CN1043195C - 待轧钢材的导向方法及其辊式导向装置 - Google Patents

Abstract

用于将待轧钢材导入轧钢机的辊式导向装置，其中辊式导向装置的辊式导向部分的弹性常数[K(N/mm)]与对夹持在导辊间钢材施压时所得塑性曲线的斜率[K(N/mm)]之比(K/M)确定为等于或大于0.5，从而防止导辊间的钢材发生倾斜。因此，可以改善最终产品的截面形状和外形尺寸精度，防止轧偏，并以很高的生产率和产量生产出表面无残缺的高质量轧钢产品。

Description

待轧钢材的导向方法及其辊式导向装置

本发明涉及辊式导向方法和装置，用于将钢材通过导辊送入轧钢机，轧制出诸如钢丝条那样具有不同截面形状的线型产品、各种钢棒以及H形截面钢梁在内的型钢，同时防止轧制过程中钢材在导辊间所限定的夹持间隙中发生倾斜。

用于传导需要轧制成线型钢、型钢的传统辊式导向装置只具备防止因未能将钢材输入轧机所引起轧偏的功能。但是，众所周知，这种传统的辊式导向装置已不能满足目前对最终产品截面形状和外形尺寸精度的严格要求。具体来讲，当待轧钢材被导辊夹持住并送向后面的轧机的过程中发生倾斜时，这种传统装置就无法达到线材产品的圆度和最终产品其他尺寸精度的要求。

因此，目前人们已提出一些方法，用以有效地防止轧制过程中钢材发生上述轧偏和倾斜问题。所提出的待轧钢材导向方法的先有技术之一为公开号为平60-40933的日本专利申请。(此后称之为第一先有技术)。在这一方法中，为了可靠地将原料钢条送入导辊限定的夹持间隙并防止钢条在夹持间隙中倾斜，要使钢条所经过的导辊彼此离开一定距离，使夹持空间比通过此处的钢条直径大一些，直到钢条的前端到达导辊，然后，当钢条前端进入导辊之间后，在将导辊彼此靠拢以使上述的夹持间隙变窄。钢条末端通过导辊后，再将导辊间的夹持间隙恢复到原始位置。

公开号为平年52-66865的日本专利申请(此后称之为第二先有技术)也公开了一种导辊导向装置，轧制过程中该装置对在导辊间的钢材施加一定的预压力从而完成精确轧制过程。公开号为平年39-4250(第三先有技术)和平年61-1929的(第四先有技术)日本实用新型也公布了另外两种对辊式导向装置施加预压力(预负荷)来增大装置刚度的方法。

上面提到的第一先有技术中的导向方法采用的思路是，对导辊施加一定的“夹紧力”来夹持住钢材。但是，实验表明，实际上即使施加了这样的夹紧力，钢材还是可能倾斜。人们逐渐认识到发生这种情况的原因是这样，目前轧钢的原料往往是用诸如特种钢这样的高强度钢或高阻变形钢材以及小批量的轧钢产品，为了适应这种趋势，甚至于某种只适合于一定轧钢用途的辊式导向装置也常常被用于各种像冷轧那样的高速、高载轧钢***，而这些***在生产不同轧钢产品时，所处的工作条件是不同的，因此使辊式导向器在超载环境下工作。

第一先有技术中提出使用液压***对夹持在导辊间的钢材施加紧抱力。但是，这里使用的液压***只能控制“启动”或“停止”状态。因此，当钢材处于被导辊夹持状态时，液压***所产生的紧抱力仅是一个常数。这一恒定的夹紧力表示，由导辊组成的辊式导向装置是一非刚性的挠性结构。即使当夹持在导辊之间的钢材开始倾斜时，这种挠性结构也不能对促使导辊彼此开启的力产生弹性阻力，所述的开启力是由于钢材倾斜产生的。因而就不能阻止夹持在导辊间的钢材发生倾斜。

在第三和第四先有技术中提出了施加预压力，逐级增加辊式导向装置刚度等方法也不能适合近年来恶劣的工作条件。因此这些先有技术都不能防止夹持在导辊间的钢材发生倾斜。

每种先有技术都产生这样一个问题；需要被轧制成包括定尺钢材，条钢或型钢的原料所产生的倾斜问题，这些先有技术都无法克服，因而造成轧偏或轧制品的截面形状和外形尺寸精度低。

本发明的目的是提出一个方法和装置，可用来防止轧制过程中待轧钢材在导辊间发生倾斜，以避免轧偏、轧制产品的截面形状和外形尺寸精度低以及产品表面缺损等问题。

为了达到上述目的，本发明提出了一种用辊式导向装置将待轧钢材导入轧机的方法，这种辊式导向装置在辊式导向部分的轧机架之间安置了导辊，辊式导向装置导辊部分的弹性系数〔K(N/mm)〕与在轧制过程中对夹持在导辊间钢材施压时所得出的塑性特性曲线的斜率〔K(N/mm)〕之比(K/M)确定为等于或大于0.5。

