宋宇光
(1.山西鋼鐵建設(shè)(集團(tuán))有限公司,太原 030003;2.山西鼎榮冷彎型鋼有限公司,太原030003)
2 100 mm×(2~16)mm 大型縱剪機(jī)組的改造及能力提升
宋宇光1,2
(1.山西鋼鐵建設(shè)(集團(tuán))有限公司,太原 030003;2.山西鼎榮冷彎型鋼有限公司,太原030003)
針對(duì)鋼板縱剪機(jī)組出現(xiàn)的鋼板剪切質(zhì)量不達(dá)標(biāo)、剪切后鋼板表面有劃傷、鋼板剪切后產(chǎn)生鐮刀、分離隔片等工藝執(zhí)行部件磨損嚴(yán)重等問題,進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量、試驗(yàn)研究及分析。根據(jù)分析結(jié)果,采用重新修配圓盤剪主刀軸、增加開卷機(jī)液壓漲力制動(dòng)力、改進(jìn)對(duì)中立輥的液壓回路工作原理和推廣使用新的分離隔片等方法,徹底解決了縱剪線工藝設(shè)備問題,使該成套設(shè)備達(dá)產(chǎn)達(dá)效。
縱剪機(jī)組;主刀軸;對(duì)中立輥;液壓漲力制動(dòng);分離隔片
山西鋼鐵建設(shè)(集團(tuán))有限公司為滿足新建冷彎型鋼廠的生產(chǎn)需要,采購國(guó)內(nèi)某大型重型設(shè)備制造廠鋼板縱剪機(jī)組一套,該設(shè)備設(shè)計(jì)年剪切熱軋卷板能力為30萬t。該成套設(shè)備安裝調(diào)試后,發(fā)現(xiàn)主要存在剪切質(zhì)量差、板帶在機(jī)組中跑偏、板帶分離隔片及剪刃等工藝執(zhí)行部件損壞嚴(yán)重等問題,嚴(yán)重影響機(jī)組發(fā)揮產(chǎn)能,造成型鋼產(chǎn)品質(zhì)量不達(dá)標(biāo),因此,決定對(duì)該設(shè)備進(jìn)行改進(jìn),確保達(dá)產(chǎn)達(dá)效。
該機(jī)組用于熱軋普通碳素結(jié)構(gòu)鋼、低合金結(jié)構(gòu)鋼、不銹鋼等熱軋卷板的連續(xù)縱向剪切分條,剪切范圍為板寬600~2 100 mm,板厚2~16 mm。機(jī)組適應(yīng)的材料強(qiáng)度極限為:板厚≤14 mm時(shí),σs≥480 MPa, σb≤820 MPa; 板厚 14~16 mm 時(shí),σs≥345 MPa, σb≤690 MPa。 原料符合 GB 709—2012或其他相關(guān)熱軋卷板產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。以下將剪切板寬600~2 100 mm的機(jī)組簡(jiǎn)稱為2 100 mm×(2~16)mm 機(jī)組。
機(jī)組工藝流程為:備卷→上卷→開卷→鏟頭、直頭→夾送、矯平→剪切頭尾(橫切)→立輥對(duì)中→縱剪→活套儲(chǔ)料→鋼帶分離及張力控制→卷取→卸卷→廢邊卷取。
該機(jī)組多處采用液壓系統(tǒng),可實(shí)現(xiàn)局部自動(dòng)控制。電氣部分采用PLC控制及全數(shù)字直流電機(jī)調(diào)速裝置,可實(shí)現(xiàn)全程聯(lián)動(dòng)與自鎖。此外,機(jī)組適應(yīng)縱剪分條的板厚范圍廣,可備兩卷料。工人勞動(dòng)強(qiáng)度低,整個(gè)機(jī)組操作簡(jiǎn)單,維護(hù)方便。
縱剪機(jī)組核心設(shè)備圓盤剪是國(guó)內(nèi)某重型設(shè)備制造公司設(shè)計(jì)的大型圓盤剪,上、下剪刃之間的調(diào)整通過圓盤剪牌坊上的蝸輪、蝸桿減速機(jī)來實(shí)現(xiàn),如圖1所示。剪刃直徑為550 mm,上下剪刃的直徑和內(nèi)徑均相等,上下剪刃的重疊量調(diào)整是通過上刀軸的提升和下降來完成的,下剪刃固定不動(dòng)。
