37#球扁鋼槽式閉口軋法孔型設(shè)計(jì)實(shí)踐

丁光輝

(宿遷南鋼金鑫軋鋼有限公司，江蘇 宿遷 223800)

球扁鋼是造船業(yè)的專(zhuān)用結(jié)構(gòu)型材，用于船的殼體加強(qiáng)筋，對(duì)船體的結(jié)構(gòu)安全和承載能力有重要影響[1]。近幾年，國(guó)內(nèi)造船業(yè)蓬勃發(fā)，造船行業(yè)總噸位量已躍居世界第一，隨著船型的大型化、高端化(LNG、LPG、LNG、海工裝備等)，尤其，PSPC標(biāo)準(zhǔn)的推行對(duì)球扁鋼產(chǎn)品質(zhì)量(表面質(zhì)量、尺寸精度、平直度、腹板直邊和球頭飽滿(mǎn)度等)要求越來(lái)越高[2]。

球扁鋼斷面(如圖1)由球頭和腹板組成，斷面不對(duì)稱(chēng)，屬異型斷面型鋼，斷面各部位(球頭與腹板)上所占金屬量有較大的差異。斷面的不對(duì)稱(chēng)導(dǎo)致軋制過(guò)程中存在變形不均勻、軋制難度極大，尤其是大規(guī)格球扁鋼，工藝設(shè)計(jì)、生產(chǎn)技術(shù)難度大[3]。

圖1 球扁鋼斷面

宿遷南鋼金鑫軋鋼有限公司根據(jù)多年積累的型材設(shè)計(jì)、生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行充分理論分析和創(chuàng)新，摸索出了在槽式軋制法的基礎(chǔ)上，完全采用閉口槽式孔型系統(tǒng)軋制出高質(zhì)量的30#-43#大規(guī)格球扁鋼。通過(guò)生產(chǎn)實(shí)踐，掌握了不同軋制方法下金屬變形規(guī)律。同時(shí)，自主研制滾動(dòng)導(dǎo)板在球扁鋼上的運(yùn)用，成功解決了球頭劃傷的技術(shù)難題。

1 主要工藝裝備及生產(chǎn)工藝流程

主要工藝裝備為：

加熱爐：80 t/h，三段連續(xù)推鋼式加熱爐。

粗軋機(jī)：850×1軋機(jī)，為二輥可逆式。

中軋機(jī)：750×1軋機(jī)，為三輥可逆式。

精軋機(jī)：650×2軋機(jī)，一架為三輥可逆，一架為二輥不可逆。

成品軋機(jī)：650×1軋機(jī)，為二輥不可逆。

精整設(shè)備：熱鋸機(jī)、1000 mm矯直機(jī)各一臺(tái)、2臺(tái)冷鋸和與之配套的冷床、檢驗(yàn)臺(tái)架。

生產(chǎn)工藝流程如圖2所示。

圖2 生產(chǎn)工藝流程

球扁鋼規(guī)格尺寸現(xiàn)有國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T9945-2008)、歐洲標(biāo)準(zhǔn)(EN10163-3：2004)、日本標(biāo)準(zhǔn)(JIS G3192-2008)等三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，且相互接軌，斷面及幾何尺寸公差要求一致。37#球扁鋼尺寸要求如表1所示。

表1 37#球扁鋼尺寸及偏差

2 孔型及配輥設(shè)計(jì)

宿遷南鋼金鑫軋鋼有限公司生產(chǎn)的大規(guī)格系列球扁鋼采用集團(tuán)公司所生產(chǎn)的連鑄坯。37#球扁鋼采用坯料斷面為250×300 mm、250×350 mm，同時(shí)，也能采185×280 mm、230×300 mm、230×350 mm斷面坯料。不同斷面的矩形坯充分利用850可逆粗軋機(jī)的能力可獲得所需的中間坯尺寸，生產(chǎn)組織靈活。

2.1 孔型系統(tǒng)

