胡建軍，周保欣，劉順明

(首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責任公司，河北 唐山 063200)

0 前言

圓盤剪 (又稱切邊剪)是冷軋廠酸軋、連續(xù)退火以及鍍鋅生產(chǎn)線的關(guān)鍵設備之一。其主要作用是通過對帶鋼寬度的精確控制 (寬度誤差0～1 mm)以滿足客戶對產(chǎn)品寬度的嚴格要求，同時也消除了上游原料的邊部缺陷，避免了產(chǎn)品質(zhì)量降級，并為下游生產(chǎn)線提供了安全保障。

首鋼京唐鋼鐵公司2230冷軋連續(xù)退火生產(chǎn)線是從德國SMS－SIEMAG公司引進了整套的圓盤剪技術(shù)，但是生產(chǎn)線投入近1年多以來，由于我們對外方設備結(jié)構(gòu)和設計理念理解不到位的原因，出現(xiàn)過廢料飛邊、剪刃崩刀、切后帶鋼毛刺過大、帶鋼邊部浪形等等許多的問題，亟待解決。

1 SMS-SIEMAG圓盤剪結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 圓盤剪結(jié)構(gòu)特點

SMS-SIEMAG圓盤剪主要由帶滾珠絲杠軌道1、旋轉(zhuǎn)臺底座2和剪切單元3組成 (如圖1)。兩側(cè)旋轉(zhuǎn)臺底座由一變速齒輪馬達通過滾珠絲杠驅(qū)動，同步運動，寬度調(diào)整范圍為550～2 700 mm，帶鋼寬度誤差可以控制在0～1 mm范圍內(nèi)，在線調(diào)整時間≦15 s。每側(cè)各有一個旋轉(zhuǎn)臺，在正常切邊時，由各自鎖緊裝置鎖緊，位置是不可改變的。當需要切換剪切單元時，旋轉(zhuǎn)臺底座將處于離線模式下由一臺變速齒輪馬達通過齒輪嚙合驅(qū)動旋轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)180°，從而達到更換剪切單元的目的，總的切換時間≦60 s。

剪切單元是圓盤剪的核心部件。SMS-SIEMAG剪切單元為拉剪，其主要特點是剪切力直接依靠張力輥和卷取機來建立，可以適應剪切速度增高的要求［1］。同時上下剪刃有15 mm的偏心量，這種布置方式要優(yōu)于對心式 (如圖2所示)。其一:偏心設計可以合理分配剪切受力，使下剪刃的受力小于上剪刃;其二:如果刀片中心位于同一垂直中心線上，切去邊的帶鋼容易向上翹起而廢邊往下彎，而采用偏心式布置方式切去邊的帶鋼處于水平位置，但是廢邊會更明顯地向下彎［2］，這種狀態(tài)更有利于生產(chǎn)的需求。兩側(cè)剪切單元刀盤沿帶鋼方向成倒八字形布局 (如圖3所示)，θ=0.5°，這樣布置可以減小切邊后的鋼板邊部與圓盤剪刃的摩擦，避免崩刀。同時可以在被剪切鋼板的表面形成一定的橫向表面張力，有效預防剪切寬帶鋼時出現(xiàn)中間拱起的現(xiàn)象［3］。

圖1 SMS-SIEMAG圓盤剪Fig.1 SMS-SIEMAG double-side trimmer

圖2 剪刃不同布置方式對帶鋼的不同影響Fig.2 Influence of different arrangement of shearing blades on strip steel quality

圖3 剪切單元刀盤傾角示意圖Fig.3 Diagram for inclination angle of shearing disc on shearing unit

剪切單元的兩根剪軸平行地安裝在上下機體內(nèi) (如圖4所示)，懸臂端裝有剪刃1、2、定位圈和液壓鎖母。其中剪刃和定位圈由液壓鎖母鎖緊，兩剪軸分別與上下機體通過滾動軸承和軸承端蓋相連。剪軸在裝配時調(diào)整固定，與對應機體無相對位移變化，這種機械結(jié)構(gòu)更有利于剪刃的定位。剪切位置只與剪軸懸臂端軸肩有關(guān) (圖中剪刃定位面)，與剪刃厚度無關(guān)。

剪刃的GAP值 (如圖5所示)是由連接上下機體的偏心軸3(圖4)來實現(xiàn)的。下機體通過螺栓與旋轉(zhuǎn)臺固定，位置無法改變，而上機體在偏心軸的作用下會有往復運動，以達到剪刃間隙的調(diào)整，間隙調(diào)整范圍為0.5±0.015mm。需要著重指出的是此處間隙調(diào)整會影響到LAP的變化，這個影響值稱其為overlap。偏心軸3由一臺恒速齒輪馬達驅(qū)動，旋轉(zhuǎn)角度α1由恒速馬達自身帶的編碼器時時記錄。同時一帶有GAP刻度的數(shù)碼盤安裝在偏心軸的另一側(cè)與偏心軸同心，偏心軸旋轉(zhuǎn)時數(shù)碼盤會相應跟著旋轉(zhuǎn)，顯示當前的GAP值。

