陳燕才 李友榮 胡 誠(chéng) 張?zhí)谜?張雪榮
(1:武漢鋼鐵公司研究院 湖北武漢430080;2:武漢科技大學(xué) 湖北武漢430080;3:武漢鋼鐵公司條材總廠 湖北武漢430080)
CSP精軋機(jī)組軋制高強(qiáng)薄材的載荷優(yōu)化研究
陳燕才①1李友榮2胡 誠(chéng)3張?zhí)谜?張雪榮1
(1:武漢鋼鐵公司研究院 湖北武漢430080;2:武漢科技大學(xué) 湖北武漢430080;3:武漢鋼鐵公司條材總廠 湖北武漢430080)
隨著高強(qiáng)鋼強(qiáng)度極限的增加,其軋制載荷及張力增大,因此對(duì)軋鋼設(shè)備承載能力要求也越來(lái)越高。CSP生產(chǎn)機(jī)組長(zhǎng)時(shí)間高負(fù)荷運(yùn)行,但由于沒(méi)有力能參數(shù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),導(dǎo)致無(wú)法確定該套設(shè)備的負(fù)載狀況、承載能力及實(shí)際可達(dá)到的極限生產(chǎn)能力。這一問(wèn)題已成為大批量生產(chǎn)高強(qiáng)度薄帶鋼、提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力的瓶頸,亟待解決。本文采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、理論分析與數(shù)字仿真分析相結(jié)合的方法,對(duì)CSP精軋機(jī)組主傳動(dòng)系統(tǒng)的承載能力進(jìn)行全面評(píng)估,并提出負(fù)荷分配的優(yōu)化方案,為大批量生產(chǎn)高強(qiáng)度薄帶鋼提供理論依據(jù)。
CSP生產(chǎn)線 精軋機(jī)組 載荷優(yōu)化 高強(qiáng)薄材
某CSP短流程連鑄連軋產(chǎn)線2009年建成投產(chǎn),設(shè)計(jì)年產(chǎn)量248萬(wàn)t,主要生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼、容器鋼和硅鋼等高性能產(chǎn)品(產(chǎn)線流程示意圖見(jiàn)圖1)。投產(chǎn)不到3年,生產(chǎn)產(chǎn)品即完全覆蓋了設(shè)計(jì)的各類(lèi)品種規(guī)格,達(dá)到設(shè)計(jì)產(chǎn)能。隨著鋼鐵嚴(yán)冬的不斷持續(xù),為充分提升競(jìng)爭(zhēng)力,必須突破原有設(shè)計(jì)范圍,產(chǎn)品品種向高強(qiáng)薄材等盈利能力強(qiáng)的方向進(jìn)行結(jié)構(gòu)調(diào)整。結(jié)構(gòu)調(diào)整取得顯著效益的同時(shí),由于這類(lèi)產(chǎn)品強(qiáng)度等級(jí)高、厚度薄,軋制負(fù)荷大,對(duì)精軋機(jī)組工作輥系、主傳動(dòng)系統(tǒng)和卷取機(jī)組等設(shè)備能力提出極大考驗(yàn),也發(fā)生了主傳動(dòng)人字齒輪軸斷齒、軋輥大面積剝落斷輥等事故。因此亟需開(kāi)展針對(duì)高強(qiáng)薄材軋制的精軋機(jī)組承載能力與載荷優(yōu)化研究。
1-鋼包; 2-鑄機(jī); 3-擺剪; 4-均熱爐; 5-精軋機(jī)組; 6-層流冷卻段; 7-地下卷取機(jī)組
圖2 精軋機(jī)主傳動(dòng)系統(tǒng)及扭矩測(cè)點(diǎn)示意圖
表1 CSP生產(chǎn)線精軋機(jī)組工藝參數(shù)
該CSP軋線由7機(jī)架連軋機(jī)組組成,軋機(jī)主傳動(dòng)布置見(jiàn)圖2,主要性能參數(shù)見(jiàn)表1。
按照生產(chǎn)工藝編排,由于CSP軋線不設(shè)粗軋機(jī),F(xiàn)1/F2負(fù)荷設(shè)定較大,其中F1更甚。在薄材產(chǎn)量大幅提升的2014年,先后發(fā)生了F1人字齒輪軸斷齒,F(xiàn)4/F5工作輥面剝落等事故,給生產(chǎn)造成較大影響。同時(shí)也引發(fā)了對(duì)軋線設(shè)備安全、設(shè)備能力的關(guān)注。
