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摘 要：针对福建三钢中板厂的十一辊热矫直机辊缝标定工艺存在的问题，结合生产实际，通过认真分析查找原因，对热矫直机辊缝标定装置与工艺有关问题，以最小的投资进行改进和优化。改进后辊缝标定效率和精度大副提高，辊系故障明显减少，提高了矫直钢板的质量，降低了工人的劳动强度，减少了备件的消耗，提高了经济效益。
关键词：热矫直机；辊缝；标定
中图分类号：TG333 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）24-0003-03
1 概 述
热矫直机是中板生产线上的一台重要设备，用来矫直轧后钢板经水冷的钢板，使其平直度和瓢曲度达到国家标准或用户要求。热矫直机由机架、传动、压下装置、辊系、液压、润滑、电气等系统组成。这些系统中辊系是直接与热钢板接触，是主要的受力部件，需要承受很大的载荷和冲击，辊系开口度的大小标定直接关系着钢板的矫直质量及辊系备件的使用寿命。由于设计上的不足和维护的不周全等原因，辊缝标定经常不准确且标定耗时较多，导致辊系故障频发，严重影响了正常生产。在钢铁行业严重供大于求和市场竞争日益激烈的局面下，如何提高检修效率、如何降低设备维护成本是钢铁行业设备维护的主题，福建三钢中板厂的十一辊热矫直机的辊缝标定技术研究与应用在此背景下产生。
2 矫直机本体结构及辊缝标定简介
矫直机本体由以下几部分组成：机架，压下机构，平衡装置，上受力架装置，矫直辊系（上、下辊座），快速松卡装置，液压卡紧装置等部分组成，如图1所示。机架的结构为焊接组合予紧式。压下机构是由二台电机、抱闸、四对蜗轮付、四对压下螺丝付、液压推动的齿型离合器以及指示器针盘和数显装置等组成，如图2所示。压下机构的作用是使上排矫直辊实现开口度调整和前后倾动，以达到所要求的开口度，并通过指针盘和编码器装置指示矫直辊的开口度大小。平衡装置是由四个液压平衡缸和四个液压缸支架组成。它能保证上辊座装置和上受力架跟随压下丝杆一同上下移动，并消除压下丝杆、螺母在矫直力方向上的间隙，以免钢板进入矫直机时发生冲击。矫直辊系由上、下辊座组成，矫直辊共计十一根，排列呈上五下六的形式，全部有支承辊。矫直辊两端轴承座是通过螺栓和蝶形弹簧使矫直辊辊身靠紧支承辊辊面，矫直辊轴承不承受矫直力。矫直力是由支承辊轴承全部承受的。矫直辊轴承承受矫直辊与钢板之间产生的磨擦力及定位作用。快速松卡装置位于压下螺丝与上受力架之间，它是由液压缸、液控单向阀等组成。液压卡紧装置是由液压缸和T形拉杆等组成。它位于上受力架上，活塞中装有T形头拉杆和手柄。液压力通过拉杆作用于上受力架和上辊座装置之间，从而消除其间隙，并将其联为一体。
矫直机辊缝的标定是指上下辊座间辊面竖直方向上的开口度（辊缝）设定和边辊零位的设定，其数值由压下装置的两个编码器和边辊升降装置的两个编码器分别读出，在PC机上显示出入口的压下辊缝及边辊位置的数值。辊系在使用一段时间后，矫直辊、支撑辊出现不同程度的磨损，辊缝实际数值将发生变化，PC机上显示的数值就需要校核和设定。还有新更换辊系后，由于每套辊系加工、装配件的误差不一样，也需要重新标定。
3 辊缝标定的误差产生的后果
3.1 严重影响矫直工艺参数的设定
给生产操作带来很大的困难，所矫直钢板的平直度极其不稳定，严重制约着板材新品种的开发。
3.2 对设备的破坏极大
实际辊缝不在一个面时，在矫直过程中，上辊座将会有很大的跳动，在矫直辊面产生震纹，如图3所示，这些震纹将批量印在矫直钢板上。辊缝标定的误差将加剧了支撑辊轴承的受力不匀，导致支撑辊轴承频频损坏，如图4所示，而检修装配辊系更是耗时耗力（需要一個班组一个月的时间）。
