唐鋼1700熱軋線卷取機(jī)組能力

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(chǎng)的拓展和產(chǎn)品的開發(fā)，唐鋼1700熱軋線對(duì)高強(qiáng)鋼、高級(jí)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(guò)對(duì)卷取機(jī)夾送輥的生產(chǎn)能力以及對(duì)夾送輥電機(jī)和芯軸電機(jī)的最大負(fù)載力矩和過(guò)載力矩的計(jì)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(guò)使用大速比來(lái)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(jì)年產(chǎn)量300萬(wàn)t，初期以供應(yīng)下游冷軋廠冷軋?jiān)蠟橹?，兼顧周邊市?chǎng)的普通中碳結(jié)構(gòu)鋼、低合金結(jié)構(gòu)鋼等。隨著市場(chǎng)的拓展和產(chǎn)品的開發(fā)，高強(qiáng)鋼、高級(jí)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?jiān)蠟橹?，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(jì)極限規(guī)格(表1)對(duì)卷取機(jī)組能力進(jìn)行具體的計(jì)算和分析。

表1 產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(shí)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(guò)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(shí)，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(guò)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(shí)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(jì)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(shí)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(jì)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(shí)候卷取張力靠夾送輥的夾緊力來(lái)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(jì)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(lái)計(jì)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(guò)載力矩計(jì)算

(1) 夾送輥電機(jī)最大負(fù)載力矩計(jì)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(duì)于張力矩MT來(lái)說(shuō)，一般都很小，在粗略計(jì)算時(shí)忽略不計(jì)。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(jì)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(duì)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(guò)載系數(shù)200%的情況下，夾送輥對(duì)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(guò)載力矩計(jì)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(dòng)，減速比1∶1.8。忽略減速機(jī)的傳動(dòng)效率η，則上下夾送輥的額定輸出力矩相同：

針對(duì)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(guò)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(jì)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(duì)卷取機(jī)芯軸電機(jī)的過(guò)載力矩進(jìn)行計(jì)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(guò)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(duì)于MT′和Mw′比較小可以忽略不計(jì)，因此計(jì)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(guò)載系數(shù)：

式中，η為傳動(dòng)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(jì)算出電機(jī)負(fù)載力矩及過(guò)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(guò)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(shí)，可產(chǎn)生的總張力為T = Me/Rm= 41.062824 kN。針對(duì)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(guò)載系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，在生產(chǎn)帶鋼極限規(guī)格12.7 mm×1500 mm鋼卷時(shí)，卷取機(jī)在卷徑2 m時(shí)卷取張力實(shí)際最大(200%過(guò)載)可產(chǎn)生張力4.3111 MPa。

從計(jì)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(guò)載能力200%，可持續(xù)60 s，因此軋制厚規(guī)格時(shí)，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(shí)，卷形易發(fā)生層錯(cuò)及外塔缺陷。

應(yīng)對(duì)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(guò)使用大速比來(lái)提高卷取力矩，從而提高卷取張力，改善卷形缺陷問(wèn)題。以卷取機(jī)芯軸減速機(jī)減速比為3.61進(jìn)行計(jì)算(見表3)與減速機(jī)減速比為1.529的計(jì)算結(jié)果(表2)進(jìn)行對(duì)比。

通過(guò)表3和表2對(duì)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(guò)載系數(shù)完全分布在2.0以內(nèi)，滿足芯軸電機(jī)200%過(guò)載持續(xù)60 s的安全范圍。

結(jié)束語(yǔ)

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(guò)使用大速比來(lái)提高卷取力矩，從而提高卷取張力，滿足生產(chǎn)需求。