圖1 圓盤剪上、下剪刃偏移量調(diào)整示意圖
帶鋼橫斷面形狀示意如圖2所示,實(shí)際剪切時(shí)受力示意如圖3所示。通過現(xiàn)場(chǎng)觀察與實(shí)際測(cè)量,圖2及圖3中的上、下剪刃的偏移量和剪刃之間的間隙應(yīng)當(dāng)是恒定的尺寸,切分刀片、刀軸的相對(duì)位置精度和相對(duì)運(yùn)動(dòng)精度都是不能變化的,否則剪刃間隙隨刀軸的轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行間歇性的波動(dòng),會(huì)造成帶鋼剪切表面切口呈現(xiàn)不規(guī)則的撕裂等邊部質(zhì)量問題,達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)和工藝的要求,具體狀態(tài)如圖4所示。
圖2 帶鋼橫斷面形狀示意圖
圖3 實(shí)際剪切時(shí)受力示意圖
圖4 改進(jìn)前帶鋼剪切端部狀態(tài)
由圖4可以看出,剪刃呈現(xiàn)規(guī)則的間斷性撕裂,切口毛刺較大,切口處裂紋呈現(xiàn)規(guī)則形式的大面積撕裂狀態(tài),經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)分析和測(cè)量,認(rèn)為圓盤剪主軸的裝配精度、主軸與鋼板的相對(duì)運(yùn)動(dòng)精度和相對(duì)尺寸精度決定了鋼板剪切的兩個(gè)重要工藝參數(shù),一是剪刃的側(cè)間隙(一般取剪切鋼板厚度的7%~10%);二是剪刃的上下重疊量。這兩個(gè)工藝指標(biāo)一次調(diào)整到位后,在剪切過程中是不能變動(dòng)的。
從目前剪切帶鋼端部的變化情況來分析,剪刃的間隙和重疊量呈現(xiàn)周期性變化,導(dǎo)致剪切狀態(tài)不穩(wěn)定。剪刃間隙變大,就會(huì)產(chǎn)生鋼板的撕裂,而且毛刺也較大;剪刃間隙和重疊量變小,帶鋼的剪切端口呈現(xiàn)擠壓狀態(tài),帶鋼邊部擠壓帶就比較明顯。
由現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)來看,此圓盤剪的刀軸存在側(cè)彎現(xiàn)象,另外裝配精度也有問題,從而導(dǎo)致剪刃間隙時(shí)大時(shí)小,呈現(xiàn)周期性變化。當(dāng)設(shè)備高速運(yùn)行時(shí),通過觀察百分表的波動(dòng)變化還發(fā)現(xiàn),圓盤剪機(jī)組壓下渦輪蝸桿減速機(jī)有游動(dòng)間隙,在負(fù)載發(fā)生變化時(shí),游動(dòng)間隙會(huì)根據(jù)負(fù)載發(fā)生波動(dòng),這也是導(dǎo)致剪刃重疊量的一個(gè)重要變化因素。
要消除牌坊壓下蝸輪蝸桿減速機(jī)刀軸存在的間隙,在圓盤剪機(jī)組上下刀軸之間新增加了一個(gè)厚度為150 mm的橡膠墊,如圖5所示。在刀軸處于剪切位置時(shí),橡膠墊剛好能夠給予上刀軸的軸承座以反向作用力,刀軸越向下壓,剪切力越大,則橡膠墊給上刀軸的反向作用力越大。采用橡膠墊消除間隙機(jī)構(gòu)后,從根本上消除了壓下蝸輪蝸桿與壓下絲杠之間的間隙,使上刀軸運(yùn)行平穩(wěn)。
圖5 橡膠墊消隙機(jī)構(gòu)增加前、后對(duì)比示意圖
增加消隙機(jī)構(gòu)后,又復(fù)查了刀軸的制造精度和裝配精度?,F(xiàn)場(chǎng)采用6塊百分表測(cè)量上、下刀軸的不同位置,上刀軸彎曲0.35 mm,下刀軸彎曲0.31 mm。與制造廠相關(guān)技術(shù)人員交流后,推斷可能是刀軸加工完畢存放不當(dāng)、支撐件過少導(dǎo)致的彎曲變形。
