丁建軍

（首鋼長治鋼鐵有限公司， 山西 長治 046031）

萬能軋機軋制電極扁鋼工藝實踐

丁建軍

（首鋼長治鋼鐵有限公司， 山西 長治 046031）

采用萬能軋機組開發(fā)扁鋼生產工藝，生產的扁鋼尺寸精度顯著優(yōu)于傳統(tǒng)兩輥軋制模式，尺寸精度可以達到±0.1 mm；并采用DEFORM軟件對軋制過程展開三維有限元模擬。通過有限元模擬，合理設計開坯機和萬能軋機機組孔型參數(shù)、各軋制道次壓下量與延伸系數(shù)，保證了產品質量。

萬能軋機 電極扁鋼 孔型設計 有限元模擬

電極扁鋼亦稱陰極扁鋼，鋼種一般為碳素結構鋼，是專門用于電解鋁電解槽陰極的專用鋼材，屬電解槽耗材。近年來，隨著電解鋁產能的不斷增加，電極扁鋼的市場需求量也日益增加。首鋼長治鋼鐵有限公司（以下簡稱長鋼）面對產能嚴重過剩、競爭日趨激烈的鋼材市場，積極調整產品結構，決定利用H型鋼生產線開發(fā)電極扁鋼系列產品。

1 型鋼生產線工藝布置及工藝流程

長鋼型鋼生產線全套技術及關鍵設備引進于德國西馬克公司，設計年產量為60萬t。整條生產線主要設備包括加熱爐、開坯機、萬能粗軋機UR、軋邊機E、萬能精軋機、熱鋸、冷床、矯直機、移動/固定冷鋸、定尺機、堆垛機以及輔助設備。工藝布置見圖1。

圖1 工藝布置圖

生產線工藝流程為：連鑄坯→加熱爐加熱→高壓水除磷→開坯機軋制→萬能軋機（UR、E、UF）軋制→熱鋸分段、取樣→冷床噴霧冷卻→編組→火焰切割→堆垛→打包、標識→收集入庫。

2 電極扁鋼技術要求

電極扁鋼亦稱陰極扁鋼，屬于碳素結構鋼，作為電解鋁業(yè)電解池的電極使用，屬電解消耗品，需求量大，一般無須提供力學和工藝性能[1]。其成品截面（見圖2）尺寸、允許偏差見表1、下頁表2。

圖2 扁鋼截面圖

表1 電極扁鋼截面尺寸

表2 電極扁鋼尺寸允許偏差 mm

扁鋼表面不得有裂紋、結疤、麻面、凹坑、凹槽及突起等局部缺陷。扁鋼不應有明顯的扭轉。

為了確保電解槽使用周期，對電極扁鋼提出了新的技術要求：更高的平直度、尺寸精度和垂直度；一致的致密度，盡可能降低扁鋼通電熱膨脹，提高電解槽使用壽命；組織的均勻性，不能有肉眼可見的縮孔、氣泡、裂紋、夾雜等缺陷。

3 孔型設計

扁鋼孔型設計有相對較成熟的理論，但是一般用于二輥軋機。與使用萬能軋機軋制有所不同，因此需要重新設計。

3.1 開坯機孔型

3.1.1 孔型計算

3.1.1.1 確定開坯機成品料尺寸

由于開坯機對中裝置較短，橫移坯料過程中只能將坯料局部對正孔型，開坯機軋后一般會發(fā)生彎曲。為了保證萬能UR軋機軋制時軋件咬正，必須確保立輥先接觸到軋件。由于水平輥輥徑比立輥輥徑大，因此UR軋機需要相對較小的水平輥壓下量及相對較大的立輥壓下量。如使用1 120 mm的水平輥和780 mm的立輥，同時使立輥的壓下量比水平輥的壓下量大60%以上，則會使立輥先接觸軋件，從而確保軋件咬正。

為了使UR軋機軋制時扁鋼上下表面不出現(xiàn)過于明顯的臺階，其水平輥壓下量設定為3～4 mm，因此其立輥壓下量設定在12 mm。因此開坯機成品料尺寸為75 mm×229 mm。為了保證軋件頭部不發(fā)生上翹或下彎，開坯機所有孔型深度均設定為30 mm。

3.1.1.2 確定平立軋道次

開坯機軋輥是利用H400 mm×200 mm規(guī)格廢舊軋輥加工的，其軋輥最多可以加工3個孔型。使用165 mm×210 mm的坯料軋制75 mm×224 mm的半成品，結合本廠生產工藝，使用2道次立軋、3道次平軋軋制工藝。

3.1.1.3 分配變形系數(shù)

