黃 怡，吳定川

（武漢鋼鐵重工集團(tuán)有限公司，湖北 武漢，430083）

作為實(shí)現(xiàn)帶鋼生產(chǎn)連續(xù)化、機(jī)械化和自動(dòng)化的重要設(shè)備，開卷機(jī)和卷取機(jī)廣泛應(yīng)用于熱軋、酸洗、冷軋、平整、連續(xù)退火、涂鍍、精整、重卷、剪切等生產(chǎn)線機(jī)組中，是必不可少的關(guān)鍵生產(chǎn)設(shè)備。開卷機(jī)和卷取機(jī)的種類較多，按其用途可以分為三類：線材開卷機(jī)／卷取機(jī)、熱軋帶鋼開卷機(jī)／卷取機(jī)、冷軋帶鋼開卷／卷取機(jī)［1］。

熱軋帶材卷取機(jī)分地上式和地下式兩種，前者現(xiàn)已很少采用，后者常用于連續(xù)式或半連續(xù)式熱軋帶材軋機(jī)機(jī)組。隨著熱連軋技術(shù)的發(fā)展，帶鋼產(chǎn)量、規(guī)格、品種的增加，軋制速度不斷提高，卷取熱軋板坯溫度可達(dá)600℃～700℃，卷重可達(dá)40t［1］，因此對(duì)熱軋地下卷取機(jī)性能提出了更高的要求。

冷軋帶材開卷機(jī)和卷取機(jī)是將冷狀態(tài)下鋼卷打開或?qū)搸Ь沓射摼淼臋C(jī)械設(shè)備，用在可逆式、連續(xù)式軋制線上和帶鋼精整機(jī)組的作業(yè)線上。常用的冷軋帶鋼卷取機(jī)分為輥式和卷筒式兩種，前者已很少被使用，本文著重介紹的卷筒式卷取機(jī)中的扇形脹縮式卷取機(jī)，由斜楔脹縮和棱錐脹縮兩類組成，廣泛應(yīng)用于高速卷取機(jī)、大張力卷取機(jī)和小張力卷取機(jī)上。在現(xiàn)代冷軋車間，軋機(jī)正向高速化、大卷重和自動(dòng)化方向發(fā)展。

1 武鋼引進(jìn)的開卷機(jī)和卷取機(jī)的歷史和現(xiàn)狀

1.1 引進(jìn)設(shè)備的歷史和現(xiàn)狀

1974年，從國外引進(jìn)一米七軋機(jī)成套設(shè)備，其中熱軋廠、硅鋼廠的設(shè)備由日本引進(jìn)；冷軋廠、二煉鋼的設(shè)備由前西德引進(jìn)，耗資40多億元。30多年來，經(jīng)過武鋼幾代人的努力，從原來消化吸收專利技術(shù)，發(fā)展到以開發(fā)創(chuàng)新為主，開發(fā)了大量的新產(chǎn)品和武鋼特有的硅鋼生產(chǎn)技術(shù)。

隨著產(chǎn)能的提高，多數(shù)產(chǎn)線的開卷機(jī)和卷取機(jī)已經(jīng)超出了設(shè)計(jì)壽命，設(shè)備精度制約帶鋼質(zhì)量的提高。

1.2 引進(jìn)設(shè)備的優(yōu)劣勢(shì)

當(dāng)時(shí)進(jìn)口的設(shè)備無論是在其結(jié)構(gòu)或是工藝性上，都代表了特定時(shí)期的先進(jìn)性水平。然而，隨著時(shí)間推移，市場(chǎng)或用戶群對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的日趨升級(jí)，進(jìn)口的開卷機(jī)和卷取機(jī)也日益暴露出許多問題，特別是在頻頻出現(xiàn)故障后，難以得到及時(shí)維修。

1）涉及技術(shù)保密，因而資料不全。雖不代表最先進(jìn)技術(shù)，但國外企業(yè)仍不會(huì)提供詳細(xì)的制造、安裝和調(diào)試圖，導(dǎo)致設(shè)備出現(xiàn)故障后無法維修。

2）易損件為非標(biāo)或國外企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，國內(nèi)市場(chǎng)難以采購，或采購成本高，供貨周期長。

