棒線材無(wú)頭焊接軋制設(shè)備及其經(jīng)濟(jì)效益

楊 謖

(福建三鋼閩光股份有限公司，福建 三明 365000)

傳統(tǒng)棒線材采用的是單坯軋制機(jī)理[1]進(jìn)行生產(chǎn)，其中加熱爐出爐門(mén)至1#軋機(jī)機(jī)列之間布置帶保溫罩的輸送輥道。采用單坯軋制機(jī)理進(jìn)行生產(chǎn)存在設(shè)備故障率高、坯料損耗量大等問(wèn)題。通過(guò)對(duì)舊生產(chǎn)線進(jìn)行改造升級(jí)，在出爐門(mén)至1#軋機(jī)機(jī)列之間布置無(wú)頭焊接軋制系統(tǒng)，可以有效地提高設(shè)備利用率[2]和材料收得率[3]，增加產(chǎn)能。

無(wú)頭焊接軋制是通過(guò)焊機(jī)將前后兩根坯料的頭、尾焊接在一起，并清除焊接區(qū)域表面的毛刺，在保證焊接區(qū)域質(zhì)量的前提下實(shí)現(xiàn)無(wú)頭軋制[4]。王睿等表明窄搭接焊接和激光焊接適合于板材的連接，而閃光焊接適合于板材或棒材的連接[5]。張永清等介紹了棒線材無(wú)頭軋制系統(tǒng)的組成及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分析了其組成裝置及其功能[6]。盧寧等介紹了無(wú)頭軋制設(shè)備的主要組成部分，分析了閃光焊接的工藝過(guò)程，并著重分析了無(wú)頭軋制關(guān)鍵技術(shù)[7]。董占奎等介紹了連鑄連軋全無(wú)頭軋制技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，表明薄板坯無(wú)頭軋制技術(shù)將會(huì)發(fā)揮其超常規(guī)的能力和優(yōu)勢(shì)[8]。

綜上所述，學(xué)者們針對(duì)無(wú)頭焊接軋制系統(tǒng)設(shè)備的組成、功能以及軋制工藝的研究較多，但是關(guān)于如何保障無(wú)頭焊接軋制正常運(yùn)行，以及采用無(wú)頭焊接軋制系統(tǒng)產(chǎn)生多少經(jīng)濟(jì)效益的研究較少?；诖耍P者在介紹無(wú)頭焊接軋制系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備后，闡述了無(wú)頭焊接軋制正常運(yùn)行的基本保障，以及采用無(wú)頭焊接軋制工藝所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益。

1 無(wú)頭焊接軋制系統(tǒng)基本概況

無(wú)頭焊接軋制系統(tǒng)的機(jī)械設(shè)備布置于加熱爐出爐門(mén)至1#軋機(jī)機(jī)列之間，主要包括：除磷機(jī)、帶保溫罩輥道、升降輥道、方坯焊機(jī)、焊機(jī)機(jī)芯、夾送輥、去毛刺系統(tǒng)。無(wú)頭焊接軋制系統(tǒng)的區(qū)域布置如圖1所示。

圖1 無(wú)頭焊接軋制系統(tǒng)區(qū)域布置

方坯焊機(jī)安裝在一個(gè)由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的帶輪小車支撐座上，在軌道上運(yùn)行，其運(yùn)動(dòng)速度從預(yù)設(shè)定位置開(kāi)始啟動(dòng)加速直到與第一架軋機(jī)咬入的速度保持一致。另外，方坯焊機(jī)根據(jù)焊接鋼種和熔化溫度的不同可以選擇相應(yīng)的焊接程序。坯料經(jīng)帶保溫罩輥道輸送到焊接區(qū)域后，坯料前端與已經(jīng)在1#軋機(jī)中軋制坯料的尾端實(shí)施閃光對(duì)焊，如圖2所示。閃光焊接過(guò)程是通過(guò)加熱熔化兩坯料的相對(duì)端面，隨之由液壓缸將兩個(gè)熔化面擠壓焊接在一起，如圖3所示。坯料焊接結(jié)束后經(jīng)夾送輥裝置送入去毛刺系統(tǒng)清除焊接區(qū)域表面的毛刺。最后焊機(jī)回到初始位置，而前后兩根坯料則如單根坯料一般進(jìn)行連續(xù)軋制。焊接裝置為簡(jiǎn)單重載型結(jié)構(gòu)，可以非常好地避免出現(xiàn)污染等問(wèn)題；而且對(duì)所有暴露在熱輻射下的部件進(jìn)行水冷，可以防止零部件出現(xiàn)熱衰減等情況。

