CN108144989B - 一种辊式矫直机设备参数选型方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种辊式矫直机设备参数选型方法，该方法基于弹塑性变形理论，从热轧轧制极限范围、带钢咬入条件、电机额定功率、许用矫直力四方面入手，结合现场生产工况，研究出带钢屈服强度与厚度之间的定量化关系，并开发相应的计算软件自动绘制矫直机设备对产品规格的覆盖范围。本发明可以对已有设备能力进行评估，根据设备参数，校验能够生产的极限规格范围；通过矫直力、传动扭矩、电机功率等力能参数的计算，可以提前判断是否会因过载而造成设备损坏等安全事故；可以选择和校核设备参数是否能够满足客户需求，帮助选型；所开发的计算软件，使用方便，可以直观清晰的把握设备能力与极限生产规格之间的定量化关系。

Description

一种辊式矫直机设备参数选型方法

技术领域

本发明涉及矫直机设备参数选型技术领域，特别是涉及一种辊式矫直机设备参数选型方法。

背景技术

热轧板带在加热、轧制、冷却、剪切、运输过程中，由于各种因素的影响，不可避免会产生各种板形缺陷或残余内应力。随着我国铁路、桥梁、建筑、石油、汽车、家电业的快速发展，用户对带钢板带的板形质量要求越来越高，为了改善热轧板带的板形缺陷、减轻残余内应力，必须通过矫直机来实现。因此，矫直机已成为热轧精整机组保证产品质量的关键设备。

对各大钢厂而言，在买进矫直机设备时，很难预测未来若干年的板带性能需求，尽管在投产时已向设备供应商提出远高于当前板带性能的要求，但随着用户对板带材质性能要求的快速提高，往往出现超出原设计产品大纲范围的新产品，此时原有矫直机是否能满足新板带的矫直需求，是否会出现设备过载致使传动轴扭断、辊系压坏、电机跳闸等一系列设备问题，已成为困扰各大钢厂的重要问题。

对于矫直机设备供应商而言，在客户明确提出需矫直的产品大纲范围的情况下，如何为设备选型，包括矫直辊辊径、辊间距、电机功率、牌坊与辊系的许用矫直力等，是设备供应商满足客户需求前必须回答的关键问题。

发明内容

本发明提供一种辊式矫直机设备参数选型方法，该方法基于弹塑性变形理论，从热轧轧制极限范围、带钢咬入条件、电机额定功率、许用矫直力四方面入手，结合现场生产工况，研究出带钢屈服强度与厚度之间的定量化关系，并开发相应的计算软件自动绘制矫直机设备对产品规格的覆盖范围。

本发明所要求解决的技术问题可以通过以下技术方案来实现：

一种辊式矫直机设备参数选型方法，包括以下步骤：

S1、输入参数；

S2、确定数据点Pt(1)，

根据产品大纲矫直厚度范围和屈服强度范围确定数据点Pt(1)坐标为(h_min,σ_smin)，即由最小厚度和最小屈服强度确定的点；

S3、确定数据点Pt(2)，

根据方程给出的辊径对矫直产品的限制条件，若

则数据点Pt(2)的坐标为否则数据点Pt(2)的坐标为(h_min,σ_{s max})；

S4、确定数据点Pt(3)，

根据产品大纲的最大屈服强度，确定数据点Pt(3)，若

则数据点Pt(3)的坐标为否则数据点Pt(3)坐标为(h_min,σ_{s max})；

S5、计算对应于σ_s(k)的由最大矫直力确定的矫直钢板最大厚度h_P(k)，

矫直时实际矫直力要小于许用矫直力，实际耗费功率要小于电机额定功率，这两个条件同时满足，设备才有安全保障，取数据点Pt(4)至Pt(m)共(m-4)个点，m可以为54，屈服强度步长

dσ＝(σ_{s min}-σ_{s max})/(m-4) (5)

则第K个点的屈服强度为

σ_s(k)＝σ_{s max}+dσ(k＝1,2,3.......(m-4)) (6)

矫直机的压下分配方案并不是唯一的，所设定的过拉伸因子即最大塑区比不同，则矫直能力曲线亦不同，但一般为了得到更好的矫直效果，在校核设备能力时最大塑区比ξ一般设定为85％较为合理，压下分配方案设定如下：

第一辊弯曲曲率比C_w(1)＝0

第二辊弯曲曲率比即过拉伸因子C_w(2)＝os＝1/(1-ξ)

