方中峰，周文浩，劉磊，王仕杰，李雷

（1.馬鞍山鋼鐵股份有限公司，安徽 馬鞍山 243003；2.中國(guó)重型機(jī)械研究院股份公司，西安 710018）

0 引言

在圓鋼軋制過(guò)程中，圓鋼內(nèi)部會(huì)形成大量?jī)?nèi)應(yīng)力，由于設(shè)備及工藝條件的限制，圓鋼在緩冷或者熱處理冷卻過(guò)程中往往會(huì)由于應(yīng)力的釋放發(fā)生彎曲變形。矯直機(jī)是圓鋼精整線上的重要設(shè)備，通過(guò)矯直機(jī)，圓鋼的彎曲得到矯直，其直線度達(dá)到一定程度后，才能送入后部精整設(shè)備進(jìn)行處理。馬鋼公司于2014年正式投產(chǎn)一臺(tái)最大直徑為?250 mm、最大屈服強(qiáng)度為1050 MPa的特殊鋼圓鋼矯直機(jī)。該矯直機(jī)具有矯直精度和一次成材率高等優(yōu)點(diǎn)。投產(chǎn)后，部分圓鋼存在矯后頭部啃傷和矯后圓鋼剮蹭后輥道的問(wèn)題，影響了交貨質(zhì)量，亟需解決這兩個(gè)問(wèn)題。

1 輥式矯直機(jī)的矯直原理和主要技術(shù)特點(diǎn)

平面內(nèi)的彎曲，矯直后必然形成一條直線，如果這個(gè)平面本身存在著彎曲，還需在垂直于這個(gè)平面的方位上進(jìn)行反復(fù)彎曲，使這條直線在所有正交方位上都實(shí)現(xiàn)矯直。旋轉(zhuǎn)反彎就是在三維空間內(nèi)一邊前進(jìn)、一邊反彎，最后將棒材多方向上的彎曲矯直。

斜輥矯直機(jī)的核心是旋轉(zhuǎn)反彎矯直，這個(gè)旋轉(zhuǎn)面實(shí)質(zhì)上是一個(gè)螺旋面而不是一個(gè)旋轉(zhuǎn)平面。當(dāng)這個(gè)螺旋面的中心線存在彎曲時(shí)，則必須在螺旋面的正交方位上進(jìn)行反彎，使該中心線變成直線，使該直線周圍的任何一條螺旋線都互相平行地包圍在中心線的外層，從而達(dá)到矯直目的。除了在單一螺旋面內(nèi)各種彎曲的纖維得到矯直之外，螺旋面本身的各種彎曲也在其正交的螺旋面上進(jìn)行了反彎矯直。因此不管是平面反彎矯直，還是旋轉(zhuǎn)反彎矯直，兩者都必須同時(shí)在兩個(gè)正交相位上完成反彎矯直才能實(shí)現(xiàn)真正的矯直，所以平行輥矯直機(jī)與斜輥矯直機(jī)在本質(zhì)上是互相一致的[1-2]。

在圓鋼矯直過(guò)程中，反彎次數(shù)越多，矯直精度也越高，但由于大多數(shù)金屬都具有加工硬化的效果，反彎次數(shù)過(guò)多直接影響了矯直效果，對(duì)金屬的力學(xué)性能也有較大影響。從使用經(jīng)驗(yàn)上來(lái)看，反彎次數(shù)不超過(guò)3次最好。因此本矯直機(jī)的輥系采用2-2-2-2-2，其力學(xué)模型如圖2所示。這種矯直機(jī)通過(guò)3次連續(xù)反彎，矯直精度達(dá)到1 mm/m。對(duì)于圓鋼頭尾來(lái)說(shuō)，由于矯直反彎次數(shù)的增加，其彎曲程度減小，從而間接上也縮短了矯直盲區(qū)，取得了良好的使用效果。同時(shí)，由于矯直機(jī)的第2、4對(duì)輥采用了類兩輥的凹凸復(fù)合輥形，對(duì)縮短矯直盲區(qū)也有一定積極效果。