4 辊缝标定的原工艺分析
由于原设计的先天不足，压下丝杆处无压头或压力传感器，无法实现通过压力显示值标定，只能通过人工塞尺法标定：标定尺从辊道进入辊系→压下初试（上辊面靠近标定尺）→人工塞尺→人工计算入口操作侧、传动侧，出口操作侧、传动侧的四点距离差值尺寸→通过离合器脱开、啮合及压下的上升和下降单独调整压下丝杆实现入口操作侧、传动侧，出口操作侧、传动侧四点人工塞尺数值一致→计算标定尺和塞尺总高度→压下编码器数值写入和压下指针盘的调整→边辊人工塞尺及边辊0位的标定→标定尺从辊系移出标定尺从辊系中移出。
辊缝标定存在问题分析：①上受力架受力点为8个（压下丝杆正压力，平衡缸的拉力），按3点成一面原理，第4点将对上受力架平面产生干涉，始终有一压下丝杆下的球面垫和快速松卡缸产生间隙，且该间隙不易察觉；②上矫直辊虽通过螺栓和蝶形弹簧使矫直辊辊身靠紧支承辊辊面，由于矫直辊本身的重力存在很难消除他们存在的间隙，致使标定数值变小。③人工塞尺检测需要趴在机前机后辊道上进行，由于辊道受过高温洪烤，温度较高，检修人员的作业环境较差，效率较低，其且塞尺的准确度受检修人员情绪所影响。④该工艺由于需要人工逐点多次检测，耗时较长（30～40 min）。
5 矫直机辊缝标定系统改造方案确立
矫直机辊缝的标定问题一直以来是中板设备管理人员的一块“心病”，2012年成立矫直机攻关组以来，首要的任务就是矫直机辊缝标定的攻关，经讨论，有如下方案：
方案一：改压下系统电动压下为液压压下，在液压缸上加装内置式位移传感器和压力传感器，通过压力和位移传感器的读数实现辊缝标定。本方案的优点为矫直机压下全面升级，结构简单，压下升降快捷，辊缝标定准确。缺点：改造较为复杂，不仅需要机架结构、液压缸、液压泵站做很大的变动，还需要增加伺服系统和控制系统，投资大（经估算约800万元），且该改造涉及较多，安装须停产8天左右时间。
方案二：在上受力架和快速松卡缸之间加装4个压头，通过压头检测等压力值来标定。本方案的优点：该方法很多中板厂采用过，很多参数和程序可借鉴。缺点：压头设备较为昂贵（1个压头约20万元），维护成本较高；由于压头有一定的厚度，该改造需要将所有快速松卡缸进行减薄加工，最后矫直机的最大开口度将减小20 mm，安装须停产2 d左右时间。 方案三：设计、制作外置式位移传感器滑座和标定板，分别安装在矫直机的4个立柱上，采购安装4个外置式位移传感器，如图6所示，利用上受力架及上辊座的自重（约60 t），使上辊座压紧位于下辊座上的标定板，再读取4个外置式位移传感器数值进行初始标定。再利用原有的平衡装置，平衡上受力架及上辊座后，位移传感器检测4个压下丝杆的位置，再调平标定。本方案的优点：改造费用较少（投资约6万元），结构简单，安装方便，且无须停产安装。缺点：国内无借鉴的改造，需要完全自主开发。
经比较分析，方案三投资少，与其他的改造无任何干涉，可实施性较强。鉴于当前的钢铁行业经济形式，设备的改造投资逐步减少，经研究决定采用方案三，自行设计开发。
6 矫直机辊缝标定技术改造
6.1 外置式位移传感器的选型
根据PC接口和供电方式，选用标准Profibus-DP信号输出的位移传感器，为了便于安装和维护选择RP铝型材导轨式传感器，鉴于矫直机开口度为-20～250 mm，选择有效行程
300 mm传感器，该传感器坚固耐用，线性测量，绝对输出，易于诊断稳定可靠，高分辨率，最高可达5 μm，重复精度达0.002%。
