23規(guī)格線材軋制孔型工藝的優(yōu)化

張 杰

(寶山鋼鐵股份有限公司 鋼管條鋼事業(yè)部條鋼部 上海：201900)

0 引言

冷鐓鋼盤條Φ23規(guī)格線材主要用于汽車用緊固件和連接件，對表面質(zhì)量要求較高。Φ23規(guī)格盤條直徑大，在軋制Φ23規(guī)格時，中軋機(jī)12架至14架孔型要由常規(guī)系列切換為專用系列，12架和14架進(jìn)口滾動導(dǎo)衛(wèi)需更換專用滾動導(dǎo)衛(wèi)，這無形中增加了切換成本和備件成本。由于12架和14架采用專用軋槽和專用進(jìn)口滾動導(dǎo)衛(wèi)，成品機(jī)組采用4個機(jī)架出成品，易出現(xiàn)盤卷冷鐓開裂問題，主要原因是成品機(jī)組來料控制和輥縫不匹配，導(dǎo)致28架軋件產(chǎn)生交替性耳子，經(jīng)后續(xù)軋制產(chǎn)生折疊缺陷；同時由于成品機(jī)組對中存在一定的偏差，易在盤卷上產(chǎn)生如圖1所示的劃傷缺陷。在軋件咬入成品機(jī)架時對輥環(huán)的沖擊力較大，會造成29架和30架輥環(huán)開裂，也會對設(shè)備輥箱產(chǎn)生嚴(yán)重?fù)p害。為了解決上述問題，本文對Φ23規(guī)格線材軋制孔型工藝進(jìn)行了研究。

圖1 劃傷缺陷形貌

1 軋制新工藝考慮

Φ23規(guī)格線材軋制時，孔型配置為粗中軋使用1架至14架，共14個機(jī)架。其中，12架到14架使用專用孔型，預(yù)精軋和精軋機(jī)全部空過，成品機(jī)組使用30架出成品。

在考慮新工藝方案時，一方面，為了能夠?qū)崿F(xiàn)中軋機(jī)孔型歸并，減少備件浪費(fèi)和規(guī)格切換時間，中軋機(jī)專用孔型歸并為常規(guī)孔型；另一方面，為了避免成品軋機(jī)輥環(huán)開裂,以及成品機(jī)組對中不佳在盤卷表面產(chǎn)生劃傷和成品機(jī)組來料與軋機(jī)輥縫不匹配產(chǎn)生的開裂，考慮成品機(jī)組由30架出成品優(yōu)化為28架出成品，即成品機(jī)組軋制道次由原來4個道次減少為2個道次，新的工藝路線如圖2所示。

圖2 Φ23規(guī)格軋制新工藝布置圖

2 軋制孔型工藝設(shè)計

2.1 孔型系統(tǒng)選擇

現(xiàn)代高速線材軋機(jī)對延伸孔型系統(tǒng)的軋件幾何形狀和尺寸精度要求較高。圖3中的圓-橢圓-圓孔型系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)軋件的均勻變形，無較尖的棱角使軋件冷卻均勻，利于去除軋件上的氧化鐵皮且尺寸波動小[1]，再加上滾動導(dǎo)衛(wèi)裝置的普遍應(yīng)用，足以滿足現(xiàn)代高速線材軋機(jī)對延伸孔型系統(tǒng)的需要。

圖3 圓-橢圓-圓孔型系統(tǒng)

考慮到成品機(jī)組孔型設(shè)計與粗中軋常規(guī)孔型的匹配，成品機(jī)組軋制道次的最后2個孔型設(shè)定為圓-橢圓-圓孔型系統(tǒng)，橢圓孔型選定為單圓弧孔型，圓孔型選定為二倍半徑擴(kuò)張圓孔型。

2.2 成品機(jī)組延伸率分配和孔型設(shè)計

由于原工藝中軋機(jī)12架到14架使用的是專用孔型，14架出口軋件天地尺寸為30mm左右，而中軋機(jī)使用常規(guī)孔型時，14架出口軋件天地尺寸為27mm左右。對于成品機(jī)組來說，來料明顯變小了，不僅兩個機(jī)架的延伸率要重新分配，而且孔型也要全部重新選擇和計算。根據(jù)孔型系統(tǒng)選擇方案，成品前孔和成品孔使用橢圓孔-圓孔。在孔型選擇好之后，從成品孔開始按逆軋制順序設(shè)計。按逆軋制順序分配延伸系數(shù)，先設(shè)計成品圓孔型尺寸，再設(shè)計成品前孔橢圓孔型尺寸。

