萬(wàn)能軋機(jī)軋制電極扁鋼工藝實(shí)踐

丁建軍

（首鋼長(zhǎng)治鋼鐵有限公司， 山西 長(zhǎng)治 046031）

萬(wàn)能軋機(jī)軋制電極扁鋼工藝實(shí)踐

丁建軍

（首鋼長(zhǎng)治鋼鐵有限公司， 山西 長(zhǎng)治 046031）

采用萬(wàn)能軋機(jī)組開(kāi)發(fā)扁鋼生產(chǎn)工藝，生產(chǎn)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(dá)到±0.1 mm；并采用DEFORM軟件對(duì)軋制過(guò)程展開(kāi)三維有限元模擬。通過(guò)有限元模擬，合理設(shè)計(jì)開(kāi)坯機(jī)和萬(wàn)能軋機(jī)機(jī)組孔型參數(shù)、各軋制道次壓下量與延伸系數(shù)，保證了產(chǎn)品質(zhì)量。

萬(wàn)能軋機(jī) 電極扁鋼 孔型設(shè)計(jì) 有限元模擬

電極扁鋼亦稱陰極扁鋼，鋼種一般為碳素結(jié)構(gòu)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(lái)，隨著電解鋁產(chǎn)能的不斷增加，電極扁鋼的市場(chǎng)需求量也日益增加。首鋼長(zhǎng)治鋼鐵有限公司（以下簡(jiǎn)稱長(zhǎng)鋼）面對(duì)產(chǎn)能嚴(yán)重過(guò)剩、競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈的鋼材市場(chǎng)，積極調(diào)整產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，決定利用H型鋼生產(chǎn)線開(kāi)發(fā)電極扁鋼系列產(chǎn)品。

1 型鋼生產(chǎn)線工藝布置及工藝流程

長(zhǎng)鋼型鋼生產(chǎn)線全套技術(shù)及關(guān)鍵設(shè)備引進(jìn)于德國(guó)西馬克公司，設(shè)計(jì)年產(chǎn)量為60萬(wàn)t。整條生產(chǎn)線主要設(shè)備包括加熱爐、開(kāi)坯機(jī)、萬(wàn)能粗軋機(jī)UR、軋邊機(jī)E、萬(wàn)能精軋機(jī)、熱鋸、冷床、矯直機(jī)、移動(dòng)/固定冷鋸、定尺機(jī)、堆垛機(jī)以及輔助設(shè)備。工藝布置見(jiàn)圖1。

圖1 工藝布置圖

生產(chǎn)線工藝流程為：連鑄坯→加熱爐加熱→高壓水除磷→開(kāi)坯機(jī)軋制→萬(wàn)能軋機(jī)（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(biāo)識(shí)→收集入庫(kù)。

2 電極扁鋼技術(shù)要求

電極扁鋼亦稱陰極扁鋼，屬于碳素結(jié)構(gòu)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(wú)須提供力學(xué)和工藝性能[1]。其成品截面（見(jiàn)圖2）尺寸、允許偏差見(jiàn)表1、下頁(yè)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(jié)疤、麻面、凹坑、凹槽及突起等局部缺陷。扁鋼不應(yīng)有明顯的扭轉(zhuǎn)。

為了確保電解槽使用周期，對(duì)電極扁鋼提出了新的技術(shù)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(jiàn)的縮孔、氣泡、裂紋、夾雜等缺陷。

3 孔型設(shè)計(jì)

扁鋼孔型設(shè)計(jì)有相對(duì)較成熟的理論，但是一般用于二輥軋機(jī)。與使用萬(wàn)能軋機(jī)軋制有所不同，因此需要重新設(shè)計(jì)。

3.1 開(kāi)坯機(jī)孔型

3.1.1 孔型計(jì)算

3.1.1.1 確定開(kāi)坯機(jī)成品料尺寸

由于開(kāi)坯機(jī)對(duì)中裝置較短，橫移坯料過(guò)程中只能將坯料局部對(duì)正孔型，開(kāi)坯機(jī)軋后一般會(huì)發(fā)生彎曲。為了保證萬(wàn)能UR軋機(jī)軋制時(shí)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(jī)需要相對(duì)較小的水平輥壓下量及相對(duì)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(shí)使立輥的壓下量比水平輥的壓下量大60%以上，則會(huì)使立輥先接觸軋件，從而確保軋件咬正。