理論上，絕對(duì)消除圓鋼的頭尾矯直盲區(qū)是不可能的，即使是兩輥矯直機(jī)，圓鋼在輥長(zhǎng)方向上發(fā)生彈塑性變形，彎曲半徑減小，也僅僅是縮短了矯直盲區(qū)，并沒(méi)有絕對(duì)消除矯直盲區(qū)。由于多輥矯直機(jī)輥距較大，盲區(qū)較長(zhǎng)，因此通過(guò)多次連續(xù)反彎矯直的方法，提高圓鋼頭尾的矯直精度，并在一定程度上也起到了縮短矯直盲區(qū)的效果。

多輥斜輥矯直機(jī)的矯直輥中心線與矯直中心線之間夾角一般取28°～34°，當(dāng)圓鋼沿著矯直中心線旋轉(zhuǎn)前進(jìn)的時(shí)候，矯直輥在承受徑向載荷的同時(shí)，還要承受一定的軸向載荷。

圖1為圓鋼沿著多輥斜輥矯直機(jī)旋轉(zhuǎn)前進(jìn)時(shí)圓鋼表面沿著輥?zhàn)忧斑M(jìn)時(shí)的軌跡。其表面上任意一點(diǎn)，經(jīng)過(guò)b－b點(diǎn)的反彎變形后，其塑性變形剛好和a－a、c－c點(diǎn)塑性變形之和相等，方向相反，這時(shí)圓鋼得到矯直。圓鋼的導(dǎo)程t可由下式計(jì)算：

圖1 圓鋼運(yùn)行軌跡

圖2 十輥矯直力學(xué)模型

圖3 快開(kāi)型矯直輥調(diào)整機(jī)構(gòu)

圖4 尾輥反彎結(jié)構(gòu)

式中：d為圓鋼的直徑；α為矯直輥傾斜角度。

從圖1上可以看出，若想矯直圓鋼，圓鋼的導(dǎo)程和輥距必須滿足下列關(guān)系：

式中，n為正整數(shù)。

當(dāng)輥距與導(dǎo)程的關(guān)系式滿足式（2）時(shí)，圓鋼滿足矯直要求[5]。從式（2）也可以看出，當(dāng)圓鋼的直徑一定時(shí)，影響導(dǎo)程的唯一因素為傾斜角，因此對(duì)應(yīng)不同直徑的圓鋼應(yīng)當(dāng)適當(dāng)調(diào)整矯直輥的角度，從而提高矯直的一次成材率。由于矯直輥直徑一般是固定的，因此隨著圓鋼直徑的變大，矯直輥的傾斜角也相應(yīng)地變大，以適應(yīng)矯直的需求。同時(shí)，由于矯直輥對(duì)圓鋼的包絡(luò)程度直接影響矯直精度，也要求隨著圓鋼直徑變大的同時(shí)，調(diào)整矯直輥的角度。

在矯直過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)的圓鋼直徑超差和橢圓度超差這兩種現(xiàn)象，給輥縫調(diào)整帶來(lái)困難。輥縫調(diào)整過(guò)大，圓鋼會(huì)因沒(méi)有足夠壓緊摩擦力而打滑；輥縫調(diào)整過(guò)小，又容易出現(xiàn)卡鋼現(xiàn)象。因此，本矯直機(jī)采用了液壓動(dòng)態(tài)恒壓矯直技術(shù)[3]，它使矯直機(jī)在矯直過(guò)程中上矯直輥時(shí)刻處于壓緊并可浮動(dòng)的狀態(tài)，這樣既保證了圓鋼矯直過(guò)程中需要的足夠矯直力，又消除了橢圓度對(duì)于開(kāi)口度的影響，而且不會(huì)卡鋼，有效實(shí)現(xiàn)了矯直過(guò)程中的恒壓穩(wěn)定，保護(hù)了壓下機(jī)構(gòu)和機(jī)械設(shè)備。

