王 璨 杜永軍 王 珍 孟小中 沈志軍

（安陽(yáng)鋼鐵股份有限公司）

0 引言

安陽(yáng)鋼鐵股份有限公司第一軋鋼廠400機(jī)組是一條生產(chǎn)能力45萬(wàn)t/a左右的型材軋鋼生產(chǎn)線，主要產(chǎn)品有∠45-∠100等邊角鋼，≮63×40、≮75×50不等邊角鋼，[6.3、[8.0、[10槽鋼，及部分規(guī)格的船用球扁鋼等。近年來(lái)，為更好地適應(yīng)市場(chǎng)需求，陸續(xù)承接軋制了重點(diǎn)客戶定制的精度要求更高的負(fù)公差國(guó)網(wǎng)角鋼、正公差南網(wǎng)角鋼。

美標(biāo)槽鋼主要用于制造電力鐵塔、橋梁、船舶及工程機(jī)械等。近年來(lái)，隨著中國(guó)鋼鐵制造能力的較快提升，國(guó)內(nèi)產(chǎn)能也適度有序地轉(zhuǎn)向了國(guó)際市場(chǎng)，鋼鐵產(chǎn)品的出口量日益增加。在這樣的環(huán)境下，公司在接到重點(diǎn)客戶的C3×6美標(biāo)槽鋼訂單后，為更好滿足客戶需求、獲取國(guó)外市場(chǎng)機(jī)遇，決定研發(fā)生產(chǎn)C3×6美標(biāo)槽鋼。

1 C3×6美標(biāo)槽鋼的特點(diǎn)

C3×6美標(biāo)槽鋼外形尺寸執(zhí)行ASTM A572/A 572 M—15標(biāo)準(zhǔn),美標(biāo)槽鋼的橫斷面形狀如圖1所示。

圖1 美標(biāo)槽鋼橫斷面形狀

C3×6表示槽鋼腰高3 in（換算為公制單位：3 in=76 mm），理論重量6 Ibf/ft（換算為公制單位：6 Ibf/ft=8.937 kg/m）。具體尺寸與要求詳見(jiàn)表1、表2。

表1 C3×6槽鋼外形尺寸及理論重量

表2 C3×6槽鋼尺寸允許公差及彎曲度 mm

2 C3×6美標(biāo)槽鋼與國(guó)標(biāo)槽鋼的對(duì)比

將C3×6美標(biāo)槽鋼與[8.0槽鋼進(jìn)行數(shù)據(jù)比對(duì)分析，具體見(jiàn)表3。發(fā)現(xiàn)C3×6美標(biāo)槽鋼幾何尺寸特殊，同時(shí)又與[8.0槽鋼有部分相似之處。

表3 C3×6美標(biāo)槽鋼與類似槽鋼尺寸對(duì)比 mm

C3×6與[8.0槽鋼的外形尺寸相對(duì)接近，但C3×6美標(biāo)槽鋼的腰部較厚。經(jīng)測(cè)算， C3×6美標(biāo)槽鋼腰部截面積占總面積的60%（[8.0槽鋼的為40%）。因此，在矯直該產(chǎn)品的外緣斜度和彎腰撓度時(shí)則需要承受較大的彎曲應(yīng)力。

在現(xiàn)有裝備條件下，存在以下難點(diǎn)：（1）需要解決腰部延伸對(duì)腿部的拉伸，而致產(chǎn)品幾何尺寸不易控制的問(wèn)題；（2）考慮厚度和強(qiáng)度增加，矯直力較[8.0槽鋼增加64%以上，其矯直難度顯著增大，引起矯直機(jī)能力不足，同時(shí)還需要解決外緣斜度和彎腰撓度的合標(biāo)問(wèn)題。

基于以上對(duì)比分析不難發(fā)現(xiàn)，C3×6美標(biāo)槽鋼同近似規(guī)格的國(guó)標(biāo)槽鋼的外形尺寸相差仍然較大，就型鋼生產(chǎn)而言，孔型系統(tǒng)對(duì)型鋼形狀尺寸的敏感度較大，相應(yīng)孔型的通用性也較差。因此，即便是相似的規(guī)格，涉及到整體工藝配置，其孔型系統(tǒng)設(shè)計(jì)也是完全不同的，這也是其軋制技術(shù)難點(diǎn)和關(guān)鍵點(diǎn)所在。

經(jīng)仔細(xì)分析測(cè)算，C3×6美標(biāo)槽鋼的腰厚為[8.0槽鋼的1.8倍，腰部延伸對(duì)腿的拉伸影響較大，這樣易發(fā)生腿短。對(duì)此，筆者決定采用大斜度孔型系統(tǒng)軋制[1]，大斜度孔型系統(tǒng)軋槽的切槽較淺，軋槽上各點(diǎn)的速度差小，變形相對(duì)均勻，可以改善腿短現(xiàn)象，亦有利于提高產(chǎn)品的表面質(zhì)量。

3 方案選擇與確定

3.1 軋制孔型與導(dǎo)衛(wèi)設(shè)計(jì)

