王代文，趙文，張建，馮偉

（攀鋼集團(tuán)攀枝花鋼釩有限公司軌梁廠，四川 攀枝花617000）

吊車軌主要用作工廠、港口、碼頭等大型行車軌道，國內(nèi)主要由攀鋼、包鋼、紫竹、永洋等鋼廠生產(chǎn)，市場競爭較為激烈。隨著邯鋼允許進(jìn)入路內(nèi)軌市場，國內(nèi)鋼軌生產(chǎn)能力達(dá)到600萬t以上，產(chǎn)能嚴(yán)重過剩，為了緩解國內(nèi)鋼軌產(chǎn)能過剩問題，攀鋼集團(tuán)攀枝花鋼釩有限公司決定在萬能二線開發(fā)QU100吊車軌。由于其軌頭、軌底截面積差異大，導(dǎo)致軋制過程中不均勻變形嚴(yán)重以及冷卻后彎曲度大等問題，針對上述問題，通過對軋制工藝計算機(jī)仿真分析、導(dǎo)衛(wèi)設(shè)計、冷床均勻大變形預(yù)彎和大壓下量平立復(fù)合矯直工藝等進(jìn)行優(yōu)化，成功開發(fā)出QU100吊車軌，產(chǎn)品規(guī)格尺寸、表面質(zhì)量和平直度等指標(biāo)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。

1 QU100吊車軌斷面特點(diǎn)及技術(shù)要求

1.1 斷面特點(diǎn)

QU100吊車軌開發(fā)技術(shù)規(guī)范為 《起重機(jī)鋼軌》（YB/T5055-2014），該標(biāo)準(zhǔn)給出不同規(guī)格的吊車軌斷面尺寸和斷面特性等［1］，參數(shù)具體如下：

（1）斷面金屬分配

QU100吊車軌由軌頭、軌腰、軌底三部分組成，其標(biāo)準(zhǔn)斷面尺寸如圖1所示，QU100吊車軌頭、腰、底三部分截面積如表1所示。

從圖1和表1可以看出，三部分截面積差異較大，軌頭是軌底的1.7倍，呈現(xiàn)出“頭重腳輕”的斷面特點(diǎn)，因此，QU100吊車軌在軋制時不均勻變形嚴(yán)重，冷卻后彎曲度大，這也是QU100吊車軌開發(fā)難點(diǎn)。

（2） 斷面特性

QU100吊車軌慣性力矩、重心距等斷面特性參數(shù)見表2。

圖1 QU100吊車軌標(biāo)準(zhǔn)斷面

表1 QU100吊車軌頭、腰、底三部分截面積

表2 吊車軌斷面特性參數(shù)

1.2 技術(shù)要求

QU100吊車軌開發(fā)技術(shù)規(guī)范為 《起重機(jī)鋼軌（YB/T5055-2014）》，該標(biāo)準(zhǔn)對吊車軌斷面尺寸、表面質(zhì)量、平直度等作了詳細(xì)要求［1］，具體如下：

（1）規(guī)格尺寸允許偏差

QU100吊車軌規(guī)格尺寸允許偏差要求見表3。

（2）吊車軌平直度和扭轉(zhuǎn)允許偏差

吊車軌平直度和扭轉(zhuǎn)允許偏差見表4。

表3 吊車軌規(guī)格尺寸允許偏差 mm

表4 吊車軌平直度和扭轉(zhuǎn)允許偏差

2 QU100吊車軌工藝設(shè)計

攀鋼軌梁廠萬能二線由2座加熱爐、7架軋機(jī)（BD1、BD2、U1、E1、U2、E2 以及 UF）、2 架矯直機(jī)、聯(lián)合鋸鉆床等設(shè)備構(gòu)成，主要生產(chǎn)鋼軌產(chǎn)品，年產(chǎn)量約 90萬 t。

吊車軌工藝流程為：連鑄坯加熱—高壓水除鱗—BD1/BD2開坯—高壓水除鱗—U1/E1萬能粗軋—高壓風(fēng)除鱗—U2/E2萬能中軋—高壓風(fēng)除鱗—UF萬能精軋—鋸切—預(yù)彎—冷卻—平立復(fù)合矯直—定尺鋸切加工—檢查入庫—裝車外發(fā)。

其主要設(shè)備參數(shù)如表5所示。

表5 主要設(shè)備參數(shù)