對(duì)于液壓斜輥矯直機(jī)來(lái)說(shuō)，由于液壓系統(tǒng)的恒壓動(dòng)態(tài)矯直作用，圓鋼所承受徑向載荷是恒定的，并且大于圓鋼發(fā)生塑性彎曲時(shí)所需要的最大矯直力，才能有效實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)矯直。

2 主要問(wèn)題機(jī)理研究

棒材矯直多采用旋轉(zhuǎn)反彎矯直。圓鋼在矯直過(guò)程中，矯直可以分解為兩個(gè)正交平面上的彎曲，同時(shí)，不同位置的矯直輥形成一個(gè)錯(cuò)位的反彎，實(shí)現(xiàn)矯直。由于原始彎曲是多個(gè)相位上的彎曲，因此需要多次連續(xù)反彎，是多個(gè)相位上的反復(fù)彎曲矯直，最終實(shí)現(xiàn)提高矯直精度的目的。

由于多輥式矯直機(jī)輥距的限制，大規(guī)格圓鋼的頭部及尾部的矯直一直以來(lái)是多輥矯直機(jī)的技術(shù)難點(diǎn)。為了減小圓鋼的頭尾矯直盲區(qū)，該矯直機(jī)采用傳統(tǒng)的多輥矯直機(jī)中復(fù)合輥型矯直技術(shù)[6]。通過(guò)輥形曲線的計(jì)算，矯直機(jī)的第1對(duì)、第3對(duì)和第5對(duì)矯直輥采用準(zhǔn)雙曲線輥型，而矯直機(jī)的上2、上4采用類深凹型輥，下2、下4采用類淺凸型輥。通過(guò)這種復(fù)合輥型布置，使得圓鋼在對(duì)輥布置的小曲率矯直環(huán)節(jié)和深淺凹型大曲率矯直環(huán)節(jié)雙重作用下，提高了全長(zhǎng)范圍內(nèi)的矯直精度。同時(shí)，為了解決大規(guī)格圓鋼長(zhǎng)鋼矯直后尾部甩動(dòng)不穩(wěn)定的問(wèn)題，在矯直輥?zhàn)詈笤黾恿艘粋€(gè)隨動(dòng)曲面輥，進(jìn)一步提高了矯直精度。

通過(guò)分析整個(gè)矯直過(guò)程可以發(fā)現(xiàn)，圓鋼經(jīng)過(guò)散料機(jī)構(gòu)，由撥料機(jī)構(gòu)撥到入料輥道上后，圓鋼在入料輥道上為直線運(yùn)動(dòng)。而當(dāng)圓鋼進(jìn)入矯直輥后，圓鋼由直線前進(jìn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)樾D(zhuǎn)前進(jìn)運(yùn)動(dòng)。在接觸矯直輥的瞬間，矯直輥對(duì)圓鋼施加的作用力集中在圓鋼的前頭端部，大部分矯直力作用在一個(gè)很小的區(qū)域。由于矯直輥材質(zhì)普遍采用高鉻合金，通過(guò)多次熱處理，表面硬度遠(yuǎn)高于圓鋼的表面硬度，此時(shí)瞬間的沖擊極易對(duì)圓鋼頭部造成刮傷，這也是大多數(shù)輥式矯直機(jī)頭部發(fā)生啃傷的主要原因。

在圓鋼矯直過(guò)程中，斜輥矯直機(jī)的矯直原理是旋轉(zhuǎn)反彎，而反彎量直接決定了矯直效果的好壞。對(duì)于多輥矯直機(jī)，下中間輥多設(shè)計(jì)為被動(dòng)反彎輥。對(duì)于本矯直機(jī)，當(dāng)圓鋼進(jìn)入第2對(duì)被動(dòng)矯直輥時(shí)，由于第2對(duì)輥為反彎被動(dòng)輥，圓鋼旋轉(zhuǎn)送入矯直輥之后，第1對(duì)輥壓迫圓鋼反彎進(jìn)入第2對(duì)輥，圓鋼的頭部也極易被2號(hào)上輥瞬間啃傷。

