新型中厚板全液压热矫直机技术分析

新型中厚板全液压热矫直机技术分析
摘要：以一台3500mm中厚板全液压热矫直机为例，对设备进行了完整的技术分析，包括新型全液压矫直机的特性、机械结构、自动化控制、生产能力的计算。

关键词:中厚板;全液压;热矫直机;设计
一、前言
近几年来，随着控轧控冷与直接淬火技术的采用，轧后板温降低、板形变坏、屈服强度增大、板厚范围加大加之用户对钢板加工自动化程度的提高，要求钢厂交货钢板的平直度也更加严格。

因此，新型全液压矫直机都要求能力强，刚度大，自动化程度高，经矫后的钢板平直度好，残余应力小且分布均匀，板材表面质量好且无压痕。

而且要做到操作安全可靠、作业率高，一道次矫直，矫直速度快，自动化水平高，还要减少投资规模。

二、新型中厚板全液压热矫直机的主要特点
新型中厚板全液压热矫直机具有以下特点：
2.1液压伺服调节辊缝，操作灵活和容易，超载保护；液压调节系统允许在矫直全过程中进行多个方式的位置调整（高度调节、摆动调节、倾斜调节、辊缝快速闭合和打开），辊缝控制在所有矫直阶段都有效，从而保证板子的端部有良好的矫直质量；同时可以补偿机架的弹跳变化。

2.2矫直辊液压弯辊，上矫直辊的预弯变形可以通过液压缸调节剖分式上压力框架来实现。

2.3快速换辊系统，包括辊盒设计。

2.4过热保护设计，包括矫直辊内部空心水冷和上框架水冷，此设计主要针对长钢板的连续矫直。

2.5入口和出口的下矫直辊通过液压马达和蜗轮减速机来调节其位置高度，操作者可以调节出口矫直辊位置来提高钢板的平直度。

2.6机架辊单独安装在中间框架底座上，由齿轮电机驱动，用于在矫直辊和入口/出口辊道之间输送钢板。

2.7热矫直机设计满足下列标准给出的矫直产品：
单道次与多道次矫直（包括反向矫直）
塑性变形率在60％～80%
矫直高强度的钢板。

压下调整速度快，8 mm/s，可缩短钢板品种规格频繁变化时的调整时间。

2.8微张力传动控制，通过双电机的分组传动控制，实现矫直过程中的微张力传动控制。

在厚板领域，通过微张力控制改善接轴受力状况，消除扭矩峰值。

对薄规格中板矫直过程中张力、摩擦力、延伸率之间的关系的研究表明张力可使板材延伸，达矫直要求的0.1～0.3%的延伸率，有效改善板型。

中厚板矫直过程中张力作用于多个连续的、动态的弯曲单元，此时张力是通过矫直辊由于速度差产生的，其张力大小与机型、板厚、摩擦、压弯量等因素有关，通过精确计算为基础的矢量控制达到矫直机张力控制。

以下以一台3500mm中厚板全液压热矫直机为例对新型全液压矫直机的以上特点进行介绍。

三、新型3500mm中厚板全液压热矫直机的基本技术参数：
矫直机型式：四重十一辊
工作方式：可逆式。

矫直钢板规格（厚×宽×长）：6～60×1500～3300×3000～33000 mm
矫直钢板温度：250～850 ℃
矫直钢板冷态下最大屈服强度：Max. ～850MPa
传动的矫直辊数：11根(包括入口和出口边辊)
上矫直辊数: 5根
下矫直辊数: 6根
矫直辊规格: φ285×3500mm
最大矫直力（单向）：30000 KN
矫直辊辊距: 300mm（矫直辊与边辊之间辊距400mm）
支承辊规格: φ290×265mm/边辊支承辊φ290×860mm
数量：上部6×5=30根，下部6×4+3×2＝30根
支承辊排数: 矫直辊下6排/边辊下3排
矫直机最大开口度：-25～260mm
上辊系倾动量:±10mm (沿轧制方向)/ ±5mm (左右方向)
压下方式：全液压压下，液压伺服控制
矫直速度：0～2m/s；变频调速控制
压下速度：0～±8mm/s，（快速打开速度最大15mm/s）液压伺服控制
换辊速度：0.5～1.5m/ min，变频调速控制
主电机：600 kW 2台
压下AGC缸：φ640/φ475X300 4台
换辊电机：15kW，1台
机架辊电机：37kW，2台
边辊调整：采用液压马达传动螺旋升降机，垂直调整量：+10mm～-25mm 矫直辊传动方式:由2台电机通过齿轮机座分组传动，在每个电机与减速机之间安装有安全接手。

