高表面質量門架槽鋼生產工藝研究與應用

王德彪

門架槽鋼產品被用于叉車提升軌梁裝置，由于該產品使用位置的特殊性，其軋件的尺寸精度、表面質量、平直度和力學性能要求非常嚴格，而內檔尺寸與表面質量的要求尤其嚴格。近年來，鋼鐵形勢嚴峻，但是叉車行業(yè)對高精尖的機械用鋼需求旺盛，市場售價始終在高位運行。而我廠生產的門架槽鋼產品外觀、表面氧化鐵皮壓入、粘鋼、表面劃傷、凹坑等問題一直受到用戶抱怨。

通過市場調研和用戶反應，我廠生產的門架槽鋼產品，因表面質量問題，導致用戶拋丸處理軋件后，必須涂抹成倍數(shù)量的底膩子，才能達到叉車產品外觀內部行業(yè)標準，造成了成本的提升；因表面質量缺陷，造成叉車提升輪系的非正常磨損和卡阻，造成加工工序工作量增加，生產、組裝效率降低，給廠家加工帶來諸多不便。為了徹底解決這些頑疾，增強萊鋼門架槽鋼產品的市場競爭力，不斷拓寬萊鋼異型材市場，通過對異型線工藝設備的升級改造和工藝設計的優(yōu)化，使門架槽鋼表面質量達到機加工表面要求。

1 優(yōu)化改善工藝措施

生產工藝流程如下：

連鑄—冷裝爐—加熱—一次高壓水除鱗—BD1軋制—BD2軋制—切頭—二次高壓水除鱗—精軋機組連軋（增加三次高壓水除鱗）—取樣、切尾—冷卻—矯直—編組—定尺鋸切—檢查—合格品碼垛（不合格品下線剔除或改制）—打捆—標識稱重—入庫。

1.1 連鑄—冷裝爐

異型型鋼生產線由煉鋼廠4#連鑄機、特鋼事業(yè)部6#連鑄機提供坯料，連鑄坯經汽車倒運至現(xiàn)場，稱重、測長后直接裝爐，共有5種矩形斷面坯型，分別是：320×410mm2、240×375mm2、260×300mm2、180×220mm2、120×435mm2，經設計計算門架槽鋼所用鑄坯斷面為180×220mm2與260×300 mm2。

1.2 加熱

鋼坯在步進梁式加熱爐中進行預熱、加熱、均熱三段式加熱，加熱溫度為1250℃～1300℃。

1.3 軋制

異型線采用半連續(xù)式軋制，出爐鋼坯首先經一次高壓水除鱗，經過兩架二輥可逆式開坯機往復軋制，形成適于精軋機組需要的中間坯，切除頭部變形區(qū)后經過二次高壓水除鱗，隨后進入萬能精軋機組連軋成材，其中精軋機組中間布置一套三次高壓水除鱗系統(tǒng)。

1.4 精整工序

軋件出精軋機組后，在冷床輸入輥道進行尾部鋸切，然后軋件在動靜橫梁式冷床上冷卻，軋件冷卻到100℃以下后，下冷床進入矯直、編組、定尺、檢查、碼垛和打捆等工序。

矯直設備共有兩組，均為十輥懸臂式矯直機，上輥自動壓下。編組臺架起到對軋件進行編組的作用。

冷鋸有固定鋸和活動鋸各一臺，可以同時對多支軋件鋸切兩種定尺，鋸切精度可控制在30mm以內。

碼垛區(qū)域共計兩個區(qū)域，每個區(qū)域由檢查臺架與碼垛臺架組成。檢查臺架是鏈式床體，包含拉入鏈、輸送鏈和剔除鏈；碼垛臺架由一套平移碼垛機、一套翻轉碼垛機、一套升降垛臺和四組分離定位擋塊構成。軋件輸送到檢查臺架后，完成對軋件四個方向的軋件表面質量及斷面尺寸、軋件長度的檢查，不合格品進入剔除鏈下線，合格品進入碼垛臺架進行碼垛。

