高彥凱 陳 東 夏慧超 武廣濤

遼寧科技大學機械工程與自動化學院，鞍山，114051

0 引言

打捆是熱軋鋼卷生產(chǎn)的最后一道工序，該工序對提高鋼卷儲存和運輸?shù)陌踩?，提升鋼卷外觀質量具有重要作用。熱軋鋼卷打捆工位環(huán)境惡劣，通常采用自動打捆裝備完成。熱軋鋼卷打捆裝備領域基本被國外公司壟斷，目前美國SIGNODE公司和日本KOHANKOGYO公司的產(chǎn)品在熱軋鋼卷打捆裝備領域占據(jù)了98%的市場，因此研究熱軋鋼卷打捆領域的關鍵技術，對打破國外技術壟斷具有重要意義[1-4]。

目前的打捆工藝流程主要包括穿帶、快收緊、慢收緊、鎖扣和切帶。在該工藝下，熱軋鋼卷在高溫條件(500～800 ℃)下完成打捆，此刻保證了捆扎鋼帶(捆扎帶)在鋼卷表面保持一定的張緊力，但熱軋鋼卷冷卻后，部分鋼卷上出現(xiàn)了松卷現(xiàn)象(捆扎帶松散或脫落)。凌源鋼鐵公司熱軋帶鋼廠的統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，出現(xiàn)松卷現(xiàn)象的產(chǎn)品高達14%。該問題嚴重影響鋼卷的整體質量，急需找到相應的解決方法。本文提出了延遲鎖扣技術。

1 松卷原因

松卷現(xiàn)象如圖1所示?，F(xiàn)行的打捆工藝如圖2所示，主要包括穿帶、快速收緊、慢速收緊、鎖扣切帶和設備復位幾道工序，為提高生產(chǎn)效率，各工序間無停頓地連續(xù)進行。慢收緊工序結束后立即進行鎖扣切帶，此刻捆扎帶在熱鋼卷表面的張緊力基本等于慢收緊工序的收緊力，但熱軋鋼卷經(jīng)過多道工序到達打捆工位時的溫度范圍為500～800 ℃，而捆扎帶的溫度為室溫，鋼卷與捆扎帶在溫度、材料性能和幾何尺寸等方面的差異使得冷卻過程中產(chǎn)生的收縮量差距較大，導致鋼卷冷卻后的捆扎帶最終殘余捆扎力(實際捆扎力)減小甚至消失，因此產(chǎn)生了松卷現(xiàn)象。

圖1 松卷現(xiàn)象Fig.1 Steel coil loosening

圖2 現(xiàn)行的打捆工藝流程Fig.2 Current bundling process

2 延遲鎖扣技術

上述分析表明，松卷的最主要原因是鋼卷和捆扎帶溫度不同導致的熱脹冷縮差異。若預先將捆扎帶加熱到一定溫度，使鎖扣前鋼卷與捆扎帶溫度接近，則在冷卻過程中產(chǎn)生的收縮量差異將減小，使最后殘余捆扎力(冷態(tài)捆扎力)增大，進而降低松卷發(fā)生的可能性。

增大殘余捆扎力的關鍵問題是加熱捆扎帶，如果采用加熱裝置來提高整個捆扎帶盤卷的溫度，則需對現(xiàn)行設備進行大的改造，且由于捆扎帶太薄，穿帶過程中溫度損失嚴重，故該方案實現(xiàn)難度較大。本文提出利用熱軋鋼卷余熱來提高捆扎帶溫度的思路，并在此基礎上，提出延遲鎖扣技術。

