Z-High连轧机侧支撑系统国产化研究及应用_张伟.pdf

图 1轧辊直径变化与轧制接触区视图Z-High 连轧机侧支撑系统国产化研究及应用张伟（山西太钢不锈钢股份有限公司，山西太原030000）摘要：针对 2#RAP 线连轧机独特的 Z-High 侧支撑结构，并且为国内核心专利部件，太钢仅有外形示意图且采购进口备件需花费高额费用的问题，利用现场生产工艺，对侧支撑的结构进行深入研究。针对该新型 Z-High 连轧机进行系统性的轧机轧制受力分析并对比理论验证，为轧制工艺提供理论应用基础；通过试验和现场测绘，形成Z-High 轧机的侧支撑有效制造图纸，实现了进口关键核心部件的国产化，打破了国外技术壁垒。关键词：Z-High 连轧机；侧支撑；油气；国产化中图分类号：TG335.13文献标识码：A文章编号：1672-1152（2023）05-0113-0312#RAP 线轧机概述2#RAP 线轧机侧支撑属于德国 SMS 的核心专利部件，山西太钢不锈钢股份有限公司（以下简称太钢）仅有外形示意图。通过对 Z-High 轧机侧支撑受力的理论分析，可以看到侧支撑部件的控制精度对整个轧机系统起到至关重要的作用。为了保设备稳定运行，需要定制新备件，但是由于进口备件价格费用高，因此，对进口备件进行了实物测绘，形成外形加工图纸，并且针对使用工况的要求，对侧支撑组件中的相关重要部件规定了加工工艺要求。2数学模型分析随着对不锈钢冷板轧制性能及厚度的要求越来越高，轧辊的使用发展变化逐渐向小径化趋势发展，小辊径轧辊具有的优点：减小接触区、减小轧制力、减小弹性变形，从而更有利于轧薄。根据最小可轧厚度理论Tong-Sacks 理论及FordAlexander 理论，最小可轧制厚度与轧辊直径关系，如下式所示：hmin=1.544C0kRD/3 000（通常可用到：D/1 000D/2 000）。如图 1 所示，随着轧辊辊径的增加，可轧制的厚度也在增加。对于传统的 6-High 轧机工作辊，减小工作辊直径又会导致工作辊刚度不够，当直径太小容易出现横向弯曲，而影响钢板生产质量。Z-High 轧机在原六辊轧机的基础上给每个工作辊添加侧支撑组件，侧支撑组件增加了工作辊在轧制时的侧向刚度，减小工作辊在轧制时因轧制力矩和张力所引起的侧向弯曲变形。因此，Z-High 轧机模型具有更优的板型控制性能。图 2 为 Z-High 连轧机模型示意图。2#RAP 线 Z-High 轧机侧支撑属于德国 SMS 核心专利部件，外方仅提供外形示意图，图 3 和图 4 为使用的轧机剖面示意图。根据对传统的 6-High 五机架连轧轧制模型的收稿日期：2022-12-16作者简介：张伟（1985），男，硕士研究生，毕业于昆明理工大学，工程师，主要从事轧钢装备技术研究。总第 208 期2023 年第 5 期山西冶金Shanxi MetallurgyTotal 208No.5，2023DOI:10.16525/14-1167/tf.2023.05.043图 2Z-High 连轧机连轧模型图 4侧支撑组件在轧机内部的剖面示意图图 3侧支撑组件在轧机内部的剖面示意图l1l2中间棍轴承座轴向止推轴承中间鲲轴承侧支撑组件中间辊轴承轴向止推轴承座组件侧支撑轴承侧支撑组件中间辊工作辊侧支撑辊理论研究山西冶金E-mail:第 46 卷分析可知，如果外扰或人为地改变轧制条件会使各式中的几个变量发生变化，需要过渡到新的稳定状态。Z-High 连轧机是在原有的 6-High 基础上进行的改进，增加了侧支撑装置，其受力应当满足正常的轧制要求。2.1轧辊辊系受力模型分析为了保证轧制过程中，轧制力和板型控制处于稳定控制的要求，每个机架的受力应保持轧制变形的需求，控制轧制过程中的前滑和后滑。图 5 为 Z-High 轧机轧制受力分析，其中 Pi为机架轧制力，Fi1、Fi2、Fi3、Fi4分别为机架内四个侧支撑组件施加于工作辊辊面上的侧向力，Fi1x、Fi1y、Fi2x、Fi2y、Fi3x、Fi3y、Fi4x、Fi4y分别对应各侧向分力在轴及轴上的分解力，i=15。