三种矫直设备的现状及发展

三种矫直设备的现状及发展

1矫直机的应用和完善控制和冷却技术的应用将使控制产品的冷却温度降低，使冷却时间长得更快。另一方面，控冷板的形状比空冷板的形状更重要。然而用户对钢板具有较好的平直度、极小的内应力的要求越来越高,现代矫直机急需适应和满足上述两方面要求,对矫直工艺和矫直设备提出了更高的要求。国际知名的冶金设备供应商(德国的MDS、SMS-Demag和日本的MHI等)纷纷推出第三代矫直机,高刚度、全液压和自动化功能更强,对钢板的矫直效果更好。高精度的矫直过程弹塑性弯曲计算模型也相应出现,对矫直过程的分析,理论上也很多。本文主要阐述了第三代矫直机的典型设备情况、矫直理论的现状以及如何组建自动矫直系统。2直设备的调整2.1预应力应对机应机的刚度新式矫直机普遍采用预应力框架结构的机架,主要由拉杆及螺母、上横梁、机架立柱和下横梁组成。预应力机架与传统机架相比,由于在预紧力的作用下,机架立柱发生压缩变形,当正常矫直时,作用在机架立柱的矫直力与预紧力部分抵消,因此很大程度地增加了机架的刚度,刚度可以达到10000kN/mm左右。同时其余各件均采用了铸焊结构,方便加工、运输和安装。2.2油缸的过平衡验算上框架部分普遍采用四个液压平衡缸平衡,通常,取平衡力为被平衡重量的1.2～1.4倍(即过平衡系数K=1.2～1.4)。油缸的工作压力可按下式计算P=K4Gnπd2Ρ=Κ4Gnπd2(1)式中,G为被平衡零件的总重量;n为平衡液压缸的数量;d为液压缸柱塞直径;K为过平衡系数,K=1.2～1.4(考虑到液压缸的摩擦阻力,以取较大值为宜)。G=G上辊系+G活动横梁+G压下系统(2)2.3站式矫直机近10年来,日本、德国主要的冶金厂商先后推出如表1所示的“第三代矫直机”,既开发有等距矫直机,同时为了扩大矫直范围(薄板用小辊径小辊距,厚板用大辊径大辊距),也开发有变辊数、变辊距矫直机,还开发有组合式和伸缩式矫直机,矫直范围从以往的4～5倍扩大到10倍左右。组合式矫直机也称母子矫直机,轻型在前,重型在后,使两台矫直机之间的速差形成1000kN左右的张力,比单独采用重型矫直机的不均平直率可减少50%以上,但是设备庞大,投资增加很多。伸缩式矫直机在进、出口下部4根小矫直辊设有弯辊装置,同时小辊与大辊之间有一定速差形成张力。矫直中板时15根辊全部投入进行张力矫直;矫直厚板时,只使用大辊径矫直辊。SMS-Demag的HPL型冷矫直机采用可逆9/5辊变辊数矫直机,最大矫直力为35000kN。对于薄规格产品采用小辊距9辊矫直,对厚规格产品采用大辊距5辊矫直,钢板有效矫直厚度范围比常规矫直机扩大50%,从使用实绩来看,矫直一个道次后的钢板平直度达到3mm/m的钢板数占整个月所矫直钢板数的95%。SMS-Demag的等辊距热矫直机采用可逆强力矫直机型,最大矫直力为44000kN,能满足超低温控冷材热矫直要求。2.4矫直辊与水平连接传统矫直机的电机调整系统在设定位置时表现出精度不高、再现性和动态响应差的缺点,采用液压调整系统,各个方面的性能可以显著地提高。辊缝控制系统(动态控制功能AGC系统)由位置控制回路(带伺服控制的设定单元)和位移传感器(反馈实际位置值)组成,属于液压调整位置控制回路,辊缝控制的原则是在整个矫直过程中保持辊缝恒定,补偿钢板头部、中间和尾部在牌坊间的拉伸变形。该系统可在无负荷的情况下快速闭合,在带负荷的情况下进行辊缝调整,主油缸也用于过载保护,当超过最大矫直力时,矫直辊辊缝将调到最大,单个矫直辊的升降由一对斜楔和带位置控制的液压缸组成,只适用于无载荷下的调整。系统采用高响应伺服阀液压压下装置,辊系具有整体前后倾动,左右倾动,预设定正、负弯辊功能,以尽可能改善平直度。2.5弯辊系统的补偿矫直辊上框架分为两部分,中部有铰接点,弯辊液压缸通过偏心轴和铰接点可对上辊系弯辊控制。采用矫直辊预弯。因为在负载矫直力的作用下,矫直辊呈抛物线形状,采用压力控制方式通过弯辊系统补偿这种附加变形,即通过弯辊液压缸使辊缝在钢板宽度方向达到希望的平行度。另外,通过不同的弯辊方式也可以有效矫直边浪和中浪缺陷。2.6矫直钢板的传动主传动系统普遍采用电机、减速齿轮分配箱、安全联轴器、万向联轴器到矫直辊的传动方式。