2.1 延遲鎖扣技術的提出

延遲鎖扣技術的工藝流程如圖3所示，在傳統(tǒng)工序基礎上，增加了預加熱和二次收緊(二次慢收緊)兩道工序。預加熱工序：慢收緊工序后捆扎帶貼緊在鋼卷外圓周上，此時并不立刻進行鎖扣工序，而是在鎖扣動作之前延遲一定時間，利用熱軋鋼卷自身熱量將捆扎帶預加熱到合適溫度。二次收緊工序：捆扎帶溫升后會產(chǎn)生進一步松弛，此時進行二次收緊將捆扎帶的熱膨脹量消除，再次繃緊到鋼卷表面，然后進行鎖扣切帶動作。通過增加上述兩道工序，保證了最終的冷態(tài)殘余張緊力足夠大，防止松卷現(xiàn)象的產(chǎn)生。

圖3 含延遲鎖扣技術的打捆工藝流程Fig.3 Bundling process with delay locking buckle technology

由于該技術增加了2道工序，生產(chǎn)節(jié)拍會比傳統(tǒng)工序慢，但現(xiàn)行熱軋鋼卷的單卷生產(chǎn)節(jié)拍為90 s左右，而打捆流程耗時50 s左右，因此延遲鎖扣帶來的延時問題并不影響生產(chǎn)效率，即不會對主設備生產(chǎn)造成任何不利影響。

捆扎帶需要一定時間才能加熱到合適溫度，為精準控制鎖扣時捆扎帶的溫度，需要確定預加熱所需精確時間。捆扎帶預加熱后產(chǎn)生的松弛量(即熱變形)經(jīng)過二次收緊才能消除，并再次繃緊到鋼卷表面，但由于鋼卷和捆扎帶在材料性能和體積方面的不同，張緊力在鋼卷冷卻到室溫后還會再次減小，因此需要求出捆扎帶二次收緊所需的最小捆扎力，才能保證冷卻后捆扎帶仍能在鋼卷表面保持足夠的殘余捆扎力。因此該技術需要解決兩個關鍵問題：預加熱時間(即延遲鎖扣時間)計算和二次收緊最小捆扎力分析。

2.2 預加熱時間計算

常用捆扎帶截面尺寸較小(32×0.9 mm2)，因此加熱捆扎帶所需的時間較短，可以假設熱軋鋼卷在這段時間內(nèi)溫度基本不變，即將其看作穩(wěn)定熱源。捆扎帶貼緊熱軋鋼卷表面時吸收熱量，同時，捆扎帶與空氣對流散熱，其預加熱過程及熱量傳遞情況如圖4所示。

(1)捆扎帶升溫所需熱量。捆扎帶通過吸收熱量提高溫度，依照熱力學原理，將鋼帶溫度由T0提高到T1所需的熱量為

Q=cm(T1-T0)=cρlkδ(T1-T0)

(1)

式中，T0為捆扎帶初始溫度；T1為捆扎帶需達到的溫度；c為捆扎帶的質量熱容，J/(kg·℃)；m為捆扎帶質量，kg；ρ為捆扎帶的密度，kg/m3；l為捆扎帶的長度；k為捆扎帶的寬度，mm；δ為捆扎帶厚度，mm。

(2)接觸傳熱計算。捆扎帶緊貼在鋼卷外圓周上，由于二者存在溫度差異發(fā)生熱量傳遞[5]。單位時間內(nèi)熱軋鋼卷向捆扎帶傳遞的熱量

Φ1=h1A2(T2-T0)=h1lk(T2-T0)

(2)

式中，h1為接觸傳熱系數(shù)，依照接觸部位情況確定，W/(m2·℃)；A2為捆扎帶與鋼卷接觸部分面積，mm2；T2為打捆工位鋼卷溫度，T2取值范圍為500～800 ℃。

(3)空氣對流換熱計算。捆扎帶與空氣對流換熱，會造成一定熱量散失，單位時間內(nèi)鋼帶與空氣對流導致的散熱量

Φ2=h2A3(T1-T0)=h2l(k+2δ)(T1-T0)

(3)