1.5 產品質量檢查

在軋件上冷床之前，由熱鋸取軋件中部試樣和性能試樣，軋件的中部樣由軋鋼工進行測量，軋件上冷床后由軋鋼工與質檢工實施軋制質量監(jiān)控，并根據測量結果和在冷床上的表面質量檢查結果，對軋機進行調整。在成品臺架上，質檢人員對成品的質量進行全面最終的檢查。

2 高表面質量軋制控制技術

2.1 優(yōu)化工藝實現(xiàn)軋制過程質量本質化精準控制

門架槽鋼是大變形量、高溫高速軋制過程，對軋輥本體質量提出了更高要求；在連續(xù)軋制過程中通過對軋機各項輔助設計通過技術創(chuàng)新優(yōu)化，實現(xiàn)異型鋼軋制過程表面質量本質化保障。

2.1.1 軋輥在線預緊式修磨

門架槽鋼在軋制過程中軋輥局部磨損速度快，軋輥老化造成軋輥面粗糙度增加，進而導致多余的金屬在軋輥面上堆積，對軋件表面質量產生不利影響。對此，增設U3、U5軋輥“預緊式軋輥在線修磨裝置”，消除軋輥粘鋼造成的產品表面凹坑，確保軋輥表面光滑。

2.1.2 延伸孔強制冷卻

在保證原有冷卻水管冷卻能力的前提下，有針對性的對延伸孔增加強制冷卻水，保證軋制過程中側壁溫度不會上升太高，降低軋輥的粘鋼程度，從而減小軋輥表面的摩擦力，減緩軋輥磨損速度，減輕因軋輥磨損較快產生凹坑的速度，進而保證軋件表面質量。

2.1.3 增加易磨損孔型的個數(shù)

針對部分孔型側壁斜度較大容易造成磨損較快的問題，優(yōu)化軋輥孔型布置，分別增加了備用6孔與備用7孔，使得軋件在出現(xiàn)腿外側氧化鐵皮壓入缺陷后，隨機進行換孔操作，既保證了軋制的順行和軋件的表面質量，提高了作業(yè)效率，又能充分利用軋輥空間，降低了生產成本。

2.1.4 升級成品軋機下輥材質

軋輥是軋鋼機在工作中直接與軋件接觸并使金屬產生塑性變形的重要部件，也是消耗性零件，它在軋鋼生產中對高產、優(yōu)質、低消耗各項指標影響很大。而門架槽鋼軋輥因其軋制過程變形量大、受力不均衡、均布磨損沖擊嚴重等，對軋輥的材質要求更高。

在初期生產過程中，門架槽鋼成品軋機下輥粘鋼嚴重，耐磨性較差，常常開始軋制就會出現(xiàn)粘鋼，造成成品軋件內檔出現(xiàn)規(guī)律性的劃痕。在本項目實施過程中，與軋輥廠家合作開發(fā)了新型高鉻鐵軋輥，在國內首次實現(xiàn)了高鉻鐵材質軋輥在熱軋型鋼應用，在應用過程中不斷優(yōu)化軋輥冷卻工藝、燙輥制度等，解決了高鉻鐵軋輥易開裂、易碎等問題，充分發(fā)揮高鉻鐵軋輥的高耐磨、高硬度特性。每套成品軋機過鋼量由原來的300t提高到920t，有效提高了軋輥使用壽命、改善軋件表面質量，降低了生產成本。

2.2 專用導衛(wèi)設計

導衛(wèi)設計是型鋼工藝設計的重要組成部分。不論軋制任何斷面形狀的型鋼，幾乎在所有孔型的入口和出口都要使用導衛(wèi)裝置，其目的是使軋件能夠進出孔型，來保證軋件按既定的變形條件進行軋制。導衛(wèi)裝置的設計和使用是否得當，直接影響到產品的質量和軋機生產能力。盡管孔型設計合理，如果導衛(wèi)裝置的設計或使用不當，也不能軋出合格的成品，并可能造成刮切軋件、擠鋼、纏輥，型鋼斷面質量控制亦無從談起，甚至造成斷輥或更嚴重的設備事故和人身事故。