6.2 位移传感器滑座的设计和安装
位移传感器滑座由导杆、滑套、滑杆、底座、连接板、保护罩、球头、碰板和一些螺栓组成，如图6所示。其中连接板在安装时是焊在矫直机的压下蜗轮箱上，底座是通过螺钉固定在连接板上，传感器外壳固定在底座，传感器的磁环固定在滑套上，设有2根导杆固定在底座上，磁环、滑套、滑杆可沿导杆方向自由滑动，滑杆端部装一球头，碰板在安装时焊接在矫直机上受力架上，球头的作用是保证上受力架倾动时，检测数据的准确。为了安装维护方便，将位移传感器滑座安装在矫直机压下蜗轮箱内侧，如图7所示，该位置振动较小，矫直的热钢板辐射较小，与上受力架距离较小，空间位置较大。
6.3 矫直机辊缝标定画面的设立
矫直机辊缝标定画面的设立，如图8所示，大致按位移传感器安装平面布置图设定，其中当前值为位移传感器和压下2个编码器的检测值，设定值为人工干预的标定值。标定最后要求1#、2#、3#、4#位移传感器当前值与入、出口壓下的编码器完全一致，入、出口边辊编码器当前值为“0”。
6.4 标定板的设计和加工
辊缝的标定中标定板非常关键，不仅要求有一定的平面度和平行度，更要有一定的强度和硬度（需承受60 t的压力），还需要方便吊装和对中的测量。其材质选用耐磨板，结构，如图9所示。
6.5 辊缝标定工艺流程的确立
标定板从辊道进入辊系（要求目测位置大致中心）→上辊座下压靠近标定板（不可压到）→进入标定画面点击平衡缸下降，使上辊座自由坐落在标定板上→设定1#、2#、3#、4#位移传感器数值与标定板厚度一致→平衡缸平衡读取1#、2#、3#、4#位移传感器当前值→调整入、出口压下使3#、4#位移传感器当前值完全一致→通过离合器脱开、啮合及压下的上升和下降单独调整1#、2#压下丝杆实现1#和3#、2#和4#位移传感器当前值一致→离合器啮合后，调整入、出口压下，使1#、2#、3#、4#位移传感器当前值完全一致→编码器数值写入设定和压下指针盘读数的写入（与1#、2#、3#、4#位移传感器当前值一致）→平衡缸下降→使上辊座再次坐落在标定板上→注意1#、2#、3#、4#位移传感器当前值，单独缓慢上升入、出口边辊，待位移传感器当前值刚有变化时，标定入、出口边辊为“0”位→平衡缸平衡，压下上升→标定板从辊系移出（辊缝标定完成）。
该工艺靠位移传感器数值读取上受力架位置，上受力架和上辊座由于重力作用，辊系间所有的辊子间隙得到消除，且位移传感器精度很高，每个压下丝杆的上升和压下移传感器数值将会有变化，通过平衡缸的作用，球面垫和快速松卡缸、压下丝杆的间隙也得到消除。故此，该方法标定后辊缝开口度较为准确，精度可达0.1 mm，使辊系受力更均衡。
6.6 矫直机辊缝标定技术未来研究的方向
矫直机辊缝标定技术未来研究的方向为设计改造压下离合器，通过优化控制程序，最终实现“一键式”辊缝的标定。
7 取得的成效
福建三钢中板厂的十一辊热矫直机辊缝标定技术的改造于2012年1月完成并投入使用。改造后辊缝标定时间由原来的30～40 min缩短到5～10 min，同时标定的精度大副提升，稳定了矫直工艺参数，可使矫直操作按标准化流程进行，矫直的钢板平直度和表面质量得到很大的提高。
同时，矫直机辊系在线使用寿命得到显著提高，辊系在线使用寿命由原来的60 d提高到120 d，年减少更换、装配辊系2次，而装配一套辊系需要更换所有的辊子和轴承及密封，要耗费备件辅材成本约47.32万元，年可直接可节约备件辅材成本约47.32×2=94.64万元。
参考文献：
[1] 张辉.济钢中厚板厂3000T热矫直机辊缝调整系统研究[J].中国科技博 览，2011，（8）：91-92.