經(jīng)過(guò)大量現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研、分析,確定采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、理論分析與數(shù)字仿真分析相結(jié)合的方法,對(duì)CSP精軋機(jī)組主傳動(dòng)系統(tǒng)的承載能力進(jìn)行全面評(píng)估,并提出負(fù)荷分配的優(yōu)化方案,為大批量生產(chǎn)高強(qiáng)度薄帶鋼提供理論依據(jù)和設(shè)備保障。其中,理論分析采用傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)方法對(duì)精軋機(jī)主傳動(dòng)系統(tǒng)中的電機(jī)、減速箱、齒輪座、齒輪軸等進(jìn)行能力校核;數(shù)字仿真分析則采用有限元分析方法對(duì)各主要受力零部件進(jìn)行力學(xué)分析,獲取它們危險(xiǎn)部位的應(yīng)力分布狀態(tài)并進(jìn)行能力評(píng)估。兩種方法結(jié)合可對(duì)各零部件的整體及局部力學(xué)性能進(jìn)行全面評(píng)估,以提高準(zhǔn)確性。
兩種方法計(jì)算結(jié)果表明:①齒輪的接觸疲勞應(yīng)力、齒根彎曲疲勞應(yīng)力,以及齒輪靜強(qiáng)度、最大齒根彎曲應(yīng)力均小于相應(yīng)的許用應(yīng)力,滿足設(shè)計(jì)要求;②軸的安全系數(shù)以及變形量均滿足設(shè)計(jì)要求;③主軸鼓形齒聯(lián)軸器和主電機(jī)鼓形齒聯(lián)軸器強(qiáng)度足夠。由此初步認(rèn)為:精軋機(jī)組主傳動(dòng)系統(tǒng)零部件強(qiáng)度滿足高強(qiáng)薄材軋制條件,但必須合理優(yōu)化各架次軋制負(fù)荷,適當(dāng)調(diào)整軋制工藝參數(shù)。
按圖2所示的測(cè)點(diǎn)布置,對(duì)各架軋機(jī)主傳動(dòng)扭矩進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)。測(cè)試記錄了軋制不同品種規(guī)格近百塊鋼坯的力能參數(shù),包括軋制力、軋制速度和主電機(jī)電流等。表2是某次實(shí)測(cè)的鋼卷參數(shù)記錄。
3.1 F1、F2扭矩記錄及分析
圖3是某薄材軋制時(shí)F1/F2上下傳動(dòng)軸實(shí)測(cè)扭矩記錄曲線。對(duì)所有記錄扭矩曲線進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,形成F1/F2上、下傳動(dòng)軸穩(wěn)態(tài)扭矩、總扭矩、上、下傳動(dòng)軸峰值扭矩與成品帶厚的關(guān)系統(tǒng)計(jì)如圖4所示。
表2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試工況
圖3 F1、F2軋機(jī)上下傳動(dòng)軸扭矩記錄曲線(鋼卷號(hào)E31409310400,材質(zhì)Q235B,成品帶厚1.7,軋制溫度1179℃)(F1總扭矩4019kN·m,F(xiàn)2總扭矩2241kN·m)
圖4 F1/F2上、下傳動(dòng)軸扭矩統(tǒng)計(jì)值與成品帶厚關(guān)系圖
F1和F2按相同能力設(shè)計(jì),減速機(jī)名義輸出扭矩為3475kN·m。由圖4可以看出:
1)F1的穩(wěn)態(tài)總扭矩略超過(guò)或接近減速機(jī)名義輸出扭矩3475kN·m;當(dāng)成品帶厚小于2mm時(shí),穩(wěn)態(tài)總扭矩超過(guò)3475kN·m的概率增大,最大值達(dá)4019kN·m。
2)F1在軋制過(guò)程中由于軋制速度低,扭矩比較平穩(wěn),無(wú)明顯的沖擊動(dòng)載荷。