式中，h2為空氣對流傳熱系數(shù)，取6 W/(m2·℃)；A3為捆扎帶與空氣對流換熱部分面積，mm2。

(4)延遲鎖扣時間計算。經(jīng)過時間t后，捆扎帶到達預加熱的溫度T1，此時可以進行二次收緊工序。由式(1)～式(3)推導出捆扎帶所需要的預加熱時間：

(4)

將各項參數(shù)代入式(4)，可得到預加熱所需的大致時間，由于計算過程中進行了一定的簡化，實際應用中，應將延遲鎖扣時間適當延長。

2.3 二次收緊最小捆扎力分析

經(jīng)過時長t的預加熱，捆扎帶熱膨脹后會產(chǎn)生一定的松弛，需進行二次收緊，因此需確定合理的二次收緊捆扎力，才能保持最終要求的殘余捆扎力[6]。

打捆機頭輸出的捆扎力與卷向捆扎帶實際的捆緊力有所區(qū)別，因沿鋼卷周向的摩擦力作用，故實際捆緊力要小一些。卷向捆扎帶的受力分析如圖5所示。捆扎帶的變形過程如圖6所示。

圖5 捆扎帶受力分析圖Fig.5 Force analysis diagram of steel straps

(a)初始狀態(tài) (b)預加熱結束

(c)二次收緊結束 (d)冷卻至常溫狀態(tài)圖6 捆扎帶變形過程分析圖Fig.6 Diagram of the deformation process of steel straps

如圖6a所示，慢收緊工序后，鎖扣處于放開狀態(tài)，依靠摩擦輪的作用使捆扎帶以較小的張力緊貼在鋼卷外圓周上，然后進入預加熱工序。

實驗中采用的捆扎帶牌號為830KD，其屈服強度σS=755 MPa，生產(chǎn)中采用不完全退火工藝，退火溫度約為630 ℃，可保證在打捆熱軋卷時力學性能基本不降低。因此本文忽略了鋼帶的塑性變形，采用純彈性變形模型來計算捆扎力。

(1)預加熱產(chǎn)生的變形。如圖6b所示，捆扎帶預加熱過程中會產(chǎn)生熱膨脹變形，捆扎帶在鋼卷表面呈輕微松弛狀態(tài)，此時鎖扣仍處于放開狀態(tài)，捆扎帶變形量

Δl1=α1l(T1-T0)=2πRα1(T1-T0)

(5)

式中，α1為捆扎帶線膨脹系數(shù)，α1=8.8×10-6；R為鋼卷的外半徑，mm。

(2)捆扎帶二次收緊產(chǎn)生的變形。如圖6c所示，在二次收緊工序，打捆機頭將鎖扣上部帶頭抽出，進行二次收緊，此時鎖扣內(nèi)部鋼帶的總拉伸變形量為Δl1+Δl2，打捆過程中打捆機頭輸出的捆扎力為F0，捆扎帶受到的實際捆緊力F[7-8]可表示為

(6)

其中，μ為捆扎帶與鋼卷間的摩擦因數(shù)。將捆扎帶展開為細長板，則卷向捆扎帶在實際捆緊力下產(chǎn)生的變形量

(7)

式中，E1為捆扎帶彈性模量，N/m2；A1為捆扎帶截面積，mm2。

(3)冷卻后的捆扎帶變形和鋼卷變形。熱軋鋼卷打捆完成后冷卻至室溫，由于鋼卷與捆扎帶的溫度、外形尺寸及膨脹系數(shù)不同，二者在冷卻過程中發(fā)生的變形量不同。由于二次收緊將長度為Δl1+Δl2的捆扎帶抽出鎖扣，因此捆扎帶在冷卻過程中產(chǎn)生的變形量

Δl3=α1[l-(Δl1+Δl2)](T1-T0)

(8)

熱軋鋼卷在冷卻過程中周向長度的變形量

Δl4=α2l(T2-T0)=2πRα2(T2-T0)

(9)