圖3 夾緊液壓缸

2 無(wú)頭焊接軋制系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備

2.1 除磷機(jī)

高壓除磷機(jī)位于加熱爐出爐門(mén)口處，主要由兩臺(tái)單驅(qū)動(dòng)輥?zhàn)雍统[箱組成，除鱗箱內(nèi)裝有噴嘴。高壓水通過(guò)噴嘴產(chǎn)生機(jī)械沖擊力實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼坯表面較厚且致密的氧化鐵皮進(jìn)行全方位的清除，防止氧化鐵皮在軋制過(guò)程被軋輥壓入，造成鋼表面出現(xiàn)點(diǎn)狀、條紋狀、面狀情況，影響成品質(zhì)量。另外，清除鋼坯表面的氧化鐵皮還可以降低軋輥的磨損速度，延長(zhǎng)軋輥的使用壽命。

2.2 帶保溫罩輥道

帶保溫罩輥道位于高壓除鱗機(jī)之后，由兩個(gè)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)的輥?zhàn)訛橐唤M進(jìn)行布置安裝，共有4組輥?zhàn)?。其中輥道架為焊接鋼結(jié)構(gòu)，輥?zhàn)咏M件內(nèi)部采用水冷方式進(jìn)行冷卻，并選用滾柱軸承安裝于水冷軸承座上，軸承座與輥道架之間通過(guò)絕緣件進(jìn)行絕緣，防止閃光對(duì)焊時(shí)電流流失影響焊接質(zhì)量。保溫罩通過(guò)液壓驅(qū)動(dòng)進(jìn)行開(kāi)啟與閉合，且其內(nèi)壁裝有保溫材料，保證鋼坯的開(kāi)軋溫度。

2.3 升降輥道

升降輥道位于方坯焊機(jī)閃光對(duì)焊的區(qū)域中，共有8個(gè)升降輥?zhàn)?，其?個(gè)輥?zhàn)游挥诤笝C(jī)機(jī)芯內(nèi)，可隨焊機(jī)機(jī)芯進(jìn)行縱向移動(dòng)，其余6個(gè)輥?zhàn)游挥谲堉凭€上。當(dāng)升降輥道作業(yè)時(shí)，升降輥?zhàn)佑呻姍C(jī)經(jīng)聯(lián)軸器帶動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，再通過(guò)鏈輪鏈條帶動(dòng)傳動(dòng)軸實(shí)現(xiàn)輥?zhàn)愚D(zhuǎn)動(dòng)，且輥?zhàn)优c傳動(dòng)軸通過(guò)絕緣件進(jìn)行絕緣。當(dāng)方坯焊機(jī)經(jīng)過(guò)時(shí)，方坯焊機(jī)上的壓下輥道控制元件通過(guò)對(duì)導(dǎo)向板進(jìn)行下壓，實(shí)現(xiàn)輥?zhàn)酉陆祫?dòng)作；當(dāng)導(dǎo)向板脫離壓下輥道控制元件后，輥?zhàn)油ㄟ^(guò)反平衡作用實(shí)現(xiàn)上升動(dòng)作。

2.4 方坯焊機(jī)

用于坯料焊接的方坯焊機(jī)裝配圖，如圖4所示。方坯焊機(jī)主要由焊機(jī)小車支撐座、焊機(jī)夾緊單元、方坯對(duì)接導(dǎo)向裝置、主動(dòng)缸與從動(dòng)缸組件、壓下輥道控制元件、焊接傾動(dòng)組件、火花抑制器組件、夾鉗組件、電氣系統(tǒng)、走道裝配等組成。

