CN102886394B - 宽厚金属板材矫直机张力矫直方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及宽厚金属板材矫直机张力矫直方法及装置，其方法是通过矫直机入口和出口分别设置的张力辊，配合每个矫直辊转速，利用速度差实现在板材矫直过程中产生附加张力，从而扩大板材弯曲变形时塑性区高度，提高矫直效果，其装置由入口张力辊、入口导向辊、矫直机、出口夹送辊组成，在矫直机前端设有入口导向辊，后端设有出口夹送辊，在入口导向辊的前端设有入口张力辊。本发明的优点：为矫直过程中的板材提供附加张力，使板材延伸更加容易，在相同的矫直机设定前提下，可改善更宽泛的板形缺陷，提高了矫直机能力；附加张力和板材弯曲半径综合考虑，可降低矫直机负荷，使矫直机更加安全，能耗更低。

Description

宽厚金属板材矫直机张力矫直方法及装置

【技术领域】

本发明涉及金属板材矫直技术领域，具体地说，是一种宽厚金属板材矫直机张力矫直方法及装置。

【背景技术】

宽厚金属板材的矫直，一般采用多辊矫直机。以钢材质的宽厚板为例，可采用5辊、7辊、9辊、11辊等矫直模式，以9/5辊矫直模式为主。无论以何种方式完成矫直，究其根本都是通过宽厚板在矫直机辊缝中的反复弯曲达到矫直目的，即矫直后金属板材平直。由此可知，矫直机是通过消除宽厚板内部残余应力而达到改善板形的目的，而不是通过明显的尺寸变化来改善板形。

目前，世界上钢板矫直机设计均采用多辊模式，即通过钢板在上下两排矫直辊组成的辊缝中实现往复弯曲以达到矫直钢板的目的，如图1所示，其中，1a为平衡油缸，1b为AGc油缸，1c为弯辊油缸，1d为下横梁，1e为斜楔机构，1f为压力框架，1g为上横梁，1h为牌坊。在钢板矫直的实际板形控制中，弯辊、摆动、倾斜、单辊位置调整等都是有效的板形控制手段，板形控制手段是根据要求，改变钢板不同位置、不同阶段的弯曲程度，从而调整辊缝和矫直后钢板的延伸。

针对宽厚板矫直过程而言，钢板变形导致矫直机产出挠度，改变了矫直辊缝，相当于在矫直过程中对钢板施加了负弯，严重影响钢板的矫直效果，尤其是在矫直力产生波动的情况下。对于宽厚板的矫直，现有辊式矫直机的矫直方式适用范围有限。如图1所示，矫直机受到结构限制，如矫直辊直径、板材厚度等，可为板材提供的变形量不能解决所有板形问题，是制约矫直效果的瓶颈。

根据相关资料检索，张力矫直方式多见于板带拉弯矫直，即采用拉矫机完成的，如图2所示。拉弯矫直方法是在矫直机入口和出口分别设置张力辊组，利用板带在张力辊组所形成的非常大的包角产生足够的摩擦力，进而建立足够的张力，使板带产生足够的延伸变形，其关键是通过张力使板带在横截面上的拉应力超过材料的屈服强度。因此，拉弯矫直对板形的改善主要是通过大张力实现的，而矫直机仅对板形进行微调。由拉矫机的工艺形式可知，其对板带厚度、强度有所限制。

公开号“CN1034150”的中国专利尽管涉及的是张力矫直范围，但其矫直方法是通过夹送辊方式，即利用夹送辊所建立的张力和碾压实现对材料的矫直。该方法应用到金属板材有很大难度，关键在于单纯通过夹送辊所形成的张力是很使金属板材屈服，也就无法实现对金属板材的矫直目的。公开号“CN101234403”的中国专利提供了利用矫直机的传动系统实现张力矫直的方法。该方法的实现难度小，无需对现有设备进行大的改造。考虑到宽厚金属板材矫直机一般采用工作辊传动，且工作辊辊径相对较小，因此矫直机结构限制使得该方法无法给出较大的张力，也就无法满足宽厚金属板材的张力矫直要求。

