C3×6美標(biāo)槽鋼的開發(fā)

王 璨 杜永軍 王 珍 孟小中 沈志軍

（安陽鋼鐵股份有限公司）

0 引言

安陽鋼鐵股份有限公司第一軋鋼廠400機組是一條生產(chǎn)能力45萬t/a左右的型材軋鋼生產(chǎn)線，主要產(chǎn)品有∠45-∠100等邊角鋼，≮63×40、≮75×50不等邊角鋼，[6.3、[8.0、[10槽鋼，及部分規(guī)格的船用球扁鋼等。近年來，為更好地適應(yīng)市場需求，陸續(xù)承接軋制了重點客戶定制的精度要求更高的負(fù)公差國網(wǎng)角鋼、正公差南網(wǎng)角鋼。

美標(biāo)槽鋼主要用于制造電力鐵塔、橋梁、船舶及工程機械等。近年來，隨著中國鋼鐵制造能力的較快提升，國內(nèi)產(chǎn)能也適度有序地轉(zhuǎn)向了國際市場，鋼鐵產(chǎn)品的出口量日益增加。在這樣的環(huán)境下，公司在接到重點客戶的C3×6美標(biāo)槽鋼訂單后，為更好滿足客戶需求、獲取國外市場機遇，決定研發(fā)生產(chǎn)C3×6美標(biāo)槽鋼。

1 C3×6美標(biāo)槽鋼的特點

C3×6美標(biāo)槽鋼外形尺寸執(zhí)行ASTM A572/A 572 M—15標(biāo)準(zhǔn),美標(biāo)槽鋼的橫斷面形狀如圖1所示。

圖1 美標(biāo)槽鋼橫斷面形狀

C3×6表示槽鋼腰高3 in（換算為公制單位：3 in=76 mm），理論重量6 Ibf/ft（換算為公制單位：6 Ibf/ft=8.937 kg/m）。具體尺寸與要求詳見表1、表2。

表1 C3×6槽鋼外形尺寸及理論重量

表2 C3×6槽鋼尺寸允許公差及彎曲度 mm

2 C3×6美標(biāo)槽鋼與國標(biāo)槽鋼的對比

將C3×6美標(biāo)槽鋼與[8.0槽鋼進(jìn)行數(shù)據(jù)比對分析，具體見表3。發(fā)現(xiàn)C3×6美標(biāo)槽鋼幾何尺寸特殊，同時又與[8.0槽鋼有部分相似之處。

表3 C3×6美標(biāo)槽鋼與類似槽鋼尺寸對比 mm

C3×6與[8.0槽鋼的外形尺寸相對接近，但C3×6美標(biāo)槽鋼的腰部較厚。經(jīng)測算， C3×6美標(biāo)槽鋼腰部截面積占總面積的60%（[8.0槽鋼的為40%）。因此，在矯直該產(chǎn)品的外緣斜度和彎腰撓度時則需要承受較大的彎曲應(yīng)力。

在現(xiàn)有裝備條件下，存在以下難點：（1）需要解決腰部延伸對腿部的拉伸，而致產(chǎn)品幾何尺寸不易控制的問題；（2）考慮厚度和強度增加，矯直力較[8.0槽鋼增加64%以上，其矯直難度顯著增大，引起矯直機能力不足，同時還需要解決外緣斜度和彎腰撓度的合標(biāo)問題。

基于以上對比分析不難發(fā)現(xiàn)，C3×6美標(biāo)槽鋼同近似規(guī)格的國標(biāo)槽鋼的外形尺寸相差仍然較大，就型鋼生產(chǎn)而言，孔型系統(tǒng)對型鋼形狀尺寸的敏感度較大，相應(yīng)孔型的通用性也較差。因此，即便是相似的規(guī)格，涉及到整體工藝配置，其孔型系統(tǒng)設(shè)計也是完全不同的，這也是其軋制技術(shù)難點和關(guān)鍵點所在。

經(jīng)仔細(xì)分析測算，C3×6美標(biāo)槽鋼的腰厚為[8.0槽鋼的1.8倍，腰部延伸對腿的拉伸影響較大，這樣易發(fā)生腿短。對此，筆者決定采用大斜度孔型系統(tǒng)軋制[1]，大斜度孔型系統(tǒng)軋槽的切槽較淺，軋槽上各點的速度差小，變形相對均勻，可以改善腿短現(xiàn)象，亦有利于提高產(chǎn)品的表面質(zhì)量。