第三辊弯曲曲率比C_w(3)＝C_w(2)

第n-1辊弯曲曲率比C_w(n-1)＝1

第n辊弯曲曲率比C_w(n)＝0

中间各辊弯曲曲率按等差数列递减计算：

以上各式中，C_w(i)表示第i辊的弯曲曲率比，OS表示过拉伸因子，ξ表示塑区比，

带钢经过各辊时的弹塑性弯矩比(即弯矩与弹塑性临界状态时弯矩的比值)为：

带钢经过第i辊时的矫直力比(即实际矫直力与弹塑性边界状态时的矫直力的比值)为：

则各辊实际矫直力大小为：

总矫直力为：

式中，t为辊间距，n为矫直辊总数量，M_t为带钢处于弹塑性边界状态时所对应的弯矩，B为带钢宽度，h为带钢厚度。

当带钢屈服强度为σ_s(k)时，各辊矫直力总和P达到最大矫直力P_max情况下即P＝P_max时，可推导出所能矫直的钢板最大厚度为：

S6、计算对应于σ_s(k)的由电机额定功率确定的矫直钢板厚度h_N(k)，

矫直辊在矫直力作用下所需克服的阻力包括轴承摩擦阻力、辊面与轧件间的滚动摩擦阻力T_m及轧件塑性变形阻力T_z，如下式，

T＝T_m+T_z

(a)摩擦阻力T_m

T_m＝(f_ws+f_bs)P (9)

摩擦阻力比(摩擦阻力与弹塑性极限弯矩的比值)为：

其中，f_ws为轧件与辊面的滚动摩擦力臂，单位mm；f_bs为轴承摩擦力臂μ为轴承摩擦系数，D为辊径，P为总矫直力。

(b)矫直力矩T_z

矫直力矩为：

对于理想金属材料，

矫直力矩比(即矫直力矩与弹性极限变形能的比)为：

u_t为弹性极限变形能，B为带钢宽度，h为带钢厚度，E为弹性模量，σ_s为带钢屈服强度，D为辊径。

(c)驱动功率

矫直时实际耗费电机功率为：

式中：v为矫直速度(m/min)；η为矫直机传动效率；R为矫直辊半径。

将式(9)(10)代入式(11)，且当实际耗费功率N达到电机额定功率(即N＝N_max)时有：

求解方程式(12)即可确定当屈服强度σ_s(k)所对应的最大可矫直厚度h_N(k)为：

S7、确定Pt(k+3)坐标，

比较方程(8)所获得的h_P(k)与方程(13)所获得的h_N(k)的大小，若

h_P(k)＞h_N(k) (14)

则第(k+3)个数据点坐标为(h_N(k),σ_s(k))；否则，第(k+3)个数据点坐标为(h_P(k),σ_s(k))；

S8、输出矫直曲线。

本发明的有益效果：一种辊式矫直机设备参数选型方法，对已有设备能力进行评估，根据设备参数，校验能够生产的极限规格范围；根据产品大纲的生产需求，通过矫直力、传动扭矩、电机功率等力能参数的计算，可以提前判断是否会因过载而造成设备损坏等安全事故；可以选择和校核设备参数是否能够满足客户需求，帮助选型；所开发的计算软件，使用方便，不管对于设备供应商还是设备使用方而言，可以直观清晰的把握设备能力与极限生产规格之间的定量化关系。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明：

图1是矫直能力曲线；

图2是本发明流程图。

具体实施方式

为了使本发明技术方案的内容和优势更加清楚明了，下面结合附图对本发明的一种辊式矫直机设备参数选型方法进行进一步描述。

图1所示的曲线为矫直能力曲线，绘制矫直能力曲线时，取横坐标为带钢厚度(单位mm)，纵坐标为带钢屈服强度(MPa)。通过计算若干个关键点的坐标，然后将其相继连结绘制而成，直线段部分只需确定起点和终点位置，而曲线段部分，所取点数越多，则连接而成的曲线越光滑越准确。矫直能力曲线可清晰展示矫直机的可矫直区域，由五条曲线围成的下方封闭区域为可矫直区域，五条曲线的绘制如下：

1、产品大纲厚度范围

针对产线所需生产带钢的厚度极限范围，可知带钢厚度上下限为：

h_min≤h≤h_max

式中h_min和h_max分别表示产品大纲中所需矫直的带钢最小厚度和最大厚度。产品大纲厚度范围见图1中的曲线段1。

2、辊径的限定范围

带钢穿过矫直机时，能够发生的最大变形量与带钢厚度有关，为了达到理想矫直效果，要求带钢在最小厚度规格情况下，辊径能使带钢断面达到一定的塑性变形，即保证矫直质量，常用下面方程来表示：