矫直辊公切线标高：+830mm（前后辊道辊面标高+800mm）
矫直辊冷却方式: 内部通水冷却
矫直辊换辊方式：采用电机驱动链轮链条拖动，上下矫直辊系（包括支承辊）整体快速换辊，换辊时接轴准确定位
矫直辊换辊时间：一次换辊时间小于1小时（不含辊系吊装时间）
辊缝标定时间：小于10分钟。

机架刚度: ≥10000KN/mm；
润滑方式：工作辊、支承辊轴承采用油气润滑
轮机座及减速机采用稀油润滑。

油集中润滑采用智能润滑。

矫直后钢板平直度达到下表中指标。

钢板平直度保证值(单位：mm/m)（纵向、横向）
四、矫直钢板的钢种及标准
矫直钢板的钢种主要包括：碳素结构钢板、优质碳素结构钢板、低合金高强度结构钢板、造船钢板、舰艇板、海洋平台用钢板、桥梁板、耐侯板、压力容器板、管线钢板、工程机械用钢板、高层建筑结构钢板、耐磨钢板、不锈钢、模具钢板等。

见下表。

矫直钢板的钢种及标准（产品大纲）
五、矫直能力计算曲线图
衡量一台矫平设备性能好坏的重要指标即板材矫后平直度，而平直度与板材在矫直过程中的塑性变形有关。

以下曲线计算得出的设备力能参数均以板材在矫直过程中在横截面上沿高度方向（即板厚）分别产生60%、80%以上塑性变形区，并使板材上下表面变形应力均匀为依据。

矫直机自动化系统包括以下几个部分：Level1：基础自动化系统-PLC、传感器
功能：钢板数据采集与跟踪
速度控制
液压、流体系统控制
其他控制
数据记录等
结构采用Siemens PLC S7－400、远程站＋WinCC
主要完成所有现场开关、按钮、检测信号、继电器、接触器、电磁阀、指示灯等的逻辑输入与输出，采用独立的西门子PLC-400完成基础自动化L1级的控制功能，基于PLC-400+ET200M网络架构，所有通讯和数据交换采用PROFIBUS-DP通信协议。

其中包括：主传动、辅助传动、常规液压站、AGC液压站、稀油站、主操作台、换辊操作台、现场液压操作箱、矫直机机前辊道和矫直机机后辊道等的控制。

所有过程检测参数均进入控制系统（工控机+PLC）进行数据处理和记录，实现对生产工艺过程的在线实时监控显示。

四个AGC液压缸伺服控制系统由我方开发的专有闭环控制器完成，该闭环控制器原理为四个控制板分别独立控制四个伺服阀，四个伺服阀再分别控制四个AGC液压缸，中间通过背板联接与主板通讯，四个控制板与主板可以同时通讯，通讯比较时间为2ms，整个控制器内部闭环调整时间为20 ms。

国内许多厂家采用PLC编程控制四个伺服阀，伺服阀再控制液压缸，其通讯主要是通过DP来完成，四个伺服阀与PLC的通讯为异步通讯及每个液压缸按顺序与PLC通讯，通讯完成比较后再按一定顺序反馈信号调整。

伺服控制系统在闭环控制时其静态指标为：压下速度8～10mm/s、加速度为5m/s2、同步大行程压下控制精度0.1mm。

伺服控制系统在闭环控制时其动态指标为：0.1 mm阶跃90%时响应时间为45 ms、单缸扰动负载600T时0.1mm振幅恢复时间120ms。

矫直机工艺数学模型特点为：通过用户MES传给模型来料的材质、厚度、宽度、长度、温度等数据，模型根据不同的参数调用不同的矫直模型来计算压下量，所算出的压下量通过以太网传给压下控制系统，压下系统按照此数值自动设定辊缝，此时操作工可以人工干预调整压下量。

针对具有边浪缺陷的钢板，操作工可以根据边浪情况人工输入预设定参数模型，压下系统按照此数值自动设定左右辊缝，同时也可人工干预设定此功能。

Level2：工艺在线系统（提供）
工艺仿真模型
Level1、Level3的数据接口
采用VC编程
其中Level1和Level2紧密结合，根据来料规格，自动矫直工艺参数、自动
压下定位，自动矫直运行工作。