3）隨機(jī)附贈(zèng)的備件數(shù)量有限，用盡后重新加工的備件因與原件不匹配，影響設(shè)備的整體精度和性能。且購置國外原品備件不但需耗費(fèi)巨資，還會(huì)因周期長影響生產(chǎn)。

4）設(shè)備出現(xiàn)故障后，因核心技術(shù)控制在外方手中，如需聘請(qǐng)外方專家，不但難以及時(shí)到場(chǎng)，還需支付高額的服務(wù)費(fèi)用，后期售后服務(wù)難以保障。

基于上述劣勢(shì)，加之鋼鐵市場(chǎng)嚴(yán)峻的形勢(shì)，消化、吸收國外先進(jìn)設(shè)備的技術(shù)及國產(chǎn)化研究，具有極其重要意義和深遠(yuǎn)影響。

2 武鋼重工集團(tuán)對(duì)進(jìn)口開卷機(jī)和卷取機(jī)國產(chǎn)化的歷史進(jìn)程

2.1 起步階段

1980年，原機(jī)總廠就組織專人測(cè)繪卷筒，并在制造上攻關(guān)。1981年試制成冷軋酸洗開卷機(jī)卷筒。1987年，經(jīng)過三年試制，成功制造了ZR1大張力軋機(jī)卷取機(jī)卷筒。

2.2 成長階段

1998年，成立了開卷中心，獨(dú)立車間專業(yè)從事連軋帶鋼線成套設(shè)備為主導(dǎo)產(chǎn)品的生產(chǎn)業(yè)務(wù)單元，先后成功國產(chǎn)化森吉米爾ZR2和ZR3大張力軋機(jī)卷取機(jī)。1997－2000年，成功實(shí)現(xiàn)熱軋地下卷取機(jī)國產(chǎn)化。

2.3 發(fā)展階段

2005年，開卷中心成立了卷筒研發(fā)中心，致力于消化、吸收進(jìn)口開卷機(jī)和卷取機(jī)的結(jié)構(gòu)，在原設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上大膽創(chuàng)新，結(jié)合用戶需求，持續(xù)改進(jìn)，使結(jié)構(gòu)和工藝均優(yōu)于原設(shè)計(jì)。構(gòu)建出完整的產(chǎn)品咨詢、設(shè)計(jì)、研發(fā)、制造、物流、安裝、調(diào)試和售后服務(wù)鏈，最大限度地為用戶創(chuàng)造價(jià)值。

3 開卷機(jī)和卷取機(jī)的國產(chǎn)化應(yīng)用

3.1 國產(chǎn)化的基礎(chǔ)

任何一臺(tái)進(jìn)口設(shè)備在原理上必有其先進(jìn)性，這就需要充分消化進(jìn)口設(shè)備的設(shè)計(jì)理念和設(shè)計(jì)原理，與現(xiàn)場(chǎng)工況、用戶要求、制造能力、制造成本等因素相結(jié)合，使國產(chǎn)化后的設(shè)備既能滿足現(xiàn)場(chǎng)使用的功能性要求，又能解決工藝性難題，還能提高設(shè)備的性價(jià)比，節(jié)約資金，取得明顯的經(jīng)濟(jì)效益。因此，在進(jìn)行開卷機(jī)和卷取機(jī)的國產(chǎn)化中遵循“三點(diǎn)一線”的模式：“三點(diǎn)”即針對(duì)進(jìn)口設(shè)備的結(jié)構(gòu)、工藝、材料三個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)分析，運(yùn)用科學(xué)的手段，合理創(chuàng)新；“一線”指采用“流水生產(chǎn)線”式制造管理模式，降低制造成本，提高生產(chǎn)效率。

武鋼重工經(jīng)過三代人的共同努力，按“三點(diǎn)一線”的模式不斷吸收各國經(jīng)驗(yàn)，在武鋼主體廠的技術(shù)專家、專檢員及一線操作工人的密切配合下，在實(shí)踐中不斷創(chuàng)新，使制造能力得以不斷提高，由單一生產(chǎn)修復(fù)卷筒到仿制整機(jī)，由與國外聯(lián)合制造到自行研發(fā)制造整機(jī)，開卷、卷取機(jī)生產(chǎn)能力除滿足武鋼的生產(chǎn)需求，還向全國各地供給優(yōu)質(zhì)的開卷、卷取機(jī)設(shè)備。