基于37#球扁鋼的尺寸特點(diǎn)，采用槽式孔型系統(tǒng)。該孔型系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：(1)將腹板分成水平段和彎曲段，孔型形狀接近對(duì)稱(chēng)，金屬變形較為均勻，軋制具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性；(2)由于軋件斷面左右形狀接近對(duì)稱(chēng)，軋制過(guò)程中軋輥軸向力較小，軋輥不易竄動(dòng)，減輕產(chǎn)生彎曲等不均勻變形；(3)顯著減小孔寬，軋輥利用率得以提高，還可利用較扁平的坯料或較小斷面的坯料軋制較大規(guī)格的球扁鋼；(4)與直軋孔型系統(tǒng)相比，軋制負(fù)荷較小；(5)孔型設(shè)計(jì)和軋輥、導(dǎo)衛(wèi)的設(shè)計(jì)及準(zhǔn)備工作相對(duì)復(fù)雜，準(zhǔn)備時(shí)間稍長(zhǎng)。

針對(duì)球扁鋼生產(chǎn)中變形的嚴(yán)重不均勻性，在槽式孔型系統(tǒng)中，采用閉口孔型。閉口軋法孔型系統(tǒng)具有顯著的優(yōu)勢(shì)：(1)軋件寬度容易控制；(2)輥環(huán)工作面靠死，軋輥基本沒(méi)有軸向竄動(dòng)，軋制穩(wěn)定；(3)閉口式軋法中，球頭及腹板鎖口交替，使軋件各部位加工良好，產(chǎn)品表面質(zhì)量好，表面光潔、球頭飽滿(mǎn)。

經(jīng)對(duì)孔型系統(tǒng)特點(diǎn)的分析，結(jié)合公司850軋機(jī)、750軋機(jī)、650軋機(jī)的特點(diǎn)，確定采用槽式閉口孔型，孔型系統(tǒng)如圖3所示。其中，850粗軋機(jī)利用了高溫下鋼塑性好的特點(diǎn)，加大1～5孔的壓下量和側(cè)壓，使后面750、650變形孔壓下均勻，軋制中不易產(chǎn)生軋制缺陷，各孔負(fù)荷波動(dòng)不大，孔型磨損小，極大地提高了孔型的軋制量。

圖3 37#球扁鋼孔型系統(tǒng)

2.2 孔型設(shè)計(jì)要點(diǎn)

槽式孔型形狀尺寸設(shè)計(jì)是大規(guī)格球扁鋼工藝設(shè)計(jì)的關(guān)鍵之一。其孔型形狀如圖4所示。

圖4 槽式孔型示意圖

(1)腹板的水平長(zhǎng)度L

L=(0.65-0.75)B

其中，B球扁鋼寬度。各道次L值向K2孔逐漸減小。

(2)腿與腹板的水平夾角

設(shè)計(jì)中將成前孔(K2)腿部彎折角度減小至16°左右，使軋件進(jìn)入成品孔(K1)時(shí)給予較小的角度變化，腿部扳直過(guò)程的變形抗力減小，避免軋件在成品孔中腿部(被彎折的腹板)劇烈折彎而產(chǎn)生橫向的傾翻力矩，提高軋件軋制穩(wěn)定性。設(shè)計(jì)中將由成品前孔(K2)16°左右逐漸過(guò)渡至槽式切深孔(第K5孔)的50°左右，將腿部彎折角度變量積聚分布在K6-K8延伸孔上。

(3)展寬系數(shù)一般取0.3-0.8，規(guī)格越大取值越小。

(4)壓下系數(shù)，以球扁鋼腰部壓下系數(shù)為基準(zhǔn)，腰部的壓下系數(shù)比球頭部壓下系數(shù)適當(dāng)增大，從成品孔向后逐漸增大。

(5)腹板寬度嚴(yán)格控制。腿部逐漸扳直過(guò)程中，腿端外沿受到兩向拉應(yīng)力，容易造成腿端外沿金屬的拉裂。因此，須對(duì)K4-K1孔的腹部寬度嚴(yán)格控制，采用上、下交替配置的閉口孔型，使腿端在軋制過(guò)程中受雙向壓應(yīng)力，以保證腿端形狀飽滿(mǎn)和加工良好。

(6)球頭及表面質(zhì)量控制。由于球頭和腹板是球扁鋼重要工作面，承受較大應(yīng)力，其中組織缺陷或表面缺陷都將會(huì)造成應(yīng)力集中，容易產(chǎn)生破壞。為了改善表面質(zhì)量，設(shè)計(jì)中分步考慮：

a)在850粗軋開(kāi)坯機(jī)上配置二個(gè)箱形孔進(jìn)行翻面軋制，并給予1.8的壓縮比，使坯料變形充分，破碎鑄態(tài)組織，改善表面和內(nèi)部組織，再配以較高的切入楔子進(jìn)行二次切深，以獲得槽形粗軋坯，進(jìn)入中精軋機(jī)列。

b)為了獲得形狀飽滿(mǎn)的球頭，在精軋750 機(jī)架上利用K5、K3孔作為球頭控制孔。

c)由于37#球扁鋼球頭占腹板面積的72%，為了減少腹板延伸對(duì)球頭的拉縮，從切深孔至成品前孔給予了逐漸減小的球頭假帽，對(duì)球頭進(jìn)行補(bǔ)償。