本发明还提供了一个用于将待轧钢材导入轧机的轮式导向装置，该装置的轧导向部分在轧机架之间安置了导辊，辊导向部分的弹性系数〔K(N/mm)〕与对导辊间的钢材施压所得塑性特性曲线的斜率〔K(N/mm)〕之比(K/M)确定为等于或大于0.5。

虽然刚度小的导辊导向装置会使导辊容易开启，但会引起夹持在导辊间的钢材倾斜。我们可以通过加大辊导向部分弹性系数K，使其足以经受对钢材施加的紧抱力，使通过导辊的钢材不发生倾斜。

根据上述限定的比率来增加导向器的刚度，就可以使被夹持在导辊间的钢材不再倾斜，最终产品的截面形状和外形尺寸精度会大大改善。根据本发明，由于可以防止轧偏，轧机的生产率和产量可以显著增加。

本发明其它更为详尽的目的将通过对下述实施例的理解而变得更为明显，本专业的技术人员通过实际运用本发明还会体会到至此尚未提及的其它各种优点。

下面将参照附图对本发明的其它目的和特点予以详细说明。

图1表示待轧钢材的倾斜情况的试验结果，其中纵从标轴为1/(1+K/M)，横坐标轴为K/M。

图2是根据本发明辊式导向装置一个实施例。该装置由液压***提供压力源，在钢材开始倾斜时增加轮式导向装置的刚度。

图3中的坐标图表示通过导辊或导辊间的夹持间隙控制夹紧力的导辊导向装置的弹性特性曲线和特轧钢材的塑性特性曲线。

图4为导辊间的钢材处于被夹持状态和已倾斜的钢材处于被紧抱力压紧状态的示意图。

图5是解释由图3中所示SA、SB和SC三条连线所表示的图形关系。

图6为用于控制导辊间空隙的辊式导向装置主要结构的前视图。

本发明提出的方法和装置是用于将导辊导向装置的刚度增至适当程度，以改善产品的截面形状以及外形尺寸的精度，防止轧偏，从而以极高的生产率和产量制造出表面没有缺损的高质的轧制钢材产品。

由挠性结构组成的传统型辊式导向装置，即使对它施加的预定夹紧力较弱，待轧钢材在轧制过程中也易于在该装置的导向轮夹持间隙发生倾斜。但是，设计时未考虑夹紧力的传统辊式导向装置不可能承受额外足够的紧抱力以防止钢材在导辊之间的夹持间隙中倾斜。也就是说，如果限定在导辊之间导向部分的弹性系数K大到一定程序，导辊间的钢材就会倾斜。

因此，本发明的发明者研究了应该将弹性系数K增加到什么程度，得出一条特性曲线，该曲线表示出对通过导辊之间处于倾斜状态的钢材所施加的轧制负荷与其轧制的关系，换言之就是表示出处于倾斜状态钢材的塑性特性曲线的斜率M(绝对值)，并用该特性曲线的斜率M作为所需合适的弹性系数K的指数。

图1中坐标图的纵轴为1(1+K/M)，横轴为K/M，图中曲线是发明者们对待轧钢材在各种轧制条件下倾斜时所处状态进行研究后得出的。从图1可明显看出，只要弹性系数K与斜率M的比率(K/M)等于或大于0.5，被导辊之间夹持的钢材就不会倾斜。

在图1中曲线上的X号表示轧制中的钢材倾斜了，曲线上的O表示钢材没有倾斜。

应该保证所有轧机架的轮式导向装置都满足上述确定的等于或大于0.5这个比率值，这样才能保证轧制过程中，由导辊导向并夹持在导辊间的钢材在任何一个轧机架都不倾斜。因此，这项以防止钢材在导辊间倾斜为目的的发明可归纳为如下三个方案：

第一方案提出了一种方法，用于通过使用导辊导向装置将待轧钢材输入轧机，装置中的辊式导向部分的弹性系数K〔N/mm〕与对导辊间的钢材施压时所得塑性特性曲线的斜率M〔N/mm〕的比率确定为0.5或大于0.5。

第二方案提出了一套辊式导向装置，用于将待轧钢材输入轧机，并满足如下条件：装置的辊式导向部分弹性系数K〔N/mm〕与对导辊间的钢材施压时所得的塑性特性曲线的斜率M〔N/mm〕之比K/M确定为等于或大于0.5。

第三方案提出一套辊式导向装置，用于将待轧钢材输入轧机。该装置包括一系列的辊式导向装置，每套装置都在轧机架之间安装了导辊，其辊式导向部分的弹性系数K〔N/mm〕与对导辊间的钢材施压时所得的塑性特性曲线的斜率M〔N/mm〕之比K/M确定为等于或大于0.5。

