十五辊组合矫直机关键技术及理论模型的研究

论文摘要

中厚板生产线上的矫直机作为保证中厚板质量的重要设备,直接决定着产品的生产率、平直度精度、应力消除程度以及交货质量的高低。随产量和质量要求的逐年提高,中厚板品种规格趋于多样化,特别是1975年以后控轧控冷（TMCP）等技术的广泛应用,板材的矫直温度降低、材料的屈服强度提高等多种因素,对矫直设备在强度、刚度、功能和自动化程度等方面提出了更高的要求。但由于矫直理论、工艺模型等核心技术积累不够,国产中厚板辊式矫直机与国外同类型设备相比,矫直效率、不平度精度、自动化程度均有一定差距。本文以某钢铁公司不锈钢热处理线3000mm十五辊组合矫直机的开发设计项目和其他热处理矫直机、冷矫直机开发设计项目为依托,对中厚板矫直理论及计算模型、组合矫直机关键技术和其它第三代矫直机关键技术进行研究,得出以下结论：1、十五辊矫直机为高强度板设计,其核心技术是在高强薄板矫直时,采用平行矫直方案和辊系间张力技术,提高矫直精度,扩大矫直板材的材料强度范围。通过对矫直方案影响因素研究表明,在组合矫直机中实施平行矫直方案是可行性的；并且通过建立组合矫直大小辊系参数优化目标、优化约束条件,采用数值计算方法得出了组合矫直机可取辊系参数系列。2、组合矫直机薄规格板材穿带问题为矫直过程中板材咬入问题。通过几何解析分析,提出了矫直过程中板材穿带咬入的基本条件,并推导咬入参数接触角α。与组合矫直机中间过渡辊辊系参数相关三个咬入参数接触角决定了组合矫直机薄板穿带运行稳定性。通过分析建立中间过渡辊相关辊系参数优化的数学模型,采用复合单纯形法对其进行求解,保证了组合矫直机穿带稳定。3、建立截面分层的矫直内弯矩算法,得到矫直过程中截面上各种应力＼应变。并通过上述矫直计算模型,进一步提出了不充分变形矫直工艺、十五辊组合矫直机工艺方案。研究表明,不充分变形矫直工艺不同于现有矫直工艺，适用于厚板矫直过程。采用不充分变形多道次矫直工艺方案,扩大了矫直范围,可矫轧件变形抗力极限提高了1／4～1／3。组合矫直机辊系有别于普通矫直机辊系,在这种组合辊系和平行矫直方案的矫直过程明显不同于等辊距辊系倾斜的矫直方案。当采用平行矫直方案,相同的压下量在不同的辊系中使板材的弯曲程度不同。组合矫直前面的小辊系使轧件得到大的弯曲曲率相同弯曲变形,使残余曲率的范围快速减小。组合矫直后面的大辊系使轧件得到小的弯曲曲率相同弯曲变形,逐步减小残余曲率的数值。4、由于矫直辊的作用,矫直单元对浪型压缩变形产生的拉伸区和压缩区,拉伸区和压缩区的应力／应变叠加弯曲变形后,产生应力中性层、应变中性层偏移。中性层的偏移和残余应变使不同部位的纵向纤维产生拉伸和压缩,是浪型矫直的根本原因。模拟结果表明：由于浪形存在矫直后,板材存在较大的残余应力,同时有横向浪形比无浪形的矫直力能参数增加。5、通过对自学习的变形抗力模型在矫直模型中的应用研究。研究表明：模型解决了中厚板矫直力学模型中涉及的变形抗力值的确定问题。6、通过对矫直机压下系统机构分析,提出了机械+液压的压下系统。其压下机构由压下螺丝螺母、双球面垫、短程伺服缸、活动横梁及滑板组组成,对系统的运动机构研究表明：压下机构由7个连杆和一个基础件组合,约束有三个定轴滑动副C、六个球面副S、空间高副H组成的空间机构,该机构为没有公共约束的多封闭环空间机构,自由度为6,有可靠确定的运动状态,能实现矫直工艺前后倾、左右倾、垂直升降的要求。7、通过对对开式弯辊机构及整个压下机构的运动分析,研究表明：对开式弯辊机构的压下机构的自由度等于机构主动件的数目,整个机构有预期的确定的运动。压下位置关键点—铰接点的垂直位移、水平位移随上压力框架转角增加而增加,其中铰接点的垂直位移与压力框架转角关系为指数关系；铰接点的水平位移与压力框架转角关系近似为线性关系。。