為了使UR軋機(jī)軋制時(shí)扁鋼上下表面不出現(xiàn)過(guò)于明顯的臺(tái)階，其水平輥壓下量設(shè)定為3～4 mm，因此其立輥壓下量設(shè)定在12 mm。因此開(kāi)坯機(jī)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(kāi)坯機(jī)所有孔型深度均設(shè)定為30 mm。

3.1.1.2 確定平立軋道次

開(kāi)坯機(jī)軋輥是利用H400 mm×200 mm規(guī)格廢舊軋輥加工的，其軋輥?zhàn)疃嗫梢约庸?個(gè)孔型。使用165 mm×210 mm的坯料軋制75 mm×224 mm的半成品，結(jié)合本廠生產(chǎn)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(kāi)坯機(jī)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(kāi)坯機(jī)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(jì)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(jì)值）。

摩擦系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式：

式中：f為熱軋時(shí)軋輥與軋件間的摩擦系數(shù)；k1為軋輥材質(zhì)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(zhì)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(jì)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(duì)計(jì)算孔型進(jìn)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(diào)整為213 mm。同時(shí)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(duì)軋制過(guò)程展開(kāi)三維有限元模擬。由于扁鋼軋制本身的特點(diǎn)，軋件截面各點(diǎn)的溫度是不均勻的。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，建立了1/4對(duì)稱模型，為了更好的反映軋件截面溫度變化的特點(diǎn)，特選取以下6點(diǎn)進(jìn)行研究，如下頁(yè)圖3所示。

圖3 扁鋼軋件模型

根據(jù)前述采點(diǎn)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(huì)產(chǎn)生一定的溫降，但是很快通過(guò)熱傳遞回復(fù)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?yàn)殡S著軋制時(shí)間增加，由于熱輻射等原因表面溫度逐漸下降。但是形變產(chǎn)生的熱量又使得心部發(fā)生溫升。

軋件內(nèi)部各位置的溫度曲線的變化趨勢(shì)基本同步，角部溫度曲線的變化趨勢(shì)和邊部也基本同步，說(shuō)明角部和邊部協(xié)調(diào)變形，孔型設(shè)計(jì)合理，沒(méi)有發(fā)生過(guò)大的溫降，也沒(méi)有因?yàn)榫植孔冃瘟窟^(guò)大而善生過(guò)大的溫升。

圖4 開(kāi)坯軋制過(guò)程采集點(diǎn)的溫度曲線

因?yàn)榈谖宓来沃髮⑦M(jìn)行萬(wàn)能軋機(jī)軋制，為了提高尺寸精度，第五道次軋制應(yīng)該盡量保證軋件角部的圓角度數(shù)。第五道次軋制過(guò)程的金屬流動(dòng)如圖5所示?？梢钥闯?，扁鋼結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，軋件各處的變形速率比較均勻，角部在壓下的過(guò)程中也達(dá)到與整體協(xié)調(diào)變形。

仿真計(jì)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(jìn)入萬(wàn)能軋機(jī)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(guò)程金屬流動(dòng)場(chǎng)

圖6 軋制充型過(guò)程

3.2 萬(wàn)能軋機(jī)孔型

以70 mm×215 mm規(guī)格扁鋼為例。

UF軋機(jī)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(diào)整余量，UF軋機(jī)水平輥寬度定為208 mm[2]。

為防止軋件在軋邊機(jī)出耳子，考慮到立輥彈跳及立輥輥縫調(diào)整余量，UR軋機(jī)軋輥寬度設(shè)定為209 mm。

為了防止軋件在UR軋機(jī)中出現(xiàn)的臺(tái)階在軋邊機(jī)形成折疊，UR軋機(jī)水平輥圓角半徑設(shè)計(jì)為5 mm。UF軋機(jī)水平輥圓角半徑設(shè)計(jì)為2 mm。