軋制各道次變形量分配應(yīng)滿足總延伸系數(shù)等于各道次延伸系數(shù)之積，總延伸系數(shù)μ∑為：

(1)

式(1)中，F(xiàn)1,F2,F3…,Fn-1分別為各道次的軋件斷面積，μ1,μ2,μ3,μn-1,μn分別為第一道次、第二道次、第三道次以及成品前孔和成品孔的延伸系數(shù)，因此上式可以轉(zhuǎn)化為：

μ∑=μ1μ2μ3…μn-1μn

(2)

通過公式(1)的計算，結(jié)合成品斷面尺寸，算出Φ23規(guī)格的總延伸系數(shù)為：

根據(jù)粗中軋14個機(jī)架的總延伸系數(shù)，通過公式(2)可計算出Φ23規(guī)格成品機(jī)組的延伸系數(shù)為：

根據(jù)前述孔型選擇，橢圓孔型選定為單圓弧孔型，圓孔型選定為二倍半徑圓孔型，橢孔延伸系數(shù)初步選定1.2～1.3，圓孔延伸系數(shù)初步選定1.1～1.2。首先設(shè)計28架成品孔孔型，計算出包括孔高、孔型寬度、開口度、輥縫等參數(shù)；其次再設(shè)計27架孔型尺寸，包括孔高、孔型寬度和孔型半徑等參數(shù)，然后通過計算軋件在孔型中的實際尺寸，驗算在孔型中的充滿度，橢圓孔型一般控制在0.9左右，圓孔孔型一般控制在0.93～0.95左右。若充滿度偏低，再通過調(diào)整孔型參數(shù)，達(dá)到合適的孔型充滿度。通過孔型計算和充滿度驗算，計算出27架與28架孔型尺寸如表1所示。最終設(shè)計的孔型圖如圖4所示。

表1 成品機(jī)組孔型參數(shù) (單位：mm)

圖4 成品機(jī)組孔型圖

2.3 導(dǎo)衛(wèi)配置

由于中軋機(jī)孔型是常規(guī)使用孔型，故粗中軋導(dǎo)衛(wèi)配置可以不變。對于成品機(jī)組導(dǎo)衛(wèi)來說，根據(jù)軋件實際尺寸和孔型尺寸，確定27架進(jìn)出口導(dǎo)衛(wèi)和28架進(jìn)出口導(dǎo)衛(wèi)。同時，根據(jù)27架橢圓孔型尺寸，設(shè)計28架滾動導(dǎo)衛(wèi)導(dǎo)輥，參數(shù)如表2所示，并確定合適開口度。

表2 導(dǎo)衛(wèi)導(dǎo)輥參數(shù) (單位：mm)

3 機(jī)組內(nèi)張力控制

3.1 減面率及負(fù)載分析

減面率是影響軋機(jī)負(fù)荷的關(guān)鍵因素，由于中軋機(jī)孔型是常規(guī)孔型，孔型歸并后減面率不變，故負(fù)載不會有問題。通過對成品軋機(jī)的減面率進(jìn)行測算，孔型設(shè)計好后的27架和28架減面率較原工藝均有所下降，如表3所示。

表3 成品機(jī)組減面率對比數(shù)據(jù)(%)

3.2 堆拉關(guān)系及離合器選擇

堆拉關(guān)系是指在連續(xù)軋制時，隨著軋件斷面的壓縮軋制，其軋制速度遞增，保持正常軋制的條件是軋制線上每一機(jī)架的秒流量保持相等[2]。連續(xù)軋制時各機(jī)架與軋件的關(guān)系為:

F1V1=F2V2=……=FnVn

(3)

式(3)中，F(xiàn)1，F(xiàn)2，……，F(xiàn)n表示軋件通過各機(jī)架時的軋件斷面積；V1，V2，……，Vn表示軋件通過各機(jī)架時的軋制速度。

式(3)可簡化為：

F1D1n1=F2D2n2=……=FnDnnn=C

(4)