與常規(guī)H型鋼軋制過程不同，門架槽鋼在軋制過程中，因不對稱性勢必會因為延伸不平衡出現(xiàn)軋件偏頭、扭轉等問題，該類問題單從孔型設計角度優(yōu)化往往效果不佳，需要結合軋制模擬不同斷面軋件軋制過程中應變、應力分布分析軋制狀態(tài)，進而根據軋制狀態(tài)賦予相對應的導衛(wèi)裝置設計職能（如防止偏頭、防止翹頭等），以此來實現(xiàn)對應不同孔型實現(xiàn)不同效果的個性化導衛(wèi)設計。

本項目設計研發(fā)了一種熱軋門架槽鋼用滾動導衛(wèi)裝置，既實現(xiàn)了順利引導軋件對中和咬入孔型，又不劃傷軋件，此裝置的主要功能創(chuàng)新點如下。

2.2.1 增加導板輔助裝置

在原有導衛(wèi)的基礎上增加側面導向裝置，防止軋件因偏頭不能對正孔型，側面導向裝置采用“喇叭口”設置，既可以順利引入軋件，也可以促進軋件在咬入孔型前扶正軋件對中孔型，實現(xiàn)順利咬入。

2.2.2 增加導輪防劃傷裝置

側面導向裝置與軋件之間接觸時，二者之間產生滑動摩擦，當軋件存在扭轉趨勢時，側導板容易劃傷軋件，影響產品表面質量，甚至產生廢品。為了及時順利導入軋件又防止出現(xiàn)劃傷，在原有導向裝置的基礎上增加了導向輪裝置，采取滑動摩擦+滾動摩擦組合的方式，有效防止軋件表面劃傷，從根本上杜絕了因偏頭導致劃傷缺陷的產生。此熱軋型鋼用滾動導衛(wèi)裝置是首次將導向輪裝置以導衛(wèi)的形式應用在熱軋型鋼生產中，在行業(yè)中具有較好的推廣借鑒意義。

2.2.3 突破了當前熱軋型鋼生產導向輪與軋制面的距離極限

在熱軋型鋼生產中也存在應用導向輪的案例，是安裝在軋機前后，由于導向輪與軋制面之間的距離較遠，導向效果不明顯，對軋件在導衛(wèi)中的偏頭、扭轉起不到作用。組合異型導衛(wèi)實現(xiàn)了將導向裝置安裝在軋機內部，顯著提高了導向效果。

此熱軋型鋼用滾動導衛(wèi)裝置的應用，將導向輪與軋制面的距離拉近到584mm，是當前熱軋型鋼行業(yè)內的最短距離。

2.3 定制化高效除鱗技術的研究與應用

2.3.1 除鱗技術背景分析

門架槽鋼產品品種鋼占比100%，鋼的牌號20MnSiV、Q440C、SM570、Q500M等低合金以上級別產品,對加熱溫度和加熱時間有較高要求，尤其20MnSiV、Q440C等牌號，鋼種Si含量高，表面氧化鐵皮粘性大，增加軋制過程中除鱗難度，降低了產品噴砂后的表面質量。同時，用戶在噴砂處理過程中，氧化鐵皮去除難度也較大，噴砂后表面氧化鐵皮仍有殘留，影響后續(xù)焊接工藝質量。

隨著國家對節(jié)能環(huán)保的重視，政府部分對環(huán)保的監(jiān)管力度逐步加嚴，叉車行業(yè)逐步進行產業(yè)升級，去除了原槽鋼表面“打膩子”工序，并采取噴塑工藝替代了原來底漆、面漆二道油漆噴涂工藝，相比噴涂工藝，噴塑工藝為一次成型，涂層更薄，掩蓋不了槽鋼表面的麻點、凹坑等缺陷，需要上游熱軋行業(yè)進行品質升級。

叉車行業(yè)產能逐年增加，行業(yè)內部競爭趨于激烈，另外，外資叉車企業(yè)在國內投入額度逐年增加，迫使國內叉車行業(yè)不得不走向國際競爭平臺，向新能源、智能化、輕量化、大數(shù)據、資源整合、定制化方向發(fā)展，追求高客戶滿意度、降低制造成本，以提高企業(yè)競爭力。叉車行業(yè)競爭格局的變化必然影響上下游企業(yè)，要求上游供應企業(yè)以更深的嵌入度提供更好的產品和更優(yōu)的服務，將門架槽鋼供應級別由原材料升級為零部件，要求高品質、零缺陷、輕量化、定制化、短周期。