（1）一架500軋機(jī)開(kāi)坯孔型與國(guó)標(biāo)[8.0、[6.3槽鋼共用，使用菱方孔型軋制4個(gè)道次,如圖2所示。該孔型具有共用性好，斷面尺寸精確[2]的優(yōu)點(diǎn)。該軋機(jī)全部采用滑動(dòng)導(dǎo)衛(wèi)，除托板、衛(wèi)板重新設(shè)計(jì)外，其余導(dǎo)衛(wèi)均可與[8.0槽鋼共用，以節(jié)約投資，減少備件備量。

圖2 一架500軋機(jī)孔型設(shè)計(jì)

（2）針對(duì)美標(biāo)槽鋼外形與國(guó)標(biāo)槽鋼的差別，即美標(biāo)槽鋼的腰厚、腰高及腿寬等外形尺寸與國(guó)標(biāo)槽鋼相差較大，進(jìn)行相應(yīng)的粗軋軋鋼工藝與孔型系統(tǒng)調(diào)整。

二架500軋機(jī)各軋制道次均采用大斜度孔型系統(tǒng)。對(duì)孔型側(cè)壁斜度合理設(shè)計(jì)改進(jìn)（如圖3所示），三個(gè)軋制道次的孔型側(cè)壁斜度ψ分別為30%、35%、30%，采用腰和腿延伸基本相等設(shè)計(jì)方法，減少對(duì)腿長(zhǎng)的拉伸影響，保證腿長(zhǎng)的尺寸控制。同時(shí)，一方面有效地減少了軋槽深度與軋輥重車量，保證了軋輥強(qiáng)度和重車次數(shù)；另一方面有助于軋件脫槽，使其在輥道中運(yùn)行更趨平穩(wěn)，不易翻轉(zhuǎn)，可有效降低軋制道次之間的傳輸難度。

圖3 二架500軋機(jī)孔型設(shè)計(jì)

（3）將精軋成品前孔型的側(cè)壁斜度ψ分別調(diào)整為35%、24%、28%，使其孔型側(cè)壁斜度ψ均大于15%（如圖4所示）。孔型側(cè)壁斜度的合理增大可以有效地緩解孔型內(nèi)不同質(zhì)點(diǎn)間的軋鋼速度差而產(chǎn)生的腿部拉縮現(xiàn)象。K4、K2采用彎腰直腿大斜度控制孔，孔型腿部采用了鎖口，使軋材腿部的金屬延伸變形小于腰部的，金屬向腰部方向流動(dòng)。K3為開(kāi)口彎腰直腿大斜度槽型孔，延伸系數(shù)按腰部延伸略大于腿部延伸選取。同時(shí)，由于槽鋼斷面上下不對(duì)稱，為了減少上下輥面速度差，保證脫槽順暢，采用上壓力軋制，上輥比下輥大2 mm，并對(duì)軋制速度差進(jìn)行適時(shí)校核。

圖4 精軋成品前孔型

（4）采用大斜度孔型系統(tǒng)軋制，最終產(chǎn)品的外緣斜度要依靠矯直來(lái)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，這對(duì)矯直設(shè)備要求較高。C3×6美標(biāo)槽鋼腰厚是國(guó)標(biāo)[8.0槽鋼的1.8倍，它的矯直變形抗力大于國(guó)標(biāo)[8.0槽鋼；同時(shí)C3×6美標(biāo)槽鋼的腰高比國(guó)標(biāo)[8.0槽鋼的小4 mm，矯直力臂自然相應(yīng)減小，因此冷矯中實(shí)際所需的矯直力要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于國(guó)標(biāo)[8.0槽鋼，單單通過(guò)矯直將最終產(chǎn)品的外緣斜度控制在允許范圍之內(nèi)難度較大。

為了解決這一難題，設(shè)計(jì)了雙控制孔型系統(tǒng)。雙控制孔型系統(tǒng)就是兩個(gè)成品孔，分別為K1'和熱軋矯直孔型K1"。在K1'的設(shè)計(jì)方面，K1'相當(dāng)于正常（或常規(guī)）的成品K1架軋制孔型，目的是使產(chǎn)品的腰高、腿長(zhǎng)、腰厚滿足最終交貨要求，因此參照國(guó)標(biāo)[8.0槽鋼將成品孔型的側(cè)壁斜度定為12%。側(cè)壁斜度較大可以降低軋槽內(nèi)的金屬流動(dòng)線速度差，減少軋件與軋輥的接觸弧長(zhǎng)度，減輕金屬橫向流動(dòng)對(duì)槽鋼腿外側(cè)壁磨損，提高表面質(zhì)量以及預(yù)防塌肩、腿短現(xiàn)象[3]。而熱軋矯直孔型K1"沒(méi)有金屬延伸變形，主要承擔(dān)高溫條件下對(duì)鋼材的雙側(cè)外緣斜度和彎腰撓度的軋鋼矯直，此時(shí)金屬變形抗力較小，對(duì)軋槽磨損也小，并將熱軋矯直孔型彎腰撓度設(shè)計(jì)為0.8 mm，雙側(cè)外緣斜度設(shè)計(jì)為1.2 mm，鋼材經(jīng)由熱軋矯直孔型后其彎腰撓度和外緣斜度可基本符合交貨標(biāo)準(zhǔn)，這樣就大大降低了后續(xù)矯直機(jī)常溫冷矯的工作壓力。