式(4)中，D1，D2，……，Dn表示各機(jī)架的軋輥工作直徑；n1，n2，……，nn表示各機(jī)架的軋輥轉(zhuǎn)速。通過斷面面積和工作輥徑的計算，27架和28架相應(yīng)參數(shù)如表4所示。

表4 斷面面積和工作輥徑參數(shù)表

軋件在各個機(jī)架軋制時的秒流量相等，即為一個常數(shù)，稱為連軋常數(shù)。但是實際上保持秒流量相等使連軋常數(shù)恒定是相當(dāng)困難的，一般對線材在連續(xù)軋機(jī)上機(jī)組與機(jī)組之間采取堆鋼軋制，而機(jī)組內(nèi)的機(jī)架與機(jī)架之間采取拉鋼軋制。

拉鋼系數(shù)是堆鋼或者拉鋼的一種表示方法，以Kn代表第n道的堆拉關(guān)系時：

(5)

根據(jù)連軋常數(shù)計算公式，結(jié)合孔型計算面積、工作輥徑及軋輥轉(zhuǎn)速，并根據(jù)軋鋼經(jīng)驗，拉鋼易于操作控制，選取了合適的離合器配比，機(jī)組內(nèi)張力計算為1.001，即Kn>1，為拉鋼軋制。

4 新工藝生產(chǎn)效果

4.1 軋機(jī)扭矩對比

Φ23規(guī)格線材軋制中軋機(jī)孔型歸并后，規(guī)格切換減少了軋槽及相應(yīng)導(dǎo)衛(wèi)更換，成品機(jī)組減少2道次后，規(guī)格切換時間可減少10min。同時，由于孔型工藝優(yōu)化，產(chǎn)線所用軋輥、輥環(huán)和導(dǎo)衛(wèi)的周轉(zhuǎn)準(zhǔn)備備件也有所減少。

從成品機(jī)組28架出成品的工藝來看，27架減面率下降6.69%，28架減面率下降6.39%。從現(xiàn)場軋機(jī)實際整體扭矩來看，新工藝下降了7～10kN·m左右，如圖5所示。減面率和軋機(jī)整體扭矩的降低，對設(shè)備使用壽命起到一定的延長作用。

圖5 扭矩對比圖

4.2 大批量生產(chǎn)情況

Φ23規(guī)格孔型工藝優(yōu)化后，現(xiàn)場小批量試制取得了很好的效果，后續(xù)大批量生產(chǎn)保持了產(chǎn)線的平穩(wěn)順行，軋件尺寸控制達(dá)到用戶要求，表面劃傷和開裂缺陷得到了很大改善，表面質(zhì)量達(dá)到用戶要求，成材率較改進(jìn)前提高了0.75%。

5 結(jié)論

為了解決Φ23規(guī)格線材存在的質(zhì)量缺陷和生產(chǎn)風(fēng)險，對軋制孔型工藝進(jìn)行了如下優(yōu)化：

(1)歸并了中軋機(jī)專用孔型與常規(guī)孔型，成品機(jī)組軋制道次由4道次減少為2道次，重新設(shè)計了27架和28架的孔型參數(shù)，優(yōu)化了成品機(jī)組的軋制孔型工藝。

(2)中軋機(jī)專用孔型與常規(guī)孔型歸并后，各機(jī)架減面率未發(fā)生明顯變化，成品機(jī)組減少2道次后，軋機(jī)減面率減小了6%～7%，成品機(jī)組實際扭矩下降了7～10kN·m左右。

(3)中軋機(jī)孔型歸并后，規(guī)格切換減少了軋槽及相應(yīng)導(dǎo)衛(wèi)更換。成品機(jī)組減少2道次后，規(guī)格切換時間可減少10分鐘。同時，由于孔型工藝優(yōu)化，產(chǎn)線所用軋輥、輥環(huán)和導(dǎo)衛(wèi)的周轉(zhuǎn)準(zhǔn)備備件也有所減少。

(4)Φ23規(guī)格軋制孔型工藝優(yōu)化后，實現(xiàn)了批量生產(chǎn)且產(chǎn)線順行，尺寸控制達(dá)到了用戶要求，表面質(zhì)量得到很大改善，成材率提升0.75%左右。