2.1 軋制工藝設(shè)計

軋制工藝設(shè)計是產(chǎn)品開發(fā)的關(guān)鍵，它包括開坯機(jī)孔型系統(tǒng)設(shè)計、萬能區(qū)域延伸系數(shù)分配、精軋機(jī)關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計等內(nèi)容。

2.1.1 開坯機(jī)孔型系統(tǒng)選擇及優(yōu)化設(shè)計

目前，采用萬能法軋制吊車軌時，開坯（BD）機(jī)孔型系統(tǒng)主要有三種［2］，如圖2所示。

三種孔型系統(tǒng)均采用直軋方式，系統(tǒng)a、b的共同優(yōu)點(diǎn)在于小坯料在經(jīng)過帽形孔時，通過強(qiáng)制展寬能夠獲得較大的底寬尺寸，且各道次變形較為均勻；但其共同的缺點(diǎn)在于開坯機(jī)軋制道次偏多。系統(tǒng)b除了上述缺點(diǎn)外，還存在軌形切深孔輥縫處易充滿影響下一孔咬入等問題。系統(tǒng)c軋制道次較少，成型孔數(shù)量少有利于出鋼控制，但所需的坯料規(guī)格較大。

圖2 萬能法軋制吊車軌BD機(jī)孔型系統(tǒng)

由于萬能二線軋機(jī)數(shù)量多，經(jīng)過萬能軋機(jī)往復(fù)多道次軋制可以獲得足夠的底寬尺寸，因此，選用系統(tǒng)c作為軋制QU100吊車軌開坯機(jī)孔型系統(tǒng)。

2.1.2 萬能區(qū)域延伸系數(shù)研究

根據(jù)軋機(jī)的作用設(shè)計不同的延伸系數(shù)，萬能精軋機(jī)主要用于控制吊車軌成品規(guī)格尺寸，起精軋和規(guī)整的作用，軋制變形較小，因此，延伸系數(shù)設(shè)計為1.05～1.08；軋邊機(jī)主要控制吊車軌頭寬和底寬尺寸，變形量較小，延伸系數(shù)設(shè)計為1.01～1.03；萬能粗軋機(jī)和中軋機(jī)承擔(dān)萬能區(qū)域主要變形量，因此，其延伸系數(shù)設(shè)計較大，為1.20～1.35。同時同一孔型（道次）應(yīng)遵循“軌頭、軌底延伸系數(shù)應(yīng)大于軌腰”的原則。根據(jù)以上原則，QU100吊車軌各道次延伸系數(shù)設(shè)計見表6。

表6 QU100各道次延伸系數(shù)設(shè)計

2.1.3 軋輥設(shè)計

根據(jù)孔型磨損情況配置BD機(jī)孔型，將在軋制時磨損輕微的箱形孔、梯形孔、帽形孔集中配置在BD1軋機(jī)，磨損嚴(yán)重的軌形切深、軌形延伸孔、先導(dǎo)孔集中配置在BD2軋機(jī)，同時為磨損嚴(yán)重的軌形切深孔、軌形延伸孔各增加一個備用孔，以提高軋輥軋制量，降低生產(chǎn)成本。

2.1.4 坯料和軋制道次設(shè)計

根據(jù)成品單重、定尺長度、軋機(jī)間距、軋機(jī)數(shù)量、生產(chǎn)效率等因素來確定坯料尺寸、軋制道次分配。

考慮到生產(chǎn)的需要，工藝設(shè)計時選用380 mm×280 mm、410 mm×320 mm兩種鑄坯生產(chǎn)QU100吊車軌。

為了提高生產(chǎn)效率，考慮將主要變形集中在開坯機(jī)，增加BD區(qū)軋制道次，減少萬能區(qū)域軋制道次，具體坯料尺寸及軋制道次分配見表7。

表7 QU100吊車軌坯料尺寸及軋制道次分配

2.1.5 UF軋機(jī)孔型設(shè)計

萬能精軋機(jī)（UF）孔型有全萬能與半萬能兩種（見圖3），東北大學(xué)吳迪教授等人采用計算機(jī)仿真技術(shù)［3］，綜合兩種孔型優(yōu)缺點(diǎn)，選用半萬能孔型作為QU100吊車軌UF軋機(jī)孔型。

圖3 萬能精軋成品孔型

UF軋機(jī)孔型工藝參數(shù)部分根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)斷面尺寸乘以熱收縮系數(shù)（1.013），而有些工藝參數(shù)設(shè)計必須從標(biāo)準(zhǔn)要求、軋輥使用壽命、矯直以及對成品單重的影響等［4］方面綜合考慮。

