20#槽鋼孔型設(shè)計及優(yōu)化

圣立蕪，沈千成，魏海波，孫曉明，李 靜，華 峰

(1.馬鋼長材事業(yè)部;2.技術(shù)中心 安徽馬鞍山 243000)

馬鋼中型材分廠于2018年進(jìn)行結(jié)構(gòu)調(diào)整新建的一條全新專業(yè)生產(chǎn)工角槽的型鋼生產(chǎn)線，設(shè)計產(chǎn)能為50萬噸/年。中型材分廠生產(chǎn)線共8架軋機(jī)，采用1-1-6方式布置，分為粗軋機(jī)、精軋機(jī)組。粗軋機(jī)組為2架二輥可逆開坯機(jī)，交流變頻電機(jī)單獨(dú)傳動，精軋機(jī)組為6架高剛度二輥/萬能可互換軋機(jī)組成，每架軋機(jī)均有交流變頻電機(jī)單獨(dú)傳動。馬鋼型材產(chǎn)品為抓住市場機(jī)遇，鞏固華東市場，深化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整，選擇全系列開發(fā)槽鋼?，F(xiàn)主要結(jié)合18及以下槽鋼生產(chǎn)經(jīng)驗，介紹20槽鋼的設(shè)計過程。

1 工藝選擇

1.1 生產(chǎn)設(shè)備及工藝條件

馬鋼中型材生產(chǎn)及生產(chǎn)能力如下：步進(jìn)式加熱爐1座，加熱爐內(nèi)寬10.7 m，在冷裝料條件下加熱能力為120 t/h，燃料為混合煤氣。采用1-1-6形式軋機(jī)布置形式，其中BD1、BD2最大軋制力6000 kN，萬能段水平輥軋制最大軋制力為3000 kN，立輥最大軋制力為1800 kN。105.6*20 m步進(jìn)式冷床一座。A700和A900矯直機(jī)各一臺。具體如圖1所示：

圖1 中型材生產(chǎn)流程

1.2 坯料選擇

20槽鋼所用坯料的寬度應(yīng)大于成品槽鋼的腰寬，確保成品尺寸合格。目前馬鋼軋制槽鋼產(chǎn)品主要用小異形坯及矩形坯兩種斷面矩形坯分別為150*150 mm、200*160 mm和200*280 mm。若選擇200*280 mm矩形坯，則坯料斷面面積太大，需要同時開BD1和BD2孔型，造成軋制道次增多，軋制效率低，軋輥浪費(fèi)。同時由于BD2 推床過短，容易造成軋件移孔困難以及咬偏現(xiàn)象。因此選擇200*160 mm矩形坯，軋制20槽鋼壓縮比為11.10，保證槽鋼具有最終的產(chǎn)品尺寸精度和力學(xué)性能。

1.3 孔型系統(tǒng)的選擇

槽鋼主要應(yīng)有彎腰和萬能孔型。萬能孔型由上下兩水平輥及左右立輥組成，水平輥驅(qū)動，兩側(cè)立輥從動。軋制槽鋼時比較穩(wěn)定，軋輥強(qiáng)度大，軋制過程中不容易斷輥，軋機(jī)負(fù)荷小，軋制力均勻，同時可通過調(diào)整水平輥和立輥對軋件尺寸調(diào)整靈活。但萬能孔型在控制孔及成品孔中軋制時，受到軋機(jī)彈跳的影響容易造成踏角或凸臺。彎腰大斜度孔型對坯料軋制過程中的夾持作用更好。同時采用了較大的側(cè)壁斜度，對腿長的控制更有優(yōu)勢。在軋制過程中，軋制穩(wěn)定溫降較小。因此，在該產(chǎn)線選擇彎腰大斜度孔型系統(tǒng)。

2 孔型設(shè)計

2.1 成品孔設(shè)計

20槽鋼截面關(guān)鍵尺寸如圖2 所示。其中B=200 mm，d=7 mm，H=73，h=66 mm。

圖2 20#槽鋼成品截面圖示意圖

根據(jù)GB/ T 706熱軋型鋼要求，綜合考慮公差與熱膨脹系數(shù)后得到最終成品孔尺寸，如圖2所示。在成品孔設(shè)計過程中，腿部側(cè)壁斜度決定了成品腿部尺寸精度，在后續(xù)工序機(jī)械設(shè)備能力允許情況下，內(nèi)側(cè)壁斜度%>5%，利于軋件脫孔，軋輥切槽淺，重車量小，利用率高，腿部側(cè)壓小，軋機(jī)負(fù)荷降低等。

2.2 控制孔設(shè)計

該產(chǎn)線中精軋共配6架軋機(jī)。根據(jù)孔型設(shè)計需要配置2個控制孔。分為成品前孔和控制孔。成品前孔主要是精確控制腿長及成品尺寸的精度。中間控制孔主要是控制中間道次的腿長，防止金屬在切分過程中的不均勻變形，以及坯料在切分過程中不正導(dǎo)致兩端腿長不一致?？刂瓶自O(shè)計時，孔寬可按寬展比進(jìn)行加減，腿部斜度的取值需要大于上道次開口孔的側(cè)壁斜度，如果太小，開口孔來料進(jìn)入控制孔時，腿端部容易接觸到閉口孔下槽口，且側(cè)壓增加，腿端容易出耳子。因此兩者差值不小于3%。根據(jù)經(jīng)驗所選擇的孔型側(cè)壁斜度如表1所示：