圖4 方坯焊機(jī)裝配

方坯焊機(jī)焊接時(shí)部件的動(dòng)作由液壓進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，而焊接的參數(shù)則由電氣系統(tǒng)進(jìn)行控制。焊機(jī)小車支撐座為鋼結(jié)構(gòu)框架，由電動(dòng)馬達(dá)帶動(dòng)減速箱經(jīng)齒條驅(qū)動(dòng)焊機(jī)設(shè)備沿軌道往軋制方向進(jìn)行移動(dòng)，其移動(dòng)速度與坯料咬入第一架軋機(jī)的速度相同。焊機(jī)夾緊單元由2個(gè)夾鉗裝置組成，每個(gè)夾鉗裝置包含本體、液壓缸和2個(gè)夾鉗組件(上部和下部)；其中出口夾鉗不動(dòng)，入口夾鉗相對(duì)出口鉗能夠移動(dòng)360mm，夾緊力可以通過(guò)調(diào)節(jié)控制閥進(jìn)行調(diào)整。方坯對(duì)接導(dǎo)向裝置由上、下兩個(gè)部分組成，其作用不僅可以使坯料準(zhǔn)確對(duì)中符合焊接要求，而且也為焊接時(shí)提供擠壓力。主動(dòng)缸與從動(dòng)缸組件的作用在于提供足夠的擠壓力將坯料焊接在一起。壓下輥道控制元件作用于升降輥道上的導(dǎo)向板，保證焊機(jī)移動(dòng)時(shí)不受升降輥?zhàn)拥挠绊憽：附觾A動(dòng)組件由液壓缸、傾斜軸、滑軌和連接臂組成，用于傾斜焊機(jī)使得坯料接近下夾鉗，便于對(duì)坯料的夾持與對(duì)中。火花抑制器組件是一個(gè)單箱裝置，通過(guò)一個(gè)液壓缸進(jìn)行控制，配有堅(jiān)實(shí)的刀刃，可以消除達(dá)到一定體積的火花飛濺束或聚集團(tuán)。

2.5 焊機(jī)機(jī)芯

焊機(jī)機(jī)芯是通過(guò)液壓缸在基礎(chǔ)軌道上實(shí)現(xiàn)縱向移動(dòng)，其結(jié)構(gòu)為鋼結(jié)構(gòu)框架，內(nèi)含2個(gè)升降輥?zhàn)雍?個(gè)由電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)輥?zhàn)咏M成的旁通輥道。焊機(jī)機(jī)芯的作用在于方坯焊機(jī)不需要作業(yè)或出現(xiàn)故障需要檢修時(shí)，可以將焊機(jī)由液壓缸移動(dòng)到離線位置，而坯料可以通過(guò)旁通輥道進(jìn)行輸送生產(chǎn)。

2.6 夾送輥

無(wú)頭焊接軋制系統(tǒng)中的夾送輥有2臺(tái)，主要功能在于導(dǎo)鋼與定位。夾送輥的主體為焊接機(jī)加工鋼，水冷懸臂上裝有輥?zhàn)?采用集中干油潤(rùn)滑系統(tǒng))，輥?zhàn)优c底座通過(guò)絕緣件進(jìn)行絕緣。夾送輥上輥的開(kāi)啟與閉合由液壓驅(qū)動(dòng)，下輥則由電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

2.7 去毛刺系統(tǒng)

去毛刺系統(tǒng)由水平去毛刺機(jī)、立式去毛刺機(jī)以及底座3個(gè)部件組成，位于夾送輥B之后，用于清除焊接區(qū)域表面的毛刺。不同于以往的刀片式去毛刺，此系統(tǒng)采用刀盤(pán)式，可以根據(jù)坯料大小調(diào)整兩側(cè)刀盤(pán)間隙，刀盤(pán)的上下、前后動(dòng)作由液壓驅(qū)動(dòng)。其中，水平去毛刺機(jī)由頂部?jī)蓚€(gè)液壓缸動(dòng)作經(jīng)連桿保證上下刀盤(pán)同步；立式去毛刺機(jī)由兩側(cè)兩個(gè)液壓缸驅(qū)動(dòng)保證刀盤(pán)同步，且水平與立式去毛刺機(jī)各有6個(gè)刀盤(pán)作用于焊接區(qū)域。

3 無(wú)頭焊接軋制系統(tǒng)基本保障

3.1 確保鑄坯外形質(zhì)量符合要求

其中，方坯焊接區(qū)域的邊長(zhǎng)偏差≤2%；對(duì)角線邊長(zhǎng)偏差(偏菱形)≤3%；整根坯料的扭轉(zhuǎn)度2度/m(最大4度/m)；整根坯料的拱度≤95mm，頭尾一米≤13mm；端部縱向不規(guī)則8mm。