（1）矯直對吊車軌規(guī)格尺寸的影響

吊車軌采用長尺矯直工藝生產(chǎn)，矯直后去除矯直盲區(qū)，以保證在通長方向整支吊車軌規(guī)格尺寸與平直度的一致性。矯直后吊車軌的規(guī)格尺寸會發(fā)生變化，要保證矯直后的吊車軌規(guī)格尺寸合格，在進(jìn)行萬能精軋機(jī)孔型設(shè)計時必須考慮矯直因素。

（2）吊車軌規(guī)格尺寸對成品單重的影響

吊車軌采用理論計重方式交貨，采用負(fù)偏差軋制有利于降低吊車軌生產(chǎn)成本。

通過取樣回歸，發(fā)現(xiàn)軌腰厚度對吊車軌單重的影響最大，其次為腿厚尺寸，因此，對軌腰厚度及腿厚實行負(fù)偏差軋制可有效降低吊車軌單重。

根據(jù)上述原則設(shè)計的QU100吊車軌UF軋機(jī)孔型見圖4。

圖4 萬能精軋成品孔型關(guān)鍵參數(shù)

2.1.6 典型孔型仿真分析

采用ANSYS軟件對BD軋機(jī)和UF軋機(jī)出鋼狀態(tài)和孔型充滿程度進(jìn)行仿真分析［5］，并根據(jù)仿真結(jié)果對設(shè)計方案進(jìn)行反復(fù)優(yōu)化，以提高試軋成功率，降低開發(fā)成本，具體仿真情況如下：

（1）初始和邊界條件

設(shè)定BD軋機(jī)、UF軋機(jī)軋制速度恒定，分別為2.5 m/s、3.0 m/s，軋件和軋輥是自動面面接觸，摩擦因數(shù)為0.30。

BD軋機(jī)軋制溫度為1 100℃左右，UF軋制溫度950℃左右；軋件彈性模量E=160 000 MPa、泊松比取0.28，變形抗力取80 MPa。

（2）仿真模型建立

為節(jié)約仿真時間和運(yùn)行內(nèi)存，鋼軌長度設(shè)為0.8 m，設(shè)軋件通長方向網(wǎng)格邊緣長為10 mm，橫斷面網(wǎng)格邊緣長為3mm，同時軋輥和導(dǎo)衛(wèi)采用掃掠式劃分網(wǎng)格的方式，網(wǎng)格邊緣長設(shè)為10 mm。具體模型見圖5。

圖5 QU100吊車軌仿真模型

（3）仿真結(jié)果及優(yōu)化

仿真模擬主要對出鋼狀態(tài)、孔型充滿程度和軋件尺寸進(jìn)行分析，并根據(jù)仿真結(jié)果對設(shè)計方案進(jìn)行優(yōu)化，以達(dá)到提高開發(fā)成功率、降低開發(fā)的目的。

圖6為QU100部分道次出鋼狀態(tài)仿真結(jié)果，圖7為QU100吊車軌部分道次孔型充滿和軋件尺寸仿真結(jié)果。

圖6 QU100吊車軌出鋼狀態(tài)仿真結(jié)果

圖7 QU100吊車軌孔型充滿和軋件尺寸仿真結(jié)果

2.1.7 導(dǎo)衛(wèi)設(shè)計

（1）導(dǎo)衛(wèi)材質(zhì)選取

由于導(dǎo)衛(wèi)處于高溫、潮濕工作環(huán)境，因而在選材時應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)：

（a）抗熱裂性較好，導(dǎo)衛(wèi)工作時處于高溫環(huán)境（800℃以上），非工作狀態(tài)時處于低溫環(huán)境（約20℃），導(dǎo)衛(wèi)長期處于冷熱交變環(huán)境，因而要求其材質(zhì)具有較好的抗熱裂性；

（b）耐磨、不粘氧化鐵皮，導(dǎo)衛(wèi)直接與軋件接觸，長期磨損，因而要求其材質(zhì)耐磨性好、不粘氧化鐵皮，否則易產(chǎn)生表面刮傷；

（c）抗沖擊性好，軋件咬入孔型對導(dǎo)衛(wèi)、軋輥產(chǎn)生較大的沖擊，頻繁進(jìn)鋼要求導(dǎo)衛(wèi)材質(zhì)具有較好的抗沖擊性。

