(主答)热轧板材矫直机设计研究

热轧板材矫直机设计研究
北方重工集团有限公司工程成套分公司
王炳涵
2010年5月
热轧板材矫直机设计研究
轧件在加热、轧制、热处理等加工过程中，由于塑性变形不均匀、加热和冷却不均匀、运输和堆放、板材成卷放置等原因，必然产生不同程度的弯曲、瓢曲、波浪、镰刀弯等塑性变形，或内部产生残余应力。

因此要求一种专用的机械设备进行矫正加工，这就是矫直机。

矫直不同种规格的轧材，采用不同结构形式和不同规格的矫直机。

所以矫直机的结构形式多种多样，矫直方式也大不相同，按其用途和工作原理可以分为以下几种形式：
A．压力矫直机—矫直大断面的钢轨、钢梁、型材、棒料和管材；
B．平行辊矫直机—矫直板材和型材或少量的棒料和管材；
C．斜辊矫直机—矫直棒料和管材；
D．拉伸矫直机—矫直薄板及有色金属板材和型材；
E．拉弯矫直机—矫直薄带材和带材；
F．扭转矫直机—矫直型材；
各种矫直机的结构形式也千差万别，就是矫直同一类产品，由于规格的不同也会有不同的结构。

就是用于同一种规格的产品也有不同的结构设计，这一方面对性能要求不一致，另一方面就是设计者的不断研究、改善。

设计者在进行结构设计时依据的矫直理论基本是相同的，轧件在矫直过程中产生弹塑性变形，内部的应力应变状态很复杂，很难精确分析和计算。

到目前为止，也是基于假设条件下，结合试验和生产实践来进行设计。

以下仅就热轧板材矫直机进行分析计算，并
就其结构特征进行论述。

热轧板材矫直机均采用平行辊式，由于热轧板较厚，相对精度要求略低，在粗矫情况下，一般均采用单层辊，即只有上下两排工作辊，不加支承辊，这样在结构设计中就简单了很多，对于不同的板材，选择不同的辊径、辊身长度、辊距和辊数。

矫直速度也取决于板材的规格和产量要求。

热轧板材规格：
板宽：b=700~1430mm
板厚：h=1.5~12.7mm
材料的屈服极限：σS=50kg.f/mm2=490N/mm2
由于板材产生弯曲时的曲率半径公式ρ=Eh/2σS可知板材弹性模量E和屈服极限σS均为常数，板厚h与反曲率半径ρ成正比，板厚愈薄，辊子直径选择愈小，反曲率半径也小。

设计一台矫直机矫直板材的厚度要有一定的范围，因此，设计时按最薄板材厚度决定辊径D和辊距t，同时用板材最大厚度校验辊的强度。

由上面公式可知，σS愈大，应选择的辊径愈小。

1．辊径D的确定：
为保证轧件反弯到比1/ρ更大的曲率，因此D要小些，
可取D=ρ/2.5
由曲率半径公式可得：
D =
E h /2.5σS
=21000×1.5/2.5×50
=252mm
取D=260mm
这里板厚h取1.5mm，是保证各种板厚均能矫直。

2．辊距t的确定：
t=D/ψ
Ψ—比例系数
对于薄板：Ψ= 0.9~0.95
对于中厚板: Ψ= 0.7~0.9 这里取Ψ=0.87有t=260/0.87=299≈300
3. 辊身长度L:
按常规辊身长度要比最大板宽加长200~300mm,窄板时可少加长,由于现在对板材运行中的对中控制水平提高，就没有必要把辊身长度加长太多，辊子短些可改善弯曲强度，因此，辊身长度L=1560mm，只比最宽板材宽130mm，这是目前矫直机设计的一个改变。

4. 辊数n：
根据对板材质量的具体要求而定，在能满足质量要求的条件下，辊数少，结构可简单，设备造价可降，因此，采用五辊处加一个出口转向辊，该转向辊也可以在必要时起一定的矫直作用。

5．机组速度V：
按以前的水平，0.5~4mm板材，矫直速度（冷矫）0.5~6.0m/s；4~30mm的板材，矫直速度（热矫）1.0~3.0m/s，此热轧重卷机组中，设定：
1.5mm≤h≤4.5mm时
Vmax=400m/min(6.67m/s)
4.5mm ≤h ≤12.7mm 时
Vmax=270m/min(4.50m/s)
重卷机组可以较高速度工作，还因为技术水平和加工精度的提高。

