開卷機和卷取機進口設(shè)備的國產(chǎn)化研究

黃 怡，吳定川

（武漢鋼鐵重工集團有限公司，湖北 武漢，430083）

作為實現(xiàn)帶鋼生產(chǎn)連續(xù)化、機械化和自動化的重要設(shè)備，開卷機和卷取機廣泛應(yīng)用于熱軋、酸洗、冷軋、平整、連續(xù)退火、涂鍍、精整、重卷、剪切等生產(chǎn)線機組中，是必不可少的關(guān)鍵生產(chǎn)設(shè)備。開卷機和卷取機的種類較多，按其用途可以分為三類：線材開卷機／卷取機、熱軋帶鋼開卷機／卷取機、冷軋帶鋼開卷／卷取機［1］。

熱軋帶材卷取機分地上式和地下式兩種，前者現(xiàn)已很少采用，后者常用于連續(xù)式或半連續(xù)式熱軋帶材軋機機組。隨著熱連軋技術(shù)的發(fā)展，帶鋼產(chǎn)量、規(guī)格、品種的增加，軋制速度不斷提高，卷取熱軋板坯溫度可達600℃～700℃，卷重可達40t［1］，因此對熱軋地下卷取機性能提出了更高的要求。

冷軋帶材開卷機和卷取機是將冷狀態(tài)下鋼卷打開或?qū)搸Ь沓射摼淼臋C械設(shè)備，用在可逆式、連續(xù)式軋制線上和帶鋼精整機組的作業(yè)線上。常用的冷軋帶鋼卷取機分為輥式和卷筒式兩種，前者已很少被使用，本文著重介紹的卷筒式卷取機中的扇形脹縮式卷取機，由斜楔脹縮和棱錐脹縮兩類組成，廣泛應(yīng)用于高速卷取機、大張力卷取機和小張力卷取機上。在現(xiàn)代冷軋車間，軋機正向高速化、大卷重和自動化方向發(fā)展。

1 武鋼引進的開卷機和卷取機的歷史和現(xiàn)狀

1.1 引進設(shè)備的歷史和現(xiàn)狀

1974年，從國外引進一米七軋機成套設(shè)備，其中熱軋廠、硅鋼廠的設(shè)備由日本引進；冷軋廠、二煉鋼的設(shè)備由前西德引進，耗資40多億元。30多年來，經(jīng)過武鋼幾代人的努力，從原來消化吸收專利技術(shù)，發(fā)展到以開發(fā)創(chuàng)新為主，開發(fā)了大量的新產(chǎn)品和武鋼特有的硅鋼生產(chǎn)技術(shù)。

隨著產(chǎn)能的提高，多數(shù)產(chǎn)線的開卷機和卷取機已經(jīng)超出了設(shè)計壽命，設(shè)備精度制約帶鋼質(zhì)量的提高。

1.2 引進設(shè)備的優(yōu)劣勢

當(dāng)時進口的設(shè)備無論是在其結(jié)構(gòu)或是工藝性上，都代表了特定時期的先進性水平。然而，隨著時間推移，市場或用戶群對產(chǎn)品質(zhì)量的日趨升級，進口的開卷機和卷取機也日益暴露出許多問題，特別是在頻頻出現(xiàn)故障后，難以得到及時維修。

1）涉及技術(shù)保密，因而資料不全。雖不代表最先進技術(shù)，但國外企業(yè)仍不會提供詳細的制造、安裝和調(diào)試圖，導(dǎo)致設(shè)備出現(xiàn)故障后無法維修。

2）易損件為非標(biāo)或國外企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，國內(nèi)市場難以采購，或采購成本高，供貨周期長。

3）隨機附贈的備件數(shù)量有限，用盡后重新加工的備件因與原件不匹配，影響設(shè)備的整體精度和性能。且購置國外原品備件不但需耗費巨資，還會因周期長影響生產(chǎn)。

4）設(shè)備出現(xiàn)故障后，因核心技術(shù)控制在外方手中，如需聘請外方專家，不但難以及時到場，還需支付高額的服務(wù)費用，后期售后服務(wù)難以保障。

基于上述劣勢，加之鋼鐵市場嚴峻的形勢，消化、吸收國外先進設(shè)備的技術(shù)及國產(chǎn)化研究，具有極其重要意義和深遠影響。

2 武鋼重工集團對進口開卷機和卷取機國產(chǎn)化的歷史進程

2.1 起步階段

1980年，原機總廠就組織專人測繪卷筒，并在制造上攻關(guān)。1981年試制成冷軋酸洗開卷機卷筒。1987年，經(jīng)過三年試制，成功制造了ZR1大張力軋機卷取機卷筒。

2.2 成長階段

1998年，成立了開卷中心，獨立車間專業(yè)從事連軋帶鋼線成套設(shè)備為主導(dǎo)產(chǎn)品的生產(chǎn)業(yè)務(wù)單元，先后成功國產(chǎn)化森吉米爾ZR2和ZR3大張力軋機卷取機。1997－2000年，成功實現(xiàn)熱軋地下卷取機國產(chǎn)化。