剪切單元中還有另外兩根偏心軸4、5(圖4)，主要是用于調(diào)整LAP值的。其中偏心軸5(偏心量4+0.05mm)由一臺變速齒輪馬達驅(qū)動。旋轉(zhuǎn)角α2由變速馬達自身帶的編碼器時時記錄。同時一帶有LAP刻度的數(shù)碼盤安裝在偏心軸的另一側(cè)與偏心軸同心，偏向軸在旋轉(zhuǎn)時數(shù)碼盤會相應顯示當前LAP值。

偏心軸4(偏心量3±0.05 mm)在裝配時作為基準點調(diào)整使用。調(diào)整GAP碼盤顯示為0.14 mm、LAP碼盤顯示為0 mm時，通過旋轉(zhuǎn)偏心軸4調(diào)定LAP實際值為0.65 mm，然后將偏心軸4固定在此位置，不可以再改變。在正常生產(chǎn)時，是通過控制偏心軸3和偏心軸5來得到相應GAP和LAP值，也就是說是通過控制α1和α2角度值。

圖4 圓盤剪剪切單元Fig.4 shearing unit of double-side trimmer

圖5 圓盤剪的GAP和LAPFig.5 GAP and LAP of double-side trimmer

1.2 剪切原理

材料在剪切中發(fā)生的變形過程可以分為三個階段:彈性變形階段、塑性變形階段、斷裂階段。①在剪切初始，帶鋼表面受到上下剪刃的擠壓而發(fā)生彈性變形，隨著壓力的增大，剪刃附近的材料被壓扁并略有彎曲彈性變形。②當壓力達到帶鋼的屈服極限時，金屬內(nèi)部發(fā)生塑性變形，金屬晶粒開始發(fā)生滑移，此時在上剪刃刃口處為一定的圓弧區(qū)。圓弧區(qū)大小與剪刃GAP值、帶鋼厚度和帶鋼材質(zhì)有關(guān):剪刃GAP值越小，帶鋼厚度越小，材質(zhì)屈服強度σs越大，圓弧區(qū)就越小;反之，則圓弧區(qū)就越大。上剪刃繼續(xù)擠壓帶鋼，晶?；茀^(qū)逐漸增大，材料剪切面會出現(xiàn)一段比較光滑的區(qū)域。其表面光澤平整，與帶鋼平面基本垂直，是剪切斷面表面質(zhì)量最好的一個區(qū)域。光滑區(qū)的大小與剪刃GAP值、帶鋼材質(zhì)和剪刃鋒利程度都有關(guān):剪刃GAP越小值，刀刃越鋒利，帶鋼屈服強度σs越小，光滑區(qū)則越大;反之，光滑區(qū)則越小。③隨著剪切的繼續(xù)，上剪刃不斷深入帶鋼內(nèi)部，帶鋼在上下剪刃刃口處由于應力集中會沿著滑移區(qū)方向上產(chǎn)生細小裂紋。由于剪刃之間有一定的間隙量，在剪切力的作用下對剪刃之間的帶鋼形成彎矩，在此彎矩作用下刃口處裂紋將迅速擴展，直至帶鋼斷開，形成斷裂區(qū)。斷裂區(qū)的大小與剪刃GAP值、帶鋼材質(zhì)有關(guān):剪刃GAP值越大，帶鋼屈服強度σs越大，斷裂區(qū)則越大，反之，斷裂區(qū)則越小。裂紋在逐漸擴大過程中在斷裂區(qū)產(chǎn)生毛刺，而上剪刃在剪切過程中會將斷裂區(qū)內(nèi)部的毛刺給壓平或者磨平，所以毛刺集中在帶鋼與下剪刃的接觸區(qū)域內(nèi)，也就是在斷裂區(qū)底部 (如圖6所示)。毛刺是鋼帶斷面的有害區(qū)域，但無法消除，只能通過優(yōu)化剪切參數(shù)將其控制在可接受范圍內(nèi)。

