熱軋圓盤剪剪刃鈍化及壽命延長技術(shù)研究

唐 越，景群平，張亞震，李 偉，劉睿平

(1.寶山鋼鐵股份公司熱軋廠，上海 寶山 201900；2.中國重型機(jī)械研究院股份公司，陜西 西安 710032；3.燕山大學(xué)冷軋帶鋼設(shè)備與技術(shù)國家工程研究中心，河北 秦皇島 066004；4.遼寧忠旺集團(tuán)有限公司設(shè)備部，遼寧 遼陽 111003)

0 前言

為了去除邊部減薄的影響，熱軋成品往往需要剪邊處理。圓盤剪作為熱軋產(chǎn)品用于剪邊的主要設(shè)備[1-4]，對剪邊質(zhì)量的控制、剪邊的順利進(jìn)行起著舉足輕重的影響。熱軋帶鋼圓盤剪剪切過程中，剪刃的鈍化則是影響剪切質(zhì)量的重要因素之一。在剪刃鈍化后，輕則導(dǎo)致剪切困難、能耗增加，重則導(dǎo)致剪切粘邊、毛刺甚至無法剪切，必須更換剪刃[5-8]，不但造成產(chǎn)品降級而且影響生產(chǎn)效率，給企業(yè)造成較大的經(jīng)濟(jì)損失。本文研究減輕熱軋帶鋼圓盤剪剪刃的鈍化速率、延長圓盤剪的使用壽命。

1 熱軋帶鋼圓盤剪剪刃鈍化模型

在熱軋帶鋼的剪邊過程中，對于圓盤剪而言，剪切力的大小與刀片的鈍化是互相影響、互相作用的。一方面，刀片鈍化越嚴(yán)重、剪切力越大；另一方面，剪切力越大、刀片的鈍化速率也越快。

1.1 不考慮圓盤剪剪刃鈍化的剪切力計(jì)算模型

對于熱軋帶鋼圓盤剪剪切過程中的剪切力，在不考慮圓盤剪剪刃鈍化的前提下，根據(jù)文獻(xiàn)[9]可以用式(1)來表示

(1)

式中，P為不考慮圓盤剪剪刃鈍化的總剪切力，kN；P1為純剪切力，kN；P2為帶鋼被剪切掉部分的彎曲力，kN；h為帶鋼厚度，mm；σb為帶鋼強(qiáng)度，MPa；α為圓盤剪上下刀片剪切角的一半；δ為圓盤剪刀片厚度，mm；Z1為計(jì)算P2的中間系數(shù)，與邊絲寬度和厚度有關(guān)。

1.2 圓盤剪剪刃鈍化狀態(tài)下的剪切力計(jì)算模型

圓盤剪刀片在工作期間剪刃逐漸鈍化，如圖1所示，R為圓盤剪刀片半徑，s0為剪刃原始狀態(tài)下的斜邊長度，st0為s0所對應(yīng)的橫向長度，sr0為s0所對應(yīng)的縱向長度，s為剪刃發(fā)生鈍化后的斜邊長度，st為s所對應(yīng)的橫向長度，sr為s所對應(yīng)的縱向長度。

圖1 圓盤剪剪刃鈍化狀態(tài)示意圖

這樣，圓盤剪剪刃鈍化狀態(tài)就可用s的大小來表示，即s越大，則該刀片剪刃鈍化行為越嚴(yán)重，所需的剪切力也就越大?？紤]圓盤剪剪刃鈍化現(xiàn)象下的剪切力可用式(2)來表示。

(2)

1.3 圓盤剪剪刃鈍化計(jì)算模型

圓盤剪剪刃鈍化是一個(gè)積累的過程，與剪切帶鋼的厚度、強(qiáng)度、公里數(shù)有必然的聯(lián)系。除此以外，圓盤剪的間隙量與重疊量等工藝參數(shù)的設(shè)定直接影響到剪刃與被剪帶鋼的接觸狀態(tài)，如圖2所示。間隙量與重疊量的設(shè)定值也會(huì)影響圓盤剪剪刃的鈍化，且間隙量主要影響剪刃的橫向磨損量，重疊量主要影響剪刃的縱向磨損量。