3)F2的穩(wěn)態(tài)總扭矩約為2000kN·m,相對(duì)額定力矩有較大富裕。
4)部分坯料軋制時(shí),F(xiàn)2上軸穩(wěn)態(tài)扭矩約為下軸穩(wěn)態(tài)扭矩的1/3,分析是由于穩(wěn)態(tài)軋制時(shí)F1與F2之間的活套使帶鋼從低于軋制中心線的位置進(jìn)入F2軋機(jī)(如圖5所示),改變了入口帶鋼與上下軋輥的包角,其中上軋輥包角變小,下軋輥包角變大,相應(yīng)地,上軋輥軋制力作用點(diǎn)前移,下軋輥軋制力作用點(diǎn)后移,導(dǎo)致軋制力矩出現(xiàn)較大差異。
5)應(yīng)合理分配F1和F2的負(fù)荷,充分利用F2的能力儲(chǔ)備,降低F1的負(fù)荷。
圖5 帶鋼軋制過(guò)程簡(jiǎn)圖
3.2 F3/F4/F5扭矩記錄及分析
F3-F5的典型扭矩記錄曲線如圖6所示。
F3~F5上、下軸穩(wěn)態(tài)扭矩、總扭矩、上、下軸峰值扭矩與板厚的關(guān)系統(tǒng)計(jì)如圖7所示。
F3減速機(jī)名義輸出扭矩為1944kN·m,F(xiàn)4減速機(jī)名義輸出扭矩為1240kN·m,F(xiàn)5減速機(jī)名義輸出扭矩為640kN·m。由圖6、7可以看出。
圖6 F3-F5軋機(jī)傳動(dòng)軸扭矩記錄曲線(鋼卷號(hào)E32517220300,材質(zhì)Q235B,成品帶厚4.429,軋制溫度1128℃)(F3總扭矩852kN·m,F(xiàn)4總扭矩553kN·m)
1)F3、F4、F5在咬入階段開(kāi)始出現(xiàn)劇烈的扭轉(zhuǎn)振動(dòng),產(chǎn)生巨大的沖擊動(dòng)載荷,但三架軋機(jī)的穩(wěn)態(tài)軋制力矩和沖擊峰值均未超出減速機(jī)名義輸出扭矩;
2)實(shí)際測(cè)試表明,雖然出現(xiàn)較大的沖擊峰值扭矩,但穩(wěn)態(tài)軋制力矩不大,即使是沖擊值也沒(méi)有超過(guò)設(shè)計(jì)的減速機(jī)名義輸出扭矩。F3的穩(wěn)態(tài)力矩遠(yuǎn)小于其名義輸出扭矩,但峰值已接近名義輸出扭矩。
3.3 F6/F7扭矩記錄及分析
F6~F7的典型扭矩記錄曲線如圖8所示。
圖7 F3~F5扭矩統(tǒng)計(jì)值與成品帶厚關(guān)系圖
F6~F7傳動(dòng)軸穩(wěn)態(tài)扭矩、總扭矩、上、下傳動(dòng)軸峰值扭矩與成品帶厚的關(guān)系統(tǒng)計(jì)如圖9所示。由圖9可以看出。
1)F6和F7在咬入階段出現(xiàn)劇烈的扭轉(zhuǎn)振動(dòng),產(chǎn)生巨大的沖擊動(dòng)載荷,但穩(wěn)態(tài)軋制力矩不大;
2)F6扭矩放大系數(shù)(TAF)為1.31~1.54,F(xiàn)7的TAF為1.71~2.33,F(xiàn)7明顯偏大;
3)F6軋制力矩隨成品帶厚增加而增大,F(xiàn)7反之,軋制力矩隨成品帶厚增加而減?。?/p>
4)穩(wěn)態(tài)軋制力矩和沖擊峰值均未超出其人字齒輪座名義輸入扭矩。
3.4 精軋機(jī)組扭矩測(cè)試分析結(jié)論
對(duì)所有記錄的扭矩測(cè)試曲線統(tǒng)計(jì)分析,可總結(jié)出如下規(guī)律:
1)F1~F7精軋機(jī)中,F(xiàn)1的穩(wěn)態(tài)總扭矩略超過(guò)或接近減速機(jī)名義輸出扭矩3475kN·m;當(dāng)成品帶厚小于2mm時(shí),F(xiàn)1的穩(wěn)態(tài)總扭矩超過(guò)3475kN·m的概率增大,實(shí)測(cè)最大值達(dá)4019kN·m,而此時(shí)F2的軋制總扭矩尚有較大富余。應(yīng)合理分配F1和F2的負(fù)荷,充分利用F2的能力儲(chǔ)備,降低F1的負(fù)荷。
圖8 F6和F7軋機(jī)上下傳動(dòng)軸扭矩記錄曲線(鋼卷號(hào)E32517220300,材質(zhì)Q235B,成品帶厚4.429,軋制溫度1128℃)(F6總扭矩222kN·m,F(xiàn)7總扭矩104kN·m)