開坯機2道次立軋后軋件厚度約為170 mm。厚度的總變形系數(shù)為：n0=170/75=2.27。

開坯機共3道次平軋，各道次的變形系數(shù)分配如下：n1=1.29，n2=1.36，n3=1.29。

3.1.1.4 軋件斷面尺寸的計算

1）軋件厚度（與表4程序配合）。

第五道軋件厚度h1=75 mm；第五道壓下量Δh1=h2-h1=22 mm；第四道軋件厚度h2=h1×n1=75×1.29≈97；第四道壓下量 Δh2=h3-h2=35 mm；第三道軋件厚度h3=h2×n2=97×1.36≈132 mm；第三道壓下量 Δh3=h2-h1=38 mm；第二道軋件寬度 h4=h3×n3=132×1.29≈170 mm。

2）摩擦系數(shù)（各道次溫度均為估計值）。

摩擦系數(shù)的經(jīng)驗公式：

式中：f為熱軋時軋輥與軋件間的摩擦系數(shù)；k1為軋輥材質影響系數(shù)，為鑄鋼軋輥，取1；k2為軋制速度影響系數(shù)，軋制速度為2 m/s左右，取1；k3為軋件材質影響系數(shù)，電極扁鋼為碳素鋼，取1；t為軋件的軋制溫度，℃。

自由寬展量按照巴赫契諾夫公式[1］計算：

軋件寬度（與表4程序配合）：

第五道寬度b1=229 mm；第四道寬度b2=b1-Δb1=229-9.6=219.4 mm；第三道寬度b3=b2-Δb2=219.4-13.1=206.3 mm；第二道高度b4=b3-Δb3=206.3-11.2=195.1 mm。

最后，對計算孔型進行優(yōu)化。為了和70 mm×198 mm電極扁鋼共用孔型，成品前孔的寬度b2調整為213 mm。同時為了保證成品孔充滿，把第二道次立軋后的軋件寬度放大到200 mm。

3.1.2 有限元模擬

采用DEFORM軟件對軋制過程展開三維有限元模擬。由于扁鋼軋制本身的特點，軋件截面各點的溫度是不均勻的。為了簡化計算，建立了1/4對稱模型，為了更好的反映軋件截面溫度變化的特點，特選取以下6點進行研究，如下頁圖3所示。

圖3 扁鋼軋件模型

根據(jù)前述采點位置，采集溫度數(shù)據(jù)，繪制溫度曲線，如圖4。從圖4可以看出，軋件表面與軋輥接觸的位置會產生一定的溫降，但是很快通過熱傳遞回復到980℃以上，而心部隨著各道次變形逐漸升溫。道次的溫降逐漸增大，第一、第二道次表面最低溫度為975℃左右，第三道次為950℃左右，第四道次930℃左右，第五道次860℃左右。這是因為隨著軋制時間增加，由于熱輻射等原因表面溫度逐漸下降。但是形變產生的熱量又使得心部發(fā)生溫升。

軋件內部各位置的溫度曲線的變化趨勢基本同步，角部溫度曲線的變化趨勢和邊部也基本同步，說明角部和邊部協(xié)調變形，孔型設計合理，沒有發(fā)生過大的溫降，也沒有因為局部變形量過大而善生過大的溫升。

圖4 開坯軋制過程采集點的溫度曲線

因為第五道次之后將進行萬能軋機軋制，為了提高尺寸精度，第五道次軋制應該盡量保證軋件角部的圓角度數(shù)。第五道次軋制過程的金屬流動如圖5所示?？梢钥闯?，扁鋼結構簡單，軋件各處的變形速率比較均勻，角部在壓下的過程中也達到與整體協(xié)調變形。

仿真計算的充型效果如圖6所示，可以看出，軋件四周圓角基本充滿孔型。進入萬能軋機軋制以后，邊部的鼓肚和耳子將得到很好地控制，所以提高此道次的孔型充滿度可以很好的保證尺寸精度。

圖5 軋制過程金屬流動場

圖6 軋制充型過程

3.2 萬能軋機孔型

以70 mm×215 mm規(guī)格扁鋼為例。

UF軋機孔型是成品孔型，考慮到熱膨脹，其孔型寬度定為217 mm。由于立輥存的彈跳，根據(jù)軋制力的不同其彈跳值約為2～3 mm，因此軋輥寬度要比孔型寬度小6 mm以上，再考慮到立輥輥縫調整余量，UF軋機水平輥寬度定為208 mm[2]。

為防止軋件在軋邊機出耳子，考慮到立輥彈跳及立輥輥縫調整余量，UR軋機軋輥寬度設定為209 mm。

為了防止軋件在UR軋機中出現(xiàn)的臺階在軋邊機形成折疊，UR軋機水平輥圓角半徑設計為5 mm。UF軋機水平輥圓角半徑設計為2 mm。

在軋制扁鋼時軋邊機最重要的作用是軋制圓角，使圓角部位能夠圓滑過渡。電極扁鋼的圓角半徑為13 mm，且在UF軋機軋制時圓角半徑會減小，因此，軋邊機圓角半徑R定為15 mm。為減小UF軋機軋制時圓角部位的變形量，軋邊機孔型槽底寬度設定為216.5 mm。由于扁鋼厚度為70 mm，因此軋邊機孔型深度設定為30 mm。側邊斜度為5°。

