供稿|呂耀強(qiáng)，張毅勃 /

作者單位：唐鋼一鋼軋廠，河北 唐山 063000

內(nèi)容導(dǎo)讀

隨著市場的拓展和產(chǎn)品的開發(fā)，唐鋼1700熱軋線對高強(qiáng)鋼、高級別熱軋汽車結(jié)構(gòu)鋼、薄規(guī)格等高附加值產(chǎn)品的生產(chǎn)逐步加強(qiáng)，生產(chǎn)強(qiáng)度逐漸達(dá)到了生產(chǎn)線設(shè)備能力的極限。通過對卷取機(jī)夾送輥的生產(chǎn)能力以及對夾送輥電機(jī)和芯軸電機(jī)的最大負(fù)載力矩和過載力矩的計算和分析，唐鋼1700熱軋生產(chǎn)線卷取機(jī)組卷取機(jī)芯軸電機(jī)參數(shù)不能滿足生產(chǎn)厚規(guī)格寬斷面的高屈服強(qiáng)度產(chǎn)品的需求。因此在不改變卷取機(jī)芯軸電機(jī)及其他生產(chǎn)設(shè)備參數(shù)的情況下，采用雙速比減速機(jī)，通過使用大速比來提高卷取力矩，從而提高卷取張力，滿足了生產(chǎn)需求。

唐鋼第一條熱軋線是連鑄連軋生產(chǎn)線，由于生產(chǎn)的產(chǎn)品品種和規(guī)格不能滿足需求，因此唐鋼又建成了第二條1700熱軋線以提升產(chǎn)品質(zhì)量和拓展產(chǎn)品品種和規(guī)格，設(shè)計年產(chǎn)量300萬t，初期以供應(yīng)下游冷軋廠冷軋原料為主，兼顧周邊市場的普通中碳結(jié)構(gòu)鋼、低合金結(jié)構(gòu)鋼等。隨著市場的拓展和產(chǎn)品的開發(fā)，高強(qiáng)鋼、高級別熱軋汽車結(jié)構(gòu)鋼、薄規(guī)格等高附加值產(chǎn)品的生產(chǎn)逐步加強(qiáng)，生產(chǎn)強(qiáng)度逐漸達(dá)到了生產(chǎn)線設(shè)備能力的極限且成為生產(chǎn)高強(qiáng)度大斷面厚規(guī)格產(chǎn)品的障礙。

1700熱軋生產(chǎn)線產(chǎn)品定位：產(chǎn)品最大抗拉強(qiáng)度700 MPa，卷取溫度500～700℃。由此參數(shù)可以看出設(shè)備能力已成為開發(fā)高強(qiáng)度大斷面厚規(guī)格產(chǎn)品的瓶頸。

產(chǎn)品

產(chǎn)品品種

1700熱軋生產(chǎn)線產(chǎn)品以冷軋原料為主，鋼種除低碳鋼、碳素結(jié)構(gòu)鋼、低合金鋼、管線鋼外還包括不銹鋼(Cr系)等。

產(chǎn)品規(guī)格

普鋼產(chǎn)品規(guī)格：厚度1.5～12.7mm，寬度850～1550 mm，鋼卷內(nèi)徑f759 mm，鋼卷外徑f1200～2025 mm，最大卷重27 t。

不銹鋼產(chǎn)品規(guī)格：厚度2.5～6.0 mm，寬度850～1550 mm，鋼卷內(nèi)徑f759 mm，鋼卷外徑f1200～2025 mm，最大卷重20 t。

卷取機(jī)組能力分析

根據(jù)熱軋產(chǎn)品的卷取工藝，卷取機(jī)組的能力主要取決于夾送輥和卷取機(jī)主體設(shè)備，且這些設(shè)備的能力參數(shù)將決定產(chǎn)品的極限規(guī)格。因此，依據(jù)1700熱軋生產(chǎn)線的產(chǎn)品設(shè)計極限規(guī)格(表1)對卷取機(jī)組能力進(jìn)行具體的計算和分析。

表1 產(chǎn)品設(shè)計極限規(guī)格

夾送輥能力分析

夾送輥組的作用主要是在夾送輥咬入帶鋼時克服帶鋼的彈塑性彎曲變形力矩，使帶鋼產(chǎn)生向下彎的彈塑性彎曲變形，以引導(dǎo)帶鋼通過導(dǎo)向板順利地進(jìn)入卷取機(jī)；另外，在F7精軋機(jī)拋鋼后，使帶鋼在夾送輥與卷筒之間保持足夠的卷取張力，確保卷取成功。它的能力主要體現(xiàn)為夾緊力的大小和電機(jī)的輸出力矩。