圖9 F6/ F7傳動(dòng)軸扭矩統(tǒng)計(jì)值與成品帶厚關(guān)系圖
2)F1和F2精軋機(jī)在帶鋼咬入階段無(wú)明顯沖擊,且測(cè)試數(shù)據(jù)與系統(tǒng)iba數(shù)據(jù)基本吻合,在進(jìn)行F1、F2負(fù)荷分配方案研究時(shí)可采用iba數(shù)據(jù)進(jìn)行。
3)F3~F7精軋機(jī)在帶鋼咬入瞬間存在較大沖擊,但軋制總扭矩峰值均未超過(guò)F3~F5減速機(jī)的名義輸出扭矩和F6~F7人字齒輪座的名義輸入扭矩。
4)在整個(gè)軋制過(guò)程中(咬入及穩(wěn)態(tài)軋制階段)都曾出現(xiàn)上、下輥軋制力矩相差較大的情況。其原因是有時(shí)活套使入口帶鋼中心線與軋機(jī)輥縫中心線不一致,造成上、下軋輥的包角不一致,導(dǎo)致上、下輥軋制力矩出現(xiàn)較大差異。
4.1 F1、F2負(fù)荷特性
該CSP產(chǎn)線由于沒(méi)有粗軋機(jī),因此F1軋機(jī)的壓下量比一般熱連軋機(jī)組大,導(dǎo)致F1軋機(jī)主傳動(dòng)系統(tǒng)的負(fù)荷很大。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明,目前F1負(fù)荷較大而F2的承載能力富余較多,而兩架軋機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)完全一致,因此有必要調(diào)整F1、F2軋機(jī)的負(fù)荷分配,以有效提高精軋機(jī)組運(yùn)行的安全性,滿足高強(qiáng)薄材生產(chǎn)需要。
負(fù)荷分配的基本思想:在F1和F2總壓下量不變的前提下,保持F1和F2軋機(jī)總軋制力矩基本不變,將F1軋制力矩降低, F2的軋制力矩提高,使得兩架軋機(jī)的負(fù)載系數(shù)均小于1,并盡量保持F1軋制力矩為名義扭矩的85%左右,F(xiàn)2軋制力矩為名義扭矩的70%~80%左右。
定義負(fù)荷系數(shù)以表征軋制扭矩與減速機(jī)名義輸出扭矩的比例關(guān)系,對(duì)F1和F2扭矩測(cè)試數(shù)據(jù)按材質(zhì)和成品帶厚進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析:
式中 M穩(wěn)—軋機(jī)實(shí)測(cè)穩(wěn)態(tài)軋制總扭矩(上下輥扭矩之和);
M名義—減速機(jī)名義輸出扭矩,M名義=3475KN·m。
為滿足軋制工藝需求和產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定,只對(duì)F1和F2進(jìn)行負(fù)荷再分配,因此應(yīng)保證F1和F2的總壓下量保持不變,相應(yīng)地總軋制力矩也保持基本不變。由此進(jìn)行的統(tǒng)計(jì)分析表明:兩架軋機(jī)的軋制扭矩約占總名義軋制扭矩的60%~80%,可以理解為兩架軋機(jī)實(shí)際生產(chǎn)中所使用的能力占名義能力的60%~80%。軋材50WW600P生產(chǎn)各種厚度帶鋼時(shí),F(xiàn)1負(fù)載相對(duì)其他材質(zhì)時(shí)較小;軋材為Q235B、Q345B和WYS700(L)時(shí),F(xiàn)1負(fù)載偏大,超過(guò)減速機(jī)名義輸出扭矩的概率變大。按帶厚統(tǒng)計(jì),在所有的成品帶厚范圍內(nèi)F2僅使用了約50%的能力,而成品帶厚為2mm以下時(shí),F(xiàn)1超過(guò)其允許力矩的概率增大;成品帶厚為2mm~3mm時(shí),F(xiàn)1使用了約90%的能力;成品帶厚大于3mm時(shí),F(xiàn)1則達(dá)到了能力上限。對(duì)比F1和F2的負(fù)載現(xiàn)狀,可在保持F1與F2總軋制負(fù)載基本不變的前提下,降低F1的軋制負(fù)載,相應(yīng)提高F2的軋制負(fù)載。
4.2 F1、F2負(fù)荷優(yōu)化分配