【发明内容】

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种宽厚金属板材矫直机张力矫直方法及装置。

本发明依据矫直机结构形式和矫直过程中的力学状态，给出了一种对板材施加张力的辊式矫直方法，有效提高了矫直效果。该方法与传统宽厚板矫直有明显优势，且不同于板带拉弯矫直。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种宽厚金属板材矫直机张力矫直方法，通过矫直机入口和出口分别设置的张力辊，配合每个矫直辊转速，利用速度差实现在板材矫直过程中产生附加张力，从而扩大板材弯曲变形时塑性区高度，提高矫直效果，如图3所示，其具体步骤如下：

步骤一，确定板材相关参数，依据现场计算机系统收集金属板材相关信息，应包括板材的厚度t和宽度B、强度等级(即板材的屈服强度σ_s)等；并根据板材的材料性能，确定其弹性模量E；

步骤二，根据金属板材要求输入关键参数，由金属板材矫直工艺要求，即板材的性能要求和矫直后板形指标，所确定的板材所需塑性变形率ψ，以及根据来料板形情况所确定的板材所需的延伸量ε；

步骤三，计算张力矫直方式所需的关键参数，由式(1)～式(5)，确定考虑附加张力矫直方式时的附加张力σ_m和板材弯曲的曲率半径ρ；

步骤四，校核张力矫直系统的能力，根据附加张力T0和T1，计算张力辊和夹送辊的扭矩；根据板材弯曲的曲率半径ρ，计算矫直机的矫直力和矫直力矩，若所给设定超过设备能力，则设定参数分别调整为相应设备能力极限值的0.9倍，且增加第二次矫直；返回步骤二，计算第二次矫直所需的设定参数值；

步骤五，完成张力矫直系统的设定计算，依据附加张力σ_m，设定入口张力辊的附加张力T0和出口夹送辊的附加张力T1；依据板材弯曲的曲率半径ρ，设定矫直机各辊的压下量；

步骤六，完成张力矫直，效果评价，测量矫直后板材的板形值。若满足产品质量要求，结束矫直，若超出产品质量要求，返回步骤二，增加进行第二次矫直。

张力值的设定，需依据建张装置的能力、矫直机的能力、板材矫直的工艺要求、来料的板形情况等因素。其中，板材矫直工艺具体是指板材的弯曲变形工艺，关键指标为板材的塑性变形率ψ和根据来料板形所需确定板材延伸量ε。

对于宽厚金属板材矫直机而言，不考虑附加张力σ_m(即图中所示SigmaM，以下同)时，如图4所示，板材的塑性变形率ψ可表示如下：

$\mathrm{\ψ}=\frac{\mathrm{hs}}{t}=\frac{t-\mathrm{he}}{t}\×100\%---\left(1\right)$

式中，t为板材厚度，mm；

h_e为板材弯曲变形时弹性变形区高度，mm；

h_s为板材弯曲变形时塑性变形区高度，mm。

$h_e=\frac{{\mathrm{\ρ\σ}}_s}{E}---\left(2\right)$

式中，ρ为板材弯曲的曲率半径，mm；

σ_s为板材的屈服强度(即图中所示SigmaS，以下同)，MPa；

E为板材的弹性模量，MPa。

同样地，对于宽厚金属板材矫直机而言，若考虑附加张力σ_m时，板材的塑性变形率如式(1)所示。其中，由于附加张力σ_m的影响，如图5、6所示，将改变板材截面上的应力分布，使板材中性点下移d。此时，板材的弹性变形区高度为塑性变形区高度为其各参数的关系如下。

$d=\frac{{\mathrm{\σ}}_m}{2{\mathrm{\σ}}_s}t---\left(3\right)$

$h_e^{/}=\sqrt{h_e^2-\frac{{3\mathrm{\σ}}_m^2}{{\mathrm{\σ}}_s^2}{t}^2}---\left(4\right)$

进而得到，矫直过程中，板材延伸量ε可表示为

$\mathrm{\ϵ}=\frac{t}{\mathrm{\ρ}}\×\frac{{\mathrm{\σ}}_m}{{\mathrm{\σ}}_s}---\left(5\right)$