圖2 圓盤剪剪刃間隙

以第i組被剪切的帶鋼為例，建立圓盤剪剪刃鈍化的模型，如式(3)及式(4)所示。

(3)

(4)

在已知每次剪切帶鋼剪刃縱向磨損增量Δsti與剪刃縱向向磨損增量Δsri的前提下，根據(jù)勾股定理，則可求得第i組剪切后的剪刃斜邊長度si，如式(5)所示。

(5)

由式(2)至式(4)可以看出，在考慮圓盤剪剪刃鈍化下的剪切力與剪刃鈍化是互相影響的關(guān)系，也就是說，剪刃鈍化程度越嚴(yán)重，則所需剪切力越大，同時(shí)，剪切力越大，則越容易加劇剪刃的鈍化。

2 熱軋帶鋼圓盤剪剪刃鈍化影響因素分析

圓盤剪剪刃鈍化的影響因素有兩方面：被剪帶鋼屬性參數(shù)，包括帶鋼厚度、帶鋼強(qiáng)度以及帶鋼長度等；圓盤剪剪切工藝參數(shù)，包括間隙量與重疊量等。

2.1 被剪帶鋼屬性參數(shù)對剪刃鈍化的影響

在圓盤剪間隙量與重疊量保持不變的前提下，帶鋼厚度與帶鋼強(qiáng)度的大小對剪刃的影響可描述為：剪刃在當(dāng)前帶鋼厚度與帶鋼強(qiáng)度參數(shù)下的單位磨損量；而帶鋼長度對剪刃的影響可描述為：隨著剪切公里數(shù)的逐漸增加，剪刃磨損在單位磨損量上的逐漸累積。因此，對于被剪帶鋼屬性參數(shù)對剪刃鈍化的影響而言，需分別分析不同帶鋼厚度隨著剪切公里數(shù)的逐漸增加對剪刃鈍化的影響，以及不同帶鋼強(qiáng)度隨著剪切公里數(shù)的逐漸增加對剪刃鈍化的影響。為此，本文選擇主要典型規(guī)格帶鋼進(jìn)行研究，其基本參數(shù)如表1及表2所示。

表1 帶鋼強(qiáng)度280 MPa時(shí)不同厚度帶鋼的規(guī)格參數(shù)

表2 帶鋼厚度4 mm時(shí)不同帶鋼強(qiáng)度的規(guī)格參數(shù)

利用本文所述剪刃鈍化計(jì)算模型，設(shè)定圓盤剪間隙量為0.6 mm，重疊量為0.4 mm，分別計(jì)算在不同厚度與不同強(qiáng)度的典型規(guī)格帶鋼參數(shù)下的剪刃磨損量，以剪刃鈍化程度變量s為z坐標(biāo)，帶鋼厚度(或帶鋼強(qiáng)度)為x坐標(biāo)，剪切公里數(shù)為y坐標(biāo)，計(jì)算結(jié)果如圖3與圖4所示。

圖3 帶鋼厚度與磨損量的關(guān)系圖4 帶鋼強(qiáng)度與磨損量的關(guān)系

由圖3及圖4可以看出，在帶鋼強(qiáng)度一定的前提下，隨著帶鋼厚度的增加，圓盤剪剪刃鈍化現(xiàn)象越為嚴(yán)重；同樣的，在帶鋼厚度一定的前提下，隨著帶鋼強(qiáng)度的增加，圓盤剪剪刃鈍化現(xiàn)象也越為嚴(yán)重；在帶鋼厚度與帶鋼強(qiáng)度一定的前提下，隨著剪切公里數(shù)的逐漸增加，圓盤剪剪刃鈍化程度逐漸增加，且增加的速率呈逐漸下降的規(guī)律。

2.2 圓盤剪剪切工藝參數(shù)對剪刃鈍化的影響

圓盤剪間隙量和重疊量對剪刃的壽命也是有決定性影響的。為研究圓盤剪工藝參數(shù)對剪刃鈍化的影響，特選擇典型規(guī)格帶鋼，設(shè)定相關(guān)參數(shù)如下：帶鋼厚度4 mm,帶鋼強(qiáng)度300 MPa,剪切公里數(shù)10 000 km。利用本文所述剪刃鈍化計(jì)算模型，計(jì)算帶鋼在不同重疊量與間隙量下的剪刃磨損量。以剪刃磨損量變量s為y坐標(biāo)，圓盤剪設(shè)定的間隙量(或重疊量)為x坐標(biāo)，計(jì)算結(jié)果如圖5與圖6所示。