3 全液壓快開(kāi)矯直機(jī)的改造

十輥矯直機(jī)矯直輥布置型式為（2-2-2-2-2），為了解決圓鋼頭部被矯直輥啃傷的問(wèn)題，原設(shè)計(jì)上1輥采用快開(kāi)輥結(jié)構(gòu)。矯直過(guò)程中，主要工藝流程如下：輥道升起→送入1號(hào)輥→1號(hào)輥壓下→矯直完成后1號(hào)輥抬起。通過(guò)采用這種結(jié)構(gòu)，上1輥液壓快開(kāi)，避開(kāi)了圓鋼前頭端部，避免了啃傷圓鋼。但是當(dāng)圓鋼達(dá)到2號(hào)輥的時(shí)候，由于結(jié)構(gòu)限制，矯直機(jī)普遍采用上反彎結(jié)構(gòu)，下2輥輥面要比下1輥略高，圓鋼由于要進(jìn)行上反彎，圓鋼的頭部由下向上旋轉(zhuǎn)擠入矯直輥。由于第2對(duì)輥為被動(dòng)輥，主動(dòng)輥壓迫圓鋼旋轉(zhuǎn)反彎進(jìn)入被動(dòng)輥，造成圓鋼頭部啃傷缺陷。

理論上，全輥系都采用液壓快開(kāi)肯定能徹底解決此問(wèn)題，但是由于液壓系統(tǒng)流量的限制，全輥系都采用液壓快開(kāi)，需要改造原有的液壓站，改造成本急劇增加，再加上場(chǎng)地空間的限制，這一方案不太現(xiàn)實(shí)。因此在矯直過(guò)程中采用局部液壓快開(kāi)：矯直機(jī)的上1輥、上2輥在矯前處于打開(kāi)的狀態(tài)；當(dāng)圓鋼進(jìn)入矯直輥后，通過(guò)檢測(cè)信號(hào)反饋，矯直機(jī)的上1輥、上2輥通過(guò)液壓缸驅(qū)動(dòng)逐步壓下，將圓鋼夾緊送進(jìn)第3對(duì)輥，實(shí)現(xiàn)圓鋼的矯直。由于圓鋼頭部啃傷過(guò)程多發(fā)生在第1、2對(duì)輥，此時(shí)圓鋼頭部已經(jīng)完美避開(kāi)矯直輥；當(dāng)檢測(cè)信號(hào)檢測(cè)圓鋼脫離矯直輥后，液壓缸帶動(dòng)上1輥、上2輥快速抬起，等待下次的矯直。同時(shí)，由于采用液壓快開(kāi)的辦法，彎曲度過(guò)大的圓鋼更加有利于送入矯直輥進(jìn)行矯直。

通過(guò)將原有的液壓系統(tǒng)改造，增加一組控制閥來(lái)控制上2輥，實(shí)現(xiàn)液壓快開(kāi)，同時(shí)增加相應(yīng)的檢測(cè)開(kāi)關(guān)，并對(duì)自動(dòng)化程序進(jìn)行相應(yīng)的修改。通過(guò)以上整改變更，上1輥和上2輥通過(guò)雙輥交錯(cuò)液壓快開(kāi)，有效避免了圓鋼前頭端部啃傷，提高了產(chǎn)品的交貨質(zhì)量。