综合以上各式，根据板材矫直工艺要求确定的塑性变形率ψ，以及来料板形所需确定板材延伸量ε，并考虑建张装置和矫直机的能力，即可分别确定板材矫直过程中的曲率半径ρ和附加张力σ_m。

考虑到宽厚金属板材矫直机的矫直特点，入口附加张力T0根据大变形矫直方案设计，其主要是满足矫直工艺的塑性变形率ψ的要求。出口附加张力T1是根据小变形矫直方案设计，并需考虑到板材离开矫直机后的特点，应保证机组的通板稳定。因此，本发明涉及的附加张力特点为T0＞T1。本发明涉及的张力矫直方式，其入口张力和出口张力可由下式确定。

T0＝σ_m×t×B

T1＝(1.0～1.15)×9.58×10³×t×B×L²/f

式中，B为板材宽度，m；

L为出口夹送辊离矫直机出口的距离，m；

f为保证通板稳定在距离L上所需的板材悬垂最大高度，m；

一种宽厚金属板材矫直机张力矫直装置，所涉及的组成如图3所示；该装置主要由入口张力辊2、入口导向辊4、矫直机1、出口夹送辊3组成；在矫直机1前端设有入口导向辊4，后端设有出口夹送辊3，在入口导向辊4的前端设有入口张力辊2；入口张力辊2利用其可实现的较大包角，以实现其与矫直机1间的金属板材的后张力T0；入口导向辊4其主要作用是保证金属板材经过入口张力辊2后可顺利地被矫直机1咬入；出口夹送辊3的作用在于保证板材的通板稳定的同时为板材提供一个合适的前张力T1，以提高矫直效果。

本发明工作时：当板材5经输送辊道运行至入口张力辊组2时，其上辊为上极限位置，入口导向辊处于上极限位置，出口夹送辊3之上辊位于上极限位置；板材5头部进入矫直机1后，入口张力辊组2之上辊通过液压缸动作实现压下，同时入口导向辊4通过液压缸动作实现压下，并与矫直机1的第一个矫直单元之间建立张力，即板材的后张力T0。当板材头部通过出口夹送辊3后，其上辊通过液压缸动作实现压下，使板材5在矫直机1与夹送辊3之间形成前张力T1。

与现有技术相比，本发明的积极效果是：

本发明针对宽厚金属板材，开发了张力矫直方法，通过入口三辊张力辊和出口的夹送辊实现矫直过程的附加张力，且入口张力根据大变形矫直方案设计，出口张力根据小变形矫直方案和通板稳定设计。同时，本发明提出了附加张力和板材弯曲半径综合考虑，以满足矫直工艺要求，可体现在以下两个方面：

(1)为矫直过程中的板材提供附加张力，使板材延伸更加容易，在相同的矫直机设定前提下，本发明可改善更宽泛的板形缺陷，提高了矫直机能力；

(2)附加张力和板材弯曲半径综合考虑，可降低矫直机负荷，使矫直机更加安全，能耗更低。

【附图说明】

图1为以往的板材矫直机结构示意图；

图2为拉矫机结构示意图；

图3为本发明的板材矫直机矫直方式示意图；

图4为本发明无附加张力时矫直过程板材弯曲示意图；

图5为本发明有附加张力时板材截面受力示意图；

图6为本发明有附加张力时矫直过程板材弯曲示意图。

【具体实施方式】

以下提供本发明一种宽厚金属板材矫直机张力矫直方法及装置的具体实施方式。

实施例1

请参见附图3-5，一种宽厚金属板材矫直机张力矫直方法，通过矫直机入口和出口分别设置的张力辊，配合每个矫直辊转速，利用速度差实现在板材矫直过程中产生附加张力，从而扩大板材弯曲变形时塑性区高度，提高矫直效果，如图3所示，其具体步骤如下：其中，以宽厚钢板为例。