圖5 重疊量與磨損量的關(guān)系

圖6 間隙量與磨損量的關(guān)系

由圖5及圖6可以看出，在圓盤剪剪切一定的公里數(shù)下，圓盤剪間隙量設(shè)定過大和過小時(shí)都會(huì)造成剪刃磨損量的增加，且鈍化速率隨偏離最佳值越大而增大，偏離較大時(shí)，鈍化速率會(huì)逐漸趨于平緩；重疊量在設(shè)定過大時(shí)造成剪刃磨損量增加的現(xiàn)象更為明顯，且鈍化速率隨偏離最佳值增大而增大，而重疊量在設(shè)定偏小時(shí)對剪刃鈍化的影響相對偏小一點(diǎn)。圓盤剪工藝參數(shù)設(shè)定不合理勢必會(huì)加快刀刃鈍化和磨損，減少剪刃的使用壽命。

圓盤剪的間隙量應(yīng)根據(jù)剪切帶鋼的厚度和強(qiáng)度設(shè)定，帶鋼越厚或強(qiáng)度越高，所設(shè)定的間隙量應(yīng)適當(dāng)增加。但是，如果設(shè)定的間隙量過大，不僅造成剪切力建立困難，加大剪切力矩，還使得剪刃與帶鋼間的摩擦力和接觸應(yīng)力增加[12-14]，從而加速剪刃鈍化；設(shè)定的間隙量過小時(shí)，則被剪切的帶鋼受到剪刃間擠壓產(chǎn)生較大的軸向力會(huì)加劇磨損，同時(shí)小的間隙量會(huì)導(dǎo)致剪刃與材料之間存在較大的接觸應(yīng)力以及劇烈摩擦，使剪切層增加，而剪切層的增加意味著剪刃與材料直接接觸，增加摩擦，因此間隙量過小也會(huì)加大剪刃磨損[15-16]。圓盤剪的重疊量根據(jù)帶鋼的厚度有正負(fù)之分，主要跟剪切速度和剪切力有關(guān)，在其他參數(shù)一定的情況下，與剪切力是負(fù)相關(guān)的關(guān)系。但是重疊量并非越大越好，過大的重疊量會(huì)增大帶鋼剪切時(shí)咬入難度和剪刃與帶鋼接觸面積，從而加劇磨損[17]，另外會(huì)因摩擦而結(jié)瘤，影響剪切質(zhì)量，發(fā)生崩刃，反而不利于剪刃壽命的延長；重疊量太小時(shí)，會(huì)造成剪切力太大，剪切力越大，剪刃磨損越嚴(yán)重。

3 熱軋帶鋼圓盤剪壽命延長技術(shù)的研究

由分析可知各個(gè)因素對剪刃的鈍化有不同程度的影響。剪刃的磨損越小，壽命就越長。生產(chǎn)過程中，剪切帶鋼的厚度，強(qiáng)度，長度是不能改變的，若要實(shí)現(xiàn)減弱剪刃鈍化現(xiàn)象、延長刀片壽命的目的，就需從圓盤剪的間隙量和重疊量等工藝參數(shù)入手，提出相應(yīng)的優(yōu)化措施。

3.1 優(yōu)化圓盤剪間隙量

圓盤剪的間隙量通常根據(jù)帶鋼厚度和材料強(qiáng)度綜合選取。被剪切帶鋼的厚度在3 mm以上時(shí)，可按δ=(0.14～0.22)h來計(jì)算[18-19]，h為帶鋼厚度。對于強(qiáng)度小于450 MPa的低強(qiáng)度鋼，可按小的值選；對于強(qiáng)度不小于450 MPa的高強(qiáng)度鋼[4]，可按大的值選，假如剪刃出現(xiàn)輕微的鈍化，應(yīng)適當(dāng)將間隙量調(diào)小。