反復(fù)查找資料和與原設(shè)備制造廠商討,最終決定將刀軸從牌坊上分解拆下來,采用堆焊刀軸的辦法,將42CrMo的刀軸表面重新進(jìn)行堆焊和機(jī)加工處理后再裝配到圓盤剪機(jī)架上。經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)百分表檢查,刀軸的徑向跳動(dòng)和端面竄動(dòng)都在0.05 mm以內(nèi),現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)過負(fù)荷試運(yùn)轉(zhuǎn),完全能滿足工藝條件,剪切效果良好。
圓盤剪前有一組對(duì)中立輥,該立輥的設(shè)計(jì)意圖是防止被剪切的板帶在進(jìn)入圓盤剪前跑偏。但實(shí)際使用發(fā)現(xiàn),立輥使用的剛性對(duì)中,在板帶頭部進(jìn)入圓盤剪之前一次性將立輥夾持到位,在生產(chǎn)和剪切過程中無法進(jìn)行調(diào)整,造成帶鋼的頭部、尾部和鋼卷中段板帶寬度不一樣。這是因?yàn)榱⑤佋阡摪暹M(jìn)入圓盤剪前進(jìn)行了一次對(duì)中后定位,后續(xù)鋼板在寬度方向發(fā)生變化后,對(duì)中立輥不能隨著鋼板寬度的變化隨時(shí)進(jìn)行調(diào)整,鋼板寬度變寬后,鋼板作為負(fù)載擠壓對(duì)中立輥,容易造成立輥受力過大損壞或板帶在立輥中拱起,使板帶發(fā)生塑性變形;當(dāng)鋼板寬度變窄后,對(duì)中立輥不能跟隨板帶收緊,造成鋼板和對(duì)中立輥之間有間隙,鋼板在對(duì)中立輥之間來回?cái)[動(dòng),起不到對(duì)中的作用。
結(jié)合以上分析,認(rèn)為應(yīng)該改造對(duì)中立輥的液壓系統(tǒng)工作原理,將現(xiàn)有的普通換向回路改造成可以根據(jù)板帶寬窄變化(負(fù)載變化)來自動(dòng)調(diào)節(jié)開合的液壓回路。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況和參考有關(guān)資料,將系統(tǒng)改造成減壓保壓回路最為合理,具體方法是在液壓系統(tǒng)中帶壓的無桿腔回路上串接溢流閥。當(dāng)液壓系統(tǒng)工作時(shí)一旦板帶寬度超過定寬,會(huì)產(chǎn)生反向推力,反推力會(huì)迅速傳導(dǎo)到液壓缸無桿腔中,使無桿腔中的液壓壓力迅速升高,一旦升高到一定程度,事先調(diào)整過的溢流閥可以當(dāng)做背壓閥或系統(tǒng)安全閥來考慮,溢流閥開啟,消除較大的反向推力,使整個(gè)立輥打開到合適狀態(tài),以適應(yīng)板帶邊寬的變化,實(shí)現(xiàn)在圓盤剪前板帶對(duì)中的工藝動(dòng)作。鋼板一旦變窄,在系統(tǒng)中串接的蓄能器會(huì)動(dòng)作,在工作的液壓缸無桿腔內(nèi)實(shí)現(xiàn)壓力恒定,推動(dòng)無桿腔前進(jìn),實(shí)現(xiàn)與鋼板邊部的貼合工藝動(dòng)作,并將此動(dòng)作壓力恒定,實(shí)現(xiàn)在圓盤剪前板帶對(duì)中的工藝動(dòng)作。同時(shí),蓄能器在整個(gè)系統(tǒng)中起到了液壓彈簧的作用,快速吸收鋼板邊部寬度波動(dòng)所產(chǎn)生的沖擊載荷,實(shí)現(xiàn)立輥對(duì)中的穩(wěn)定工作。溢流閥還能起到保護(hù)液壓缸和機(jī)組的作用,使較大的推力或是事故狀態(tài)下的推力能夠迅速分解,自動(dòng)釋放立輥開閉,實(shí)現(xiàn)安全防護(hù)功能。
液壓蓄能器容量的選定,只需要完成一卷鋼卷在機(jī)組工作時(shí)間段內(nèi)的壓力損耗即可,待一卷鋼卷工作完畢后,下一卷鋼卷需要穿過對(duì)中立輥機(jī)組時(shí),人工操作換向閥,這時(shí)整個(gè)大系統(tǒng)的壓力會(huì)迅速將蓄能器的壓力補(bǔ)充到系統(tǒng)的工作壓力,非常方便。