在軋制扁鋼時(shí)軋邊機(jī)最重要的作用是軋制圓角，使圓角部位能夠圓滑過(guò)渡。電極扁鋼的圓角半徑為13 mm，且在UF軋機(jī)軋制時(shí)圓角半徑會(huì)減小，因此，軋邊機(jī)圓角半徑R定為15 mm。為減小UF軋機(jī)軋制時(shí)圓角部位的變形量，軋邊機(jī)孔型槽底寬度設(shè)定為216.5 mm。由于扁鋼厚度為70 mm，因此軋邊機(jī)孔型深度設(shè)定為30 mm。側(cè)邊斜度為5°。

萬(wàn)能軋機(jī)主要以控制尺寸精度為主要目的，軋制的過(guò)程變形量比較小，軋制流程較短，軋制過(guò)程中軋件內(nèi)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(chǎn)生一定溫降[2]，但是溫差不大于50℃，所以不對(duì)軋件進(jìn)行溫度采點(diǎn)，而主要關(guān)注軋件的變形條件。三個(gè)道次的金屬流動(dòng)場(chǎng)如圖7所示。

圖7 萬(wàn)能軋機(jī)各機(jī)架軋制過(guò)程金屬流動(dòng)場(chǎng)

從圖7可以看出，由于變形比較簡(jiǎn)單，軋件各處的變形速率非常均勻，角部在壓下的過(guò)程中也達(dá)到與整體協(xié)調(diào)變形，通過(guò)合理的設(shè)計(jì)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(chǎn)品。

4 軋制工藝控制

4.1 加熱機(jī)制

扁鋼的溫度制度見(jiàn)表3。

表3 溫度制度 ℃

4.2 軋輥預(yù)裝及軋制要求

1）開(kāi)坯機(jī)軋制道次為5道次，開(kāi)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(kāi)坯機(jī)軋輥裝配時(shí)，要求下輥輥徑比上輥大5 mm。

2）萬(wàn)能軋機(jī)軋制道次為1道次，開(kāi)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(shí)際輥徑，軋邊機(jī)的工作輥徑等于實(shí)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(zhǎng)度50～100 mm，取樣時(shí)應(yīng)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(jī)。不使用矯直機(jī)矯直，生產(chǎn)扁鋼時(shí)使用最大L值的矯直輥，且抬到最高位置。

6）使用定尺機(jī)定位，火焰切割定尺。

7）堆垛打包。扁鋼實(shí)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(shè)計(jì)

4.3.1 開(kāi)坯機(jī)軋制程序

以70 mm×215 mm規(guī)格扁鋼為例，開(kāi)坯機(jī)軋制程序見(jiàn)表4。

表4 開(kāi)坯機(jī)軋制程序表

開(kāi)坯機(jī)拋鋼速度設(shè)置為1.8 m/s。

4.3.2 萬(wàn)能軋機(jī)軋制程序

以70 mm×215 mm規(guī)格扁鋼為例，萬(wàn)能軋機(jī)軋制程序見(jiàn)表5。

表5 萬(wàn)能軋機(jī)軋制程序表

4.4 實(shí)際生產(chǎn)情況

已成功開(kāi)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(gè)規(guī)格電極扁鋼產(chǎn)品，尺寸公差在允許偏差范圍內(nèi)，表面質(zhì)量及平直度能夠滿足使用要求，受到了用戶的好評(píng)與認(rèn)可。

5 結(jié)論

1）采用萬(wàn)能軋機(jī)機(jī)組開(kāi)發(fā)出扁鋼生產(chǎn)工藝，其生產(chǎn)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(dá)到±0.1 mm。

2）通過(guò)有限元模擬，合理設(shè)計(jì)開(kāi)坯機(jī)和萬(wàn)能軋機(jī)機(jī)組孔型參數(shù)、各軋制道次壓下量與延伸系數(shù)，保證了產(chǎn)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(guò)生產(chǎn)實(shí)踐證明，利用萬(wàn)能軋機(jī)的優(yōu)勢(shì)，采用型鋼生產(chǎn)線軋制扁鋼，側(cè)邊加工質(zhì)量好，尺寸控制精度高。扁鋼系列孔型設(shè)計(jì)合理，操作簡(jiǎn)單，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)高。

[1] 劉文，王興珍.軋鋼生產(chǎn)基礎(chǔ)知識(shí)問(wèn)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(shè)計(jì)[M].北京:冶金工業(yè)出版社，2000：16.

（編輯：苗運(yùn)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(xué)院，負(fù)責(zé)工藝技術(shù)及質(zhì)量工作，工程師。