步骤一，确定板材相关参数。

板材厚度，t＝10mm；

板材宽度，B＝1000mm；

板材屈服强度，σ_s＝400MPa；

板材的弹性模量，E＝210Gpa；

出口夹送辊离矫直机出口距离，L＝2000mm；

步骤二，根据金属板材要求输入关键参数。

板材塑性变形率，ψ＝0.90；

板材延伸量，ε＝0.2％。

步骤三，计算张力矫直方式所需的关键参数。

板材弯曲的曲率半径，ρ＝525mm；

附加张力，σ_m＝42MPa；

后张力，T0＝42ton；

前张力，T1＝40ton(取放大系数为1.04)。

步骤四，校核张力矫直系统的能力。经过计算，满足设备能力要求。

步骤五，完成张力矫直系统的设定计算。

设定入口张力辊的附加张力T0和出口夹送辊的附加张力T1；

设定矫直机各辊的压下量。

步骤六，完成张力矫直，效果评价。

测量矫直后板材的板形值，满足产品质量要求，结束矫直。

一种宽厚金属板材矫直机张力矫直装置，所涉及的组成如图3所示；该装置主要由入口张力辊2、入口导向辊4、矫直机1、出口夹送辊3组成；在矫直机1前端设有入口导向辊4，后端设有出口夹送辊3，在入口导向辊4的前端设有入口张力辊2；入口张力辊2利用其可实现的较大包角，以实现其与矫直机1间的金属板材的后张力T0；入口导向辊4其主要作用是保证金属板材经过入口张力辊2后可顺利地被矫直机1咬入；出口夹送辊3的作用在于保证板材的通板稳定的同时为板材提供一个合适的前张力T1，以提高矫直效果。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种宽厚金属板材矫直机张力矫直方法，其特征在于，其具体步骤如下： 

步骤一，确定板材相关参数，依据现场计算机系统收集金属板材相关信息，包括板材的厚度t和宽度B、强度等级，即板材的屈服强度σ_s；并根据板材的材料性能，确定其弹性模量E； 

步骤二，根据金属板材要求输入关键参数，由金属板材矫直工艺要求，即板材的性能要求和矫直后板形指标，所确定的板材所需塑性变形率ψ，以及根据来料板形情况所确定的板材所需的延伸量ε； 

步骤三，计算张力矫直方式所需的关键参数，由式（1）～式（5），确定考虑附加张力矫直方式时的附加张力σ_m和板材弯曲的曲率半径ρ； 

板材的塑性变形率ψ可表示如下： 

式中，t为板材厚度，mm； 

h_e为板材弯曲变形时弹性变形区高度，mm； 

h_s为板材弯曲变形时塑性变形区高度，mm； 

式中，ρ为板材弯曲的曲率半径，mm； 

σ_s为板材的屈服强度，MPa； 

E为板材的弹性模量，MPa； 

板材的弹性变形区高度为，塑性变形区高度为，d为板材中性点下移的距离；其各参数的关系如下， 

进而得到，矫直过程中，板材延伸量ε表示为 

步骤四，校核张力矫直系统的能力，根据附加张力T0和T1，计算张力辊和夹送辊的扭矩；根据板材弯曲的曲率半径ρ，计算矫直机的矫直力和矫直力矩，若所给设定超过设备能力，则设定参数分别调整为相应设备能力极限值的0.8－1倍，且增加第二次矫直；返回步骤二，计算第二次矫直所需的设定参数值； 

步骤五，完成张力矫直系统的设定计算，依据附加张力σ_m，设定入口张力辊的附加张力T0和出口夹送辊的附加张力T1；依据板材弯曲的曲率半径ρ，设定矫直机各辊的压下量； 

步骤六，完成张力矫直，效果评价，测量矫直后板材的板形值。若满足产品质量要求，结束矫直，若超出产品质量要求，返回步骤二，增加进行第二次矫直。 

2.如权利要求1所述的一种宽厚金属板材矫直机张力矫直方法，其特征在于，所述的张力矫直方式，其入口张力和出口张力可由下式确定， 

T0=σ_m×t×B 

T1=(1.0～1.15)×9.58×10³×t×B×L²/f 

式中，B为板材宽度，m； 

L为出口夹送辊离矫直机出口的距离，m； 

f为保证通板稳定在距离L上所需的板材悬垂最大高度，m。