F1和F2軋制力矩可反映軋機(jī)負(fù)荷狀態(tài),軋機(jī)的負(fù)荷再分配也是以軋制力矩調(diào)整為依據(jù)。調(diào)整基本思路是在保持F1和F2軋機(jī)總軋制力矩基本不變的前提下,將F1軋制力矩降低,而將F2的軋制力矩提高,使得兩架軋機(jī)的負(fù)載系數(shù)均小于1,并盡量保持F1軋制力矩為名義扭矩的85%左右,F(xiàn)2軋制力矩為名義扭矩的70%~80%左右。
表3 F1、F2負(fù)荷再分配結(jié)果(材質(zhì)50WW600P)
表4 F1、F2負(fù)荷再分配結(jié)果(材質(zhì)Q235B,Q345B)
表5 F1、F2負(fù)荷再分配結(jié)果(材質(zhì)WYS700(L))
圖10 負(fù)荷優(yōu)化后F1、 F2力矩負(fù)荷系數(shù)統(tǒng)計(jì)圖
由于軋機(jī)軋制力矩與壓下率近似呈線性關(guān)系,根據(jù)調(diào)整結(jié)果提出兩架軋機(jī)壓下率的調(diào)整范圍。負(fù)荷優(yōu)化分配結(jié)果見(jiàn)表3、表4、表5。
圖10為三種材質(zhì)下F1、F2負(fù)荷再分配后F1軋制力矩、F2軋制力矩、F1與F2的總軋制力矩負(fù)荷系數(shù)統(tǒng)計(jì)圖。
4.3 F1、F2負(fù)荷優(yōu)化小結(jié)
1)軋制時(shí)基本用了F1/F2兩臺(tái)軋機(jī)總名義能力的60%~80%。
2)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明:
(1)當(dāng)板厚小于2mm時(shí),F(xiàn)1能力超載較多,而F2能力富余較多;
(2)當(dāng)板厚為2mm~2.5mm時(shí),F(xiàn)1能力接近名義值,F(xiàn)2則接近名義值的80%;
(3)當(dāng)板厚為2.5mm~5mm時(shí),F(xiàn)1能力接近名義值,F(xiàn)2則接近名義值的60%。
3)在F1和F2的總壓下量保持不變的前提下進(jìn)行載荷優(yōu)化分配,將F1負(fù)荷降低,F(xiàn)2負(fù)荷提高,總軋制力矩基本保持不變。
(1)材質(zhì)為50WW600P時(shí),F(xiàn)1負(fù)載可降低6%~10%;
(2)材質(zhì)為Q235B、Q345B時(shí),F(xiàn)1負(fù)載可降低15%~18%;
(3)材質(zhì)為WYS700(L)時(shí),F(xiàn)1負(fù)載可降低9%~12%;
4)負(fù)荷再分配后F1負(fù)荷降至名義值的85%,而F2增至名義值的70%左右。
5)對(duì)于其它材質(zhì),可根據(jù)iba數(shù)據(jù)中的穩(wěn)態(tài)扭矩進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,獲得與材質(zhì)對(duì)應(yīng)的F1、F2負(fù)載調(diào)整比例。
1)F1、F2精軋機(jī)在帶鋼咬入階段無(wú)明顯沖擊,主傳動(dòng)系統(tǒng)扭矩測(cè)試數(shù)據(jù)與系統(tǒng)iba數(shù)據(jù)基本吻合。F1的穩(wěn)態(tài)總扭矩略超過(guò)或接近主減速機(jī)名義輸出扭矩3475kN·m;成品帶厚小于2mm時(shí),F(xiàn)1的穩(wěn)態(tài)總扭矩超過(guò)3475 kN·m的概率增大,實(shí)測(cè)最大值達(dá)4019 kN·m,而此時(shí)F2的軋制總扭矩尚有較大富余。
2)F3~F7軋機(jī)主傳動(dòng)系統(tǒng)在咬入階段有強(qiáng)烈的沖擊扭轉(zhuǎn)振動(dòng),產(chǎn)生較大的沖擊扭矩峰值,但其值并未超過(guò)設(shè)備的名義載荷;穩(wěn)態(tài)軋制力矩與系統(tǒng)iba數(shù)據(jù)相符。
3)在名義載荷下,F(xiàn)1~F7軋機(jī)主傳動(dòng)系統(tǒng)具有足夠的疲勞強(qiáng)度。
