應(yīng)用CAM技術(shù)優(yōu)化200t提釩轉(zhuǎn)爐爐殼加工工藝

涂修利

（攀鋼集團(tuán)工程技術(shù)有限公司，四川攀枝花 617062）

0 引言

攀鋼西昌鋼釩公司煉鋼廠200 t 提釩轉(zhuǎn)爐是整個(gè)提釩、煉鋼生產(chǎn)中最為關(guān)鍵的生產(chǎn)設(shè)備之一，其轉(zhuǎn)爐爐殼的加工是一項(xiàng)技術(shù)復(fù)雜、加工難度大、精度要求高的異型設(shè)備。本次200 t 提釩轉(zhuǎn)爐爐殼主要由厚度為δ=（70～120）mm 的厚型鋼板加工成型，從外形看可分為爐帽、爐身和爐體下段等3 部分（圖1）。爐帽部分外形為錐面段、爐身部分為柱面段、爐體下段部分由錐面段和球面段組全而成。特殊的幾何形狀、厚板及高加工精度的承重結(jié)構(gòu)決定了轉(zhuǎn)爐爐殼加工的高技術(shù)難度。

因轉(zhuǎn)爐爐殼的用料由設(shè)計(jì)人員確定分塊設(shè)計(jì)，未結(jié)合市場(chǎng)可供應(yīng)材料的實(shí)際尺寸狀況，造成爐殼加工實(shí)際采購(gòu)的鋼板尺寸無(wú)法滿足設(shè)計(jì)的分帶、分塊的要求，材料采購(gòu)成本高且料浪費(fèi)嚴(yán)重。采用拼接方式時(shí)，對(duì)材料拼接有嚴(yán)格的要求，易因個(gè)人失誤造成材料浪費(fèi)或返工。爐殼不規(guī)則弧形在卷制成形過(guò)程中，完全憑借操作者的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行，使轉(zhuǎn)爐爐殼弧度不易得到精確控制，偏差較大，需反復(fù)頂壓，加工的時(shí)間長(zhǎng)、工效低。

為了有效控制提釩轉(zhuǎn)爐爐殼的加工的精度和成本，克服以往轉(zhuǎn)爐爐殼加工技術(shù)難題，將目前國(guó)內(nèi)外最前沿的CAM（Computer Aided Manufacturing，計(jì)算機(jī)輔助制造）技術(shù)應(yīng)用于本次轉(zhuǎn)爐爐殼的加工。

圖1 200 t 轉(zhuǎn)爐爐體

1 工藝難點(diǎn)

1.1 爐殼材料采購(gòu)成本高、浪費(fèi)大

轉(zhuǎn)爐爐殼設(shè)計(jì)圖中對(duì)爐殼分為爐殼上段（爐帽）、爐殼中段（爐身）、爐殼下段及爐底等4 部分（圖2），按設(shè)計(jì)要求對(duì)設(shè)計(jì)圖直接進(jìn)行加工轉(zhuǎn)化后，其爐殼加工上制作存在以下問(wèn)題。

圖2 轉(zhuǎn)爐爐殼

爐殼下料由于超寬，市場(chǎng)上并無(wú)符合下料要求的材料，造成爐殼材料無(wú)法采購(gòu)，如按市場(chǎng)上可供采購(gòu)的材料直接進(jìn)行下料，則除柱面帶外的錐面帶、球面帶下料后丟棄的邊角余量超過(guò)下料重量的30%以上，而由于這部分邊角余料并非常用材料，充分利用的可能性并不高，加工成本大幅度增加。

1.2 現(xiàn)有設(shè)備無(wú)法直接滿足對(duì)200 t 轉(zhuǎn)爐爐殼的加工需要

目前可用于爐殼加工的為一臺(tái)規(guī)格為80 mm×3000 mm數(shù)控卷板機(jī)，其加工能力：最大卷制鋼材為板厚為80 mm，寬度為3000 mm 的普通Q235 鋼材，而本次轉(zhuǎn)爐爐殼板厚為80 mm，但材料為Q345，而按設(shè)計(jì)需卷制80 mm 厚，Q345鋼板寬度為4.8 m，因此想通過(guò)現(xiàn)有卷板機(jī)直接將200 t 轉(zhuǎn)爐爐殼卷制成型的可能性不大，而另行采購(gòu)大型卷板機(jī)意義不大且成本高。

