310乙字鋼端部規(guī)格尺寸波動原因分析

王代文，杜健

（攀鋼集團攀枝花鋼釩有限公司軌梁廠，四川 攀枝花617000）

310乙字鋼屬于大型熱軋型材，用于制作火車底部中梁，每年需求量在4萬～5萬 t。隨著鐵路向高速化、重載化發(fā)展，以及用戶對310乙字鋼的質(zhì)量要求不斷提高，為更好地滿足用戶要求，攀鋼集團攀枝花鋼釩有限公司軌梁廠決定在裝備水平先進的萬能線開發(fā)生產(chǎn)310乙字鋼。在開發(fā)初期，軋件兩端規(guī)格波動大，為保證產(chǎn)品質(zhì)量，須將端部規(guī)格尺寸不合格的部位切除，兩端切除總長度達8.5 m以上，極大影響了其成材率。本文擬通過對現(xiàn)場實物斷面尺寸測量與計算機仿真分析，找出310乙字鋼端部規(guī)格波動的原因，進一步采取改進措施。

1 端部規(guī)格尺寸波動原因分析

310乙字鋼采用360 mm×450 mm鑄坯生產(chǎn)，在BD1（該軋機配置有兩個箱形孔和兩個蝶式孔共四個孔型）軋制11道次，BD2軋機軋制3道次，U1、U2和UF軋機各軋制1道次，共計軋制17道次。

1.1 現(xiàn)場實物測量分析

為了找到兩端規(guī)格尺寸波動原因，用延伸系數(shù)計算成品規(guī)格波動位置，對應不同道次軋件出現(xiàn)的理論位置，并對BD1、BD2軋機軋制后的軋件進行取樣，然后用輪廓儀掃描軋件的輪廓并測量其規(guī)格尺寸，BD1、BD2軋件東西頭腿長波動理論計算和實際測量位置結(jié)果如表1所示，BD1、BD2軋件東西頭腿長實測數(shù)據(jù)見表2。

表1 BD1、BD2軋件東西頭腿長波動理論計算和測量位置Table 1 Theoretical Calculation and Measuring Positions of Fluctuation of Head Length and Leg Length in Terms of BD1 and BD2 Rolling Pieces m

表2 BD1、BD2軋件東西頭腿長實測數(shù)據(jù)Table 2 Measured Data of Head Length and Leg Length in Terms of BD1 and BD2 Rolling Pieces mm

從表1和表2可以看出，成品兩端規(guī)格波動與BD1、BD2軋件均具有對應性，說明規(guī)格波動在BD1軋機已經(jīng)造成。為了驗證BD1軋件東西頭金屬量是否缺失，對東西頭每隔200 mm測量一次軋件總寬度，測量結(jié)果顯示，長腿和短腿總金屬量沒有問題，只是在長、短腿金屬量分配上出現(xiàn)了問題。

由于軋件中間部位金屬量分配正常，而端部金屬分配則發(fā)生了變化。通過對BD1、BD2軋件東西頭彎曲度進行觀察、測量，發(fā)現(xiàn)進鋼端和出鋼端均發(fā)生了彎曲，BD1、BD2軋件東西頭彎曲度見表3。

表3 BD1、BD2軋件東西頭彎曲度Table 3 Degree of Curvature Heads in Terms of BD1 and BD2 Rolling Pieces

從表1～3可以看出，310乙字鋼端部規(guī)格尺寸波動與BD軋機軋件端部彎曲狀態(tài)有較強的對應關(guān)系。

1.2 軋件出鋼彎曲、扭轉(zhuǎn)對規(guī)格尺寸影響數(shù)值仿真分析

為了進一步驗證310乙字鋼端部規(guī)格尺寸波動與BD軋機軋件端部彎曲狀態(tài)有較強的對應關(guān)系，采用MARC軟件進行仿真分析，以便為工藝優(yōu)化和導衛(wèi)系統(tǒng)改進提供支撐。

1.2.1 建立有限元模型

分別設(shè)計兩種BD1第三孔和第四孔的軋制規(guī)程方案，方案1為BD1第3孔軋制4道次、第4孔軋制1道次，方案2為BD1第3孔軋制5道次、第4孔軋制1道次,并對每道次編號、建模，各模型對應軋制道次參數(shù)見表4。對建立的模型進行對比，BD1第3孔、第4孔孔型及壓下工藝見圖1，分析軋件在模型中軋制時孔型中的充滿情況、彎曲情況、扭轉(zhuǎn)情況和軋件扭轉(zhuǎn)、彎曲對其孔型充滿情況的影響。