3 方案選擇與確定

3.1 軋制孔型與導(dǎo)衛(wèi)設(shè)計

（1）一架500軋機開坯孔型與國標(biāo)[8.0、[6.3槽鋼共用，使用菱方孔型軋制4個道次,如圖2所示。該孔型具有共用性好，斷面尺寸精確[2]的優(yōu)點。該軋機全部采用滑動導(dǎo)衛(wèi)，除托板、衛(wèi)板重新設(shè)計外，其余導(dǎo)衛(wèi)均可與[8.0槽鋼共用，以節(jié)約投資，減少備件備量。

圖2 一架500軋機孔型設(shè)計

（2）針對美標(biāo)槽鋼外形與國標(biāo)槽鋼的差別，即美標(biāo)槽鋼的腰厚、腰高及腿寬等外形尺寸與國標(biāo)槽鋼相差較大，進(jìn)行相應(yīng)的粗軋軋鋼工藝與孔型系統(tǒng)調(diào)整。

二架500軋機各軋制道次均采用大斜度孔型系統(tǒng)。對孔型側(cè)壁斜度合理設(shè)計改進(jìn)（如圖3所示），三個軋制道次的孔型側(cè)壁斜度ψ分別為30%、35%、30%，采用腰和腿延伸基本相等設(shè)計方法，減少對腿長的拉伸影響，保證腿長的尺寸控制。同時，一方面有效地減少了軋槽深度與軋輥重車量，保證了軋輥強度和重車次數(shù)；另一方面有助于軋件脫槽，使其在輥道中運行更趨平穩(wěn)，不易翻轉(zhuǎn)，可有效降低軋制道次之間的傳輸難度。

圖3 二架500軋機孔型設(shè)計

（3）將精軋成品前孔型的側(cè)壁斜度ψ分別調(diào)整為35%、24%、28%，使其孔型側(cè)壁斜度ψ均大于15%（如圖4所示）?？仔蛡?cè)壁斜度的合理增大可以有效地緩解孔型內(nèi)不同質(zhì)點間的軋鋼速度差而產(chǎn)生的腿部拉縮現(xiàn)象。K4、K2采用彎腰直腿大斜度控制孔，孔型腿部采用了鎖口，使軋材腿部的金屬延伸變形小于腰部的，金屬向腰部方向流動。K3為開口彎腰直腿大斜度槽型孔，延伸系數(shù)按腰部延伸略大于腿部延伸選取。同時，由于槽鋼斷面上下不對稱，為了減少上下輥面速度差，保證脫槽順暢，采用上壓力軋制，上輥比下輥大2 mm，并對軋制速度差進(jìn)行適時校核。

圖4 精軋成品前孔型

（4）采用大斜度孔型系統(tǒng)軋制，最終產(chǎn)品的外緣斜度要依靠矯直來達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，這對矯直設(shè)備要求較高。C3×6美標(biāo)槽鋼腰厚是國標(biāo)[8.0槽鋼的1.8倍，它的矯直變形抗力大于國標(biāo)[8.0槽鋼；同時C3×6美標(biāo)槽鋼的腰高比國標(biāo)[8.0槽鋼的小4 mm，矯直力臂自然相應(yīng)減小，因此冷矯中實際所需的矯直力要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于國標(biāo)[8.0槽鋼，單單通過矯直將最終產(chǎn)品的外緣斜度控制在允許范圍之內(nèi)難度較大。

為了解決這一難題，設(shè)計了雙控制孔型系統(tǒng)。雙控制孔型系統(tǒng)就是兩個成品孔，分別為K1'和熱軋矯直孔型K1"。在K1'的設(shè)計方面，K1'相當(dāng)于正常（或常規(guī)）的成品K1架軋制孔型，目的是使產(chǎn)品的腰高、腿長、腰厚滿足最終交貨要求，因此參照國標(biāo)[8.0槽鋼將成品孔型的側(cè)壁斜度定為12%。側(cè)壁斜度較大可以降低軋槽內(nèi)的金屬流動線速度差，減少軋件與軋輥的接觸弧長度，減輕金屬橫向流動對槽鋼腿外側(cè)壁磨損，提高表面質(zhì)量以及預(yù)防塌肩、腿短現(xiàn)象[3]。而熱軋矯直孔型K1"沒有金屬延伸變形，主要承擔(dān)高溫條件下對鋼材的雙側(cè)外緣斜度和彎腰撓度的軋鋼矯直，此時金屬變形抗力較小，對軋槽磨損也小，并將熱軋矯直孔型彎腰撓度設(shè)計為0.8 mm，雙側(cè)外緣斜度設(shè)計為1.2 mm，鋼材經(jīng)由熱軋矯直孔型后其彎腰撓度和外緣斜度可基本符合交貨標(biāo)準(zhǔn)，這樣就大大降低了后續(xù)矯直機常溫冷矯的工作壓力。