1.3 傳統(tǒng)加工方法不易滿足轉(zhuǎn)爐爐殼的加工精度要求

傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)爐爐殼加工方法是用人工劃線，采取手工或半自動(dòng)火焰方式對(duì)材料進(jìn)行切割，由液壓千斤頂頂制成型。加工過(guò)程中完全憑借人的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行判定、控制質(zhì)量，切割時(shí)產(chǎn)生偏移或切割縫寬度超標(biāo)等，造成材料尺寸達(dá)不到要求，導(dǎo)致材料浪費(fèi)或多次修整，工效降低，成本增加。

2 應(yīng)用CAM 技術(shù)的具體研究?jī)?nèi)容及目標(biāo)

2.1 爐殼各組成部件的加工圖設(shè)計(jì)

結(jié)合設(shè)計(jì)圖紙，在轉(zhuǎn)爐爐殼加工前期對(duì)爐殼加工圖進(jìn)行轉(zhuǎn)化設(shè)計(jì)，完成對(duì)每塊爐殼加工的拆分，達(dá)到車間加工圖要求。

2.2 加工下料的優(yōu)化

下料優(yōu)化設(shè)計(jì)是依據(jù)材料尺寸規(guī)格對(duì)轉(zhuǎn)爐爐殼部件的材料下料過(guò)程優(yōu)化，以提高材料利用率，減少下料后產(chǎn)生的余料或廢料，從而盡可能地降低對(duì)材料的浪費(fèi)。加工下料的優(yōu)化是依靠計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)進(jìn)行控制完成，即在滿足設(shè)計(jì)要求的前提下對(duì)轉(zhuǎn)爐爐殼在CAD（Computer Aided Design，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)）的平臺(tái)上對(duì)材料排料進(jìn)行優(yōu)化，通過(guò)優(yōu)化使材料的實(shí)際損耗降低至可以在正常情況下加工轉(zhuǎn)爐爐殼接受的范圍內(nèi)。

2.3 計(jì)算機(jī)加工控制

計(jì)算機(jī)加工控制具有很高的效率和加工精度，可減少人為錯(cuò)誤，節(jié)約成本，是轉(zhuǎn)爐爐殼應(yīng)用CAM 技術(shù)中的核心技術(shù)。主要是將車間加工圖利用數(shù)控切割設(shè)備進(jìn)行下料、切割，利用數(shù)控卷床進(jìn)行材料卷制成型，以提高加工工效，降低加工過(guò)程成本。

3 CAM 技術(shù)研究和實(shí)施過(guò)程

與普通鋼結(jié)構(gòu)CAM 加工技術(shù)應(yīng)用相比較，轉(zhuǎn)爐爐殼部件的加工圖設(shè)計(jì)必須與材料的實(shí)際排版圖相結(jié)合才能有效利用材料，達(dá)到有效降低材料浪費(fèi)的效果，而不是僅僅是根據(jù)部件加工圖對(duì)材料進(jìn)行排版、加工、下料的簡(jiǎn)單優(yōu)化。

3.1 爐殼部件加工圖設(shè)計(jì)及優(yōu)化

3.1.1 加工部件設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)圖紙熟悉、理解后，用AuToCAD 制圖軟件對(duì)于轉(zhuǎn)爐爐殼加工前進(jìn)行爐殼加工圖的轉(zhuǎn)化設(shè)計(jì)，將設(shè)計(jì)圖（圖2）轉(zhuǎn)化為可用于在廠房?jī)?nèi)進(jìn)行加工的單個(gè)部件圖，即分塊加工圖（圖3）。利用制圖軟件對(duì)每塊爐殼展開放樣，展開后根據(jù)爐殼尺寸對(duì)每塊爐殼分類初步排版，確定出理論所需采購(gòu)的材料尺寸、重量，并在此基礎(chǔ)上考慮一定余量，確定材料的最終采購(gòu)計(jì)劃，從而盡可能地減少材料的浪費(fèi)，節(jié)約成本。