◆ 夾送輥夾緊力分析

足夠的夾送輥夾緊力能夠保證帶鋼具有良好的咬入狀態(tài)和卷取所需要的張力，這是卷取成功與否的關(guān)鍵。

(1) 帶鋼咬入時，夾送輥主要是克服帶鋼的彈塑性彎曲變形力矩，使帶鋼產(chǎn)生向下彎的彈塑性彎曲變形，以引導(dǎo)帶鋼通過導(dǎo)向板順利地進(jìn)入卷取機(jī)，帶鋼受力分析如圖1所示。

圖1 帶鋼咬入時的受力分析

根據(jù)唐鋼1700熱軋生產(chǎn)線的極限產(chǎn)品規(guī)格，上下夾送輥的偏移角θ、帶鋼的彈塑性彎曲變形力矩M、夾送輥的夾緊力F，可用如下公式進(jìn)行計算：式中，M為帶鋼的彎曲變形力矩，N·m；b為帶鋼寬度，mm；h為帶鋼厚度，mm；σs為當(dāng)時溫度下帶鋼的屈服強(qiáng)度，MPa；R為上夾送輥半徑，445～450 mm；r為下夾送輥半徑，245～250 mm，e為上下夾送輥偏移量，219 mm。

根據(jù)唐鋼1700熱軋生產(chǎn)線的極限產(chǎn)品規(guī)格及卷取工藝參數(shù)計算出夾送輥所需的夾緊力，其中規(guī)格為12.7 mm×1500 mm的碳素結(jié)構(gòu)鋼的最大夾緊力為155 kN。

(2) F7精軋機(jī)拋鋼后，夾送輥負(fù)責(zé)承擔(dān)帶鋼與卷曲芯軸之間的張力，確保穩(wěn)定地完成卷取。這時候卷取張力靠夾送輥的夾緊力來保證，帶鋼的受力如圖2所示。

圖2 精軋機(jī)拋鋼后帶鋼受力分析

根據(jù)帶鋼與夾送輥輥面之間不打滑的條件可知，帶鋼表面的正壓力N≥T/(2μ)，再根據(jù)圖2的受力分析，夾送輥夾緊力F可用公式(4)進(jìn)行計算。

式中，T0為帶鋼單位張力，μ為帶鋼與夾送輥之間的摩擦因數(shù)，一般取值0.15。

根據(jù)極限規(guī)格來計算GRADE50(T0取10 MPa)夾送輥需要的夾緊力，厚度為12.7 mm的GRADE50夾緊力為640 kN，該鋼種的最大卷取張力為190.5 kN。

◆ 夾送輥電機(jī)過載力矩計算

(1) 夾送輥電機(jī)最大負(fù)載力矩計算。

夾送輥電機(jī)負(fù)載力矩Mz主要由張力矩MT、系統(tǒng)的摩擦力矩Mf和慣性力矩Ma組成。而Mf和Ma相對于張力矩MT來說，一般都很小，在粗略計算時忽略不計。則夾送輥電機(jī)最大負(fù)載力矩Mz主要取決于卷取張力T的大小。本機(jī)組的額定最大卷取張力T為114.6 kN。計算上下夾送輥電機(jī)最大負(fù)載力矩Mz：

額定功率下，夾送輥對規(guī)格為12.7 mm×1500 mm的帶鋼可產(chǎn)生最大單位張力3.0047 MPa，在最大允許過載系數(shù)200%的情況下，夾送輥對規(guī)格為12.7 mm×1500 mm的帶鋼可產(chǎn)生最大為6.0094 MPa的單位張力。

(2) 夾送輥電機(jī)過載力矩計算。

唐鋼1700熱軋生產(chǎn)線卷取機(jī)上下夾送輥電機(jī)參數(shù)相同，均為225 kW，轉(zhuǎn)速為300/830 r/min，上夾送輥采用減速機(jī)驅(qū)動，減速比1∶1.8。忽略減速機(jī)的傳動效率η，則上下夾送輥的額定輸出力矩相同：

針對12.7 mm×1500 mm帶鋼，按照10 MPa的帶鋼卷取單位張力，上、下夾送輥電機(jī)最大過載系數(shù)：k = Mz/Me=14.324/7.162= 2，夾送輥電機(jī)能力不足。