2.3 發(fā)展階段

2005年，開卷中心成立了卷筒研發(fā)中心，致力于消化、吸收進口開卷機和卷取機的結(jié)構(gòu)，在原設(shè)計基礎(chǔ)上大膽創(chuàng)新，結(jié)合用戶需求，持續(xù)改進，使結(jié)構(gòu)和工藝均優(yōu)于原設(shè)計。構(gòu)建出完整的產(chǎn)品咨詢、設(shè)計、研發(fā)、制造、物流、安裝、調(diào)試和售后服務(wù)鏈，最大限度地為用戶創(chuàng)造價值。

3 開卷機和卷取機的國產(chǎn)化應(yīng)用

3.1 國產(chǎn)化的基礎(chǔ)

任何一臺進口設(shè)備在原理上必有其先進性，這就需要充分消化進口設(shè)備的設(shè)計理念和設(shè)計原理，與現(xiàn)場工況、用戶要求、制造能力、制造成本等因素相結(jié)合，使國產(chǎn)化后的設(shè)備既能滿足現(xiàn)場使用的功能性要求，又能解決工藝性難題，還能提高設(shè)備的性價比，節(jié)約資金，取得明顯的經(jīng)濟效益。因此，在進行開卷機和卷取機的國產(chǎn)化中遵循“三點一線”的模式：“三點”即針對進口設(shè)備的結(jié)構(gòu)、工藝、材料三個關(guān)鍵點分析，運用科學(xué)的手段，合理創(chuàng)新；“一線”指采用“流水生產(chǎn)線”式制造管理模式，降低制造成本，提高生產(chǎn)效率。

武鋼重工經(jīng)過三代人的共同努力，按“三點一線”的模式不斷吸收各國經(jīng)驗，在武鋼主體廠的技術(shù)專家、專檢員及一線操作工人的密切配合下，在實踐中不斷創(chuàng)新，使制造能力得以不斷提高，由單一生產(chǎn)修復(fù)卷筒到仿制整機，由與國外聯(lián)合制造到自行研發(fā)制造整機，開卷、卷取機生產(chǎn)能力除滿足武鋼的生產(chǎn)需求，還向全國各地供給優(yōu)質(zhì)的開卷、卷取機設(shè)備。

3.2 結(jié)構(gòu)創(chuàng)新

在對硅鋼森吉米爾大張力軋機卷取機國產(chǎn)化研究時，對其在現(xiàn)場的使用狀況做了詳細的調(diào)查和數(shù)據(jù)采集，進口設(shè)備存在以下問題：1）扇形板波紋邊易多處斷齒，使鋼卷內(nèi)圈產(chǎn)生折痕；2）扇形板鉗口易出現(xiàn)變形、斷裂、邊緣處塌陷變形；3）鉗口備件方向有左右之分，庫房需分別訂購，不利于庫房實現(xiàn)“零庫存”管理；4）鉗口活塞缸處易漏油且易進入灰塵等雜物劃傷缸孔；5）脹縮液壓缸易漏油，影響系統(tǒng)壓力和卷筒的正常脹縮徑。

針對上述問題，采用先進制造方法，在原設(shè)計基礎(chǔ)上進行創(chuàng)新。如運用反求工程理論，用精密儀器測量手段對原品測量，根據(jù)測量數(shù)據(jù)，使用SOLIDWORKS建模方法重構(gòu)其CAD模型，以此為基礎(chǔ)，對開卷機和卷取機進行設(shè)計開發(fā)和生產(chǎn)。

針對問題1），將扇形板波紋邊由寬齒改為窄齒后，消除了斷齒現(xiàn)象，扇形板的波紋邊能起到很好的脹緊和支承的作用。

針對問題2），運用CAD將實物轉(zhuǎn)化為三維實體模型，運用ANSYS有限元分析軟件對卷取機鉗口的強度進行分析、計算和比較，確定其危險截面和受力點，優(yōu)化鉗口的結(jié)構(gòu)設(shè)計。

針對問題3），將左、右卷取機固定鉗口槽的不對稱設(shè)計改為了對稱結(jié)構(gòu)設(shè)計，成功實現(xiàn)了鉗口的互換性，為用戶減少了庫存量。

針對問題4），通過改變活塞的密封槽位置、增加防塵蓋等方式，解決鉗口活塞缸的漏油問題，延長活塞和缸孔的使用壽命。

針對問題5），在脹縮液壓缸缸蓋端面新增了密封槽和密封圈，解決了液壓缸的漏油問題。

此外，為易于設(shè)備加工，將主軸齒形改壓力角為20°的標(biāo)準(zhǔn)齒形，并運用ANSYS對其進行強度校核，運用仿真成型技術(shù)模擬卷筒裝配及符合工況條件下的工作過程。

對二冷軋重卷線開卷機國產(chǎn)化研制時，由于主軸和扇形板間用了一組6個，共24個導(dǎo)向銷定位，制造精度要求高、加工難度大，若長期使用易使扇形板卡死，阻礙其運動。通過減少彈簧組數(shù)，在每塊扇形板的兩頭各設(shè)計一組碟簧，既減少了約束又滿足性能要求。