圖6 帶鋼剪切斷面Fig.6 Side of sheared strip steel

1.3 GAP、LAP對剪切質(zhì)量的影響

帶鋼切后斷面的三個區(qū)域:圓弧區(qū)、光滑區(qū)、斷裂區(qū)各有特點。圓弧區(qū)容易在帶鋼邊部形成缺口。光滑區(qū)表面光澤平整，但是光滑區(qū)是由晶?；菩纬傻?，所以這個區(qū)域的帶鋼材質(zhì)會產(chǎn)生加工硬化、塑性降低，在進一步軋制過程中容易出現(xiàn)“邊裂”，這個問題在酸軋生產(chǎn)線表現(xiàn)尤為突出。斷裂區(qū)表面粗糙、無光澤，并且稍有傾斜、底部有毛刺，斷裂面是由帶鋼被直接撕裂形成的，內(nèi)部金屬沒有發(fā)生強化作用，其硬度和塑性與母材幾乎沒有區(qū)別［4］。綜上所述可知，應盡量減少圓弧區(qū)和光滑區(qū)在整個切斷面中所占的比例，增加斷裂區(qū)所占的比例。三個區(qū)域的大小及其在斷面上所占比例，是隨著帶鋼的厚度、帶鋼的材質(zhì)和剪刃參數(shù) (剪刃直徑、剪刃鋒利程度、GAP值、LAP值)的變化而變化的。

帶鋼的厚度和材質(zhì)是無法調(diào)整的，為了滿足生產(chǎn)線的要求，切出高質(zhì)量的帶鋼，在設備功能精度滿足的前提下，唯一能調(diào)整的就是剪刃的參數(shù)。SMS-SIEMAG圓盤剪的剪刃直徑是固定不變的D=315±0.02 mm，至于剪刃鋒利程度，可以通過建立合理的剪刃更換制度來滿足在線剪刃處于一種最佳工作狀態(tài)，剩下的就是GAP值和LAP值了。

(1)GAP值的影響趨勢。對剪后斷面質(zhì)量起決定作用的是GAP值，因為GAP值的存在為斷裂面的形成提供了先決條件。合理的GAP值能使得剪刃刃口處帶鋼產(chǎn)生的裂紋是重合的，斷裂面雖然粗糙但卻比較平坦，雖然有斜度但卻不大，產(chǎn)生的毛刺也不明顯。但是GAP值若過大或過小，都會造成上下剪刃刃口處帶鋼裂紋不重合，直接影響切后斷面質(zhì)量。

當GAP值過大時，上下剪刃對帶鋼形成的彎矩過大，剪刃產(chǎn)生的裂紋會出現(xiàn)一個錯位，裂紋不重合，斷裂面不平整，斜面明顯增大，毛刺大而粗壯，嚴重時會有剪不斷帶鋼的情況出現(xiàn)，同時圓弧區(qū)增大，造成帶鋼邊部形成較大缺口。

當GAP值過小時，上下剪刃對帶鋼形成的彎矩過小，斷裂面比較小，而光滑區(qū)在整個切后斷面中所占比例將增大，有時會出現(xiàn)二次剪切，并在剪切斷面形成第二光亮區(qū)，這樣帶鋼邊部加工硬化嚴重，另外二次剪切區(qū)毛刺高，潛伏裂紋嚴重，嚴重影響后續(xù)軋制和焊接工作［5］。

根據(jù)京唐2230連續(xù)退火生產(chǎn)的經(jīng)驗，GAP值的設置盡量在帶鋼厚度的10%左右選擇，另外還要考慮帶鋼材質(zhì)的影響，剪切材質(zhì)較軟的帶鋼，GAP值要偏小些，反之，則偏大些。

(2)LAP值的影響趨勢。剪刃LAP值對剪后斷面質(zhì)量的影響比GAP值要小，但是并不意味著LAP值可有可無。如前所述，在剪切材料和GAP值已設定的情況下，切后斷面的光滑區(qū)和斷裂區(qū)的比例基本是一定的，但為了獲得平整的光滑區(qū)和斷裂區(qū)，就必須要通過調(diào)整剪刃的LAP值來實現(xiàn)。剪刃LAP值分為三種情況:LAP＞0、LAP=0、LAP＜0(如圖7所示)，在討論LAP值之前，需要引入一個概念咬入角，即剪切開始時帶鋼和剪刃最先接觸的點與剪刃垂直中心線構(gòu)成的圓心角，一般以α表示。

圖7 上下剪刃LAP示意圖Fig.7 LAP of upper and lower shearing blades

當LAP過大時，咬入角α增大，帶鋼邊部的塑性變形將增大，其中在剪切斷面上的變形最大，并沿帶鋼寬度方向向內(nèi)遞減。由于變形應力不均勻，帶鋼邊部便產(chǎn)生了延展，經(jīng)常形成邊部浪形。同時咬入角α過大，廢料邊的塑性變形也會相應增大，同樣由于變形應力不均勻，造成廢料變成螺旋狀，無法順利進入廢料通道。當LAP值過小 (即負LAP)時，帶鋼不能被切斷，尤其廢料邊比較窄時，更容易出現(xiàn)此種情況。