因此，通过调整辊式导向装置的弹性系数K和钢材塑性特性曲线的斜率M这两个参数，就可以防止经过导辊夹持间隙的钢材性倾斜。斜率M必须在根据待轧钢材和轧制条件所确定的最大值中选择。

在上述第一先有技术中，用于将钢材夹持在导辊间的紧抱力是一常数，即该辊式导向装置形成一种挠性结构，其导辊间的刚度在恒定液压力下为零(K=0)。在这种情况下，如果当导辊间的钢材开始倾斜使导辊的夹持间隙变宽时，这种挠性结构就不能对由钢材倾斜产生的促使导辊彼此开启的力产生阻力，结果会使经过导辊间的钢材倾斜。因此，传统轧钢装置的液压***必须进行改进，才能防止钢材发生倾斜。

本发明辊式导向装置的另一特点是图2中所示的液压***。该液压***包含一控制装置8，通过液缸4对导辊1施加液压力实现对导辊之间的压箝间隙的控制。本液压***是密闭的封闭***，可将液压力升至要求的压力水平，从而对导辊间的钢材产生符合要求的紧抱力将其夹持住。当液压***产生的液压力达到某一预定的压力，而此压力小于与辊式导向装置弹性极限相对应的负载液压紧抱力的压力水平，液压***就会停止工作，以便降低液压压力。

因为用来控制对夹持在导辊间钢材施加紧抱力的液压***是按照本发明设计的，所以导辊间的刚度K可以增加到要求的有限值。因此，可以防止被输送钢材的倾斜问题，并可靠地夹持在导辊间，如果钢材开始倾斜使得导辊间夹持间隙变宽，引起液压***产生的压力升高，辊式导向装置即不会变形也不会失效，因为***可以保证它在其弹性极限内工作。

图3表示出可以控制导辊所产生紧抱力的辊式导向装置的弹性特性曲线和待轧钢材的塑性特性曲线。图3中，hA点表示夹持在导辊间钢材处于正常状态时的尺寸，hB点表示夹持在导辊间钢材处于倾斜状态时的尺寸。SA、SB、SC分别表示与上述尺寸相对应的工作点。

图4表示出导辊之间的夹持空间中的钢材产生一定倾斜时状态。该图中，左图表示钢材处于正常受夹持状态，右图表示钢材倾斜的状态。

图5表示将图3中的弹性、塑性特性两条曲线上的SA、SB、SC三个交点连接起来所围成的图形。从SA点到SB点的长度对应于紧抱力保持恒定时夹持在导辊间钢材的典型尺寸从hA变到hB，工作点所移动的范围。SA到SC的长度对应于按照本发明所使用的液压***所给出的弹性特性曲线的条件下，夹持在导辊间的钢材倾斜时，工作点的移动范围。

弹性特性曲线和塑性特性曲线的交点SA、SB、SC表示在导辊间引导的与钢材的典型尺寸相对应的实际工作点，也就是导辊间的夹持间隙的输出端处与钢材的典型尺寸相对应的实际工作点。

如果夹紧力为常数，则理论上K=0。当导辊间的钢材倾斜程序略有增加时，钢材的曲型尺寸会略有增大。此时，导辊间的夹持间隙的变化量ΔS与具有典型尺寸的钢材的变化量Δh之间存在下列等式：

ΔS=〔M(N/mm)〕·Δh=〔1＋K/M〕·Δh…(1)

上式可改写为如下形式：

ΔS/Ah=1/〔1＋K/M〕    …(2)等式(2)用做表示当夹持在导辊间的钢材明显倾斜时，导辊开启的难度指数。等式(2)右边的值越小，导辊间的夹持间隙越窄。在这种情况下，通过等式(2)可理解，辊式导向装置对钢材倾斜的阻力也越大。

因此，从图1可以明显看出，当下述等式(3)的条件满足时，导辊间的钢材就不再倾斜。

1/(1+K/M)≤2/3；或K/M≥0.5    (3)

而且根据图3可以理解，为了防止钢材开始倾斜时导辊彼此开启，希望将比值K/M尽可能确定得大些。

事实证明，通过将导辊间的弹性系数K与待轧钢材塑性特性曲线的斜率M之比确定≥0.5，就可以防止钢材发生倾斜。因此，M值必须从根据待轧钢材和轧制条件所确定的最大值中选取。

图2所示辊式导向装置包含一液压***，该液压***用于当钢材开始倾斜时，增加辊式导向装置的刚度以阻止由导辊间夹持并由导辊所导向的钢材倾斜。该液压***具备三个功能：①设定不同的预定液压力，②设定液压力后关闭***的液压回路，③当液压***产生的压力达到一个预定液压压力，且此压力仍在辊式导向装置的弹性极限内时，开放液压回路。