进而有：

式中：D表示矫直辊辊径，E表示带钢弹性模量，σ_s表示带钢屈服强度，ξ表示带钢变形的最大塑区比(即带钢变形时塑性区厚度占带钢总厚度的比例)。辊径的限定范围见图1中的曲线段2。

3、带钢屈服强度范围

根据产品大纲要求，确定产线所需生产带钢的屈服强度极限范围为：

σ_{s min}≤σ_s≤σ_{s max}

式中σ_smin和σ_{s max}分别表示产品大纲中所需矫直带钢的最小屈服强度和最大屈服强度。最大屈服强度参见图1中的曲线段3，最小屈服强度参见图1中的点Pt(1)和点Pt(m)。

4、许用矫直力的限制范围

矫直时，为了保证设备安全，实际矫直力大小要小于最大许用矫直力，即：

P≤P_max

式中P表示矫直时的实际矫直力大小，P_max表示设备许用最大矫直力。

5、电机额定功率的限制

矫直过程中，为了保护设备安全，实际耗费功率不能超过电机额定功率，即：

N≤N_max

式中N表示矫直时实际耗费功率，N_max表示设备最大额定功率。

结合图2，本发明选型方法流程图，一种辊式矫直机设备参数选型方法，包括以下步骤：

S1、输入参数，需要输入的设备参数、来料参数以及工况参数有：辊数n，节距t，辊径D，最大矫直力Pmax，电机额定功率Nmax，带钢宽度B，最大带钢厚度hmax，最小带钢厚度hmin，弹性模量E，最大屈服强度σsmax，最小屈服强度σsmin，塑区比ξ，矫直速度v，工作辊与带钢之间的滚动摩擦力臂fws，工作辊与支承辊之间的滚动摩擦力臂fbs，电机传动效率η；

S2、确定数据点Pt(1)，

根据产品大纲矫直厚度范围和屈服强度范围确定数据点Pt(1)坐标为(h_min,σ_smin)，即由最小厚度和最小屈服强度确定的点；

S3、确定数据点Pt(2)，

根据方程给出的辊径对矫直产品的限制条件，若

则数据点Pt(2)的坐标为否则数据点Pt(2)的坐标为(h_min,σ_{s max})；

S4、确定数据点Pt(3)，

根据产品大纲的最大屈服强度，确定数据点Pt(3)，若

则数据点Pt(3)的坐标为否则数据点Pt(3)坐标为(h_min,σ_{s max})；

S5、计算对应于σ_s(k)的由最大矫直力确定的矫直钢板最大厚度h_P(k)，

矫直时实际矫直力要小于许用矫直力，实际耗费功率要小于电机额定功率，这两个条件同时满足，设备才有安全保障，取数据点Pt(4)至Pt(m)共(m-4)个点，m可以为54，屈服强度步长

dσ＝(σ_{s min}-σ_{s max})/(m-4) (5)

则第K个点的屈服强度为

σ_s(k)＝σ_{s max}+dσ(k＝1,2,3.......(m-4)) (6)

矫直机的压下分配方案并不是唯一的，所设定的过拉伸因子即最大塑区比不同，则矫直能力曲线亦不同，但一般为了得到更好的矫直效果，在校核设备能力时最大塑区比ξ一般设定为85％较为合理，压下分配方案设定如下：

第一辊弯曲曲率比C_w(1)＝0

第二辊弯曲曲率比即过拉伸因子C_w(2)＝os＝1/(1-ξ)

第三辊弯曲曲率比C_w(3)＝C_w(2)