关键词：热矫直机；辊缝；标定
中图分类号：TG333 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）24-0003-03
1 概 述
热矫直机是中板生产线上的一台重要设备，用来矫直轧后钢板经水冷的钢板，使其平直度和瓢曲度达到国家标准或用户要求。热矫直机由机架、传动、压下装置、辊系、液压、润滑、电气等系统组成。这些系统中辊系是直接与热钢板接触，是主要的受力部件，需要承受很大的载荷和冲击，辊系开口度的大小标定直接关系着钢板的矫直质量及辊系备件的使用寿命。由于设计上的不足和维护的不周全等原因，辊缝标定经常不准确且标定耗时较多，导致辊系故障频发，严重影响了正常生产。在钢铁行业严重供大于求和市场竞争日益激烈的局面下，如何提高检修效率、如何降低设备维护成本是钢铁行业设备维护的主题，福建三钢中板厂的十一辊热矫直机的辊缝标定技术研究与应用在此背景下产生。
2 矫直机本体结构及辊缝标定简介
矫直机本体由以下几部分组成：机架，压下机构，平衡装置，上受力架装置，矫直辊系（上、下辊座），快速松卡装置，液压卡紧装置等部分组成，如图1所示。机架的结构为焊接组合予紧式。压下机构是由二台电机、抱闸、四对蜗轮付、四对压下螺丝付、液压推动的齿型离合器以及指示器针盘和数显装置等组成，如图2所示。压下机构的作用是使上排矫直辊实现开口度调整和前后倾动，以达到所要求的开口度，并通过指针盘和编码器装置指示矫直辊的开口度大小。平衡装置是由四个液压平衡缸和四个液压缸支架组成。它能保证上辊座装置和上受力架跟随压下丝杆一同上下移动，并消除压下丝杆、螺母在矫直力方向上的间隙，以免钢板进入矫直机时发生冲击。矫直辊系由上、下辊座组成，矫直辊共计十一根，排列呈上五下六的形式，全部有支承辊。矫直辊两端轴承座是通过螺栓和蝶形弹簧使矫直辊辊身靠紧支承辊辊面，矫直辊轴承不承受矫直力。矫直力是由支承辊轴承全部承受的。矫直辊轴承承受矫直辊与钢板之间产生的磨擦力及定位作用。快速松卡装置位于压下螺丝与上受力架之间，它是由液压缸、液控单向阀等组成。液压卡紧装置是由液压缸和T形拉杆等组成。它位于上受力架上，活塞中装有T形头拉杆和手柄。液压力通过拉杆作用于上受力架和上辊座装置之间，从而消除其间隙，并将其联为一体。
矫直机辊缝的标定是指上下辊座间辊面竖直方向上的开口度（辊缝）设定和边辊零位的设定，其数值由压下装置的两个编码器和边辊升降装置的两个编码器分别读出，在PC机上显示出入口的压下辊缝及边辊位置的数值。辊系在使用一段时间后，矫直辊、支撑辊出现不同程度的磨损，辊缝实际数值将发生变化，PC机上显示的数值就需要校核和设定。还有新更换辊系后，由于每套辊系加工、装配件的误差不一样，也需要重新标定。
3 辊缝标定的误差产生的后果
3.1 严重影响矫直工艺参数的设定
给生产操作带来很大的困难，所矫直钢板的平直度极其不稳定，严重制约着板材新品种的开发。
3.2 对设备的破坏极大
实际辊缝不在一个面时，在矫直过程中，上辊座将会有很大的跳动，在矫直辊面产生震纹，如图3所示，这些震纹将批量印在矫直钢板上。辊缝标定的误差将加剧了支撑辊轴承的受力不匀，导致支撑辊轴承频频损坏，如图4所示，而检修装配辊系更是耗时耗力（需要一個班组一个月的时间）。
4 辊缝标定的原工艺分析
