几种管棒材矫直设备的工艺分析

几种管棒材矫直设备的工艺分析

精细是控制特钢产品的最后过程。它消除或检测权限、外观、表面活性剂和其他缺陷，以满足轴承钢和齿轮钢等特钢的标准和用户要求。同时，产品的附加费也显著增加。斜辊矫直机是管棒材精整过程中的关键设备之一。随着经济的飞速发展,通信、电子、军工、航天等高科技领域对高精度长材的要求越来越高,斜辊矫直机在钢厂管棒材后道精整工序中的重要性也日益突出。为适应生产领域的发展,已开发了许多新型的矫直机。这些矫直机不同程度提升了设备的性能或拓宽了适用范围,部分矫直机的生产已经实现了系列化,标准化。根据被矫直工件的形状主要分为管材矫直机和棒材矫直机,其中棒材矫直机又分为多辊矫直机和二辊矫直机。管棒材矫直机都是采用旋转反弯矫直原理,依靠管棒材在旋转前进中所受塑性弯曲连续变化实现矫直,但是辊系布置和辊形方面是不同的。笔者通过分析管棒材矫直机结构参数及矫直原理,为钢厂在矫直机设计及选型方面提供参考。1直管机械1.1复合矫直工艺高精密管材矫直通常采用弯曲矫直与压扁矫直的复合矫直方案。其矫直辊辊形特点是具有较长的双曲线,可以增大管材和工作辊的接触面积,减小接触压力,进而减少矫直痕迹。较长的工作辊包络线还能保证管材被完全包住并且不需要额外的导向装置控制管材位置,避免了由此产生的划痕。另外通过对管材实施矫直或归圆,可以显著改善头部和尾部的直线度,减小管材的椭圆度。矫直与归圆作用力的比例取决于管材直径、轧辊尺寸以及管材直径与壁厚的比例等。按反复弯曲矫直工艺,通过沿钢管轴向施加弯曲载荷以达到矫直钢管的目的,只有当钢管整个通过处于有支撑的辊子下才能得以弯曲,因此辊间距处管材两端得不到矫直。但采用复合矫直方案中的压扁矫直时,钢管产生旋转椭圆变形,孔型的直径小于钢管外径,从而在大于钢管外径的局部椭圆的长轴方向上得到更大的矫直变形量,随着局部椭圆的矫直,局部弯曲也得到矫直。由于钢管是在一段长度上受到所接触的矫直辊辊身的压力作用,因此接触长度范围内的局部弯曲可以充分矫直。矫直时钢管表层金属纤维进入全塑性状态,产生正反应力从而获得最佳矫直效果,并抑制了屈服应力下降后的软化现象。1.2辊矫直机不同区域的生长情况矫直圆形管材通常采用六辊和十辊矫直机。斜辊矫直机的矫直直线度取决于管材通过矫直机时施加在管材每个单元上应力反向的次数,应力反向次数越多,管材直线度越高、越恒定。增加应力反向次数可以通过2种途径:(1)增加工作辊的对数,由此而增加将管材压至屈服强度以上的额外的点,可以对钢管进行碾轧及弯曲。(2)在管材通过矫直机的任何一段距离,增加管材的旋转次数。六辊和十辊矫直机矫直过程分别如图1、图2所示。管材在六辊矫直机上有3处可能通过碾轧将管材压到屈服点以上,即:入口、中心和出口的各对工作辊处(图1a),而所需的屈服点以上的钢管弯曲矫直只有1次,即在中间的一对工作辊处(图1b)。如EJP6RS-710六辊矫直机矫直Ø325~710mm,壁厚5~60mm,长度3~10m的不锈钢管,可保证矫直后的直线度为1mm/m,端部200~500mm内直线度可达1.2~1.5mm/m,椭圆度小于0.3%,矫直工作速度5~15m/min。十辊矫直机则多2次施加给管材的碾轧(图2a),而钢管屈服点以上的弯曲矫直则发生在3处,即第2、3、4对工作辊处(图2b)。十辊矫直机提供了更多的应力反向,在类似应用情况下,直线度更好,并可以追求较高的生产速度,因此广泛应用于Ø6~108mm精密合金钢管的矫直。如EJP10RS-40十辊矫直机(图3)矫直Ø8~40mm,壁厚0.7~5mm,长度12~37.5m的不锈钢管,对原料直线度最大为5mm/m的管材,可保证矫直后的直线度为0.25mm/m,端部200mm内直线度可达0.5mm/m,椭圆度小于0.5%,矫直最大速度120m/min。