圖3 爐殼展開放樣排版

3.1.2 轉(zhuǎn)爐爐殼加工部件對(duì)焊縫坡口的優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)原設(shè)計(jì)圖紙，焊縫坡口形式要求為U 形坡口，對(duì)此坡口需采取機(jī)加工。如果下料前進(jìn)行加工，則在爐殼卷制和吊裝過(guò)程中會(huì)對(duì)坡口造成損傷，必須在爐殼卷制后重新對(duì)坡口進(jìn)行處理。如果卷制成形后再進(jìn)行坡口加工，由于機(jī)床操作界面等原因則無(wú)法實(shí)施。因此，根據(jù)同類工程及國(guó)家相關(guān)規(guī)范，向設(shè)計(jì)院提出在保證焊接設(shè)計(jì)要求且不違背設(shè)計(jì)意圖的前提下，優(yōu)化坡口形式，即將U 形坡口改為K 形（圖4）。在卷制成型后坡口一次加工成型，提高效率降低成本。

圖4 坡口優(yōu)化

3.2 爐殼下料與材料（劃線）排版優(yōu)化

3.2.1 爐殼部件加工圖設(shè)計(jì)及優(yōu)化

爐殼加工前，一般情況下，首先根據(jù)轉(zhuǎn)爐爐殼的展開放樣的實(shí)際尺寸并考慮一定收縮、邊緣處理余量后選擇滿足要求的材料進(jìn)行劃線、排版、切割，然后進(jìn)行加工。

由于設(shè)計(jì)排版并未考慮材料的實(shí)際尺寸，而是直接根據(jù)設(shè)計(jì)圖要求進(jìn)行的轉(zhuǎn)爐爐殼各部件的加工設(shè)計(jì)，不利于高效利用實(shí)際材料，為此，根據(jù)設(shè)計(jì)要求并結(jié)合材料尺寸、加工條件等多方因素優(yōu)化并取得設(shè)計(jì)人員同意后對(duì)原排版圖進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)排版。提高材料利用率，減少材料拼接工作量，節(jié)省焊縫打磨、探傷等相關(guān)費(fèi)用。

例如，根據(jù)傳統(tǒng)排版與優(yōu)化設(shè)計(jì)排版圖對(duì)比，對(duì)其中第5帶、第6 帶爐殼進(jìn)行了合理劃分和優(yōu)化，減少了實(shí)際爐殼塊數(shù)3塊，拼接焊縫減少約7.3 m。

3.2.2 加工余量?jī)?yōu)化控制

通過(guò)重新排版對(duì)爐殼加工余量進(jìn)行控制，可以減少爐殼壓制過(guò)程中需要的端頭余量（表1）。傳統(tǒng)爐殼材料利用率：70%；利用計(jì)算機(jī)把相同厚度的材料合理排版利用率達(dá)到75%。

表1 提釩爐爐殼與傳統(tǒng)材料統(tǒng)計(jì)對(duì)比

3.3 計(jì)算機(jī)加工控制

3.3.1 計(jì)算機(jī)加工實(shí)施

根據(jù)轉(zhuǎn)爐爐殼各部件加工圖，將繪制的各帶、塊爐殼展開CAD 圖經(jīng)轉(zhuǎn)化后輸入數(shù)控加工設(shè)備（數(shù)控切割機(jī)），并由數(shù)控切割機(jī)在轉(zhuǎn)爐爐殼的鋼板上放出實(shí)樣，并根據(jù)需要預(yù)留切割余量，經(jīng)檢查確認(rèn)無(wú)誤后，進(jìn)行數(shù)控切割，同時(shí)開好各相關(guān)眼孔、坡口等。由于數(shù)控加工設(shè)備由計(jì)算機(jī)操作控制，不僅具有較高的加工效率和加工精度，而且可減少人為失誤，節(jié)省加工成本。