2.3 配輥設(shè)計(jì)

考慮到現(xiàn)有生產(chǎn)線主要工藝裝備，特點(diǎn)650軋機(jī)生產(chǎn)大規(guī)格球扁鋼能力偏小，為更好發(fā)揮850可逆式軋機(jī)、750三輥軋機(jī)能力，在配輥設(shè)計(jì)時(shí)考慮650×2機(jī)列的第一架三輥軋機(jī)不用，孔型在各軋機(jī)軋輥配置如表2所示。

表2 孔型在各軋機(jī)軋輥配置情況

3 生產(chǎn)實(shí)踐

3.1 試軋及調(diào)試

37#球扁鋼工藝設(shè)計(jì)完成后，進(jìn)行了第一次試軋，并獲得合格斷面的產(chǎn)品，軋制過(guò)程順利，生產(chǎn)穩(wěn)定。但是由于配輥時(shí)采用了球頭朝下配置方式，熱鋸出現(xiàn)“卡脖子”現(xiàn)象，鋸切、困難，鋸片消耗快，跟不上軋制節(jié)奏。此外球頭易產(chǎn)生劃傷現(xiàn)象，軋制了300多噸，就終止生產(chǎn)。第一次試軋生產(chǎn)的主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)見(jiàn)表3。

表3 第一次生產(chǎn)主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

針對(duì)第一次試軋生產(chǎn)中出現(xiàn)熱鋸“卡脖子”現(xiàn)象，將原配輥設(shè)計(jì)球頭朝下改為球頭朝上的配置工藝，如圖5所示。一是850上軋機(jī)、下輥對(duì)調(diào)，對(duì)K10、K9、K8三孔堆焊配壓；二是750軋機(jī)重新加工一支中輥，上、下輥對(duì)調(diào)；三是650(II)軋機(jī)及成品軋機(jī)上、下輥對(duì)調(diào)。組織第二次試生產(chǎn)，生產(chǎn)鋸切慢、困難及消耗“卡脖子”現(xiàn)象得到有效解決，軋制穩(wěn)定，本次共生產(chǎn)1216.1 t，中廢19.8 t，成廢4.5 t，各項(xiàng)主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)較好，見(jiàn)表4。

圖5 850粗軋配輥修改表4 第二次生產(chǎn)主要技經(jīng)指標(biāo)

原料重量(t)成品材重量(t)成材率(%)電耗(kwh/t)燃耗(m3/t)成廢重量(t)1216．11100．5790．570．450．68．5

對(duì)生產(chǎn)37#球扁鋼13、14、15三個(gè)厚度規(guī)格的整條48 m成品鋼隨機(jī)抽樣進(jìn)行頭、中、尾產(chǎn)品尺寸檢測(cè)如下：

X13厚度：頭部371.5×66.5×13.3(mm)、中部372.0×66.7×13.4(mm)、尾部372.5×66.8×13.5(mm)；

X14厚度：頭部370.0×67.5×14.1(mm)、中部370.5×67.5×14.1(mm)、尾部371×67.7×14.2(mm)；

X15厚度：頭部370.8×68.6×15.0(mm)、中部371.5×68.5×15.1(mm)、尾部：371.6×68.7×15.3(mm)；

從抽樣測(cè)量情況來(lái)看，尺寸完全達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，單支鋼寬度尺寸波動(dòng)在1mm 以?xún)?nèi)、球頭高度尺寸波動(dòng)控制在0.5mm內(nèi)，球頭飽滿(mǎn)、厚度尺寸波動(dòng)控制在0.3mm內(nèi)。