由于原设计的先天不足，压下丝杆处无压头或压力传感器，无法实现通过压力显示值标定，只能通过人工塞尺法标定：标定尺从辊道进入辊系→压下初试（上辊面靠近标定尺）→人工塞尺→人工计算入口操作侧、传动侧，出口操作侧、传动侧的四点距离差值尺寸→通过离合器脱开、啮合及压下的上升和下降单独调整压下丝杆实现入口操作侧、传动侧，出口操作侧、传动侧四点人工塞尺数值一致→计算标定尺和塞尺总高度→压下编码器数值写入和压下指针盘的调整→边辊人工塞尺及边辊0位的标定→标定尺从辊系移出标定尺从辊系中移出。
辊缝标定存在问题分析：①上受力架受力点为8个（压下丝杆正压力，平衡缸的拉力），按3点成一面原理，第4点将对上受力架平面产生干涉，始终有一压下丝杆下的球面垫和快速松卡缸产生间隙，且该间隙不易察觉；②上矫直辊虽通过螺栓和蝶形弹簧使矫直辊辊身靠紧支承辊辊面，由于矫直辊本身的重力存在很难消除他们存在的间隙，致使标定数值变小。③人工塞尺检测需要趴在机前机后辊道上进行，由于辊道受过高温洪烤，温度较高，检修人员的作业环境较差，效率较低，其且塞尺的准确度受检修人员情绪所影响。④该工艺由于需要人工逐点多次检测，耗时较长（30～40 min）。
5 矫直机辊缝标定系统改造方案确立
矫直机辊缝的标定问题一直以来是中板设备管理人员的一块“心病”，2012年成立矫直机攻关组以来，首要的任务就是矫直机辊缝标定的攻关，经讨论，有如下方案：
方案一：改压下系统电动压下为液压压下，在液压缸上加装内置式位移传感器和压力传感器，通过压力和位移传感器的读数实现辊缝标定。本方案的优点为矫直机压下全面升级，结构简单，压下升降快捷，辊缝标定准确。缺点：改造较为复杂，不仅需要机架结构、液压缸、液压泵站做很大的变动，还需要增加伺服系统和控制系统，投资大（经估算约800万元），且该改造涉及较多，安装须停产8天左右时间。
方案二：在上受力架和快速松卡缸之间加装4个压头，通过压头检测等压力值来标定。本方案的优点：该方法很多中板厂采用过，很多参数和程序可借鉴。缺点：压头设备较为昂贵（1个压头约20万元），维护成本较高；由于压头有一定的厚度，该改造需要将所有快速松卡缸进行减薄加工，最后矫直机的最大开口度将减小20 mm，安装须停产2 d左右时间。 方案三：设计、制作外置式位移传感器滑座和标定板，分别安装在矫直机的4个立柱上，采购安装4个外置式位移传感器，如图6所示，利用上受力架及上辊座的自重（约60 t），使上辊座压紧位于下辊座上的标定板，再读取4个外置式位移传感器数值进行初始标定。再利用原有的平衡装置，平衡上受力架及上辊座后，位移传感器检测4个压下丝杆的位置，再调平标定。本方案的优点：改造费用较少（投资约6万元），结构简单，安装方便，且无须停产安装。缺点：国内无借鉴的改造，需要完全自主开发。
经比较分析，方案三投资少，与其他的改造无任何干涉，可实施性较强。鉴于当前的钢铁行业经济形式，设备的改造投资逐步减少，经研究决定采用方案三，自行设计开发。
6 矫直机辊缝标定技术改造
6.1 外置式位移传感器的选型
根据PC接口和供电方式，选用标准Profibus-DP信号输出的位移传感器，为了便于安装和维护选择RP铝型材导轨式传感器，鉴于矫直机开口度为-20～250 mm，选择有效行程
300 mm传感器，该传感器坚固耐用，线性测量，绝对输出，易于诊断稳定可靠，高分辨率，最高可达5 μm，重复精度达0.002%。
6.2 位移传感器滑座的设计和安装