圖5 雙控制孔型設(shè)計(jì)

3.2 剪機(jī)剪刃孔型設(shè)計(jì)

剪機(jī)剪切力計(jì)算公式為：

式中：σt——在相應(yīng)的剪切溫度下，被剪切鋼料的抗拉強(qiáng)度，MPa； S——鋼材的橫截面積，mm2。

C3×6美標(biāo)槽鋼采用GR50鋼種軋制，其抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)高于國(guó)標(biāo)[8.0槽鋼。且C3×6美標(biāo)槽鋼的橫截面積為1143.8 mm2，國(guó)標(biāo)[8.0槽鋼的橫截面積為1024 mm2，由此可知C3×6美標(biāo)槽鋼的剪刃將要承受的剪切力遠(yuǎn)高于國(guó)標(biāo)[8.0槽鋼的剪刃。因此，對(duì)冷剪剪刃孔型進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。采用斜配孔型系統(tǒng)，分散降低剪切負(fù)荷，同時(shí)考慮C3×6美標(biāo)槽鋼腰部厚度較大，對(duì)重合度進(jìn)行校核，適當(dāng)增加重合度。冷剪剪刃孔型如圖6所示。

圖6 冷剪剪刃孔型

從圖6可以看出，冷剪剪刃有5個(gè)剪切槽，同時(shí)剪切5根C3×6美標(biāo)槽鋼，上剪刃左側(cè)高度為248 mm，右側(cè)高度為254 mm。剪刃斜度為6 mm，而下剪刃左右側(cè)高度均為230 mm。斜配孔型系統(tǒng)就是傾斜上剪刃剪切面，使其在剪切過(guò)程中不同時(shí)與被剪金屬漸進(jìn)接觸，即減小剪刃與鋼材在同一時(shí)間內(nèi)的接觸長(zhǎng)度，以期實(shí)現(xiàn)降低剪切力的效果。

3.3 矯直機(jī)（冷矯）矯直孔型設(shè)計(jì)

考慮到矯直難度會(huì)隨著C3×6美標(biāo)槽鋼腰腿厚度和強(qiáng)度的增加而增大，結(jié)合以往C4×7.25槽鋼的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)矯直孔型和地輥進(jìn)行了再設(shè)計(jì)。為了保證最后冷矯的矯直質(zhì)量，在常規(guī)矯直孔型設(shè)計(jì)的同時(shí)，對(duì)矯直機(jī)的1、2、3下輥增加不同凸度，減少輥與鋼材的接觸面積，使矯直力矩有所增加，協(xié)助改善矯直效果。C3×6美標(biāo)槽鋼矯直孔型設(shè)計(jì)如圖7所示。

圖7 典型夾雜物成分信息

圖7 C3×6美標(biāo)槽鋼矯直孔型

4 生產(chǎn)效果

安鋼第一軋鋼廠于2019年5月成功軋制生產(chǎn)了C3×6美標(biāo)槽鋼，生產(chǎn)牌號(hào)為GR50。力學(xué)性能合格率100%，綜合成材率達(dá)90.74%。創(chuàng)增經(jīng)濟(jì)效益114 萬(wàn)元。

5 結(jié)語(yǔ)

在C3×6美標(biāo)槽鋼的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，遇到了槽鋼腰部厚與腰高窄等導(dǎo)致常規(guī)矯直工藝無(wú)法滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的工藝難題，通過(guò)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)使問(wèn)題得到了有效解決。首創(chuàng)了“雙控制孔型系統(tǒng)”技術(shù)，在軋制道次分配上經(jīng)由常規(guī)成品孔型前移，繼而增設(shè)熱軋仿矯直孔型道次，形成相呼應(yīng)的兩個(gè)成品控軋孔型K1'/K1"。該技術(shù)的成功應(yīng)用，使其軋制既能沿用大斜度孔型系統(tǒng)軋制，又能通過(guò)熱軋矯直工藝解決大斜度孔型系統(tǒng)對(duì)矯直機(jī)冷矯造成的巨大工序壓力，并消解可能由此引發(fā)的最終冷矯質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。

C3×6美標(biāo)槽鋼的研究開(kāi)發(fā)，促進(jìn)了公司與重點(diǎn)客戶間合作關(guān)系的不斷深化，在滿足個(gè)性化需求的同時(shí)，也有助于公司產(chǎn)品更好地走出國(guó)門，提升市場(chǎng)形象。該產(chǎn)品的力學(xué)性能及外形尺寸均符合美標(biāo)技術(shù)要求，得到用戶的好評(píng)，為安鋼綜合創(chuàng)效提供了新的亮點(diǎn)。同時(shí)為進(jìn)一步采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)如：美標(biāo)、英標(biāo)及歐標(biāo)等型鋼新產(chǎn)品的持續(xù)開(kāi)發(fā)，積累了寶貴的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)支撐。