2.2侧支撑辊系轧制数学模型分析1侧支撑辊组可增加工作辊在轧制时的侧向刚度，减小工作辊在轧制时因轧制力矩和张力所引起的侧向弯曲变形。图 6 选取辊系的上半部分进行受力分析。其中：i0、i1、i2、i3、i4、i5 分别代表第 i 机架的工作辊、侧支撑辊、侧支撑背衬轴承辊系 1 轴、侧支撑背衬轴承辊系 2 轴、中间辊、支撑辊。在轧制力作用下，所有轧辊均会发生位移，这时代替初始坐标（0，y），假定载荷 qi为垂直方向，坐标差为辊系变形的一半，即：yigx=2（yi-yi）.（1）为确定辊系在变形后的新坐标，则需确定辊系结构中各接触点上的力。假设在被轧制钢带的宽度上，作用在工作辊辊身单位长度的力为均布，则：qi=Pi/B.（2）由辊系的几何位置关系可求出工作辊轴心的纵坐标，即：yi=yi1-（Di1+Di2）24-x2i1.（3）因此，工作辊轴心的新坐标可确定，即：yi=yi1-（Di1+Di2）24-x2i1+2i3cos.（4）可求出辊系的变形，即：yigx=2yi1-（Di1+Di2）24-x2i1+2i3cos+（Di1+Di2）24-x2i1-yi1|.（5）因（Di1+Di2）24-x2i1及（Di1+Di2）24-x2i1开方后值相差很小，可忽略该项，将 yi、i3用式（4）及经验公式表示为：yigx6qi11-2Ecosln2E（Di0/2+Di1/2）（1-2）qi1+2qi11-2Ecossinsin（+）ln2E（Di1/2+Di3/2）（1-2）sin/sin（+）+2qi11-2Ecosksinsin（+）ln2E（Di1/2+Di2/2）（1-2）sin/sin（+）.（6）式中：为工作辊轴心和侧支撑辊轴心连线与垂直方向的夹角；为侧支撑辊轴心与背衬轴承辊系 1 轴心连线与垂直方向的夹角；k 为侧支撑辊轴心与背衬轴承辊系 2 轴心连线与垂直方向的夹角；为工作辊轴心和侧支撑辊轴心连线与侧支撑辊轴心和背衬轴承辊系 1 轴心连线的夹角；为工作辊轴心和侧支撑辊轴心连线与侧支撑辊轴心和背衬轴承辊系 2 轴心连线的夹角；qi1为工作辊与侧支撑辊间接接触点处载荷；Di0、Di1、Di2、Di3分别为第 i 机架的工作辊、侧支撑辊、侧支撑背衬轴承辊系 1 轴、侧支撑背衬轴承辊系2 轴的直径。根据式（6）可以看出，轧辊的泊松比、弹性模量E 为已知，当取定工作辊和侧支撑辊系轴心连线与垂直方向的夹角 时，决定辊系中侧支撑辊几何位置的角会影响辊系的变形大小。同时，+=180-k，因此，在静压力作用下的侧支撑辊和背衬轴承辊系轴心连线相对于轧制线与垂直轧制线方向的夹角会影响到辊系的变形。因此，对于 Z-High 连轧机来说，侧支撑组件满足了增加工作辊在轧制时的侧向刚度，减小工作辊在轧制时因轧制力矩和张力所引起的侧向弯曲变形，其稳定的受力分布直接决定了轧制工艺及板形控制。3基于 SMS 的 Z-High 轧机侧支撑国产化实施3.1Z-High 轧机侧支撑油气润滑原理分析2#RAP 线轧机轴承润滑采用油气润滑的方式，图 5侧支撑组件轧机机架内受力示意图图 6侧支撑辊系在轧机机架内受力示意图中间辊工作辊侧支撑组件带钢PiFi4xFi4yFi4Fi3yFi3xFi3Fi2Fi2xFi2yFi1yFi1Fi1xyi5yi5（yi5）i2i1yi4（yi4）i5i4yi（yi）qii0i3i4qi2 qi1i3qi3i1i2xk1142023 年第 5 期Z-High 轧机侧支撑组件内部油路主要负责侧支撑中42 盘背衬轴承及中间辊轴承箱轴承的润滑的油气输送，其主要难点在于复杂的油气润滑油路系统。3.1.1油气润滑基本原理说明单向流体油和单向流体压缩空气混合后就形成了两相油气混合流，两相油气混合流中油和压缩空气并不真正融合，而是在压缩空气的流动作用下，带动润滑油沿管道内壁不断地螺旋状流动并形成一层连续油膜，最后以精细的连续油滴的方式喷到润滑点。