4 后輥道圓鋼蹭鋼問(wèn)題的解決

多輥矯直機(jī)矯直輥多采用上反彎的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。從輥系布置上看，由于矯直機(jī)下2輥、下4輥采用上反彎的方案，矯直完成后，圓鋼處于向下運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)。當(dāng)圓鋼前段伸出一定長(zhǎng)度后，由于重力原因，前段容易失穩(wěn)，從而導(dǎo)致圓鋼旋轉(zhuǎn)前進(jìn)過(guò)程中上下擺動(dòng)撞擊輥道。圓鋼沿著矯直中心線旋轉(zhuǎn)前進(jìn)，而輥道沿著矯直中心線直線運(yùn)動(dòng)，兩者之間存在著線速度差，因此兩者發(fā)生撞擊時(shí)，由于線速度不匹配，輥道對(duì)圓鋼造成了剮蹭，對(duì)圓鋼表面造成了損傷，同時(shí)圓鋼上下擺動(dòng)也容易損壞輥道。

發(fā)生此問(wèn)題的根本原因是圓鋼走出矯直機(jī)后的失穩(wěn)[4]。為了解決此問(wèn)題，拆除出口輥道的第一組，增加一組可以自由調(diào)整高度的尾輥，此輥?zhàn)硬捎眯陛伇粍?dòng)輥，高度略高于下5輥，起支撐的作用。增加相應(yīng)的檢測(cè)開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)程序連鎖。在矯直過(guò)程中，由于尾輥的支撐，圓鋼實(shí)現(xiàn)了平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)下料，避免了圓鋼與輥道剮蹭，同時(shí)增加了一個(gè)反彎矯直環(huán)節(jié)，進(jìn)一步提高了矯直精度。

5 矯直工藝及設(shè)備的優(yōu)化

棒材矯直機(jī)的矯直原理是旋轉(zhuǎn)反彎，在整個(gè)矯直過(guò)程中，矯直輥的角度、壓下量、反彎量3個(gè)因素直接決定了矯直效果。這3個(gè)主要因素相互制約、互相影響。角度的大小決定了矯直輥對(duì)圓鋼的包絡(luò)程度；壓下量影響著棒材的咬入效果、旋轉(zhuǎn)前進(jìn)的穩(wěn)定性，并減小圓鋼的橢圓度；反彎量決定了圓鋼在矯直過(guò)程中反彎程度的大小，它直接影響矯直精度。在矯直過(guò)程中，不能將矯不直的原因單純歸結(jié)于某一參數(shù)設(shè)置的不夠，應(yīng)當(dāng)對(duì)3個(gè)因素綜合優(yōu)化調(diào)整，達(dá)到個(gè)平衡的臨界點(diǎn)，在保證矯直質(zhì)量的同時(shí)，提高設(shè)備的穩(wěn)定性和可靠性。

在本次改造過(guò)程中，由于采用了部分液壓快開(kāi)的方法，矯直工藝與原有的方案有較大的差異，對(duì)整個(gè)液壓系統(tǒng)提出了更高的要求。由于振動(dòng)和液壓沖擊較大，液壓管路增加了多個(gè)管夾，減小振動(dòng)和沖擊，液壓系統(tǒng)增加了相應(yīng)的緩沖機(jī)構(gòu)，以減小換向沖擊。使用過(guò)程中，快開(kāi)系統(tǒng)對(duì)液壓缸的可靠性提出了更高的要求，這就要求后續(xù)備件的制造標(biāo)準(zhǔn)更加嚴(yán)格。在后續(xù)的備件制造過(guò)程中，增加相應(yīng)的液壓缸缸蓋厚度，并考慮增加相應(yīng)的卸壓油路，進(jìn)一步提高整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。

6 結(jié)論

對(duì)矯直機(jī)進(jìn)行改造后，徹底解決了頭部啃傷和蹭鋼的兩個(gè)問(wèn)題，矯直精度、矯直效率及設(shè)備可靠性都得到了大幅提高。同時(shí)，在本改造過(guò)程中應(yīng)用到的一系列技術(shù)，也廣泛應(yīng)用到同類型的其他矯直設(shè)備中，并取得了良好的使用效果。