圖6是立輥對(duì)中液壓回路改造前后的對(duì)比。從圖6可以看出,改造后液壓系統(tǒng)新增加了壓力表、溢流閥和蓄能器等液壓工作元件。
圖6 立輥對(duì)中液壓回路改造前、后對(duì)比圖
經(jīng)過改造后的機(jī)組,在試運(yùn)轉(zhuǎn)中表現(xiàn)出了良好的性能,可以根據(jù)板帶的寬窄來迅速調(diào)整對(duì)中輥的位置,通過調(diào)整液壓蓄能器和溢流閥壓力,實(shí)現(xiàn)液壓彈簧力矩大小的控制及不同板帶厚度的對(duì)中,使帶鋼鐮刀彎問題得到徹底解決。
開卷機(jī)在將板帶送入矯平機(jī)前進(jìn)行正向轉(zhuǎn)動(dòng),以便鋼板能夠順利進(jìn)入矯平機(jī)內(nèi),一旦鋼板進(jìn)入矯平機(jī)后,開卷機(jī)與矯平機(jī)之間會(huì)形成速度差,導(dǎo)致板帶運(yùn)行速度差變大,造成鋼板在矯平機(jī)和開卷機(jī)之間拱起;速度差變小,在開卷機(jī)強(qiáng)制動(dòng)力的狀態(tài)下會(huì)造成鋼板在矯平機(jī)和開卷機(jī)之間爬行,造成鋼板內(nèi)外圈之間的挫傷。
經(jīng)過分析,開卷機(jī)引料入矯平機(jī)前應(yīng)當(dāng)處于主動(dòng)正轉(zhuǎn)狀態(tài)。當(dāng)矯平機(jī)咬入鋼板卷頭時(shí)候,這時(shí)開卷機(jī)應(yīng)當(dāng)執(zhí)行微制動(dòng)工藝動(dòng)作。制動(dòng)力根據(jù)板帶情況可以進(jìn)行調(diào)整。制動(dòng)力調(diào)整要根據(jù)板帶的寬度、厚度、屈服強(qiáng)度極限等方面來考慮。板帶厚、鋼卷寬、鋼卷材質(zhì)的屈服強(qiáng)度大、彈性狀態(tài)力大,則開卷機(jī)產(chǎn)生的微制動(dòng)力大;反之,鋼板薄、寬度窄、鋼板屈服強(qiáng)度小,則開卷機(jī)產(chǎn)生的制動(dòng)力大,制動(dòng)力大于板帶屈服變形所需要的拉力,則鋼板產(chǎn)生塑性變形,造成鋼板荷葉邊及鐮刀彎的產(chǎn)生,嚴(yán)重的時(shí)候會(huì)造成鋼板撕裂現(xiàn)象。
選取合適的制動(dòng)力是關(guān)鍵,而且開卷制動(dòng)力需要根據(jù)剪切鋼板的情況實(shí)現(xiàn)分級(jí)調(diào)整。結(jié)合上述問題,將原有開卷機(jī)液壓制動(dòng)只有打開和閉合兩檔液壓制動(dòng)變成六級(jí)制動(dòng)力的液壓系統(tǒng)。改造前、后的開卷機(jī)制動(dòng)控制系統(tǒng)如圖7所示。
圖7 改造前、后開卷機(jī)液壓制動(dòng)系統(tǒng)對(duì)比圖
從圖7(a)可以看出,原有開卷制動(dòng)液壓系統(tǒng)只有制動(dòng)和打開兩個(gè)動(dòng)作控制,機(jī)組在工作狀態(tài)下是采用整個(gè)液壓系統(tǒng)壓力10 MPa進(jìn)行強(qiáng)制動(dòng),如需要上卷操作則執(zhí)行元件泄壓,無工作壓力,此系統(tǒng)不能滿足鋼板規(guī)格發(fā)生變化后的使用條件,制動(dòng)力過大時(shí),會(huì)拉壞鋼卷,只能松開制動(dòng),這樣必然使鋼卷處于松卷狀態(tài),導(dǎo)致鋼卷之間摩擦,產(chǎn)生層間劃傷。