3.2 結(jié)構(gòu)創(chuàng)新

在對(duì)硅鋼森吉米爾大張力軋機(jī)卷取機(jī)國產(chǎn)化研究時(shí)，對(duì)其在現(xiàn)場(chǎng)的使用狀況做了詳細(xì)的調(diào)查和數(shù)據(jù)采集，進(jìn)口設(shè)備存在以下問題：1）扇形板波紋邊易多處斷齒，使鋼卷內(nèi)圈產(chǎn)生折痕；2）扇形板鉗口易出現(xiàn)變形、斷裂、邊緣處塌陷變形；3）鉗口備件方向有左右之分，庫房需分別訂購，不利于庫房實(shí)現(xiàn)“零庫存”管理；4）鉗口活塞缸處易漏油且易進(jìn)入灰塵等雜物劃傷缸孔；5）脹縮液壓缸易漏油，影響系統(tǒng)壓力和卷筒的正常脹縮徑。

針對(duì)上述問題，采用先進(jìn)制造方法，在原設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新。如運(yùn)用反求工程理論，用精密儀器測(cè)量手段對(duì)原品測(cè)量，根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)，使用SOLIDWORKS建模方法重構(gòu)其CAD模型，以此為基礎(chǔ)，對(duì)開卷機(jī)和卷取機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)和生產(chǎn)。

針對(duì)問題1），將扇形板波紋邊由寬齒改為窄齒后，消除了斷齒現(xiàn)象，扇形板的波紋邊能起到很好的脹緊和支承的作用。

針對(duì)問題2），運(yùn)用CAD將實(shí)物轉(zhuǎn)化為三維實(shí)體模型，運(yùn)用ANSYS有限元分析軟件對(duì)卷取機(jī)鉗口的強(qiáng)度進(jìn)行分析、計(jì)算和比較，確定其危險(xiǎn)截面和受力點(diǎn)，優(yōu)化鉗口的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

針對(duì)問題3），將左、右卷取機(jī)固定鉗口槽的不對(duì)稱設(shè)計(jì)改為了對(duì)稱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，成功實(shí)現(xiàn)了鉗口的互換性，為用戶減少了庫存量。

針對(duì)問題4），通過改變活塞的密封槽位置、增加防塵蓋等方式，解決鉗口活塞缸的漏油問題，延長活塞和缸孔的使用壽命。

針對(duì)問題5），在脹縮液壓缸缸蓋端面新增了密封槽和密封圈，解決了液壓缸的漏油問題。

此外，為易于設(shè)備加工，將主軸齒形改壓力角為20°的標(biāo)準(zhǔn)齒形，并運(yùn)用ANSYS對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度校核，運(yùn)用仿真成型技術(shù)模擬卷筒裝配及符合工況條件下的工作過程。

對(duì)二冷軋重卷線開卷機(jī)國產(chǎn)化研制時(shí)，由于主軸和扇形板間用了一組6個(gè)，共24個(gè)導(dǎo)向銷定位，制造精度要求高、加工難度大，若長期使用易使扇形板卡死，阻礙其運(yùn)動(dòng)。通過減少彈簧組數(shù)，在每塊扇形板的兩頭各設(shè)計(jì)一組碟簧，既減少了約束又滿足性能要求。

3.3 工藝創(chuàng)新

對(duì)熱軋地下卷取機(jī)國產(chǎn)化研制時(shí)，銅柱塞是卷筒的核心部件之一，同一棱面上各個(gè)銅柱塞的斜面中心至平面中心的中心高尺寸是否一致，會(huì)影響到各個(gè)銅柱塞受力的均勻性。考慮到設(shè)備的加工精度及人的因素?zé)o法保證其工藝性，設(shè)計(jì)專用組合夾具作為輔助加工工具，使高度誤差控制在0.03mm以內(nèi)。

對(duì)硅鋼森吉米爾大張力軋機(jī)卷取機(jī)國產(chǎn)化研制時(shí)，鉗口是卷筒的核心部件之一，其制造精度會(huì)直接影響鋼卷成材率及卷筒的使用壽命。鉗口屬細(xì)長件，且必須經(jīng)過多個(gè)熱處理工序，易變形。為此，將鉗口改為分段式，從根本上解決了鉗口的熱處理變形問題，且易于安裝和調(diào)試。