第n-1辊弯曲曲率比C_w(n-1)＝1

第n辊弯曲曲率比C_w(n)＝0

中间各辊弯曲曲率按等差数列递减计算：

以上各式中，C_w(i)表示第i辊的弯曲曲率比，OS表示过拉伸因子，ξ表示塑区比，

带钢经过各辊时的弹塑性弯矩比(即弯矩与弹塑性临界状态时弯矩的比值)为：

带钢经过第i辊时的矫直力比(即实际矫直力与弹塑性边界状态时的矫直力的比值)为：

则各辊实际矫直力大小为：

总矫直力为：

式中，t为辊间距，n为矫直辊总数量，M_t为带钢处于弹塑性边界状态时所对应的弯矩，B为带钢宽度，h为带钢厚度。

当带钢屈服强度为σ_s(k)时，各辊矫直力总和P达到最大矫直力P_max情况下即P＝P_max时，可推导出所能矫直的钢板最大厚度为：

S6、计算对应于σ_s(k)的由电机额定功率确定的矫直钢板厚度h_N(k)，

矫直辊在矫直力作用下所需克服的阻力包括轴承摩擦阻力、辊面与轧件间的滚动摩擦阻力T_m及轧件塑性变形阻力T_z，如下式，

T＝T_m+T_z

(a)摩擦阻力T_m

T_m＝(f_ws+f_bs)P (9)

摩擦阻力比(摩擦阻力与弹塑性极限弯矩的比值)为：

其中，f_ws为轧件与辊面的滚动摩擦力臂，单位mm；f_bs为轴承摩擦力臂μ为轴承摩擦系数，D为辊径，P为总矫直力，见方程(7)。

(b)矫直力矩T_z

矫直力矩为：

对于理想金属材料，

矫直力矩比(即矫直力矩与弹性极限变形能的比)为：

u_t为弹性极限变形能，B为带钢宽度，h为带钢厚度，E为弹性模量，σ_s为带钢屈服强度，D为辊径。

(c)驱动功率

矫直时实际耗费电机功率为：

式中：v为矫直速度(m/min)；η为矫直机传动效率；R为矫直辊半径。

将式(9)(10)代入式(11)，且当实际耗费功率N达到电机额定功率(即N＝N_max)时有：

求解方程式(12)即可确定当屈服强度σ_s(k)所对应的最大可矫直厚度h_N(k)为：

S7、确定Pt(k+3)坐标，

比较方程(8)所获得的h_P(k)与方程(13)所获得的h_N(k)的大小，若

h_P(k)＞h_N(k) (14)

则第(k+3)个数据点坐标为(h_N(k),σ_s(k))；否则，第(k+3)个数据点坐标为(h_P(k),σ_s(k))；

S8、输出矫直曲线。

通过一系列的计算，输出上述条件下带钢产品屈服强度与厚度之间的对应关系，并将整个过程编制成可视化的人机交互界面，便于使用。

具体实施时，以某钢厂板带矫直机为例，设备参数为：辊数17，辊径200mm，辊间距220mm，最大矫直力3000Ton，电机功率为800kW；板带参数：最小厚度为3mm，最大厚度为25mm，弹性模量为2.1e5MPa，屈服强度范围为200-1200MPa；产线生产速度为40m/min；塑区比为75％。试分析厚度为15mm，屈服强度为800MPa的板带是否可以生产。根据本发明方法以及开发的计算工具，可绘制由5条曲线围成的区域，曲线内部围成的区域即为矫直机可矫直区域。当带钢厚度为15mm时，最大可矫直屈服强度为750MPa。当屈服强度落在5条曲线围成区域内，即带钢屈服强度小于750MPa时，均可矫直。同样可判断当生产带钢厚度为15mm、屈服强度为800MPa时，超出了曲线围成的面积区域，此时若强行生产则会出现过载现象损坏设备，因此不可以生产。

本发明研究出设备参数与产品大纲之间的定量化关系，并开发出相应的便于使用的计算软件，对设备供应商的设备参数选型与对设备使用方的品种拓展起到极其重要的指导作用，本发明所编制的计算软件简单、可靠、有效，可推广应用到所有板带矫直机，亦可为各大矫直机设备供应商的设备选型提供依据，因而具有广阔的应用前景。

本发明对设备使用方而言，对已有设备能力进行评估，根据设备参数，校验能够生产的极限规格范围，在接收订单合同时，做到心中有数，什么样的订单合同可以接，什么样的不可以接；对设备使用方而言，根据产品大纲的生产需求，通过矫直力、传动扭矩、电机功率等力能参数的计算，可以提前判断是否会因过载而造成设备损坏等安全事故；对设备供应商而言，可以选择和校核设备参数是否能够满足客户需求，帮助选型；开发的计算软件，使用方便，不管对于设备供应商还是对于设备使用方而言，可以直观清晰的把握设备能力与极限生产规格之间的定量化关系。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (5)