圖5 雙控制孔型設(shè)計

3.2 剪機剪刃孔型設(shè)計

剪機剪切力計算公式為：

式中：σt——在相應(yīng)的剪切溫度下，被剪切鋼料的抗拉強度，MPa； S——鋼材的橫截面積，mm2。

C3×6美標(biāo)槽鋼采用GR50鋼種軋制，其抗拉強度遠(yuǎn)高于國標(biāo)[8.0槽鋼。且C3×6美標(biāo)槽鋼的橫截面積為1143.8 mm2，國標(biāo)[8.0槽鋼的橫截面積為1024 mm2，由此可知C3×6美標(biāo)槽鋼的剪刃將要承受的剪切力遠(yuǎn)高于國標(biāo)[8.0槽鋼的剪刃。因此，對冷剪剪刃孔型進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。采用斜配孔型系統(tǒng)，分散降低剪切負(fù)荷，同時考慮C3×6美標(biāo)槽鋼腰部厚度較大，對重合度進(jìn)行校核，適當(dāng)增加重合度。冷剪剪刃孔型如圖6所示。

圖6 冷剪剪刃孔型

從圖6可以看出，冷剪剪刃有5個剪切槽，同時剪切5根C3×6美標(biāo)槽鋼，上剪刃左側(cè)高度為248 mm，右側(cè)高度為254 mm。剪刃斜度為6 mm，而下剪刃左右側(cè)高度均為230 mm。斜配孔型系統(tǒng)就是傾斜上剪刃剪切面，使其在剪切過程中不同時與被剪金屬漸進(jìn)接觸，即減小剪刃與鋼材在同一時間內(nèi)的接觸長度，以期實現(xiàn)降低剪切力的效果。

3.3 矯直機（冷矯）矯直孔型設(shè)計

考慮到矯直難度會隨著C3×6美標(biāo)槽鋼腰腿厚度和強度的增加而增大，結(jié)合以往C4×7.25槽鋼的生產(chǎn)經(jīng)驗，對矯直孔型和地輥進(jìn)行了再設(shè)計。為了保證最后冷矯的矯直質(zhì)量，在常規(guī)矯直孔型設(shè)計的同時，對矯直機的1、2、3下輥增加不同凸度，減少輥與鋼材的接觸面積，使矯直力矩有所增加，協(xié)助改善矯直效果。C3×6美標(biāo)槽鋼矯直孔型設(shè)計如圖7所示。

圖7 典型夾雜物成分信息

圖7 C3×6美標(biāo)槽鋼矯直孔型

4 生產(chǎn)效果

安鋼第一軋鋼廠于2019年5月成功軋制生產(chǎn)了C3×6美標(biāo)槽鋼，生產(chǎn)牌號為GR50。力學(xué)性能合格率100%，綜合成材率達(dá)90.74%。創(chuàng)增經(jīng)濟效益114 萬元。

5 結(jié)語

在C3×6美標(biāo)槽鋼的設(shè)計開發(fā)過程中，遇到了槽鋼腰部厚與腰高窄等導(dǎo)致常規(guī)矯直工藝無法滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的工藝難題，通過系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計使問題得到了有效解決。首創(chuàng)了“雙控制孔型系統(tǒng)”技術(shù)，在軋制道次分配上經(jīng)由常規(guī)成品孔型前移，繼而增設(shè)熱軋仿矯直孔型道次，形成相呼應(yīng)的兩個成品控軋孔型K1'/K1"。該技術(shù)的成功應(yīng)用，使其軋制既能沿用大斜度孔型系統(tǒng)軋制，又能通過熱軋矯直工藝解決大斜度孔型系統(tǒng)對矯直機冷矯造成的巨大工序壓力，并消解可能由此引發(fā)的最終冷矯質(zhì)量風(fēng)險。

C3×6美標(biāo)槽鋼的研究開發(fā)，促進(jìn)了公司與重點客戶間合作關(guān)系的不斷深化，在滿足個性化需求的同時，也有助于公司產(chǎn)品更好地走出國門，提升市場形象。該產(chǎn)品的力學(xué)性能及外形尺寸均符合美標(biāo)技術(shù)要求，得到用戶的好評，為安鋼綜合創(chuàng)效提供了新的亮點。同時為進(jìn)一步采用國際標(biāo)準(zhǔn)如：美標(biāo)、英標(biāo)及歐標(biāo)等型鋼新產(chǎn)品的持續(xù)開發(fā)，積累了寶貴的技術(shù)經(jīng)驗支撐。