8、通过建立上辊系及支撑机构等效有限元模型研究其应力／应变特征,结果表明：矫直辊辊形呈抛物线分布,其弹跳刚度为4.9×104N／mm、弯曲刚度为6.92×104N／mm；压缩变形分布也为抛物线分布,其中心比边部压缩大31.6%。全文通过中厚板辊式矫直过程的研究,为实现第三代中厚板辊式矫直机国产化提供了理论依据。对中厚板矫直理论研究和具有自主知识产权的大型中厚板矫直机的开发及研制,在提高我国重大装备的制造能力、提高我国中厚板的质量和竞争力方面具有重要的现实意义和理论意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 插图索引
• 附表索引
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 国内外辊式矫直装备及技术的进展
• 1.2.1 辊式矫直装备及技术的发展历程
• 1.2.2 第三代辊式矫直装备及技术特点
• 1.2.3 国内辊式矫直装备及技术的发展
• 1.3 中厚板辊式矫直过程及矫直理论研究发展
• 1.4 本文的研究目的及研究内容
• 第2章 十五辊组合矫直机辊系优化设计
• 2.1 组合矫直机大小辊系参数优化
• 2.1.1 平行矫直方案的可行性
• 2.1.2 大小辊系参数优化的目标
• 2.1.3 大小辊系参数基本限制条件
• 2.1.4 大小辊系参数的优化确定
• 2.2 组合矫直机中间过渡辊参数优化
• 2.2.1 板带矫直运行稳定性条件
• 2.2.2 板带矫直接触点的确定
• 2.2.3 辊系参数对接触点位置及接触夹角的影响
• 2.2.4 组合辊系过渡辊参数的优化
• 2.2.5 板带矫直运行稳定性的结论
• 2.3 本章小结
• 第3章 中厚板辊式矫直过程模型算法修正与应用
• 3.1 塑性弯曲的基本概念
• 3.1.1 矫直过程中弹塑性弯曲曲率
• 3.1.2 矫直过程中力矩及曲率方程
• 3.2 矫直的弹塑性弯曲过程分层计算方法
• 3.2.1 影响辊式矫直机弯曲过程计算的因素
• 3.2.2 弯曲过程分层算法的建立
• 3.2.3 计算结果分析
• 3.3 连续弯曲过程模型
• 3.4 厚板不充分变形矫直工艺方案
• 3.4.1 现有矫直工艺方案
• 3.4.2 不充分变形的矫直工艺方案
• 3.4.3 有限元模拟
• 3.4.4 实际应用数据分析
• 3.5 组合矫直机矫直工艺方案研究
• 3.5.1 组合矫直机辊系平行矫直方案
• 3.5.2 组合矫直有限元模型
• 3.5.3 分析与对比
• 3.6 本章小结
• 第4章 横向板型缺陷矫直过程的解析与模拟
• 4.1 横向板型缺陷矫直解析法研究
• 4.1.1 浪形矫直机理
• 4.1.2 浪形矫直影响因素
• 4.2 横向板型缺陷矫直有限元模拟
• 4.2.1 有限元模型的建立
• 4.2.2 矫直过程中应力应变特征
• 4.2.3 矫直后应力应变特征
• 4.2.4 横向浪型对矫直力能参数影响
• 4.2.5 入口压弯量对横向浪型矫直的影响
• 4.3 本章小结
• 第5章 第三代矫直机其它关键技术
• 5.1 矫直自动化系统及模型
• 5.1.1 矫直自动化系统功能与结构
• 5.1.2 自学习的材料模型
• 5.2 液压压下技术及压下机构稳定性
• 5.2.1 矫直机机械+液压压下系统
• 5.2.2 对开式弯辊机构运动分析
• 5.3 辊缝形状与上辊系的变形分析
• 5.3.1 上辊系有限元计算模型
• 5.3.2 上辊系变形
• 5.3.3 上辊系应力
• 5.4 本章小节
• 结论
• 本研究工作的创新之处
• 参考文献
• 致谢
• 附录A （攻读学位期间所发表的学术论文目录）
• 附录B （攻读学位期间获发明专利和申请目录）
• 附录C （攻读学位期间获奖励目录）
• 附录D （主持、参与的科研项目录）