李玲瓏,李 強(qiáng)

(新疆八一鋼鐵股份有限公司軋鋼廠)

前言

目前H 型鋼和工字鋼的生產(chǎn)工藝多為按規(guī)格單獨(dú)設(shè)計(jì)孔型,按訂單分開(kāi)生產(chǎn)。 此生產(chǎn)模式下軋輥工裝投入資金量較大,產(chǎn)品規(guī)格切換時(shí)必須換輥,影響生產(chǎn)效率。

新疆八一鋼鐵股份有限公司(簡(jiǎn)稱(chēng):八鋼)下屬的小型H 型鋼廠建設(shè)投產(chǎn)于2014 年,產(chǎn)品主要以小型H 型鋼和工字鋼為主,工藝布置為Φ750 兩輥可逆式軋機(jī)與9555 萬(wàn)能軋機(jī)組成的(1+9)半連續(xù)式生產(chǎn)線。 此產(chǎn)線自動(dòng)化程度低,不具備快速換輥裝置,產(chǎn)品切換用時(shí)長(zhǎng)、勞動(dòng)強(qiáng)度大。

根據(jù)市場(chǎng)需求,需開(kāi)發(fā)窄翼緣H 型鋼HN200×100,但是此產(chǎn)品新疆型鋼市場(chǎng)年總需求量偏小,單獨(dú)設(shè)計(jì)一套軋輥工裝經(jīng)濟(jì)性較差,選擇與工字鋼(I20a、b 和I22a、b)四個(gè)規(guī)格盡可能的多共用孔型,可減少備輥量、產(chǎn)品切換時(shí)間。

1 成品斷面尺寸差異性分析

孔型共用性設(shè)計(jì)前,先對(duì)擬開(kāi)展通用性設(shè)計(jì)的目標(biāo)產(chǎn)品進(jìn)行差異分析,找到設(shè)計(jì)思路和問(wèn)題解決方案。 窄翼緣H 型鋼HN200×100 和工字鋼產(chǎn)品的截面參數(shù)對(duì)比,如圖1 所示。 對(duì)比結(jié)果詳見(jiàn)表1。

圖1 工20(a、b),工22(a、b)和HN200×100 的成品截面對(duì)比圖

表1 HN200×100 與20、22 工字鋼成品截面參數(shù)對(duì)比

綜上所述,HN200×100 腹板面積1100mm2,差值最大的是工22b,其腹板面積是HN200 的1.9 倍;

HN200×100 翼板面積392mm2,差值最大的是工22b,其翼板面積是HN200 的1.67 倍;工字鋼腿部?jī)?nèi)側(cè)斜度為9°,且腿尖部?jī)?nèi)側(cè)有R4. 5mm 的圓角;H 型鋼腿部為矩形,腿尖部無(wú)圓角;可看出這5種型鋼的截面積明顯不同,與HN200×100 截面積相比最大可以達(dá)到1.74 倍。 5 個(gè)規(guī)格所需的來(lái)料腿寬相差最大達(dá)到12mm,腿部截面積達(dá)到1. 67 倍,要實(shí)現(xiàn)開(kāi)坯機(jī)孔型通用,需要通過(guò)精軋機(jī)組孔型差異化設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)開(kāi)坯機(jī)終軋料型的統(tǒng)一。

2 孔型設(shè)計(jì)

2.1 萬(wàn)能孔型壓下量分配原則

要使成品具有良好的表面質(zhì)量和尺寸精度,腹板與翼緣的絕對(duì)延伸應(yīng)相等,而此處的延伸并不等于壓下率,其原因在于軋件腹板受兩側(cè)立輥限制無(wú)寬展,壓下量全部轉(zhuǎn)換為了延伸,而軋件翼緣有寬展。 因此必須使翼緣壓下率>腹板壓下率,從而保證二者的絕對(duì)延伸相等。 對(duì)于窄翼緣H 型鋼,在制定壓下規(guī)程時(shí),一般使翼緣總壓下率略大于腹板總壓下率,有時(shí)甚至還使翼緣總壓下率略小于腹板總壓下率。

綜上所述,制定萬(wàn)能軋機(jī)壓下規(guī)程的基本原則是:在軋輥強(qiáng)度和電機(jī)電流允許時(shí),應(yīng)合理分配各道次壓下量,確保各道次的翼緣和腹板的實(shí)際延伸率相等。

制定壓下規(guī)程時(shí),一般應(yīng)使翼緣板壓下系數(shù)εt大于腰部壓下系數(shù)εy。 通常精軋后三架的壓下系數(shù)可取1.02～1.1,其余道次可取1.1～1.5。

軋件在萬(wàn)能孔型中軋制時(shí),軋件的邊高會(huì)有變化,其增長(zhǎng)量ΔB為自然增長(zhǎng)量ΔBt與強(qiáng)迫增長(zhǎng)量ΔBet之和。

從萬(wàn)能孔型上一道次到下一道次,軋件邊部的ΔBt為:

式中:Δt=t0-t1,

t0-翼緣軋前厚度,mm;

t1-軋后厚度,mm;

b0-翼緣軋前寬度,mm;

RV-立輥半徑,mm。

從軋邊孔型道次到萬(wàn)能孔型道次時(shí),軋件邊部除自然增長(zhǎng)量外,在軋邊孔型道次中,邊部附近有局部增厚,軋件邊端處有強(qiáng)迫增長(zhǎng)量:

式中:k-系數(shù),一般取0.5～0.7;

λ-延伸系數(shù);

Δhe-總邊高壓下量。

2.2 萬(wàn)能孔型延伸系數(shù)分配原則

精軋機(jī)組前兩架萬(wàn)能軋機(jī)(1U、2U)電機(jī)功率最大(1300kW),中間兩架(3U、4U)為1000kW,最后兩架(5U、6U)的電機(jī)功率只有800kW,傳動(dòng)速比較小。 根據(jù)萬(wàn)能軋機(jī)的電機(jī)功率和傳動(dòng)速比,確定萬(wàn)能軋機(jī)延伸系數(shù):

1U、2U 的延伸系數(shù)范圍為1.30～1.35;3U 的延伸系數(shù)范圍為1.2 ～1.25;4U、5U 的延伸系數(shù)范圍為＜1.2;6U 的延伸系數(shù)范圍為＜1.16。

為保證軋件腰部不出現(xiàn)波浪和坑洞,要確定萬(wàn)能孔型中腹板和翼緣板延伸系數(shù)比值,該值也是影響頭尾“舌頭”長(zhǎng)度和成材率的關(guān)鍵參數(shù)。

確定腰部和腿部的延伸系數(shù)比:η 邊/η 腰≤1.05。

通常情況下η 邊＜η 腰,當(dāng)η 邊大于η 腰過(guò)多時(shí),軋件腰部會(huì)出現(xiàn)坑洞,也就是所謂的“腿拉腰”;當(dāng)η 邊小于η 腰過(guò)多時(shí),軋件腰部會(huì)出現(xiàn)波浪,也就是所謂的“腰拉腿”。

2.3 萬(wàn)能孔型水平輥寬度分配原則

水平輥的輥身寬度(Wr)和圓角(R)是萬(wàn)能軋機(jī)輥型設(shè)計(jì)中極為重要的兩個(gè)尺寸,它們直接影響產(chǎn)品的尺寸精度和表面質(zhì)量。 粗、精軋軋輥的寬度及圓角尺寸相差過(guò)大,會(huì)因局部壓下量過(guò)大而加劇精軋水平輥圓角部位的磨損,軋件出現(xiàn)凸棱,嚴(yán)重時(shí)還會(huì)造成軋機(jī)卡鋼;反之,則會(huì)導(dǎo)致精軋水平輥加工不到軋件圓角部位,嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)X 腿、腿部根部折疊等缺陷。

萬(wàn)能軋機(jī)水平輥輥型如圖2 所示,通常水平輥寬度Wr=Wf-δ,δ=2 ～5mm,Wf 為后道次水平輥寬度,軋制小規(guī)格H 型鋼時(shí)δ 取下限。

圖2 萬(wàn)能軋機(jī)水平輥輥型

結(jié)合萬(wàn)能軋機(jī)的具體情況,在制定δ 值時(shí),充分考慮到電機(jī)功率和開(kāi)坯機(jī)來(lái)料的Wr 值,要在精軋前三道盡量增大δ 值,在確保穩(wěn)定軋制的基礎(chǔ)上減小后機(jī)架的δ 值,滿(mǎn)足小電機(jī)功率的要求。

在確定萬(wàn)能軋機(jī)水平輥的δ 值后,每道次的水平輥側(cè)壁斜度就關(guān)系到軋件腿部?jī)?nèi)側(cè)切入的位置,切入的位置距離腿根部越遠(yuǎn),腿部實(shí)際壓下量就越大,會(huì)造成軋制力過(guò)大、電機(jī)過(guò)載;反之,距離腿部越近,會(huì)出現(xiàn)軋件軋制不穩(wěn)定、中心偏差無(wú)法控制、軋件切偏等問(wèn)題。

如圖3 所示,水平軋輥圓角在軋件腿部?jī)?nèi)側(cè)切入點(diǎn)與軋件中線的距離直接反映出該部位的壓下量的大小,切入點(diǎn)2 比切入點(diǎn)1 在腿部形成的壓下量相對(duì)較大,同時(shí)形成的軸向的寬展量會(huì)對(duì)立輥形成一個(gè)壓力,疊加到立輥對(duì)腿部的側(cè)壓上會(huì)形成較大立輥壓下量。 水平輥和立輥的壓下量疊加在一起產(chǎn)生的軋制力過(guò)大會(huì)造成軋機(jī)電機(jī)電流過(guò)大,影響穩(wěn)定軋制。

