社,2002:8890,9598.邹家祥.轧钢机械M.北京:冶金工业出版社,2005:343346.何艳华,刘安中,王志刚.辊式矫直机的两种矫直力计算模型对比研究J.冶金设备,2006(4):1821.井永水,窦忠强,李忠富.矫直理论的新探索J.北京科技大学,2002,24(1):6466.BushA,NichollsR,TunstallJ.Stre

16、sslevelsfore.1asticbucklingofrolledstripandplateJ.Ironmak.ingandSteelmaking,2001,28(6):481-484.KumarS.RemovalofshapeduringrollerlevellingJ.MineralsandMetalsReview,2001,11(7):364】.MethodforcalculatingtheintermeshofstraighteneranditsinfluenceonstraighteningqualityWangZhigang,WangHui,LiYourong(MoEKeyLa

17、boratoryofMetallurgicalEquipmentandTheirControl,WuhanUniversityofScienceandTechnology,Wuhan430081,China)Abstract:Inlightofthestructuralcharacteristicsofaplaterollerstraightener,thispaperdeterminestheintermeshthroughthelawofgreaterdeflectionpressedbending.Thedeformationcurveoftheplateissimulatedbymeansofcurve