位移传感器滑座由导杆、滑套、滑杆、底座、连接板、保护罩、球头、碰板和一些螺栓组成，如图6所示。其中连接板在安装时是焊在矫直机的压下蜗轮箱上，底座是通过螺钉固定在连接板上，传感器外壳固定在底座，传感器的磁环固定在滑套上，设有2根导杆固定在底座上，磁环、滑套、滑杆可沿导杆方向自由滑动，滑杆端部装一球头，碰板在安装时焊接在矫直机上受力架上，球头的作用是保证上受力架倾动时，检测数据的准确。为了安装维护方便，将位移传感器滑座安装在矫直机压下蜗轮箱内侧，如图7所示，该位置振动较小，矫直的热钢板辐射较小，与上受力架距离较小，空间位置较大。
6.3 矫直机辊缝标定画面的设立
矫直机辊缝标定画面的设立，如图8所示，大致按位移传感器安装平面布置图设定，其中当前值为位移传感器和压下2个编码器的检测值，设定值为人工干预的标定值。标定最后要求1#、2#、3#、4#位移传感器当前值与入、出口壓下的编码器完全一致，入、出口边辊编码器当前值为“0”。
6.4 标定板的设计和加工
辊缝的标定中标定板非常关键，不仅要求有一定的平面度和平行度，更要有一定的强度和硬度（需承受60 t的压力），还需要方便吊装和对中的测量。其材质选用耐磨板，结构，如图9所示。
6.5 辊缝标定工艺流程的确立
标定板从辊道进入辊系（要求目测位置大致中心）→上辊座下压靠近标定板（不可压到）→进入标定画面点击平衡缸下降，使上辊座自由坐落在标定板上→设定1#、2#、3#、4#位移传感器数值与标定板厚度一致→平衡缸平衡读取1#、2#、3#、4#位移传感器当前值→调整入、出口压下使3#、4#位移传感器当前值完全一致→通过离合器脱开、啮合及压下的上升和下降单独调整1#、2#压下丝杆实现1#和3#、2#和4#位移传感器当前值一致→离合器啮合后，调整入、出口压下，使1#、2#、3#、4#位移传感器当前值完全一致→编码器数值写入设定和压下指针盘读数的写入（与1#、2#、3#、4#位移传感器当前值一致）→平衡缸下降→使上辊座再次坐落在标定板上→注意1#、2#、3#、4#位移传感器当前值，单独缓慢上升入、出口边辊，待位移传感器当前值刚有变化时，标定入、出口边辊为“0”位→平衡缸平衡，压下上升→标定板从辊系移出（辊缝标定完成）。
该工艺靠位移传感器数值读取上受力架位置，上受力架和上辊座由于重力作用，辊系间所有的辊子间隙得到消除，且位移传感器精度很高，每个压下丝杆的上升和压下移传感器数值将会有变化，通过平衡缸的作用，球面垫和快速松卡缸、压下丝杆的间隙也得到消除。故此，该方法标定后辊缝开口度较为准确，精度可达0.1 mm，使辊系受力更均衡。
6.6 矫直机辊缝标定技术未来研究的方向
矫直机辊缝标定技术未来研究的方向为设计改造压下离合器，通过优化控制程序，最终实现“一键式”辊缝的标定。
7 取得的成效
福建三钢中板厂的十一辊热矫直机辊缝标定技术的改造于2012年1月完成并投入使用。改造后辊缝标定时间由原来的30～40 min缩短到5～10 min，同时标定的精度大副提升，稳定了矫直工艺参数，可使矫直操作按标准化流程进行，矫直的钢板平直度和表面质量得到很大的提高。
同时，矫直机辊系在线使用寿命得到显著提高，辊系在线使用寿命由原来的60 d提高到120 d，年减少更换、装配辊系2次，而装配一套辊系需要更换所有的辊子和轴承及密封，要耗费备件辅材成本约47.32万元，年可直接可节约备件辅材成本约47.32×2=94.64万元。
参考文献：
[1] 张辉.济钢中厚板厂3000T热矫直机辊缝调整系统研究[J].中国科技博 览，2011，（8）：91-92.