2 生產(chǎn)維護要求

(1)設備維護方面。SMS-SIEMAG圓盤剪是一臺高精度的設備，所有后續(xù)參數(shù)的設定與修正都是在設備功能精度滿足的前提下進行的，尤其是圓盤剪剪切單元基準點的校驗是必須要經(jīng)常進行的。具體方法為:在調(diào)整GAP碼盤顯示為0.14 mm，LAP碼盤顯示為0 mm后，用塞尺在剪刃的不同位置檢驗實際間隙是否為0.14 mm?？紤]到剪刃修磨誤差和碼盤讀數(shù)誤差，規(guī)定讀數(shù)誤差在±0.02 mm范圍內(nèi)，我們認為設備基準點合格。接下來就是要規(guī)范剪刃更換步驟，裝剪刃之前必須要將剪軸、定位圈和剪刃端面擦拭干凈，重點指出上剪刃必須先緊外側(cè)液壓鎖母再緊內(nèi)側(cè)。緊液壓鎖母時需要從四個打壓孔均勻打壓，而且壓力不能過大，壓力過大容易損壞鎖母，也不能過于小，緊到剛好看到液壓鎖母紅色標刻線冒出正好。換完剪刃后要必須檢驗剪刃更換質(zhì)量。具體方法為，取GAP碼盤任意一值，用塞尺在剪刃的不同位置檢驗實際值是否與碼盤值相吻合，讀數(shù)誤差同樣在±0.02 mm范圍內(nèi)，如果超差，必須重新更換。最后要嚴格把關(guān)修磨后剪刃的質(zhì)量，剪刃端面平行度誤差不得超過0.005 mm。

(2)生產(chǎn)操作方面。正常生產(chǎn)時剪刃的GAP值和LAP值是直接從二級控制系統(tǒng)調(diào)整出來的。但這些值都是理論值，需要在生產(chǎn)時不斷優(yōu)化這些理論參數(shù)。經(jīng)過長時間的摸索，我們獲得了一套適應目前生產(chǎn)DQ、DDQ鋼種的GAP值和LAP值 (如表1所示)，同時還需要根據(jù)出口張力值的大小對GAP值做一些小幅調(diào)整，整體規(guī)律是張力越大，GAP值應該相應增大。對于IF鋼還處于摸索階段，在表1的基礎上將對應每一厚度的GAP值適當減小 (大約減小0.02～0.03 mm，薄帶鋼無改動)，剪切后的帶鋼效果比較好。另外在生產(chǎn)中，操作工需要根據(jù)生產(chǎn)量或者其他方面原因積累剪刃更換的周期表，到周期就要更換剪刃。如果說每次都是切出問題的時候才開始更換剪刃，其一是會影響剪刃的使用壽命，其二有可能會造成更大的生產(chǎn)事故。另外，在切邊時操作工必須要關(guān)注圓盤剪之前糾偏輥上帶鋼的位置，必須要保證帶鋼在進入切邊剪之前是以軋制線為中心的，這也是圓盤剪能夠正常切邊的先決條件。

表1 生產(chǎn)中CAP、LAP實際值Tab.1 Actual CAP and LAP values of double-side trimmer in operation

3 結(jié)論

介紹了SMS-SIEMAG圓盤剪結(jié)構(gòu)特點和剪切理論，分析了GAP、LAP值對剪切質(zhì)量的影響。對首鋼京唐2 230冷軋連退生產(chǎn)線各段的工作做了進一步規(guī)范和細化，切邊事故降低了，切邊質(zhì)量也有了明顯改善，有效地提高了生產(chǎn)率。

由于2 230冷軋連退生產(chǎn)線投產(chǎn)時間比較短，積累的經(jīng)驗數(shù)據(jù)還很少，在今后的工作中，我們還需要不斷優(yōu)化和改進工作，以滿足日益高負荷的生產(chǎn)要求。

［1］鄒家祥，施東成.軋鋼機械理論與結(jié)構(gòu)設計［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，1993:383－385.

［2］周國盈.帶鋼精整設備［M］.北京:機械工業(yè)出版社，1979:73－77.

［3］李力冰.圓盤剪切邊時鋼板跑偏原因分析及解決措施 ［J］.冶金設備，2011(4):49－52.

［4］馬瑞杰，艾晶，鄭祥臣.圓盤剪剪切原理的探討及剪刃崩刀的分析［J］.冶金設備，2012(1):43－46.

［5］吳建強，馬乙靜，王占軍，等.圓盤剪的剪切質(zhì)量分析 ［J］.鋼管，2011(1):35－39.