1.一种辊式矫直机设备参数选型方法，包括以下步骤：

S1、输入参数；

S2、确定数据点Pt(1)，

根据产品大纲矫直厚度范围和屈服强度范围确定数据点Pt(1)坐标为(h_min,σ_smin)；

S3、确定数据点Pt(2)，

根据方程给出的辊径对矫直产品的限制条件，若则数据点Pt(2)的坐标为 否则数据点Pt(2)的坐标为(h_min,σ_smax)，D表示矫直辊辊径，E表示带钢弹性模量，σ_s表示带钢屈服强度，ξ表示带钢变形的最大塑区比，h_min表示带钢最小厚度；

S4、确定数据点Pt(3)，

若则数据点Pt(3)的坐标为否则数据点Pt(3)坐标为(h_min,σ_smax)；

S5、计算对应于σ_s(k)的由最大矫直力确定的矫直钢板最大厚度h_P(k)，

取数据点Pt(4)至Pt(m)共(m-4)个点，屈服强度为dσ＝(σ_smin-σ_smax)/(m-4)，则第K个点的屈服强度为σ_s(k)＝σ_smax+dσ(k＝1,2,3.......(m-4))，

带钢经过各辊时的弹塑性弯矩比为：C_w(i)表示第i辊的弯曲曲率比，

带钢经过第i辊时的矫直力比为：

则各辊实际矫直力大小为：

总矫直力为：

式中，t为辊间距，n为矫直辊总数量，M_t为带钢处于弹塑性边界状态时所对应的弯矩，B为带钢宽度，h为带钢厚度，

当带钢屈服强度为σ_s(k)时，各辊矫直力总和P达到最大矫直力P_max情况下即P＝P_max时，可推导出所能矫直的钢板最大厚度为：

S6、计算对应于σ_s(k)的由电机额定功率N_max确定的最大可矫直厚度h_N(k)，

矫直辊在矫直力作用下所需克服的阻力T包括轴承摩擦阻力、辊面与轧件间的滚动摩擦阻力T_m及轧件塑性变形阻力T_z，即T＝T_m+T_z，

摩擦阻力比为：矫直力矩T_z，

矫直力矩比为：

u_t为弹性极限变形能，B为带钢宽度，h为带钢厚度，E为弹性模量，σ_s为带钢屈服强度，D为辊径，

矫直时实际耗费电机功率N为：

式中：v为矫直速度m/min；η为矫直机传动效率；R为矫直辊半径；

当实际耗费电机功率N达到电机额定功率N_max(即N＝N_max)时有：

求解方程式确定当屈服强度σ_s(k)所对应的最大可矫直厚度h_N(k)为：

S7、确定Pt(k+3)坐标，

比较h_P(k)与h_N(k)的大小，若h_P(k)＞h_N(k)，则第(k+3)个数据点坐标为(h_N(k),σ_s(k))；否则，第(k+3)个数据点坐标为(h_P(k),σ_s(k))；

S8、输出矫直曲线。

2.按照权利要求1所述的一种辊式矫直机设备参数选型方法，其特征在于：所述步骤S1输入参数包括设备参数、来料参数以及工况参数。

3.按照权利要求2所述的一种辊式矫直机设备参数选型方法，其特征在于：所述设备参数、来料参数以及工况参数包括辊数n，节距t，辊径D，最大矫直力Pmax，电机额定功率Nmax，带钢宽度B，最大带钢厚度hmax，最小带钢厚度hmin，弹性模量E，最大屈服强度σsmax，最小屈服强度σsmin，带钢变形的最大塑区比ξ，矫直速度v，工作辊与带钢之间的滚动摩擦力臂fws，工作辊与支承辊之间的滚动摩擦力臂fbs，矫直机传动效率η。

4.按照权利要求1所述的一种辊式矫直机设备参数选型方法，其特征在于：所述步骤S3中带钢变形的最大塑区比ξ设定为85％，压下分配方案设定如下：

第一辊弯曲曲率比C_w(1)＝0

第二辊弯曲曲率比即过拉伸因子C_w(2)＝os＝1/(1-ξ)

第三辊弯曲曲率比C_w(3)＝C_w(2)

第n-1辊弯曲曲率比C_w(n-1)＝1

第n辊弯曲曲率比C_w(n)＝0

中间各辊弯曲曲率按等差数列递减计算：

以上各式中，C_w(i)表示第i辊的弯曲曲率比，os表示过拉伸因子，ξ表示带钢变形的最大塑区比。

5.按照权利要求1所述的一种辊式矫直机设备参数选型方法，其特征在于：所述步骤S5中m为54，数据点共为54个。