2.3.2 除鱗理論分析

（1）門架槽鋼氧化鐵皮特征分析。①本項目中涉及到鋼的牌號20MnSiV、Q440C、SM570、Q500M等Si含量較高，含Si均在0.2%以上，由于加熱時在氧化鐵皮與基底金屬界面之間產生層狀的Fe2SiO4，界面溫度在Fe2SiO4的凝固溫度1170℃以下時，鐵皮對基底的附著力增強，剝離性更差。②影響本項目產品表面質量的氧化鐵皮主要為爐生一次氧化鐵皮和軋制過程中產生的二次氧化鐵皮。③本項目中的鋼種對加熱時間和加熱溫度有下限要求，較普通鋼種加熱時間長、加熱溫度高，爐生氧化鐵皮厚而堅硬，去除難度大。

（2）軋件表面氧化鐵皮壓入試驗分析。通過試驗對比發(fā)現(xiàn)，軋件表面氧化鐵皮去除難度大，且去除后表面質量差的原因主要為：表面氧化鐵皮厚、致密度高、與金屬基體粘度大，用戶在噴砂處理時去除難度大。

首先為軋制過程中一次氧化鐵皮清除不徹底，在軋制過程中形成壓入，此類問題容易造成較深的氧化鐵皮壓入或麻點缺陷。

其次為冷卻后軋件表面氧化鐵皮厚且脆，在矯直工序表面氧化層容易不均勻破碎，軋件表面形成壓痕，噴砂后形成“波浪紋”，甚至形成氧化鐵皮二次壓入。

通過試驗對比發(fā)現(xiàn)，二次氧化鐵皮對異型線門架槽鋼表面質量影響最大，去除難度也最大，是項目攻關的重點。二次氧化鐵皮去除不徹底，異型鋼在冷卻過程中會逐漸呈現(xiàn)紅色，其殘留導致槽鋼噴砂后表面產生“花紋”。軋制速度、除鱗壓力、除鱗時軋件溫度、除鱗環(huán)高度、除鱗環(huán)安裝位置均影響二次氧化鐵皮去除效果。

（3）高壓水除鱗理論設計。根據理論分析，噴嘴噴射打擊力是除鱗效果最直接的影響因素，噴嘴噴射打擊力主要有以下四個因素：噴射壓力p，噴嘴的流量Q，噴嘴的噴射角度，以及噴嘴到鋼坯的噴射距離H。噴射壓力P噴射壓力與噴射打擊力成正比，因此在許可范圍內盡量提高壓力以增強除鱗效果，但是壓力增加會給系統(tǒng)帶來一系列的問題，增加投資，現(xiàn)場設備維護難度增大等；噴射流量Q噴射流量與噴射打擊力也成正比，因此在系統(tǒng)許可情況下，盡量選用流量大的噴嘴以增加除鱗效果；噴嘴的噴射角 在一定的壓力和流量下，噴嘴的噴射角對除鱗系統(tǒng)的打擊力影響非常大：噴射角越小，噴射面積越小，噴射打擊力越大；減少噴射角減少了噴射面積，要滿足整塊鋼坯的除鱗，就必須在噴水管上增加噴嘴的數(shù)量；噴射距離H在噴射角一定的情況下，噴射距離是噴射面積變化的唯一變量。如果把噴射高度降低一半，則噴射面積僅為原來的四分之一，而相應的打擊力則增加到原來的四倍。因此，噴嘴到鋼坯的距離對整個系統(tǒng)的影響較大。

因此，要想提高除鱗效果，必須從除鱗系統(tǒng)壓力、流量等因素考慮，獲得良好的除鱗效果，噴射距離在允許范圍內盡可能的減小。當然，減小噴射距離也勢必要增加噴嘴的數(shù)量。

