4340中厚板矫直机辊系设计（全套含CAD图纸）
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本科毕业设计（论文）文献综述 课题名称： 4350中厚板矫直机辊系设计 1 一、课题国内外现状 中厚板的生产一直以来就是冶金行业的重要内容之一，它的产品质量和生产能力在一定程度上代表了一个国家钢铁工业的发展水品。在我国中厚板也是国民经济发展的重要钢铁材料，特别是在近些年我国经济持续高速发展的阶段，中厚板被广泛的应用于船舶，油气输送管线，桥梁，以及军工等领域，它的品质的优劣直接影响到了后序产业的发展状况。 中厚板轧件在轧制、冷却和运输过程中由于种种因素的影响，往往会产生各种形状缺陷，如纵向弯曲（波浪形）、横向弯曲、边缘浪形和中间瓢曲以及镰刀弯等。因此为了消除这些形状缺陷，轧件就需要在矫直机上进行矫直 1。 然而近些年来由于控轧控冷工艺的积极采纳，为满足产品要求而进行的一系列热处理工艺，使得矫直的温度越来越低，而且材料的屈服极限越来越高，以及用户自动化加工对钢板平直度提出更加严格的要求 ,和市场对高品质中厚板的需求的不断增加，都使得人们对矫直机的作用越来越重视了。 目前国内外的矫直设备主要有以 下几种类型 : 1、压力矫直机，分为立式和卧式两种如图 1 所示。图 1 压力矫直机 这种矫直机因其生产效率低且操作较繁重的特点，如今主要应用于大型钢梁、钢轨和大直径钢管的矫直或辊式矫直机的补充矫直。 2、板、带材和型钢用的辊式矫直机，其生产效率高且易于实现机械化，目前在板带材和型钢生产车间中得到广泛的应用。根据其工作辊的调整方式 2 不同又可分为如图 2 所示几种形式。另外，根据矫直辊数量的不同还可分为9 辊、 11 辊等不同的矫直机。根据有无支承辊还有二重和四重之分。当前应用于中厚板生产中的矫直机是四重全液压压下的矫 直机。 图 2 辊式矫直机的调节方式 3、管材、棒材矫直机，其结构、原理如图 3 所示。 图 3 管棒材矫直机 4、张力矫直机，主要用于矫直厚度小于 薄钢板和有色金属板材，能有效的消除板带材的中间瓢曲和边缘浪形等三维形状缺陷。其辊系结构如图 4 所示。 图 4 张力矫直机 5、拉伸弯曲矫直机组，一般用于连续作业线上，可以矫直各种有色金属带材和高强度极薄带材，也可在酸洗机组上进行机械破鳞，以提高酸洗速度。其结构原理如图 5 所示。 3 图 5 拉伸弯曲矫直机 由于中厚板生产中产生的原始曲率的大小和方向都是随机的，所以目前所采用的一般矫直原则是：对轧件进行多次弹塑性反弯以消除其原始曲率的不均匀度，再将其逐步矫平。按照每个矫直辊使钢板产生的变形程度和最终消除残余曲率的方法，有如下几种矫直方案： 1、小变形矫直方案，其原理是矫直反弯的压下量用于消除钢板在前一辊上产生的最大残余曲率（即进入该辊的最大原始曲率）。该方案的优点是在轧件原始曲率较大时，能快速的消除原始曲率值得差值。 2、大变形矫直方案，其原理是，在第二、三辊上采用很大的相对弯曲曲率，使整个轧件的总弯曲曲率达到 很大数值，则使得弹复曲率接近于同方向的某一值，即可迅速地将参与曲率减小，使整个轧件沿长度方向上几乎成为单值曲率。然后经过几次反弯后，轧件趋于平直，达到矫直目的。 3、整体倾斜矫直方案，其原理是通过调整首尾端的压下量，使首端的相对反弯曲率达到 3端的相对反弯曲率为 1。当确定了第二辊和倒数第二辊的反弯曲率后，就可按线性规律确定其他矫直辊的反弯曲率。该方案的优点在于符合钢板矫直过程的变形特点 2。 国际上，世界工业发达国家在中厚板生产设备与技术方面在近年来也取得了巨大的进步。特别是以德国 日本三菱重工等为代表的冶金设备供应商和以德国 本 瑞典 为代表的电气供货商更是将中厚板生产技术发展到了一个前所未有的高度。在矫直机方面，各国际知名的冶金设备供应商也纷纷推出了高刚度、全液压、自动化功能更强的第三代矫直机，对钢板有了更好的矫直效果，能更好的符合市场需求了 3。