实际应用中,因为十辊矫直机比六辊矫直机多2对工作辊,考虑到设备投资成本的增加,对直线度要求不高(直线度≥1mm/m)的较大管材(Ø108~780mm)通常采用六辊矫直机矫直。2直尺机2.1圆材残余变形致灾未固圆棒的矫直是利用旋转使棒材沿轴向产生均匀的弹塑性变形来实现,要矫直的棒材必须部分地处在塑性状态,以形成一种残余变形,这种残余变形与圆材的原始曲率相反。棒材在辊缝间一边旋转,一边前进并受压产生弯曲,而这种弯曲必须使圆材达到足够的塑性变形程度,并且为了获得矫直还要有一定的塑性长度,圆材在该长度内获得必要的旋转次数使圆材任一段长度四周方向各条纵向纤维有较均匀的塑性变形。2.2辊矫直机系统多辊矫直机是利用上下多个倾斜的矫直辊交错布置并旋转,使得棒材在矫直辊的摩擦带动下旋转前进,产生塑性弯曲变形从而达到全方位的矫直。棒材轴向纤维经受较大的弹塑性变形以后,弹塑性变形恢复能力逐渐趋于一致。即使由于原始弯曲状态不同而受到的变形量存在差异,但只要变形量都足够大,则恢复能力将是接近的。这种变形反复次数越多,弹性恢复能力越接近,矫直效果越好。根据实际生产中的辊系布置方式来看,九辊矫直机的应用效果比较好。矫直系统由3个驱动矫直下辊,3个从动压力矫直上辊和3个压下折弯辊组成,在矫直过程中形成了3个折弯矫直三角。棒材在3个矫直折弯区旋转通过,在多个矫直辊中屈服折弯,从而形成了多次往复矫直。圆棒材在九辊矫直机内旋转承受超出弹性极限时产生应力变形,从而对棒材进行矫直。西宁特殊钢集团有限责任公司在线使用的EJP九辊矫直机矫直Ø16~100mm,原料弯曲度小于15mm/m的热轧不锈钢棒材,矫直后直线度小于1mm/m,端部盲区300mm内直线度为1.2~1.5mm/m,取得较佳的矫直效果。2.3两根杆的二辊冲程机2.3.1矫直机辊形曲线设计二辊矫直属于高精度矫直,在矫直原理上有其特殊性,是靠凹、凸矫直辊间形成的曲线辊缝来矫直轧件的,不但矫直质量高,且圆材端部弯曲得到了很好的消除,适合高强度合金材质矫直的独特优点是其他机型难以替代的。与多斜辊矫直相比,矫直质量既不取决于辊数,也不取决于辊子配置,而取决于其辊形曲线设计。辊形曲线设计必须保证圆材在凹辊之间获得矫直所需要的弯曲率,因此不宜采用直圆材全接触的双曲线辊形。圆棒的多次反复弯曲通过其与辊子接触后所形成的接触曲率来实现,而且这个曲率应该由小到大,并保持一段等曲率,再由大到小逐渐变化。要达到矫直目的,还必须保证圆材在接触区内获得一定转数。二辊矫直机的矫直效果是全程性的,因此鹅头弯的矫直效果比其他矫直方法都好。如江阴兴澄特种钢铁有限公司用矫直力80t的EJP二辊矫直机SP80(图4)矫直Ø15~60mm不锈钢光亮棒材,矫直后直线度0.1~0.2mm/m,表面粗糙度Ra为0.2μm,没有矫直端部盲区。2.3.2矫直机的辊形设计反弯曲线是在矫直过程中,轧件在矫直辊作用下其轴线弯曲所形成的曲线。反弯曲线决定了塑性变形长度、有效矫直次数、反弯曲率,反映了轧件与辊子接触情况,对矫直质量(主要是成品的直线度)具有重要影响。矫直机的辊形设计和生产中的调整就是力图得到最有利的反弯曲线。大量的试验结果表明,最佳二辊辊形是曲率不同的凹形上辊和圆柱或弧形下辊的匹配,这可使矫直机适应不同的工作要求。德国EJP公司的SP80二辊矫直机辊形曲线如图5所示。3比较木材制成直机和牙械制造直机的差异由于管棒材在矫直时受力状态不同,管材与棒材矫直机在辊形与辊系布置上存在一些差异,以十辊矫直机与九辊矫直机矫直钢管为例比较说明。