圖3 萬(wàn)能軋機(jī)水平輥1/2 剖視圖

結(jié)合萬(wàn)能軋機(jī)的具體情況,如表2 所示,在制定每道次水平輥側(cè)壁斜度時(shí),要在精軋前三道萬(wàn)能軋機(jī)將軋件腿部?jī)?nèi)側(cè)斜度減到最小,避免給后三道萬(wàn)能軋機(jī)造成的過(guò)大的壓力。

表2 精軋機(jī)側(cè)壁斜度

精軋機(jī)孔型系統(tǒng)通過(guò)壓下量的分配,使得各道次的翼緣和腹板的實(shí)際延伸率近似相等。 萬(wàn)能孔型延伸系數(shù)的合理分配,確定了腰部和腿部的延伸系數(shù)比(η 邊/η 腰)≤1.05;通過(guò)對(duì)萬(wàn)能孔型水平輥寬度合理分配,在制定每道次水平輥側(cè)壁斜度時(shí),要在精軋前三道萬(wàn)能軋機(jī)將軋件腿部?jī)?nèi)側(cè)斜度減到最小,解決了萬(wàn)能軋機(jī)后三道次壓力過(guò)大的問(wèn)題。 設(shè)計(jì)時(shí)綜合考慮了設(shè)備能力、產(chǎn)品指標(biāo)、經(jīng)濟(jì)性等系列問(wèn)題,完成了HN200 型鋼的產(chǎn)品規(guī)程設(shè)計(jì),需通過(guò)實(shí)踐進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用實(shí)踐

3.1 第一次方案及試軋總結(jié)

為了最大程度的孔型共用,減少產(chǎn)品切換的工作量,HN200 的粗軋孔型和精軋前5 道次孔型共用工20 的成熟孔型,精軋最后4 道次在工20 的孔型基礎(chǔ)上優(yōu)化修改,減小水平輥側(cè)壁斜度,以達(dá)到HN200 成品尺寸要求。 工藝路線圖見(jiàn)圖4。

圖4 第1 次工藝方案圖

第一次試軋,BD 軋機(jī)和精軋前5 道次軋制順利,精軋最后四道次中的三道萬(wàn)能軋機(jī)電機(jī)功率800kW,低于腿部與腰部連接處大變形量產(chǎn)生的軋制力,軋機(jī)電流達(dá)到100%以上,出現(xiàn)跳停及軋制狀態(tài)不穩(wěn)定的問(wèn)題。 成品的腰高、腿高均達(dá)到尺寸上限。

3.2 修改后方案及試軋總結(jié)

根據(jù)第一次試軋情況,對(duì)共用工藝方案進(jìn)行修訂,圖5 所示,并根據(jù)新的工藝方案對(duì)孔型進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。 根據(jù)DEFORM 有限元仿真軟件對(duì)優(yōu)化后的孔型模擬軋制,獲得數(shù)據(jù)軋制力(Force)、變形損壞(Damage)和正常壓力(Normal pressure)這三個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)孔型進(jìn)行優(yōu)化,將精軋機(jī)組萬(wàn)能軋機(jī)各道次的電流負(fù)荷控制在70%以下。 對(duì)精軋各道次孔型進(jìn)行全面修改,減小中間坯腿部金屬量,精軋各道次減小孔型腿部斜度,并增加腹板寬度,降低腿部寬展量,在軋制中避免出現(xiàn)腿部高度增長(zhǎng)過(guò)大、軋邊機(jī)無(wú)法調(diào)整的問(wèn)題。

圖5 第2 次工藝方案圖

通過(guò)對(duì)共用工藝方案進(jìn)行修訂,BD 軋輥上布置6 道軋槽,產(chǎn)品規(guī)格使用順序見(jiàn)表3,工藝規(guī)程見(jiàn)表4。

表3 BD 軋機(jī)軋槽使用順序表

表4 BD 軋機(jī)工藝規(guī)程

4 結(jié)論

HN200 和工20 孔型系統(tǒng)共用通過(guò)實(shí)踐驗(yàn)證是可行的。 (1)HN200 和工20 在BD 孔型共用后,只對(duì)5K 孔型進(jìn)行修正,達(dá)到了HN200 終軋料型的腿部金屬量顯著降低,精軋腿部壓縮量減小;(2)精軋孔型通過(guò)水平輥孔型設(shè)計(jì)和壓下量的分配,萬(wàn)能軋機(jī)各道次腿寬增長(zhǎng)量在可控范圍內(nèi),同時(shí)增大了立輥壓縮量調(diào)整范圍,3 架軋邊機(jī)可有效控制腿高尺寸,生產(chǎn)中可實(shí)現(xiàn)負(fù)差率的有效控制;(3)萬(wàn)能軋機(jī)電流負(fù)荷70%以下穩(wěn)定生產(chǎn);(5)此次產(chǎn)品開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)在BD 孔型共用的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了HN200 的成功開(kāi)發(fā),減少了5 套BD 軋輥的準(zhǔn)備量。