3.2 確保所有輥道得到充分潤(rùn)滑

所有輥道在使用前必須確保軸承等部位加滿潤(rùn)滑脂；輥道運(yùn)行時(shí)無(wú)異常響聲、振動(dòng)或其他異常情況。另外，由于輥道作業(yè)環(huán)境惡劣，因此至少每半個(gè)月需要對(duì)潤(rùn)滑點(diǎn)進(jìn)行全面檢查并加潤(rùn)滑脂一次。

3.3 定期清理火花抑制器

方坯焊機(jī)在對(duì)坯料進(jìn)行焊接時(shí)會(huì)產(chǎn)生非常多的火花飛濺束，通過(guò)火花抑制器可以有效地收集火花。因此，維修部門(mén)需要每周結(jié)合換品種時(shí)間更換火花抑制器，并離線對(duì)其清理維護(hù)。

3.4 定期更換絕緣材料

閃光對(duì)焊過(guò)程需要很大的電流密度對(duì)坯料進(jìn)行加熱，因此足夠的功率是保證焊接區(qū)域質(zhì)量合格的前提。然而，部分絕緣材料安裝于設(shè)備的內(nèi)部，日常維護(hù)無(wú)法確定其是否完好，因此定期更換絕緣材料是確保設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)的重要保障措施之一。

4 無(wú)頭焊接軋制工藝的經(jīng)濟(jì)效益

無(wú)頭焊接軋制工藝具有增加產(chǎn)能、降低生產(chǎn)成本、便于工廠管理等優(yōu)點(diǎn)。采用無(wú)頭焊接軋制工藝一方面是可以避免切頭尾、消除坯料軋制間隔時(shí)間、消除短尺、減少軋制堆鋼次數(shù)；另一方面是因?yàn)槿B續(xù)軋制，所以設(shè)備沖擊小，設(shè)備故障率降低，設(shè)備可靠性提升，設(shè)備作業(yè)率提高。通過(guò)無(wú)頭尾軋制可以解決穿帶問(wèn)題；通過(guò)無(wú)非穩(wěn)定軋制可以提高質(zhì)量穩(wěn)定性和成材率；通過(guò)提高穿帶速度并使間隙時(shí)間為零可以提高生產(chǎn)效率。但是，無(wú)頭焊接軋制工藝也會(huì)增加成本：①電耗、煤氣耗增加；②由于焊接位置冗余材料的清除會(huì)導(dǎo)致材料損失；③增設(shè)無(wú)頭焊接軋制設(shè)備會(huì)導(dǎo)致維護(hù)人工及備件消耗成本增加。通過(guò)結(jié)合某棒材線生產(chǎn)情況，綜合分析得出無(wú)頭焊接軋制工藝的經(jīng)濟(jì)效益，如表1所示。

表1 無(wú)頭焊接軋制工藝經(jīng)濟(jì)效益

由表1可知，當(dāng)采用無(wú)頭焊接軋制工藝進(jìn)行軋制時(shí)，噸材效益增加10.69元。若按年產(chǎn)120萬(wàn)噸，設(shè)備運(yùn)行率90%進(jìn)行計(jì)算，年可創(chuàng)效益120×0.9×10.69=1 154.52萬(wàn)元。

5 結(jié)論

通過(guò)采用無(wú)頭焊接軋制工藝對(duì)傳統(tǒng)單坯軋制機(jī)理的生產(chǎn)線進(jìn)行改造升級(jí)，并進(jìn)一步深化智能制造生產(chǎn)管理理念，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)生產(chǎn)運(yùn)行目標(biāo)，可使得棒線材生產(chǎn)管理水平得到進(jìn)一步的提升。無(wú)頭焊接軋制工藝的優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)在：①無(wú)頭焊接軋制系統(tǒng)的機(jī)械設(shè)備布置于加熱爐出爐爐門(mén)至1#軋機(jī)機(jī)列之間，在滿足空間的情況下，適用于廣大的傳統(tǒng)棒線材生產(chǎn)線的改造升級(jí)；②無(wú)頭焊接軋制系統(tǒng)改變了傳統(tǒng)的生產(chǎn)工藝，從而使得生產(chǎn)能力、材料收得率、生產(chǎn)成本、工廠管理等得到大幅度的改善；③該工藝提高了生產(chǎn)線的自動(dòng)化程度，進(jìn)一步保障了生產(chǎn)人員的生命財(cái)產(chǎn)安全；④雖然短期投入成本較高，但從長(zhǎng)期來(lái)看，該工藝可以有效地提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。