改造后由于并聯(lián)了五組25號(hào)零件,使溢流閥當(dāng)卸荷閥用,每一個(gè)卸荷閥壓力調(diào)整都不同,打開哪個(gè)卸荷閥,制動(dòng)力執(zhí)行相應(yīng)檔壓力,可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)制動(dòng)力分級(jí)可調(diào)。共有五檔微制動(dòng)力和使用系統(tǒng)壓力的強(qiáng)制動(dòng)力,這樣實(shí)現(xiàn)了六檔制動(dòng)力,窄薄板用小檔位,寬厚板用大檔位,同時(shí)配合現(xiàn)場(chǎng)工人操作,取得了良好的效果。
分離隔片是在縱剪機(jī)組圓盤剪剪切后,張力機(jī)構(gòu)前后分離剪切后,防止鋼板錯(cuò)層的工藝圓片。從現(xiàn)場(chǎng)照片來看,該分離隔離片使用工況較為惡劣,屬于典型的表面需要硬度而心部需要韌性的零件。其表面和鋼板接觸,每剪切30 t鋼卷需要硬摩擦700 m左右,全年設(shè)計(jì)產(chǎn)能30萬t,則需要工作700萬m,而分離后的鋼板在內(nèi)應(yīng)力變化的條件下均產(chǎn)生不規(guī)則的推力,導(dǎo)致與其接觸的分離隔片承擔(dān)較大的推力,并產(chǎn)生劇烈摩擦使該零件極不耐用,磨損情況如圖8所示。
圖8 磨損后的分離隔片
經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)分析認(rèn)為,分離隔片在材質(zhì)和制造工藝上的缺陷導(dǎo)致分離隔片不耐用。同時(shí),在太鋼引進(jìn)的法格公司和山西太鋼大明不銹鋼制品有限公司引進(jìn)的意大利菲米公司的縱剪機(jī)組做了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研,機(jī)組的分離隔片使用狀態(tài)良好,無任何磨損和失效,我們選取了一片法格公司的分離隔片與磨損嚴(yán)重的國(guó)產(chǎn)分離隔片一起進(jìn)行了試驗(yàn)分析,其化學(xué)成分見表1,硬度試驗(yàn)結(jié)果見表2,分離隔片表面情況見表3。
表1 進(jìn)口與國(guó)產(chǎn)分離隔片的化學(xué)成分對(duì)比
表2 進(jìn)口與國(guó)產(chǎn)分離隔片的材料硬度對(duì)比
表3 進(jìn)口與國(guó)產(chǎn)分離隔片的表面情況
同時(shí),對(duì)進(jìn)口及國(guó)產(chǎn)分離隔片的材料進(jìn)行了金相分析,試驗(yàn)結(jié)果表明,進(jìn)口分離隔片的組織為回火屈氏體,國(guó)產(chǎn)的為回火馬氏體+屈氏體。國(guó)產(chǎn)分離隔片組織較為粗大,厚度方向中心部位偏析嚴(yán)重,熱處理后形成馬氏體帶,原材料應(yīng)為連鑄坯軋制而成。
進(jìn)口分離隔片硬度適中,韌性好,表面鍍層大大提高了分離隔片的耐磨性。國(guó)產(chǎn)分離隔片雖然硬度較高,但本身材料的耐磨性較差,因此表面磨損嚴(yán)重。另一方面,國(guó)產(chǎn)分離隔片材料韌性較差,易發(fā)生斷裂現(xiàn)象。我們仿造進(jìn)口分離隔片的材料和工藝,制造了40CrNi2Mo2材料的分離隔片,控制材料的熱處理工藝,硬度HRC45±2,表面精磨,零件加工后進(jìn)行鍍鉻處理,鍍鉻層厚度 15 μm。
使用仿造分離隔片經(jīng)過30萬t鋼卷板料的剪切,無任何問題,且壽命已經(jīng)是原有零件壽命的11倍,證明原有65Mn分離隔片的材料和工藝選型不合理,是導(dǎo)致零件急劇磨損而失效的重要原因。
圖9為縱剪機(jī)組改造前、后板帶剪切質(zhì)量對(duì)比。從圖9可以看出,改造后板帶剪切質(zhì)量明顯提高。
圖9 縱剪機(jī)組改造前、后板帶剪切質(zhì)量對(duì)比