3.2 滾動(dòng)導(dǎo)衛(wèi)在球扁鋼軋制中的運(yùn)用

在進(jìn)行第二次生產(chǎn)前，對(duì)第一次試生產(chǎn)出現(xiàn)的球扁鋼生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)球頭劃傷及球頭形狀不穩(wěn)定現(xiàn)象進(jìn)行了深入分析。由于球扁鋼斷面形狀嚴(yán)重不對(duì)稱(chēng)，在熱軋過(guò)程中采用的槽式孔型系統(tǒng)，設(shè)計(jì)時(shí)球頭和腹板盡管考慮了相近的延伸系數(shù)，但在腹板逐漸扳直的過(guò)程中，向球頭產(chǎn)生一個(gè)傾翻力矩，使軋件斷面扭曲，造成球頭與導(dǎo)板劇烈摩擦而導(dǎo)致軋件表面劃傷。如果采用增大球頭延伸系數(shù)的方法進(jìn)行調(diào)整，又使球頭不能順利進(jìn)入孔槽導(dǎo)致造成球頭形狀缺陷。既然采用調(diào)試方法很難消除大規(guī)格球扁鋼劃傷，應(yīng)設(shè)法減輕球頭與導(dǎo)板的摩擦，使球頭與導(dǎo)板的滑動(dòng)硬摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)闈L動(dòng)摩擦形式，從而改善劃傷制約生產(chǎn)的現(xiàn)象。

盡管棒線材軋制中廣泛使用滾動(dòng)導(dǎo)衛(wèi)，但其工藝條件與大規(guī)格球扁鋼有顯著差異。37#球扁鋼單重60.5 kg/m，熱軋過(guò)程嚴(yán)重不均勻變形；而棒線產(chǎn)品是對(duì)稱(chēng)變形，以?8 mm盤(pán)圓為例，單重僅0.89 kg/m；且高線滾動(dòng)導(dǎo)板采用稀油或油汽集中連續(xù)潤(rùn)滑。而大斷面球扁鋼軋機(jī)設(shè)計(jì)滾動(dòng)導(dǎo)板受現(xiàn)場(chǎng)條件制約，只能采用干油潤(rùn)滑，兩者受力情況、潤(rùn)滑條件有著天壤之別。因此，需要根據(jù)大規(guī)格球扁鋼的生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)進(jìn)行導(dǎo)衛(wèi)設(shè)計(jì)。自主研制的第一副滾動(dòng)導(dǎo)衛(wèi)以現(xiàn)有導(dǎo)板作母體，應(yīng)用于37#球扁鋼精軋出口，對(duì)球頭劃傷有了很大地改善。滾動(dòng)導(dǎo)衛(wèi)使用良好，滾輪有輕微磨損。成品孔進(jìn)口處使用存在一定問(wèn)題，沒(méi)有斜度(未與孔型斜度一致)，使球頭和腹板邊產(chǎn)生輕微的變形。因此，將導(dǎo)輪改為與孔型斜度一致，可解決這一問(wèn)題。目前，滾動(dòng)導(dǎo)衛(wèi)在所有規(guī)格球扁鋼生產(chǎn)上的應(yīng)用已形成了一項(xiàng)穩(wěn)定的工藝，相繼推廣到所有球扁鋼的750、650(Ⅱ)、650成品的球頭出口導(dǎo)衛(wèi)上和650成品進(jìn)口導(dǎo)衛(wèi)上。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)設(shè)計(jì)槽式閉口軋法孔型，成功實(shí)現(xiàn)37#大規(guī)格球扁鋼的熱軋生產(chǎn)。生產(chǎn)實(shí)踐表明，槽式孔型系統(tǒng)適合大規(guī)格球扁鋼的生產(chǎn)，采用閉口式孔型軋法后，軋件各部位加工良好，外形尺寸穩(wěn)定、球頭飽滿(mǎn)、表面光潔，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，完全滿(mǎn)足了高端船舶制造的需要。隨著37#球扁鋼的成功開(kāi)發(fā)，相繼用槽式閉口孔型系統(tǒng)開(kāi)發(fā)了30#-43#大型球扁鋼生產(chǎn)工藝，并取得一次性成功。

[1] 陳昌渝. 我國(guó)船舶工業(yè)的發(fā)展及船舶用鋼的需求狀況[J]. 冶金管理，2007(12)：4-6.

[2] 楊才福，蘇航. 高性能船舶及海洋工程用鋼的開(kāi)發(fā)[J]. 鋼鐵，2012,47(12)：1-8.

[3] 張 純，武志強(qiáng). 球扁鋼生產(chǎn)問(wèn)題淺析[J]. 現(xiàn)代冶金，2016,44(3)：39-40.