此外，高精度的过程弹塑性弯曲计算模型，对矫直过程的新的分析方法和理论也如雨后春笋般纷纷涌现。 二、研究主要成果 4 如前文所述，近些年来德国、日本的一些国际知名冶金设备生产商均推出了第三代矫直机 ，该矫直机代表了当前矫直机技术领域的先进水平。下面通过分析第三代矫直机来阐述当今在矫直机方面的科研主要成果。 1、工艺控制系统 当前，以第三代矫直机为代表的先进矫直机在工作时已经开始采用过程计算机与轧机过程机相通讯，进而采用计算机模型控制，来进行生产的技术了。计算机模型具有可根据矫直钢板厚度、宽度、平直度状况及温度来设定辊缝，自动咬钢送料，并具有过载保护和 跳补偿等功能。此外还可以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 4。 图 6 残余应力 预测系统 2、预应力框架结构 新式矫直机采用了预应力框架结构的机架，框架包括拉杆、螺母、上横梁、立柱及下横梁。预应力拉杆和机架立柱在预应力作用下，分别呈拉伸和压缩变形状态。当作用正常矫直时，作用在机架上的矫直力与预紧力部分抵消，相当于提高了机架的刚度。同时预应力框架结构与传统焊接结构在相同尺寸下，还具有制造简单和安装方便的优点 6。 3、变辊距技术 采用变辊距技术的矫直机，大幅度的扩大了矫直厚度范围（约是原来的2 倍）和满足了生产高强度的钢板的要求，充分发挥了矫直机的矫直能力。此外，变辊距矫直技术在对现有中厚板矫直机的改造方面也有很强的实用性。可以根据矫直工艺的需要对现有矫直机辊系改造，使机架受力减小，从而扩 5 大矫直厚度和强度范围，提高矫直效率和矫直质量 7。 图 7 变辊距的国内两种常见形式 4、小辊距、小辊径技术 在热矫直温度逐步降低和材料硬度逐步提高的情况下，小辊距、小辊径技术很好的保证了在中厚板矫直过程中提高矫直质量的要求。由于小辊径工作辊辊径小，而矫直力较大，因此在采用小辊径、小辊距技术的同时还采用了支承辊密排布棋式分布，这样不但增加了工作辊的水平刚度，而且弯辊效果也较好。 5、弯辊技术 矫直辊上框架分为两部分，中间有铰接点，弯辊液压缸通过偏心轴和铰接点可对上辊系弯辊控制。采用矫直辊预弯可以补偿由于矫直力作用使矫直辊产生的变形，使辊缝在钢板宽度方向上达到希望的平行度。而且，通过不同的弯辊方式还可以有效的矫直边浪 和中浪缺陷。 图 8 弯辊结构示意图 6 6、液压 态辊缝调整技术 根据压下量设定值与辊缝检测装置实测压下量之间的偏差量，使压下用的液压缸运行，经常修正设定值补偿压下量。 统的辊缝控制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，而且主油缸还起到过载保护的功能。 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，以尽可能改善钢板的平直度 9。 除以上新技术外 ，现代中厚板矫直机还应包括高矫直强度，带张力矫直，过载保护，快速换辊和自动润滑等技术特点。基于以上技术的应用才使得现代中厚板矫直机的矫直精度、工作效率和设备可靠性等都有很大提高。 三、发展趋势 目前，国内具有先进技术的中厚板矫直机已逐步投入使用，对先进中厚板矫直机技术的理论研究逐步深入，矫直机的重要性已经被大家广泛认同。但是就整体而言在中厚板矫直技术研究上国内与国外还存在较大差距，在矫直设备的设计和开发上，国外的技术水平也要高于国内。因此，我国在矫直理论和技术设备方面都还有很大的提升空间。随着对中厚板产品的 板形、平直度要求越来越高，矫直技术也正在向着全液压，高负荷，高刚度，多功能等方向发展。国内正在改造和建设的宽厚板矫直设备已经注意到了这一发展方向，并在实际改造和建设过程中对先进技术的应用和引进提起了重视。 就目前应用最为广泛的辊式矫直机而言，总体趋势是以发展大矫直力的强力四重式矫直机为主。