綜上所述，UF軋機(jī)出口選用合金鑄鐵導(dǎo)衛(wèi)，其余軋機(jī)和導(dǎo)衛(wèi)選用合金鑄鋼。

（2）導(dǎo)衛(wèi)優(yōu)化設(shè)計

（a）萬能區(qū)域各機(jī)架設(shè)計專用導(dǎo)衛(wèi)，減少因?qū)l(wèi)尺寸不匹配形成的劃痕；

（b）為了增強(qiáng)導(dǎo)衛(wèi)對出鋼的控制作用，解決軋件軌頭懸空形成刮傷的問題，將E軋機(jī)和UF軋機(jī)出口衛(wèi)板設(shè)計成雙托臺形式，具體見圖8。

圖8 QU100吊車軌軋機(jī)出口導(dǎo)衛(wèi)

2.2 平直度控制技術(shù)研究

由于QU100吊車軌軌頭、軌底差異大，頭部金屬量是底部金屬量的1.7倍，冷卻后吊車軌全長彎曲度一般在4 m甚至更大，這樣大的矯前彎曲度需要施加較大的矯直壓下量才能滿足對吊車軌平直度的要求，同時對殘余應(yīng)力也產(chǎn)生了較大的影響。因此，為獲得良好的吊車軌平直度，同時有效控制吊車軌殘余應(yīng)力，首先應(yīng)研究如何控制和降低吊車軌的矯前彎曲度。

（1）預(yù)彎工藝研究

根據(jù)60 kg/m、100 m鋼軌預(yù)彎曲線研究成果，利用非線性有限元軟件對QU100吊車軌預(yù)彎及冷卻過程進(jìn)行仿真分析。通過仿真分析，獲得了QU100吊車軌在自然冷卻過程中彎曲度的變化規(guī)律，并制訂出了不同斷面溫度差的吊車軌的初步預(yù)彎工藝方案。在此基礎(chǔ)上，有針對性地開展了全長均勻預(yù)彎、全長不均勻預(yù)彎及分段不均勻預(yù)彎等三種預(yù)彎工藝方案的現(xiàn)場工藝試驗。

試驗結(jié)果表明，全長均勻預(yù)彎工藝方案的效果最好，吊車軌冷卻后其全長彎曲度可穩(wěn)定控制在1.5 m以內(nèi)，這為吊車軌矯直獲得高平直度創(chuàng)造了良好的條件。最終QU100吊車軌預(yù)彎量見表8，現(xiàn)場預(yù)彎效果見圖9。

表8 QU100吊車軌預(yù)彎量

圖9 QU100吊車軌預(yù)彎方案現(xiàn)場照片

（2）復(fù)合矯直工藝研究

采用九輥水平矯直機(jī)和七輥立式矯直機(jī)平立復(fù)合矯直吊車軌，并根據(jù)矯直后的彎曲度情況，反復(fù)優(yōu)化矯直壓下量，最終確定水平矯直機(jī)總壓下量為44.8 mm，立式矯直機(jī)總壓下量為27.5 mm。

3 QU100吊車軌工業(yè)試制

（1）主要規(guī)格尺寸控制情況

QU100吊車軌軌高、頭寬、腰厚、底寬、腿厚等均達(dá)到設(shè)計要求，均控制在負(fù)偏差范圍內(nèi)，提高了吊車軌成材率，具體規(guī)格尺寸控制情況見表9。

表9 QU100吊車軌斷面尺寸控制情況 mm

（2） 平直度

采用全長均勻預(yù)彎和平立復(fù)合矯直工藝，QU100吊車軌平直度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，矯直后的QU100吊車軌平直度見圖10。

圖10 QU100吊車軌平直度情況

（3）主要經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)

截止2018年6月底累計生產(chǎn)QU100系列吊車軌21 949.09 t，綜合合格率為99.12%、成材率為92.66%。

4 結(jié)語

針對QU100吊車軌軌頭、軌底截面積差異大造成的軋制過程中不均勻變形嚴(yán)重以及冷卻后彎曲度大等問題，通過對軋制變形分配、軋制工藝計算機(jī)仿真分析、導(dǎo)衛(wèi)設(shè)計、冷床均勻大變形預(yù)彎和大壓下量平立復(fù)合矯直工藝等進(jìn)行優(yōu)化，成功開發(fā)出QU100吊車軌，產(chǎn)品規(guī)格尺寸、表面質(zhì)量和平直度等指標(biāo)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，產(chǎn)品綜合合格率達(dá)到99.12%，成材率達(dá)到92.66%。