6．矫直板材时辊子上的作用力：
作用在矫直辊子上的力P i ，可由板材在辊间所受的弹性弯曲力矩来决定（如图一）。

图中M1=M5=0，这是因为轧件在第一个辊子和最后一个辊子不产生弯曲变形。

显然，在矫直机中第三个辊子上的力P3值为最大，由公式可求总合力P 和P3的值。

()23
5-=n P σS t
bh 2 t bh P 232=σS
式中n —辊数 n=5
b —板宽 b=1430mm
h —板厚 h=12.7mm
σS —板材屈服极限 σS =50kg.f/mm 2 =490N/mm 2
求得：
()⨯-⨯=2535P 50×300
7.1214302⨯=192204kg.f =1883599N
300
7.121430223⨯⨯=P ×50=76882kg.f=753444N 7．矫直机传动功率计算：
传动总功率由三部分组成：一、在（n-2）个辊子上轧件塑性变形所需的矫直功率为Ns ；二、所有工作辊子在轴承处摩擦消耗功率Nm1；轧件与辊子之间流动摩擦消耗功率Nm2。

则总功率为：
N=Ns+Nm1+Nm2
1） 矫直功率
()kw VbhKs E Ns s 10222
⨯=
σ 式中σS —板材屈服极限 σS =50kg.f/mm 2 =490N/mm 2
E —板材的弹性模量 E=2.1×105 N/mm 2
V —矫直速度 V=4.5m/s
b —板材宽度(取最大) b=1430mm
h —板材厚度(取最大) h=12.7mm
Ks —矫直机的塑性系数
()31322
22-+-=n K K K Ks K 2—第二个辊子上轧件塑性渗透率，此值最大，取K 2=0.66
()3566.066
.0166.032
-⨯+-=Ks =2.516 516.27.1214305.4101.21022504
2
⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯=Ns =120kw 2) 轴承处摩擦消耗功率Nm1
()kw n d P Nm 975
.21μ= 式中P —矫直机工作辊上的总压力
P=192204kg .f=1883599N
μ—辊子轴承处摩擦系数
μ=0.005(滚柱轴承)
d —工作辊枢轴直径(对于滚动轴承取平均直径)
d=167.5mm=0.1675m
n —工作辊的转速
()分转/33026.0/5.46060rpm m
s m D v N =⨯⨯==
ππ ()kw Nm 24.2797533021675.0005.01922041=⨯⨯⨯= 3)滚动摩擦消耗功率Nm2
()kw n m P Nm 975000
..2= 式中：P —矫直机工作辊上的总压力
P=192204kg .f=1883599N
m —矫直机与轧件的滚动摩擦系数
矫直钢板时，取m=0.5~0.8mm
热轧板应取较大值，取m=0.8mm
n —工作辊的转速 n=330rpm(转/分)
()kw Nm 04.52975000
8.03301922042=⨯⨯= N=Ns+Nm1+Nm2
=120+27.24+52.04
=199.28≈200(kw)
该五辊矫直机辊系部分所需功率为200kw ，另外，还有一个出口转向辊，入口夹送辊也与该矫直机经联合减速机，由一台电机传动，经全部计算功率后，主电机选用650kw （其他部分的计算略）。

因此认定，该矫直机理论设计合理，能够完成工作需要。

该矫直机结构形式分析
该矫直机用于重卷机组头部，属于粗矫直设备，对于次品板材可以剪切成定尺板，因此，也要求能使板材矫平。

板材由开卷机开卷，经穿带台进入口夹送辊，再进矫直机，矫直机出口加一转向辊，必要时也可参与矫直，然后，经侧导板使板带沿中心线运行，这样，也就使矫直辊相应缩短了。

矫直机采用框架式焊接结构，可减轻重量，保证刚度，缩短制造周期，下三辊在同一轴承座中，保证辊面与通钢线相同，辊重磨后可统一调整高度，上辊为分别调整，这样在调节压下量的同时，可保证入口与出口的压下量不同，由此来保证板材矫直质量。

每个上辊的压下量调整使用电动微调，大行程的升降是由两个液压缸分别提升两侧的轴承座，为保证两侧平行上升，采用同轴齿轮齿
条平行机构，压下量的数据是由脉冲发生器反馈到控制台，实现自动设定调整，已不用老式的指针显示，人工调整方式。

还应提到的是矫直辊采用鼓形辊，即辊面采用弧线，（如图三a）这样可保证矫直过程中矫直辊变形后，辊面与板材为直线接触，可获得良好的板材质量。

以前由于加工的困难，我厂都采用梯形辊面（如图三b），这只能相对改善矫直质量，前者的加工难度主要在于辊面的磨削加工。

当然，在结构设计中还有许多独到之处，如入口夹送辊与矫直机共用半个机架，使结构紧凑等等，另外加工工艺中也有很多先进之处，这里不进行探讨了。

总之，通过对该设备的分析计算研究，使自己在轧钢设备设计水平上有了很大的提高。