3.3 工藝創(chuàng)新

對熱軋地下卷取機國產(chǎn)化研制時，銅柱塞是卷筒的核心部件之一，同一棱面上各個銅柱塞的斜面中心至平面中心的中心高尺寸是否一致，會影響到各個銅柱塞受力的均勻性?？紤]到設(shè)備的加工精度及人的因素?zé)o法保證其工藝性，設(shè)計專用組合夾具作為輔助加工工具，使高度誤差控制在0.03mm以內(nèi)。

對硅鋼森吉米爾大張力軋機卷取機國產(chǎn)化研制時，鉗口是卷筒的核心部件之一，其制造精度會直接影響鋼卷成材率及卷筒的使用壽命。鉗口屬細長件，且必須經(jīng)過多個熱處理工序，易變形。為此，將鉗口改為分段式，從根本上解決了鉗口的熱處理變形問題，且易于安裝和調(diào)試。

對二冷軋卡羅塞爾卷取機國產(chǎn)化研制時，扇形板厚度薄，總長2 500mm以上。這類扇形板屬于超薄超長類零件，若按平放狀態(tài)進行熱處理工序，將會造成扇形板的嚴重變形，不僅影響安裝精度，且扇形板在斜面上運動時易卡阻，影響卷筒的正常脹縮。設(shè)計熱處理工裝，將其與四塊扇形板組裝成整圓后，以懸掛狀態(tài)入爐內(nèi)調(diào)質(zhì)處理，控制其變形。

對二冷軋重卷線開卷機國產(chǎn)化研制時，卷筒長度達2 300mm。為解決導(dǎo)向銷和銷孔配合精度問題，采用了先裝配后加工的工藝順序，使各孔在使用狀態(tài)下整體加工，確保各銷孔間位置精度，從而使四塊扇形板在斜楔的推動下在主軸上實現(xiàn)徑向脹縮運動，活動自如。此外，德國原品采用的熱處理方案是：主軸和一字型楔條各采用調(diào)質(zhì)處理，氮化兩者之間的“七字形”楔形條，熱處理工藝極易使其發(fā)生扭曲變形且很難校正?？蛇x擇氮化相對不易變形的主軸和變形后易校正的“一字型”楔條。實踐證明，使用效果好于原品。

3.4 材料創(chuàng)新

在國產(chǎn)化研究過程中，通過對現(xiàn)場工況的深入了解，在滿足設(shè)備功能前提下，先后對鉗口、扇形板、棱錐軸等主要件的材質(zhì)作出更改，主要遵循以下原則。

1）優(yōu)先選擇國標(biāo)系列。

選擇性能優(yōu)良、性價比高的材質(zhì)，通過熱處理等手段，提高其機械性能，達到或高于原品材質(zhì)的機械性能要求。

2）通過材質(zhì)替換降低工藝成本和制造難度。

對硅鋼ZR4和ZR5軋機開卷機國產(chǎn)化研究時，原品棱錐軸套筒為鑄銅件設(shè)計，因國外鑄銅技術(shù)比國內(nèi)先進，若還是沿用鑄銅棱錐套筒的設(shè)計，毛坯內(nèi)部極易出現(xiàn)氣孔、夾渣等缺陷，且鑄銅件制造成本高。因此，將其改為鑄鐵件后，兼具更高的抗拉強度、沖擊功、良好的鑄造工藝性能、伸長率和導(dǎo)熱性。

3.5 建立流水生產(chǎn)線的制造管理模式

對各類型號的進口設(shè)備進行分析，將卷取機的結(jié)構(gòu)設(shè)計定義為標(biāo)準(zhǔn)化模塊生產(chǎn)，為批量化生產(chǎn)提供技術(shù)支持。推翻原有的粗精加工混搭的落后生產(chǎn)組織模式，建立科學(xué)合理的新的制造管理模式，合理配置機床，將重要零部件的粗加工和精加工完全分離，在裝配區(qū)域完成零部件的組裝和調(diào)試。

4 結(jié)論

1）對引進的開卷機和卷取機的國產(chǎn)化，不但能為企業(yè)節(jié)約大量的采購成本，還便于現(xiàn)場的生產(chǎn)和維護，順應(yīng)了武鋼倡導(dǎo)的“進口備件國產(chǎn)化、國產(chǎn)備件本土化”企業(yè)要求，極具推廣和應(yīng)用價值。

2）對進口設(shè)備的國產(chǎn)化絕不僅僅停留在模仿階段，應(yīng)開拓思維，勇于創(chuàng)新，找到新的突破口和生存空間。

3）進口設(shè)備國產(chǎn)化時，應(yīng)將設(shè)備的使用情況與現(xiàn)場生產(chǎn)服務(wù)相結(jié)合，持續(xù)改進和發(fā)展。

［1］ 鮑思賀，陳述良，等.板帶車間機械設(shè)備設(shè)計［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，1987.