要求Level2系统具备与临钢MES系统通讯的接口和功能，可以有效融入全线数据化／自动化系统中,可以自动接收钢板数据，同时具备手动录入钢板数据的功能。

控制系统控制方式包含“自动/手动/半自动”三种方式。

3)工艺在线系统：
矫直二级模型及自动化系统作为新型矫直机的重要特征，是矫直技术和矫直理论的载体，是提高矫直效率和矫直质量的重要手段，也是矫直机先进性的重要标帜。

矫直自动化系统的有效实现是基于矫直二级模型的良好运行，同时矫直二级模型最终体现在自动化系统中。

在全液压矫直机中，矫直二级模型应用是其功能实现的必要条件。

矫直二级模型及自动化系统的作用：
①提高矫直的工艺参数准确率，提高一次矫平率。

②提高矫直质量，提高头尾矫直质量，降低板材内在的残余应力。

③提高对设备的保护，有效的扩大设备能力。

主要完成和上下游过程服务器进行过程数据的交换与传递，及全线钢板位置跟踪数据的交换，以及现场和过程检测信号的传递；为了更好的满足伺服控制对动态性的要求，整个控制系统的关键计算分为三大部分：过程服务器、PLC-400（第二台PLC，AGC专用）、机上控制器。

系统核心为Level2工艺在线系统，它包括以下三个部分：
①策略层
根据材料规格、工艺要求等，计算矫直机的设定值：出入口辊缝、矫直速度；同时矫直力、矫直力矩、残余应力等进行预测。

策略层根据从自学习的材料模型数据库计算的钢种材料参数和来料的规格参数，采用矫直计算理论模型计算确定矫直工艺参数。

并且在这个过程通过调整采用不同的计算参数和模型，使计算值符合预设限制条件，如上辊系倾斜角度、塑性层厚度比例、最大矫直力、最大功率等。

②矫直计算理论模型
考虑中性层偏移、弹性能损失、提前接触、辊间摩擦力、包辛格效应等因素的弹塑性理论和压弯量模型。

由于矫直过程的复杂性，目前工程采用的矫直过程计算方法不能满足高质量、高精度。

本系统以课题组多年研究成果，结合国际最新研究，形成精确矫直计算模型，可精确计算出每矫直弯的弯曲曲率、弹复曲率、残余曲率、矫直力、矫直力矩等参数。

工艺AGC动态压下模型
采用动态补偿、辊系受力匹配、充分考虑头尾区别等因素，建立工艺AGC 动态动作序列
③自学习模型
由于中厚板弯曲变形由其独特之处，其弯曲工况是任何一种热模拟实验方法都难以精确确定。

本模型以温度为变量的弹性模量数学模型和多系数的变形抗力数学模型为基础，为每个钢种建立材料模型数据库。

其中系统采用多系数的变形抗力数学模型，具有自学习功能，运用最优化原理，对现场数据处理，从而得到符合现场的最优的变形抗力。

在自学习过程中消除了辊系磨损、机架弹跳等因素
对矫直过程的影响，把这些不确定因素归于变形抗力模型的系数中。

采用这个变形抗力模型计算的数值可能不是这种材料的真正的数值，但用它确定的矫直工艺参数却是最好的、最优的。

三个部分有机的结合为系统提供矫直工艺参数，同时通过自学习功能提高矫直质量，使矫直工艺参数达到最优，为自动化提供必要条件。

八、新型3500mm中厚板全液压热矫直机的生产能力分析
为了满足轧机生产节奏的要求，矫直机对各种厚度钢板的矫直生产能力应大于轧机生产能力，不然就会限制轧机的生产。

影响矫直机生产能力的主要是矫直速度、矫直道次和钢种三项因素。

矫直道次以1道次为准，多则有3道次。

多道次用于薄的或厚的规格，对高强钢板需经多道次矫直。

热矫直生产能力计算
注：多道次矫直钢板加速时间为5s
多道次矫直每道次的间歇时间为10s
通过以上计算结果矫直机的生产能力得到确认。

九、结束语
结合以上设计分析，新型全液压热矫直机的研制成功，将扩大矫正机产品的规格范围，满足了用户的需求，提高了产品的市场占有率和竞争力。

有效改进现有矫直机结构，提高矫直机精度，从而进入更宽广的国际市场，提供优质、先进的产品，市场需求有很大的潜力，可创造很高的经济效益。