萬能軋機主要以控制尺寸精度為主要目的，軋制的過程變形量比較小，軋制流程較短，軋制過程中軋件內部的溫度變化不大，變形溫升和表面溫降較好控制，表面和軋輥接觸的位置產生一定溫降[2]，但是溫差不大于50℃，所以不對軋件進行溫度采點，而主要關注軋件的變形條件。三個道次的金屬流動場如圖7所示。

圖7 萬能軋機各機架軋制過程金屬流動場

從圖7可以看出，由于變形比較簡單，軋件各處的變形速率非常均勻，角部在壓下的過程中也達到與整體協(xié)調變形，通過合理的設計軋輥和孔型參數(shù)，可以獲得尺寸精度完全符合要求的最終產品。

4 軋制工藝控制

4.1 加熱機制

扁鋼的溫度制度見表3。

表3 溫度制度 ℃

4.2 軋輥預裝及軋制要求

1）開坯機軋制道次為5道次，開軋溫度不小于1000℃，終軋溫度不小于880℃。為了防止軋件頭部下彎，開坯機軋輥裝配時，要求下輥輥徑比上輥大5 mm。

2）萬能軋機軋制道次為1道次，開軋溫度不小于800℃，軋制完第一道次后中斷軋制程序，把軋件送到熱鋸、冷床。UR、UF的工作輥徑等于實際輥徑，軋邊機的工作輥徑等于實際輥徑減60 mm。立輥全部使用UF立棍，立輥墊片厚度為110 mm。

3）熱鋸。使用熱鋸取樣，取樣長度50～100 mm，取樣時應在軋件中部取樣。

4）冷床步距為560×2 mm，使用噴霧冷卻。

5）矯直機。不使用矯直機矯直，生產扁鋼時使用最大L值的矯直輥，且抬到最高位置。

6）使用定尺機定位，火焰切割定尺。

7）堆垛打包。扁鋼實行單排3層或4層一捆堆垛，打包道次為6道次。

4.3 軋制程序設計

4.3.1 開坯機軋制程序

以70 mm×215 mm規(guī)格扁鋼為例，開坯機軋制程序見表4。

表4 開坯機軋制程序表

開坯機拋鋼速度設置為1.8 m/s。

4.3.2 萬能軋機軋制程序

以70 mm×215 mm規(guī)格扁鋼為例，萬能軋機軋制程序見表5。

表5 萬能軋機軋制程序表

4.4 實際生產情況

已成功開發(fā)出了70 mm×198 mm、100 mm×198 mm、120 mm×198 mm、70 mm×215 mm、100 mm×180 mm五個規(guī)格電極扁鋼產品，尺寸公差在允許偏差范圍內，表面質量及平直度能夠滿足使用要求，受到了用戶的好評與認可。

5 結論

1）采用萬能軋機機組開發(fā)出扁鋼生產工藝，其生產的扁鋼尺寸精度顯著優(yōu)于傳統(tǒng)兩輥軋制模式，尺寸精度可以達到±0.1 mm。

2）通過有限元模擬，合理設計開坯機和萬能軋機機組孔型參數(shù)、各軋制道次壓下量與延伸系數(shù)，保證了產品具有良好的致密度、均勻的組織、較小的彎曲度、較高的尺寸精度和垂直度，從而提高電解槽的使用壽命。

3）經(jīng)過生產實踐證明，利用萬能軋機的優(yōu)勢，采用型鋼生產線軋制扁鋼，側邊加工質量好，尺寸控制精度高。扁鋼系列孔型設計合理，操作簡單，產品質量穩(wěn)定，技術經(jīng)濟指標高。

[1] 劉文，王興珍.軋鋼生產基礎知識問答[M].北京:冶金工業(yè)出版社，1994：184.

[2] 趙松筠，唐文林.型鋼孔型設計[M].北京:冶金工業(yè)出版社，2000：16.

（編輯：苗運平）

Practice of Rolling Electrode Flat Steel in Universal Rolling Mill

Ding Jianjun
（Shougang Changzhi Steel&Iron Co.,Ltd.,Changzhi Shanxi 046031）

The flat steel production is developed by universal rolling mill.The dimensional accuracy of flat steel is significantly better than the traditional model of the two-roll rolling production,and size precision of which reaches±0.1mm.The three-dimensional finite element simulation of rolling processusing DEFORM software are conducted.Through the finite element simulation,the pass parameters,rolling reduction and elongation coefficients of the cogging mill and universal rolling mills are rationally designed,and the quality of the products is guaranteed.

universal rolling mill,electrode flat steel,pass design,finite element simulation

TG332+.23

A

1672-1152（2017）04-0116-05

10.16525/j.cnki.cn14-1167/tf.2017.04.43

2017-07-05

丁建軍（1976—），男，畢業(yè)于重慶科技學院，負責工藝技術及質量工作，工程師。