3.2 優(yōu)化圓盤剪剪刃重疊量

圓盤剪的重疊量通常根據(jù)帶鋼的厚度選取。圓盤剪重疊量如圖7所示。重疊量的選取可按θ=(0.07～0.15)h來計(jì)算，h為帶鋼厚度，當(dāng)帶鋼厚度在4 mm以下時(shí)，采取正的重疊量，θ根據(jù)帶鋼厚度調(diào)整，最大調(diào)整在1.4 mm左右；當(dāng)帶鋼厚度在4 mm以上時(shí)，采取負(fù)的重疊量，隨著帶鋼厚度的增加，θ呈線性減小[20]，當(dāng)剪刃發(fā)生輕微鈍化時(shí)，可以適當(dāng)?shù)膶ⅵ日{(diào)小。

圖7 圓盤剪重疊量示意圖

3.3 以工藝參數(shù)為優(yōu)化變量，延長刀刃壽命

在確定圓盤剪間隙量優(yōu)化準(zhǔn)則與圓盤剪重疊量優(yōu)化準(zhǔn)則的前提下，考慮到圓盤剪在工作期間是連續(xù)作業(yè)的，其間隙量與重疊量一般根據(jù)剪切帶鋼的厚度和強(qiáng)度設(shè)定，不會(huì)經(jīng)常改變[21]。為此，為了延長刀片壽命，以間隙量、重疊量為優(yōu)化變量，以刀片在服役期間內(nèi)整體刀刃鈍化狀態(tài)s最小為目標(biāo)建立目標(biāo)函數(shù)，如式(6)所示。

(6)

式中，m為刀片服役期間所剪切的總帶鋼數(shù)，且i=1,2,3,…,m。

這樣，熱軋帶鋼圓盤剪刀片壽命延長的問題就轉(zhuǎn)化為：尋找一組最優(yōu)的間隙量與重疊量X=(θ,δ)，使得目標(biāo)函數(shù)G(X)最小，通過Powell法即可快速得到結(jié)果，從而達(dá)到延長圓盤剪刀片壽命的目的。與此同時(shí)，給出剪刃以達(dá)極限的臨界值S*，在保證G(X)

3.4 壽命延長技術(shù)的現(xiàn)場應(yīng)用

某鋼鐵企業(yè)熱軋帶鋼圓盤剪投產(chǎn)之初，圓盤剪剪切過程中剪刃鈍化問題較為嚴(yán)重，換刀次數(shù)非常頻繁。采用本文所述相關(guān)技術(shù)對該圓盤剪的相關(guān)使用工藝進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后剪刃鈍化速率有了較大幅度的降低，根據(jù)現(xiàn)場半年的跟蹤統(tǒng)計(jì)，換刀次數(shù)降低了35.6%，不但降低了圓盤剪刀片使用成本，而且減少了換刀時(shí)間、提高了生產(chǎn)效率，給機(jī)組帶來了較大的經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)論

(1)在充分考慮到熱軋帶鋼圓盤剪的設(shè)備與工藝特點(diǎn)、建立了圓盤剪剪切力計(jì)算模型的基礎(chǔ)上，提出了一套適合于熱軋帶鋼剪邊過程的圓盤剪剪刃鈍化計(jì)算模型；

(2)隨著帶鋼厚度的增加，圓盤剪剪刃鈍化現(xiàn)象越為嚴(yán)重；隨著帶鋼強(qiáng)度的增加，圓盤剪剪刃鈍化現(xiàn)象也越為嚴(yán)重；隨著剪切公里數(shù)的逐漸增加，圓盤剪剪刃鈍化程度逐漸增加，且增加的速率呈逐漸下降的規(guī)律；

(3)圓盤剪間隙量設(shè)定過大和過小時(shí)都會(huì)造成剪刃磨損量的增加，且鈍化速率隨偏離正常值越大會(huì)增大；重疊量主設(shè)定過大時(shí)會(huì)造成剪刃磨損量的增加，且鈍化速率隨偏離正常值越大會(huì)先增大后趨于平緩；

(4)以磨損量最小為目標(biāo)函數(shù)，建立了一套適合于熱軋帶鋼圓盤剪以降低鈍化速率、延長剪刃壽命為目標(biāo)的剪切工藝參數(shù)綜合優(yōu)化技術(shù)，并將其應(yīng)用到生產(chǎn)實(shí)踐，取得了良好的使用效果。