圖1 BD1第3孔、第4孔孔型及壓下工藝Fig.1 Pass Patterns for 3rd and 4th Passes of BD1 and Screwdown Process for Rolling

表4 各模型對應軋制道次參數(shù)Table 4 Parameters for Each Model Corresponding to Rolling Passes

1.2.2 計算結(jié)果及分析

（1）模型1在計算中有-7.16°/m的扭轉(zhuǎn)，但是計算結(jié)果中軋件頭、中、尾的形狀一致，表明軋件的扭轉(zhuǎn)不會對頭、中、尾的尺寸造成直接影響。

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（2）軋件的水平彎曲在碰到擋板 （相當于軋件前后的推床）后，其端部和中部（穩(wěn)定軋制區(qū)）的形狀與頭部的形狀發(fā)生了顯著變形，與實際生產(chǎn)情況吻合，說明出鋼彎曲會影響軋件規(guī)格尺寸。因此，控制軋件的彎曲對控制乙字鋼的頭、中、尾尺寸一致具有重要的意義。

綜上，通過測量現(xiàn)場實物規(guī)格尺寸、端部彎曲度和計算機仿真驗證，310乙字鋼端部規(guī)格尺寸波動的原因是BD軋機出鋼彎曲。

2 改進措施

根據(jù)上述分析結(jié)果，造成310乙字鋼端部規(guī)格尺寸波動的主要原因是BD軋機出鋼彎曲，為了解決該問題，一是對軋制工藝進行優(yōu)化，主要包括孔型和軋制規(guī)程優(yōu)化兩方面，首先對軋制規(guī)程進行優(yōu)化，此方法最經(jīng)濟、快捷；二是導衛(wèi)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，保證進鋼位置正確，并通過導衛(wèi)改善BD軋機出鋼彎曲狀態(tài)。

2.1 BD1軋機軋制規(guī)程優(yōu)化

為防止軋件彎曲，長腿和短腿的壓下系數(shù)應保持相等。軋件在孔型中的不均勻變形程度愈小，軋制愈穩(wěn)定。目前有兩種確定軋件不均勻變形程度的方法：一種是用相似系數(shù)K來確定，另一種是用長、短腿的壓下系數(shù)λ來確定。在工藝設(shè)計中采用長腿和短腿的壓下系數(shù)漸近相等的方法對BD1軋機軋制規(guī)程進行優(yōu)化。

式中，λ為壓下系數(shù)；h'為所求各孔短腿厚度；h'為已知各孔短腿厚度；h為所求各孔長腿厚度；h為已知各孔長腿厚度。

優(yōu)化規(guī)程：減少箱形孔軋制道次，增加蝶式孔軋制道次，使蝶式孔不均勻變形程度減輕，優(yōu)化前后的BD1軋機軋制規(guī)程見表5。

表5 優(yōu)化前后的BD1軋機軋制規(guī)程Table 5 Rolling Schedule for BD1 Mill before and after Optimization

2.2 BD軋機導衛(wèi)改進

在BD1、BD2軋機導衛(wèi)上增加活動側(cè)導板，入口側(cè)導板主要作用是保證軋件進入孔型位置正確，用于控制出鋼彎曲程度，同時還能調(diào)整規(guī)格尺寸。

3 實施效果

通過采取優(yōu)化軋制規(guī)程和增加側(cè)導板措施，能夠有效抑制軋件的出鋼彎曲程度，從而提高了310乙字鋼的頭、中、尾規(guī)格尺寸精度，其東、西頭長、短腿腿長波動長度由優(yōu)化前的0～5 m減少到了0～3 m。同時，優(yōu)化后西頭長腿9～11 m處的波動也得到了消除，310乙字鋼的成材率提高到82.5%，優(yōu)化前后腿長波動情況對比如圖2所示。

圖2 優(yōu)化前后腿長波動情況對比Fig.2 Comparison of Leg Length Fluctuation before and after Optimization

4 結(jié)語

通過現(xiàn)場實物規(guī)格尺寸測量和計算機數(shù)值仿真分析發(fā)現(xiàn)，造成310乙字鋼端部規(guī)格尺寸波動大的主要原因是BD軋機出鋼彎曲。通過優(yōu)化BD1軋機規(guī)程，保證長短腿壓下系數(shù)近似相等，以及改進整體導衛(wèi)結(jié)構(gòu)，改善BD軋機出鋼彎曲程度，可以緩解310乙字鋼端部規(guī)格尺寸波動大的問題，其東、西頭長、短腿腿長波動長度由優(yōu)化前的0～5 m減少到0～3 m，同時優(yōu)化后西頭長腿9～11 m處的波動消除，310乙字鋼成材率由75%提高到82.5%。