3.1矫直机机单位压力比九辊矫直机小十辊矫直机辊间负荷均衡,5对矫直辊辊径相同,方向相反,并有较长曲面对置,因此矫直辊的单位压力比九辊矫直机小。九辊矫直机弯曲矫直过程中,3对4个不同辊径的矫直辊和较小的辊面承受负荷,在矫直辊与钢管表面之间形成较高的单位压力及应力分布不均现象。3.2钢管表面形态十辊矫直机10个矫直辊都是主动的,钢管本身不传递扭矩,可以保护管面。而九辊矫直机仅4个矫直辊是主动的,其余辊子通过管材传递辊矩,对工件表面有影响,易擦伤钢管表面。钢管在十辊矫直机上横向压扁矫直,受到2个矫直辊的作用力,易压成椭圆形,钢管直径不会变化且应力分布均匀。在九辊矫直机上,钢管受到来自3个矫直辊的作用力,管材在0.866D(D为钢管直径)的上下辊间隙内难以变成椭圆形,管径缩小,将产生切向残余应力。4国外矫直机研制的应用我国矫直技术发展较晚,20世纪60年代前我国从苏联引进矫直技术,90年代初东北大学和燕山大学矫直理论的研究取得一些成果,如东北大学崔甫的反弯辊形设计法、双向转毂矫直法及双交错多辊矫直法;燕山大学张荣采用准双曲线型和深浅凹型复合辊型的多斜辊矫直设计七辊矫直机。21世纪以来,安徽浩中机械通过与德国EJP的合资吸收德国的先进制造技术,自主研发多种矫直设备,在设备的制作精度、液压控制系统、液压控制元件等方面达到国际先进水平。如EJP的10RS-40十辊矫直机对于Ø5~40mm的管材,矫直速度可达120m/min,矫直直线度可达0.3mm/m。其研制的九辊矫直机,引进德国设计理念,矫直速度快,矫直盲区小,圆棒矫直后精度高达1mm/m,迅速在西宁特殊钢集团有限责任公司、石家庄钢铁有限责任公司、包头钢铁集团有限责任公司等钢厂取得优秀的工程业绩。高端矫直机特别是二辊矫直机制造的核心技术依然受制于西方发达国家,主要是指矫直辊的曲面设计和控制系统,尤其是矫直辊的材质和机械加工精度不过关,造成高端产品受制于人。矫直技术的研发需要长期的投入,而企业通常希望短期获得经济效益,因此很少对矫直机辊形进行实际的研究测试,从而限制了国内矫直行业的发展。国外矫直工艺具有创新的企业,如棒材二辊矫直机在我国市场占有率较高的有德国EJP机械公司、捷克ZDAS公司和意大利DANIELI公司;管材方面知名度较高的英国BRONX公司。德国EJP机械公司二辊矫直机在我国江阴兴澄特种钢铁有限公司、东北特殊钢集团有限责任公司等特钢企业单台设备市场占有率遥遥领先。国外企业普遍对产品研发投入大,产品设计采用三维CAD/CAM(计算机辅助制造)/CAE(计算机辅助分析)等设计验证及管理手段比较多,应用到产品控制中的信息技术有人机界面、计算机监控技术,操作高度自动化智能化,保证了较高的矫直直线度。目前我国的钢铁粗产量世界第一,但钢铁的附加值较低,急需发展钢铁深加工产业。钢铁矫直是提升钢铁附加值必由途径之一,因此国内的矫直机客户需求量大,市场前景不可估量。国内1台矫直机约100万元人民币,而国外1台矫直机则约100万欧元。随着钢铁深加工行业的发展,钢材矫直技术也在不断寻求新的突破。提高矫直装备的矫直精度和生产效率,是钢材精整加工企业所希望的,而提高矫直机技术的关键是提高矫直辊辊形曲线的精度及设计研发水平。随着经济的发展和产业升级,我国高端矫直机制造的关键技术和关键部件受制于他人的局面应该有所改变。5棒材矫直机(1)管材矫直机通常采用六辊或十辊矫直机。精密钢管矫直多采用复合矫直方案,其矫直辊的辊形具有较长的双曲线,可以使碾轧及归圆的载荷尽可能长地分布在管材上,从而减小接触压力,避免产生矫直痕迹。综合实施碾轧或归圆而产生的载荷,可以显著改善头部、尾部的直线度和减小管材的椭圆度。(2)棒材矫直机通常采用九辊矫直机或二辊矫直机。原理