針對(duì)山西鋼鐵建設(shè)(集團(tuán))有限公司新投產(chǎn)的鋼板縱剪機(jī)組出現(xiàn)的鋼板剪切質(zhì)量不達(dá)標(biāo)問題,進(jìn)行了較為詳實(shí)和細(xì)致的分析,并且經(jīng)過大量的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量、工藝試驗(yàn)和對(duì)比試驗(yàn),找出了影響剪切質(zhì)量和機(jī)組不達(dá)產(chǎn)達(dá)效的主要問題,即剪切后鋼板表面有劃傷、產(chǎn)生鐮刀彎、分離隔片等工藝執(zhí)行部件磨損嚴(yán)重,提出了重新修配圓盤剪主刀軸、增加開卷機(jī)液壓漲力制動(dòng)力、改進(jìn)對(duì)中立輥的液壓回路工作原理和推廣使用新的分離隔片材料等方法,徹底解決了縱剪線工藝設(shè)備問題。在后續(xù)近兩年的運(yùn)行中,該機(jī)組工作狀態(tài)良好,累計(jì)剪切材料30萬t以上,其中涵蓋了T610L、TQ700QZ、TQ750MCD、T4003、Q450NQR1、904L等高強(qiáng)鋼、雙相鋼、不銹鋼等新型鋼種,均未再出現(xiàn)投產(chǎn)初期發(fā)生的工藝問題,證明該機(jī)組改造是成功的,為公司創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益。
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Technological Remould and Ability Enhancement of 2 100 mm×(2~16)mm Large-scale Slitting Line
SONG Yuguang1,2
(1.Shanxi Steel Construction(group)Co.,Ltd.,Taiyuan 030003,China;2.Shanxi Ding Rong Cold-formed Sections Co.,Ltd.,Taiyuan 030003,China)
Aim at some problems appeared in steel plate slitting line,such as shear quality is not up to standard,scratch on surface,edge camber and serious wear of executive components(separator etc.),the field measurement,experimental study and analysis were carried out.According to analysis results,it adopted some methods to completely solve the problem of the slitting line process equipment,make the complete equipment reach production capacity and profit,including repairing the disc shearing shaft,increasing the braking force of decoiler hydraulic tension,improving hydraulic circuit working principle of centring vertical roll and promoting the new separator.
slitting line;operator shaft;centering vertical roll;hydraulic tension brake;separator
TG333.21
B
10.19291/j.cnki.1001-3938.2016.06.013
宋宇光(1977—),男,本科,工程師,長(zhǎng)期從事厚壁方矩型鋼管、厚壁冷彎型鋼、鐵路、塔吊、商用汽車、核電與軍工冷彎型鋼的工藝研究及生產(chǎn)組織、設(shè)備管理工作。
2016-02-18
黃蔚莉