對(duì)二冷軋卡羅塞爾卷取機(jī)國產(chǎn)化研制時(shí)，扇形板厚度薄，總長2 500mm以上。這類扇形板屬于超薄超長類零件，若按平放狀態(tài)進(jìn)行熱處理工序，將會(huì)造成扇形板的嚴(yán)重變形，不僅影響安裝精度，且扇形板在斜面上運(yùn)動(dòng)時(shí)易卡阻，影響卷筒的正常脹縮。設(shè)計(jì)熱處理工裝，將其與四塊扇形板組裝成整圓后，以懸掛狀態(tài)入爐內(nèi)調(diào)質(zhì)處理，控制其變形。

對(duì)二冷軋重卷線開卷機(jī)國產(chǎn)化研制時(shí)，卷筒長度達(dá)2 300mm。為解決導(dǎo)向銷和銷孔配合精度問題，采用了先裝配后加工的工藝順序，使各孔在使用狀態(tài)下整體加工，確保各銷孔間位置精度，從而使四塊扇形板在斜楔的推動(dòng)下在主軸上實(shí)現(xiàn)徑向脹縮運(yùn)動(dòng)，活動(dòng)自如。此外，德國原品采用的熱處理方案是：主軸和一字型楔條各采用調(diào)質(zhì)處理，氮化兩者之間的“七字形”楔形條，熱處理工藝極易使其發(fā)生扭曲變形且很難校正。可選擇氮化相對(duì)不易變形的主軸和變形后易校正的“一字型”楔條。實(shí)踐證明，使用效果好于原品。

3.4 材料創(chuàng)新

在國產(chǎn)化研究過程中，通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工況的深入了解，在滿足設(shè)備功能前提下，先后對(duì)鉗口、扇形板、棱錐軸等主要件的材質(zhì)作出更改，主要遵循以下原則。

1）優(yōu)先選擇國標(biāo)系列。

選擇性能優(yōu)良、性價(jià)比高的材質(zhì)，通過熱處理等手段，提高其機(jī)械性能，達(dá)到或高于原品材質(zhì)的機(jī)械性能要求。

2）通過材質(zhì)替換降低工藝成本和制造難度。

對(duì)硅鋼ZR4和ZR5軋機(jī)開卷機(jī)國產(chǎn)化研究時(shí)，原品棱錐軸套筒為鑄銅件設(shè)計(jì)，因國外鑄銅技術(shù)比國內(nèi)先進(jìn)，若還是沿用鑄銅棱錐套筒的設(shè)計(jì)，毛坯內(nèi)部極易出現(xiàn)氣孔、夾渣等缺陷，且鑄銅件制造成本高。因此，將其改為鑄鐵件后，兼具更高的抗拉強(qiáng)度、沖擊功、良好的鑄造工藝性能、伸長率和導(dǎo)熱性。

3.5 建立流水生產(chǎn)線的制造管理模式

對(duì)各類型號(hào)的進(jìn)口設(shè)備進(jìn)行分析，將卷取機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)定義為標(biāo)準(zhǔn)化模塊生產(chǎn)，為批量化生產(chǎn)提供技術(shù)支持。推翻原有的粗精加工混搭的落后生產(chǎn)組織模式，建立科學(xué)合理的新的制造管理模式，合理配置機(jī)床，將重要零部件的粗加工和精加工完全分離，在裝配區(qū)域完成零部件的組裝和調(diào)試。

4 結(jié)論

1）對(duì)引進(jìn)的開卷機(jī)和卷取機(jī)的國產(chǎn)化，不但能為企業(yè)節(jié)約大量的采購成本，還便于現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)和維護(hù)，順應(yīng)了武鋼倡導(dǎo)的“進(jìn)口備件國產(chǎn)化、國產(chǎn)備件本土化”企業(yè)要求，極具推廣和應(yīng)用價(jià)值。

2）對(duì)進(jìn)口設(shè)備的國產(chǎn)化絕不僅僅停留在模仿階段，應(yīng)開拓思維，勇于創(chuàng)新，找到新的突破口和生存空間。

3）進(jìn)口設(shè)備國產(chǎn)化時(shí)，應(yīng)將設(shè)備的使用情況與現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)服務(wù)相結(jié)合，持續(xù)改進(jìn)和發(fā)展。

［1］ 鮑思賀，陳述良，等.板帶車間機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，1987.