卷取機(jī)本體能力分析

唐鋼1700熱軋生產(chǎn)線帶鋼設(shè)計規(guī)格最大厚度12.7 mm，帶鋼在助卷輥處的二次彎曲所需的壓緊力不是限制因素，因此卷取機(jī)本體設(shè)備的能力主要取決于卷取機(jī)芯軸電機(jī)的能力，也就是芯軸電機(jī)的選型及卷取機(jī)減速機(jī)速比的參數(shù)選擇是否合理，因而對卷取機(jī)芯軸電機(jī)的過載力矩進(jìn)行計算。

唐鋼1700軋線卷取機(jī)電機(jī)功率P為1000 kW，電機(jī)轉(zhuǎn)速為320/840 r/min，電機(jī)的額定力矩為：

卷取機(jī)在卷取過程中，芯軸承受的總負(fù)載力矩MZ′主要由四部分組成：克服卷取張力的張力矩MT′，克服帶鋼塑性變形的彎曲力矩Mw′，克服系統(tǒng)摩擦的摩擦力矩Mf′，芯軸的慣性力矩Ma′。同樣，由于Mf′和Ma′相對于MT′和Mw′比較小可以忽略不計，因此計算卷取機(jī)芯軸電機(jī)的負(fù)載力矩MZ′：

式中，Dm為鋼卷最大直徑mm，i為卷取機(jī)芯軸減速比，i=1.529。

芯軸電機(jī)的過載系數(shù)：

式中，η為傳動效率，一般取值0.9。

將極限產(chǎn)品規(guī)格及卷取工藝參數(shù)代入公式(9)和(10)，計算出電機(jī)負(fù)載力矩及過載系數(shù)，見表2。

表2 極限產(chǎn)品規(guī)格與芯軸電機(jī)的負(fù)載力矩及過載系數(shù)

額定輸出情況下，芯軸上產(chǎn)生的額定轉(zhuǎn)矩41.062824 kN·m，在卷徑為2000 mm時，可產(chǎn)生的總張力為T = Me/Rm= 41.062824 kN。針對帶鋼極限規(guī)格12.7 mm×1500 mm，產(chǎn)生的單位張力T0=T/(bh)=2.1555 MPa。即使按照芯軸電機(jī)200%過載系數(shù)進(jìn)行計算，在生產(chǎn)帶鋼極限規(guī)格12.7 mm×1500 mm鋼卷時，卷取機(jī)在卷徑2 m時卷取張力實際最大(200%過載)可產(chǎn)生張力4.3111 MPa。

從計算結(jié)果可知，卷取機(jī)芯軸電機(jī)生產(chǎn)厚規(guī)格寬斷面不能滿足卷取能力要求。夾送輥可建立6.0094 MPa張力，卷取機(jī)可建立4.3111 MPa張力，因此卷取機(jī)組張力瓶頸在芯軸張力的建立上。

卷取機(jī)芯軸電機(jī)選用交流電機(jī)，過載能力200%，可持續(xù)60 s，因此軋制厚規(guī)格時，尤其帶卷在精軋機(jī)拋鋼后，隨著卷徑的增加，卷取張力已經(jīng)不能滿足卷取需求。因此在生產(chǎn)厚規(guī)格、寬斷面的高屈服強(qiáng)度鋼種時，卷形易發(fā)生層錯及外塔缺陷。

應(yīng)對此缺陷目前可行的方案是繼續(xù)使用卷取機(jī)芯軸電機(jī)，但是需要采用雙速比減速機(jī)，通過使用大速比來提高卷取力矩，從而提高卷取張力，改善卷形缺陷問題。以卷取機(jī)芯軸減速機(jī)減速比為3.61進(jìn)行計算(見表3)與減速機(jī)減速比為1.529的計算結(jié)果(表2)進(jìn)行對比。

通過表3和表2對比可以看出，采用大速比減速機(jī)能有效提高芯軸轉(zhuǎn)矩，在不改變其他生產(chǎn)設(shè)備參數(shù)的情況下，卷取機(jī)芯軸電機(jī)過載系數(shù)完全分布在2.0以內(nèi)，滿足芯軸電機(jī)200%過載持續(xù)60 s的安全范圍。

結(jié)束語

唐鋼1700熱軋生產(chǎn)線卷取機(jī)組卷取機(jī)芯軸電機(jī)參數(shù)不能滿足生產(chǎn)厚規(guī)格寬斷面的高屈服強(qiáng)度產(chǎn)品的需求。因此在不改變卷取機(jī)芯軸電機(jī)及其他生產(chǎn)設(shè)備參數(shù)的情況下，采用雙速比減速機(jī)，通過使用大速比來提高卷取力矩，從而提高卷取張力，滿足生產(chǎn)需求。