4)在滿足軋制工藝需求和產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定前提下,為保障高強(qiáng)薄材產(chǎn)量大幅提升的設(shè)備安全,對(duì)F1、F2軋機(jī)負(fù)荷進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整,將F1軋機(jī)負(fù)荷降低至名義值的85%以下,將F2軋機(jī)負(fù)荷增至名義值的70%左右;F3~F7軋機(jī)的負(fù)荷基本保持現(xiàn)狀。
[1]張?zhí)谜?,陳燕?CSP軋機(jī)主傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力系統(tǒng)測(cè)試分析[J].武漢工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2014,Vol.26(3):56-58.
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Research of the Loading Optimization of CSP Finishing Mill Group Rolling High-strength Thin Strip
Chen Yancai1Li Yourong2Hu Cheng3Zhang Tangzheng1Zhang Xuerong1
(1:R & D Center of Wisco, Wuhan 430080;2:Wuhan University of Science and Technology, Wuhan 430080;3:Long Product Plan of Wisco, Wuhan 430080)
With the ultimate of the high-strength stell increased, the rolling load and tension increased, therefore, the requirement of the carrying capacity of rolling equipment are also increasing. CSP production unit operation at high-load for a long time, because there is no force parameters measured data, it is impossible to determine the load conditions, carrying capacity and the limit of the actual production of this unit. this issue has become a bottleneck of production of high-strength thin strip and it must be resolved. In this paper, used the combination of the measurement in field, theoretical analysis and simulation, conduct the comprehensive assessment of CSP finishing mill main drive system and propose solution to optimize the load distribution, provide a basis theoretical for the mass production of high-strength thin stip.
CSP line Finishing mill group Load optimization High-strength-thin strip
陳燕才,男,1965年出生,1985年畢業(yè)于華中科技大學(xué)機(jī)制專(zhuān)業(yè),碩士,教授級(jí)高工,長(zhǎng)期從事冶金設(shè)備技術(shù)、研究工作
TG335.5+5
A
10.3969/j.issn.1001-1269.2015.04.004
2015-01-07)