表1 各道次孔型側(cè)壁斜度選擇

2.3 切分孔設(shè)計

對于槽鋼孔型設(shè)計過程中，通常把逆軋制道次且腹板厚度超過20 mm且壓下量較大的異型孔定義為切深孔，主要將來料切深至成品腿長。在切深孔中軋制時，金屬發(fā)生嚴(yán)重的不均勻變形，腹板的延伸大于翼緣，從而造成腰部延伸對腿部拉縮很大。相關(guān)實驗證明：在相同的B值條件下，腹板越厚，全高度方向上的拉縮率越小，腹板越薄，全高度方向上的拉縮率越大。因此在設(shè)計切深孔時，為保證足夠能切出足夠腿長，應(yīng)在腹板厚度較厚的前幾道次進(jìn)行大壓下，迅速切出腿長，保證成品質(zhì)量。在切深孔型設(shè)計過程中，關(guān)鍵在于切深楔子的寬度設(shè)計是否合理。切深楔子的寬度較小，即切深楔子頭部尖銳，有利于切出竟可能長的腿長，但磨損嚴(yán)重。切深楔子寬度較大時，會產(chǎn)生嚴(yán)重的腿部壓縮，不利于腿高的增長。因此在設(shè)計時，應(yīng)在保證竟可能利用楔子切出足夠長的腿部的同時，而不使后道次腿部的側(cè)壓過大，不利于腿長的增長。對于馬鋼的20槽鋼切深孔的切入角度如圖3所示：

圖3 切深孔切入角

β=180°-2α

最終解的：β=80°。

3 孔型模擬及優(yōu)化

根據(jù)現(xiàn)場相近規(guī)格槽鋼的生產(chǎn)數(shù)據(jù)及經(jīng)典孔型設(shè)計理論，計算出20#槽鋼關(guān)鍵孔型數(shù)據(jù)。為驗證上述孔型設(shè)計的合理性及新規(guī)格在新產(chǎn)線一次試軋的成功率，本文采用MSC.Marc有限元軟件，對各道次孔型進(jìn)行三維彈塑性有限元軋制模擬。來料的規(guī)格為200*160 mm，成品規(guī)格為200*73*7 mm，各道次輥徑、軋件溫度、軋制速度等參數(shù)選擇均勻與現(xiàn)場相一致。模擬軟件中所需材料的物性參數(shù)由型鋼所內(nèi)相關(guān)人員實驗所得。軋件與軋輥之間的高溫摩擦系數(shù)為0.5。最終繪制圖形及模擬如圖4、5所示：

圖4 各道次孔型圖

圖5 各道次模擬圖

4 現(xiàn)場優(yōu)化

按照最初設(shè)計，為盡量降低軋件進(jìn)精軋的溫降，粗軋的5個道次安排在BD2軋機(jī)，BD1軋機(jī)不用。但在實際軋制過程中，軋件過長以及BD2推床過短，容易造成移孔困難以及咬偏的現(xiàn)象，故將粗軋的5個道次移到BD1軋機(jī)，BD1軋機(jī)前后推床長度10 m。在規(guī)程設(shè)計過程中，最初的BD機(jī)共軋制5道次，其中K8孔軋制兩個道次，其余K10、K9、K7孔各軋制一個道次。在實際軋制過程中，為避免出現(xiàn)軋件上翹嚴(yán)重而損壞設(shè)備的現(xiàn)象，在BD1軋輥安裝時每個軋孔均設(shè)計了上衛(wèi)板。而上衛(wèi)板的設(shè)計會給軋件的往復(fù)軋制帶來一定的影響，嚴(yán)重時會頂翻上衛(wèi)板，造成堆鋼的風(fēng)險。因此將軋制規(guī)程做了優(yōu)化，K10、K9、K8孔各走一個道次，K7孔走兩個道次(其中一個道次空過)。在現(xiàn)場實際軋制過程中，坯料經(jīng)過四個道次軋制后，軋件的長度已接近BD1軋機(jī)機(jī)前擋板，存在一定的風(fēng)險，且給現(xiàn)場操作工的操作帶來困難。因此將軋制規(guī)程再一次做了優(yōu)化，K10、K9、K8孔各軋制一個道次，K7布置了兩個孔，各軋制一個道次。具體的規(guī)程變化如表2所示。

表2 規(guī)程變化

規(guī)程優(yōu)化后，消除了軋件過長容易頂?shù)紹D1軋機(jī)機(jī)前擋板的風(fēng)險。軋件經(jīng)第2道次軋制后，軋件頭部輕微翹頭，但不影響正常軋制，最終軋制出的條形良好。

5 總結(jié)

中型材穩(wěn)定生產(chǎn)20槽鋼證明了該孔型系統(tǒng)設(shè)計合理，各機(jī)架間的軋制溫降控制穩(wěn)定。切分孔、控制孔、成品孔的尺寸選擇合理，側(cè)壁斜度的設(shè)計滿足現(xiàn)場實際生產(chǎn)要求。對于中型材分廠繼續(xù)開發(fā)其他系列槽鋼具有實際借鑒意義。