根據以上的理論分析，要從根本上提高除鱗效果，必須要在除鱗壓力、水量和除鱗環(huán)的設計上做工作，以良好的除鱗效果保證異型鋼產品的表面質量。

2.3.3 定制化高效除鱗工藝

根據以上理論基礎和異型線生產工藝，產線技術人員給出了異型線除鱗方案：產線在進行降溫軋制同時升級一次除鱗設備與二次除鱗設備，并在精軋機組間增加一套三次除鱗系統(tǒng)，結合門架槽鋼斷面結構實現(xiàn)定制化高效除鱗方案，處理方案的主要創(chuàng)新點：

（1）根據氧化鐵皮對基底的著力與溫度之間的關系，將260方坯料均熱段溫度降低為20℃，將180方坯料均熱段溫度降低30℃，減少次生氧化鐵皮的厚度，保證除鱗系統(tǒng)對氧化鐵皮的有效擊打效果。

（2）一次強制除鱗。在開始軋制之前，由高壓水除鱗裝置利用高壓水對坯料表面的氧化鐵皮進行清理，以避免軋制過程中氧化鐵皮的壓入，從而保證最終產品質量。一次除鱗箱體為一鋼板結構件，包括出口處鏈簾、側導板及可更換的噴嘴環(huán)。高壓水可自動控制，鋼坯通過除鱗箱時，噴嘴自動噴射出工作壓力約為20MPa 的高壓水，清除鋼坯表面的氧化鐵皮。噴嘴為盒式結構，根據不同規(guī)格的坯料可以選擇不同尺寸的噴嘴環(huán)。噴嘴環(huán)是通過快速接頭與供水管道連接。

（3）二、三次定制化高效除鱗。布置在精軋U1機前，主要用于BD來料的表面氧化鐵皮清理。因為使用三次除鱗的每個規(guī)格的精軋孔型寬度與高度存在較大跨度，為保證產品表面質量的情況，針對不同規(guī)格制定了不同除鱗方案，采用電機帶渦輪蝸桿升降機驅動，通過編碼器控制升降高度，實現(xiàn)定制化除鱗效果。經過除鱗系統(tǒng)優(yōu)化升級，產品表面質量提升明顯，達到機加工效果。

經過除鱗系統(tǒng)優(yōu)化升級，產線實現(xiàn)根據型鋼需要制定定制化除鱗工藝，產品表面質量提升明顯，達到機加工效果。

3 試制結果

通過對軋輥在線預緊式修磨確保輥面光滑，對磨損嚴重軋輥進行在線合金熔覆焊接；在此基礎上對軋輥材質、延伸孔等進行優(yōu)化調整；確保整個軋制過程軋制設施的本質化保障。針對異型鋼壓下特征，實驗分析氧化鐵皮壓入機理，并結合高壓除鱗設施進行除鱗作業(yè)，在此基礎上，按照不同斷面異型鋼形貌進行定制化三次除鱗，最終確保異型鋼表面質量。

2019年高效比達82.53%，較16年提升37.43%。2019年門架槽鋼產量5.93萬噸，較16年提升5.34萬噸，市場占有率達到73.42%，成為國內銷量最大、規(guī)格最全、精度最高、性能最優(yōu)的門架槽鋼生產基地。

實施后表面質量持續(xù)改善，并達到機加工狀態(tài)水平。

4 結語

通過新材質軋輥的選型、延伸孔優(yōu)化布局、預緊式修磨處理、強化冷卻水管等創(chuàng)新性技術的研究、開發(fā)實施，有效解決了門架槽鋼軋制過程軋輥局部磨損對表面質量的影響；

系統(tǒng)分析不同工序不同溫度下表面氧化鐵皮產生機理，基于差異化斷面形狀的三次高效定制化除鱗技術和低溫軋制技術，軋制過程氧化鐵皮壓入大大減少，產品表面質量明顯提升。

門架槽鋼表面質量提升管理實施，在廠表面質量控制方面開了先河，首次使用的專用冷卻水管、材質升級和預緊式在線修磨裝置都在實踐生產中表現(xiàn)出了較好的減緩軋輥老化的效果，為廠其他產線的質量控制做出了表率并指明了有效可行的質量管控措施。