另外，目前中厚板生产线在线的辊式矫直机多数为热矫直机，但随着用户对产品质量要求的提高，矫直机也有着向冷矫直机和冷热两用矫直机方向发展的趋势。单就强力四重式矫直机系列设备的总体趋势可以总结为以下几点： 1、采用数字控制系统精 确调整上矫直辊位置，并借助自动测厚仪自动控制矫直辊负荷和在线过程计算机进行全自动操作。 2、进一步提高矫直机座的刚度，以满足在大矫直力条件下使用，减小机座变形量，提高矫直精度。 7 3、在矫直辊入口处配备弯头压直机以消除头部钢板的上翘，并安装高压水或高压空气装置清楚残留的氧化铁皮。另外，对出口处最后一根辊子进行单独在线调整，以提高矫直效果。 4、上矫直辊既可以整体横向倾动调整，又能分别对各段支承辊调整，以改变矫直辊的挠曲，从而消除钢板的单侧或者双侧边浪。 5、装备液压安全装置和快速松开装置以便在设备过载、卡钢和 停电时快速松开矫直辊。提高辊系结构的集成度，简化换辊流程，提高换辊效率，从而增加矫直产量 10。 除此之外，由于在矫直理论方面还存在不足，利用有限元的方法对中厚板的弯曲变形进行解析计算，也正在生产中的到越来越多的应用，而且随着计算机技术的飞速发展，有限元计算的优势将会得到更大的彰显 11。 四、存在问题 虽然近些年来我国的钢铁行业发展迅速，正在由钢铁大国向着钢铁强国发展，但是在中厚板的矫直领域都是存在着一些亟待解决的问题。 在中厚板矫直理论方面，早先行业内对矫直理论普遍没有提起足够的重视，但是近年来由于 对产品质量的要求越来越高，单单凭着对轧制控制工艺的改善已经无法达到要求了。这样，人们才渐渐对矫直机的设计提起重视。但到目前为止，矫直理论还很不完善，主要表现在两个方面。 第一，在轧件矫直的模型设定过程中，材料的变形抗力对矫正精度具有重要影响。由于中厚板的矫直温度一般为 400氏度，部分可达 950 摄氏度左右。在这种高温状态下，板材的变形抗力与常温状态下有很大差别。但是，现有文献多以材料在常温下的应变关系作为计算的基础，使得热矫直过程的力能参数设定存在较大的误差。因此确定在不同矫直温度下的各种材料的应力 而确定材料在矫直过程中的弹复能力，对于提高设定矫直机的力能参数的精确度是一个亟待解决的问题。 第二，当前国内关于矫直机压弯量的计算多是一些近似算法，严重影响了矫直机的矫直精度与质量。为适应计算机精确设定矫直机压下量的需要，压下量数学模型的开发使用已迫在眉睫。国外已经有计算机用压弯量数学模型的开发使用。国内在这方面的研究工作虽然也已取得了一定成果，但基本 8 处于起步探索阶段 12。 另外，国内在矫直设备的设计制造上，由于矫直理论和技术水平的限制，还存在着设计矫直力比实际矫直力大、矫直机整体自控水平低等问题，导致不能充分发挥矫直设备的实际矫直能力，影响了中厚板厂矫直范围的扩大。 矫直理论的进步与矫直设备的升级既相互促进又相互制约，只有全方位的提高才能使得矫直领域取得长足的进步，对生产出高品质的中厚板做出更大的贡献。 五、主要参考文献 1 薛军安，刘相华，胡贤磊等 重型机械 2：3 4 2 邹家祥 3 版） 金工业出版社， 2011,354400 3 王宇，胡高举 重型机械科技 2 4 王效岗，黄庆学 山西冶金 102（ 2） 5 A. I. N. V. G. at in 50（ 11 6 陈瑛 宽厚板 8（ 6） 7 杨固川 冶金设备 6） 8 孙登月 河北冶金 3) 9 沈继刚，李宏图 宽厚板 6（ 1） 10 栗林 工艺与装备 172（ 3） 11 2007, 14(6): 082 袁国，黄庆学，董辉等 太原重型机械学院学报 23： 40 41 13 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 . 冶金设备 158（ 4） 9 14 N. V. G. . I. f 8（
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