QU100吊車軌生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)與應(yīng)用

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(guó)內(nèi)主要由攀鋼、包鋼、紫竹、永洋等鋼廠生產(chǎn)，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)較為激烈。隨著邯鋼允許進(jìn)入路內(nèi)軌市場(chǎng)，國(guó)內(nèi)鋼軌生產(chǎn)能力達(dá)到600萬(wàn)t以上，產(chǎn)能嚴(yán)重過剩，為了緩解國(guó)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(wàn)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(duì)上述問題，通過對(duì)軋制工藝計(jì)算機(jī)仿真分析、導(dǎo)衛(wèi)設(shè)計(jì)、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(shí)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(duì)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(jì)

攀鋼軌梁廠萬(wàn)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(wàn) 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(wàn)能粗軋—高壓風(fēng)除鱗—U2/E2萬(wàn)能中軋—高壓風(fēng)除鱗—UF萬(wàn)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(kù)—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(jì)

軋制工藝設(shè)計(jì)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(jì)、萬(wàn)能區(qū)域延伸系數(shù)分配、精軋機(jī)關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)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(jì)

目前，采用萬(wàn)能法軋制吊車軌時(shí)，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(shí)，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(wàn)能法軋制吊車軌BD機(jī)孔型系統(tǒng)

由于萬(wàn)能二線軋機(jī)數(shù)量多，經(jīng)過萬(wàn)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(wàn)能區(qū)域延伸系數(shù)研究

根據(jù)軋機(jī)的作用設(shè)計(jì)不同的延伸系數(shù)，萬(wàn)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(jì)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(jì)為1.01～1.03；萬(wàn)能粗軋機(jī)和中軋機(jī)承擔(dān)萬(wàn)能區(qū)域主要變形量，因此，其延伸系數(shù)設(shè)計(jì)較大，為1.20～1.35。同時(shí)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(jì)見表6。

表6 QU100各道次延伸系數(shù)設(shè)計(jì)

2.1.3 軋輥設(shè)計(jì)

根據(jù)孔型磨損情況配置BD機(jī)孔型，將在軋制時(shí)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(shí)為磨損嚴(yán)重的軌形切深孔、軌形延伸孔各增加一個(gè)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(jì)

根據(jù)成品單重、定尺長(zhǎng)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(jì)時(shí)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(wàn)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(jì)

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

圖3 萬(wàn)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(jì)必須從標(biāo)準(zhǔn)要求、軋輥使用壽命、矯直以及對(duì)成品單重的影響等［4］方面綜合考慮。

（1）矯直對(duì)吊車軌規(guī)格尺寸的影響

吊車軌采用長(zhǎng)尺矯直工藝生產(chǎn)，矯直后去除矯直盲區(qū)，以保證在通長(zhǎng)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(huì)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(wàn)能精軋機(jī)孔型設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮矯直因素。

（2）吊車軌規(guī)格尺寸對(duì)成品單重的影響

吊車軌采用理論計(jì)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(duì)吊車軌單重的影響最大，其次為腿厚尺寸，因此，對(duì)軌腰厚度及腿厚實(shí)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(jì)的QU100吊車軌UF軋機(jī)孔型見圖4。

圖4 萬(wàn)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(duì)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(duì)設(shè)計(jì)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(dòng)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(shí)間和運(yùn)行內(nèi)存，鋼軌長(zhǎng)度設(shè)為0.8 m，設(shè)軋件通長(zhǎng)方向網(wǎng)格邊緣長(zhǎng)為10 mm，橫斷面網(wǎng)格邊緣長(zhǎng)為3mm，同時(shí)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(zhǎng)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(duì)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(duì)設(shè)計(jì)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(jì)

（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(shí)應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)：

（a）抗熱裂性較好，導(dǎo)衛(wèi)工作時(shí)處于高溫環(huán)境（800℃以上），非工作狀態(tài)時(shí)處于低溫環(huán)境（約20℃），導(dǎo)衛(wèi)長(zhǎng)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(zhǎng)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(duì)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(jì)

（a）萬(wàn)能區(qū)域各機(jī)架設(shè)計(jì)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(duì)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(jì)成雙托臺(tái)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(zhǎng)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(duì)吊車軌平直度的要求，同時(shí)對(duì)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(shí)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(duì)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(duì)性地開展了全長(zhǎng)均勻預(yù)彎、全長(zhǎng)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(chǎng)工藝試驗(yàn)。

試驗(yàn)結(jié)果表明，全長(zhǎng)均勻預(yù)彎工藝方案的效果最好，吊車軌冷卻后其全長(zhǎng)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(chǎng)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(chǎng)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(jì)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(zhǎng)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(jì)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(yǔ)

針對(duì)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(duì)軋制變形分配、軋制工藝計(jì)算機(jī)仿真分析、導(dǎo)衛(wèi)設(shè)計(jì)、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%。