图中还表示出通过油缸4来控制导辊间的夹持间隙的控制机构的例子。该控制机构包含一根由油缸4驱动的楔形销杆3，用来使导辊间的夹持间隙变窄从而增加施加在夹持在导辊间钢材上的夹紧力。该机构中楔形销杆3和油缸4沿直线布局，并将楔形销杆3与压力轮5连接，其总的弹性常数KC由下列等式(4)给出：

1/KC=1/K1+1/K2                 …(4)

此外K1表示楔形销杆3与油缸4之间的弹性系数，K2表示楔形销杆3与压力轮5之间的弹性常数

因为紧抱力为常数时，K1=0，有下列等式：

KC=0                            …(5)

很明显，当使用全封闭液压***时K1=∞，所以辊式导向装置的刚度为一个有限值，即：

KC=K2                           …(6)

因此，本发明中增加刚度的方法与传统的将液压力(紧抱力)保持恒定的方法相比，明显更适合于防止导辊输送的钢材发生倾斜。

通过将辊式导向装置导辊间的刚度K确定为大于塑性特性曲线的斜率M的0.5倍，就可以使导辊间的钢材保持在正常状态。如果导辊开启使得钢材倾斜，导辊会立刻由于刚度K的作用被压回来，阻止钢材的倾斜并使其在导辊间处于正常状态。但是只将辊式导向装置的刚度K确定为大于待轧钢材塑性特性曲线斜率M的0.5倍，则通过导辊所施加的恒定的力还不足以防止钢材倾斜。也就是说，当夹持在导辊间的钢材开始倾斜时，使刚度K大于0.5M并使得KC=K2,KC≠0，这样，通过使用封闭液压***，刚度K可有效地建立一定程度的紧抱力。

消除钢材的倾斜问题后，利用先进的轧钢***，就可以产生高质量无表面残缺的轧钢产品，从而满足严格的要求，并能提高轧钢产品的产量和生产率。

但是，当K/M＞5时，由于钢材是被强迫挤压力下通过导辊的，会造成产品的表面缺陷。

为了增加轧机架之间辊式导向装置的弹性系数K，如图2和图6所示，支撑臂6和7的几何惯性矩以及环绕枢轴销栓2的孔周围处的刚度都要增加。放置导辊的空间也要足够地增大，以完成防轧制过程中钢材倾斜的功能。

在图2的状态下，液压***中控制装置8的工作状态是向油缸4输入高压油，向前推动楔形销杆3，迫使压力轮5分别向外移动。因此，压力轮5之间的距离扩大。然后，当换向阀9换向时，液压力使油缸4卸荷，将楔形销杆3退回，压力轮间的距离变小。用于夹持导辊间钢材的紧抱是按照液压***产生的压力来设定的，预定压力设定后，利用换向阀9将液压***封闭，将压力保持在一个预定值上。对液压***的控制要使得楔形销杆3与压力轮5之间的弹性系数K2等于上述的总的弹性系数KC，以使刚度K≥0.5M。

控制装置8是由控制阀10和11组成，是用于在辊式导向装置弹性极限内将液压***在预定的压力下释放。

本发明的辊式导向装置完全可用于钢材以外其它任何材料的轧制，如其它金属材料。

从上述内容可明显看出，按照本发明，可防止夹持在导辊间的钢材发生倾斜，从而改善产品的截面形状和外形尺寸精度。此外，由于可以防止轧偏，可以很高的生产率和产量生产无表面残缺的高质量轧钢产品。

本行业技术人员应当理解，上面所描述是本发明装置的一个优选实施例，在不偏离本发明宗旨和范围的前提下，可对其做各种变化和改进。

Claims (2)

1．一种通过使用辊式导向装置将待轧钢材导入轧钢机的方法，该导向装置在辊式导向部分的轧机架之间安置了导辊，所述的辊式导向装置的辊式导向部分的弹性系数〔K(N/mm)〕与轧制过程中对所述导辊间的钢材施压所得的塑性特性曲线的斜率〔K(N/mm)〕之比(K/M)确定为等于或大于0.5。

2．一种如权利要求1中所述的辊式导向装置，其特征在于，还包含一带有油缸的液压***，用以产生对所述导辊所施加的液压力，以控制限定在导辊轮间的夹持间隙，所述液压***为密闭***，可将压力设定到要求的压力水平，从而对导辊间的钢材施加符合要求的由液压***产生的紧抱力而进行轧制；该液压***还可在所述液压***产生的液压力达到小于用于紧抱力的负荷液压力的预定压力时，使所述的液压***停止运转以减低液压力，所述的负荷液压力相应于辊式导向装置的弹性极限。

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