3.3.2 改進(jìn)爐殼冷壓工藝

（1）頂架改進(jìn)。由于轉(zhuǎn)爐爐殼第四帶板厚80 mm、寬度為2000 mm，材料為Q345R，超出公司數(shù)控卷板機(jī)的能力，無(wú)法利用現(xiàn)有的數(shù)控卷板機(jī)進(jìn)行卷制，因此采用頂架頂制成型的方法進(jìn)行加工，并利用樣板來(lái)掌握頂壓行進(jìn)量，由于操作時(shí)不易掌握頂壓量（由于鋼材彈性原因，頂壓不足時(shí)會(huì)反彈，造成需二次或多次頂壓；如頂壓超標(biāo)造成過(guò)頂，則需進(jìn)行反向變形處理，有時(shí)有由超標(biāo)過(guò)大甚至?xí)斐刹牧系膱?bào)廢），頂壓過(guò)程中極易出現(xiàn)頂壓的圓弧度不均勻現(xiàn)象，造成后續(xù)矯正工作很大，制作成本增高。

現(xiàn)通過(guò)改進(jìn)加工設(shè)備，采取在頂架中心安置一限位擋板（圖5），使頂壓爐殼到達(dá)此位置后即停止壓制，確保頂壓的圓弧度均勻一致且符合設(shè)計(jì)頂壓尺寸要求

圖5 限位擋塊

（2）數(shù)控卷板機(jī)卷制過(guò)程控制改進(jìn)。對(duì)轉(zhuǎn)爐爐殼的各錐帶加工由數(shù)控卷板機(jī)直接卷制成型，但因錐帶板料為扇形狀，大小口曲率半徑大小不一，因此在實(shí)施操作中需不斷調(diào)整上滾軸的傾角來(lái)完成錐帶的卷制；在傳統(tǒng)的錐帶（包括管道大小頭）卷制等時(shí)，上滾軸傾角由操作人員憑肉眼估計(jì)，通過(guò)卷制時(shí)不斷調(diào)整上滾軸兩端高度確定最終上滾軸角度。

根據(jù)80 mm 數(shù)控卷板機(jī)的滾軸參數(shù)，依據(jù)錐帶爐殼的成型數(shù)據(jù)通過(guò)公式計(jì)算，一次性調(diào)整好上滾軸的卷制傾角（圖6），以保證轉(zhuǎn)爐爐殼的卷制質(zhì)量。

圖6 卷板機(jī)上滾軸

4 結(jié)論

CAM 技術(shù)在200 t提釩轉(zhuǎn)爐爐殼加工中得到成功應(yīng)用，突破了傳統(tǒng)加工工藝，使特殊鋼結(jié)構(gòu)加工技術(shù)得到大幅度提升。與傳統(tǒng)加工工藝 相 比，CAM 技 術(shù) 在200 t 轉(zhuǎn)爐爐殼加工具有以下優(yōu)勢(shì)。

（1）與傳統(tǒng)排版與優(yōu)化排版相對(duì)比，減少爐殼加工分塊數(shù)，焊縫減少也隨之減少，提高加工質(zhì)量。

（2）轉(zhuǎn)爐爐殼加工采用傳統(tǒng)加工工藝時(shí)的材料利用率為70%；采用CAM 技術(shù)優(yōu)化排版、數(shù)控下料、加工，實(shí)際轉(zhuǎn)爐爐殼材料利用率達(dá)到75%，提高材料利用率。

（3）采用CAM 加工技術(shù)比傳統(tǒng)加工工藝（加工設(shè)備相同條件）實(shí)現(xiàn)加工工期縮短10 d，效率得到較大提高。

通過(guò)CAM 技術(shù)的研究、實(shí)施，使轉(zhuǎn)爐爐殼加工的工藝合理、資源得到合理調(diào)配、充分利用，施工成本得到有效降低、工期達(dá)到了預(yù)期，是計(jì)算機(jī)輔助控制技術(shù)與鋼結(jié)構(gòu)加工的有效結(jié)合，對(duì)優(yōu)化加工工藝、降低加工成本具有重大意義。