矫直机矫直钢板时,由于长度方向发生塑性变形,导致钢板与矫直辊速度差可达到3%,因而产生附加扭矩,以往的整体传动易导致接轴和齿轮损坏,同时当矫直辊与钢板产生速差时,钢板打滑现象会损伤表面,为了避免这些现象的发生,矫直辊尽量采用单独传动或分组传动,同时还可用于控制张力。2.7其他现代厚板矫直机还应包括前后导辊负载下单独调整装置、快速换辊装置、油气润滑系统和冷却系统。3直隶理论因为钢板的矫直最终目标是最小化的残余曲率以及减小和均匀残余应力,因此矫直理论也主要围绕这两个方面展开。3.1钢板弹塑性分析矫直过程的理论基础因为材料机械性能和辊与板之间接触的都是复杂的非线性关系,精确地分析矫直过程并不容易的。针对厚板矫直过程,以往发展的模型分为四类:基于实验的计算公式、基于悬臂梁假设的理论公式、基于曲率积分的理论公式以及有限元计算方法。对于曲率的实验解法,日本的日比野文雄和的场哲给出了曲率与辊缝表达的近似关系,工程应用很广泛,但采用该实验公式进行反复的弹塑性分析不能精确分析矫直过程。采用悬臂梁假设理论,假设条件不太符合实际的矫直过程,不能适应三维全面分析矫直过程的需要。有限元理论被大量使用,分别在厚度、宽度、长度方向进行单元划分,可以对钢板矫直过程中弯曲和弹复正确的模拟,但计算时间太长,不适合工程应用;曲率积分理论,理论比较成熟,可以全面分析矫直过程。基于曲率积分理论,用对曲率的变化量进行积分代替对曲率和弯距进行积分的方法,使得材料的应力应变关系的非线性和辊与板接触的非线性分离,结合弹塑性力学理论中的Prandtl-Reuss塑性增量理论,推导接触倾角的递推公式和曲率计算公式,可以精确地分析钢板弹塑性反复弯曲矫直过程。由于该模型可以分析接触点的倾角以及实际接触点,并发现实际矫直过程中,接触点对模型计算影响很大,而传统模型忽略了接触点的影响。同时该解析模型稳定收敛,迭代数次少,计算时间在1s左右,适合在线应用,计算曲率比实验公式有更高的精度,能够三维分析反复弯曲过程中的应力变化,规程设定更加精确。采用此解析模型编制的调优模型在某中厚板公司3500mm热矫直机上投入运行,经过实际检验,该应用软件的工作一直稳定可靠,规程计算和参数优化功能,对现场热矫直机生产有显著的指导意义。3.2加速冷却板形缺陷的表现厚板残余应力对不平度危害很大,但直接测量的方法不实用,因此采用理论计算残余应力评价板形极为重要,同时需要相应控制。由于残余应力的原因而产生的板形缺陷根据发生阶段不同主要分为三类:第一类为控冷过程中和热矫之前,由于不均匀冷却而发生的板形缺陷;第二类为矫直后的钢板空冷产生的板形缺陷,原因是热矫之后温度依然分布不均,在空冷过程中不均匀收缩所产生的热应力累积超过临界弯曲应力;另外一类板形缺陷是当一块矫后平直的钢板在后期使用过程中被切割,由于宽度方向限制的减少而出现缺陷。根据控冷前后和热矫直前后实测温度,采用热弹塑性模型计算残余应力分布,预测相应板形缺陷的发生情况。过全国残余应力预测系统如图1所示。采用冷却过程和矫直过程联合预测残余应力的技术,以降低残余应力为目标,控制加速冷却过程中的温度均匀性,根据矫直前预测的残余应力和板形缺陷,优化矫直规程,消除第一类缺陷。根据热矫后实测温度预测矫直后的第二、三类板形缺陷。根据理论计算结果,制定需要的应力调整策略,比如冷矫。4掌握l1级的设定模型热/冷矫直机均采用计算机自动控制系统,系统分为跟踪系统、L2级模型计算部分、L1级控制部分、HMI人机界面和操作台。如表2所示,跟踪系统根据矫直先后进行序列划分,实时触发自动矫直系统的相应功能。L2级设定模型可以根据跟踪系统传送过来的钢板基本信息(长度、宽度、厚度、钢种和温度),对辊缝进行一次自动预设定(可人工修正),给定辊系辊缝、单辊调整量、辊系倾斜量、弯辊量、导辊调整量、速度等参数设定值。L1级负责控制执行机构,同时在矫直过程中动态调整。在矫直跟踪系统的基础上,根据L2级的设定数据实施辊缝控制、速度控制、弯辊控制等,自动完成预设定的矫直过程。在矫直负载情况下,操作人员仍然可以通过HMI修正辊缝、导辊和速度设定值,希望获得好的板形。在道次矫直完成之后,由操作人员根据板形情况决定是否需要再次矫直,如果不需要则完成钢板矫直,自动系统处于下块钢板矫直的等待状态。5辊距控制理论研究随着用户对钢板质量要求的提高,辊式矫直机将向高刚度、大矫直力、针对钢板缺陷的专门功能结构的方向发展,针对厚板产品范围不断扩大,张力技术和变辊距计算也相继应用,同时通过自