式中，α2為鋼卷線膨脹系數(shù)，α2=8×10-6。

(4)捆扎帶最終殘余變形量。如圖6d所示，由于鋼卷的剛度較大，因此捆扎帶冷縮變形(Δl3)會使鋼帶所受拉力增大，即相當于捆扎帶被進一步拉伸(+Δl3)，而鋼卷外圓周產(chǎn)生的冷縮量Δl4會使捆扎帶放松，綜上分析可知，冷卻至室溫后，捆扎帶的最終殘余變形

ΔlC=Δl1+Δl2+Δl3-Δl4

(10)

捆扎帶的殘余應變?yōu)?/p>

(11)

(5)二次收緊最小捆扎力計算。由捆扎帶的殘余應變得到殘余應力：

(12)

其中，F(xiàn)C為打捆行業(yè)相關標準要求的殘余捆扎力。綜合式(1)～式(12)，可以推導出卷向打捆需要的二次收緊最小捆扎力：

(13)

即二次收緊力為F1時，理論上可以保證殘余捆扎力FC滿足標準要求。

3 應用延遲鎖扣技術的打捆實驗

3.1 設備與材料

實驗在遼寧科技大學研發(fā)的自動周向打捆機上進行，該打捆機采用雙鎖緊槽鎖扣，可軸向移動以完成多道打捆任務，最大可提供25 kN的捆扎力，最大打捆直徑為2.5 m，打捆周期為50 s。

圖7 全自動打捆機Fig.7 Automatic bundling machine

打捆實驗中的鋼卷尺寸如下：外圓半徑950 mm，孔半徑305 mm，寬度1250 mm。捆扎帶為冷軋低碳鋼(830KD)，表面發(fā)藍處理，螺旋纏繞卷盤，捆扎帶寬度32 mm，厚度0.9 mm，彈性模量212 GPa。捆扎帶的部分性能參數(shù)見表1。

表1 捆扎帶的性能參數(shù)

鋼卷與捆扎帶間的摩擦因數(shù)f為0.15，接觸傳熱系數(shù)h1為180 W/(m2·℃)。

3.2 打捆參數(shù)的確定

對上述規(guī)格的一批鋼卷進行打捆操作，實際條件為：現(xiàn)場室溫為22 ℃，熱軋鋼卷到達打捆工位時的溫度約為650 ℃；采用延遲鎖扣技術，將鋼帶預加熱到300 ℃；根據(jù)打捆行業(yè)相關標準要求，捆扎帶需要維持10 kN的殘余捆扎力。

(1)延遲鎖扣時間。將已知的參數(shù)代入式(4)中，得到延遲鎖扣時間t=7.61 s，為提高可靠性，取實際延遲鎖扣時間t′=t×1.10≈9 s。

(2)最小捆扎力。將上述的參數(shù)代入式(13)中，得到周向打捆所需要的最小捆扎力F1=13 569.85 N，取實際捆扎力F′1=F1×1.1≈15 kN。

3.3 實驗結果

在實際設備中，將上述算法寫入設備的控制系統(tǒng)，只需輸入基本參數(shù)即可得到延遲時間和實際捆扎力，輸入基本參數(shù)即可進行打捆操作。

圖8所示為實際的打捆結果，本次完成了287個鋼卷打捆操作，出現(xiàn)松卷現(xiàn)象的有3個，產(chǎn)品的不合格率為1.07%，相比之前的14%有了較大提高。

圖8 打捆后的鋼卷Fig.8 Bundled steel coils

4 結論

(1)鋼卷熱態(tài)打捆松卷的主要原因是鋼卷和捆扎鋼帶溫度不同導致的熱脹冷縮差異。

(2)提出了延遲鎖扣技術，即通過延遲鎖扣實現(xiàn)了利用鋼卷余熱加熱捆扎帶，通過二次收緊實現(xiàn)了捆扎帶二次相對變形量的消除。

(3)確定了延遲鎖扣時間，并在保證殘余捆扎力情況下，得到了二次收緊最小捆扎力，該研究結果應用到打捆生產(chǎn)中，取得了較好的效果。