因此，在油气润滑系统中，总共有三种介质即油、气和油气混合气；对应地也就有三种介质管道即油管、气管和油气管。在油气管道中，油的流速远远小于压缩空气流速，从油气管道内出来的油和压缩空气也是分离的，油以连续油膜的方式被导入润滑点并在润滑点处以精细油滴的方式喷射出来。3.1.22#RAP 线 Z-High 轧机侧支撑油气润滑系统原理2#RAP 线 Z-High 轧机侧支撑背衬轴承采用开放式轴承（轴承无内圈），采用油气润滑这类精细润滑方式，单侧侧支撑有 42 盘轴承，这些轴承的润滑采用的油气润滑方式，图 7 为侧支撑油气润滑部位示意图，由右侧一个主分配器和左侧 8 组二级分配器组成。主分配器将油气系统供送来的油气按比例分成 8 等份供送给 8 组二级油气分配器，8 组二级分配器再对供送来的油气平均分配，以达到 42 盘轴承均匀润滑（受润滑量偏差不超过 5%）。若分配不均会导致部分轴承受润滑不良，减少轴承使用寿命，增加轴承磨损导致不必要的停机和检修，特别是对产品品质产生影响等等。3.2Z-High 轧机侧支撑示意图的外形实物测绘基于 SMS 提供的轧机侧支撑外形示意图，对Z-High 轧机侧支撑进行测绘，图 8、图 9 分别为现场实物测绘有外形尺寸的实物加工图。轧机侧支撑部分部件如轧机侧支撑背衬轴承滚轮轴，因直接接触背衬轴承，作为背衬轴承的内圈使用，因此，对其加工工艺有着严格要求，其配合尺寸、公差等级、硬度都有着严格的要求。如图 10-1、10-2分别为侧支撑背衬轴承滚轮轴的零件图。对该部件的加工要求必须满足以下工艺要求：1）采用 Cr5 材质，该材质为轧机轧辊通常使用的材质；2）滚轮轴表面必须经过调质及表面整体淬火处理，其硬度需达到 HRC5860；3）表面整体粗糙度不得大于 Ra0.8 m；4）表面不得有裂纹、折叠、锻伤及夹杂缺陷；5）超声波探伤及表面着色探伤均无裂纹。通过对外形尺寸的测绘及重要零部件的测绘及工艺要求，为该部件的国产化加工提供了基本依据，并且为国产化备件的验收提供了重要技术支撑。3.3Z-High 轧机侧支撑油气润滑隐蔽油路图设计为了更好地对侧支撑油气润滑隐蔽油路进行设计，针对现场使用的 SMS 外供侧支撑装置油气润滑原理，根据现场使用条件，同现场技术设计了使用的离线检测手段，对外供件的离线油气实验，进一步对内部油路的工作原理进行明晰。第 197 页图 11 为离线油气润滑实验。对 Z-High 轧机的轧机侧支撑油图 7侧支撑重点部位示意图图 9对轧机侧支撑（摆动臂）进行外形测绘的加工图（mm）图 8对轧机侧支撑进行外形测绘的加工图（mm）图 10-2轧机侧支撑背衬轴承滚轮轴（mm）图 10-1轧机侧支撑背衬轴承滚轮轴多通道油气油路分配系统主分配器A 区B 区C 区D 区3 174.2B1 830523.6J8364.96364.9B644.6JHH727.61 830287A30.1 80 821 64030.8A470287335.293.4 109.4C287470109.493.4335.29-1左摆动臂图9-2右摆动臂图539562252354.2341.7828282827777M3090.050.88.78.76.36.36.30.8451450.05619628145252317.539.7M682828282820.80.88.78.76.36.36.330.755M305177（下转第 197 页）张伟：Z-High 连轧机侧支撑系统国产化研究及应用1152023 年第 5 期气润滑隐蔽油路图进行设计，图 12-1、12-2 为侧支撑组件底座油路设计图，图 13-1、13-2 为侧支撑组件滚轮轴油路设计图。4结论对 Z-High 连轧机侧支撑进行国产化实施，主要有以下几方面的价值：1）大幅降低备件采购成本，国产备件仅为进口备件价格的 1/4。2）通过仅有的外形示意图，建立侧支撑受力的数学模型、进行内部油路详图及外形尺寸测绘，为更好地掌握进口设备关键备件的核心技术提供