宋宇光

（1.山西钢铁建设（集团）有限公司，太原 030003；2.山西鼎荣冷弯型钢有限公司，太原030003）

2 100 mm×（2～16）mm 大型纵剪机组的改造及能力提升

宋宇光1，2

（1.山西钢铁建设（集团）有限公司，太原 030003；2.山西鼎荣冷弯型钢有限公司，太原030003）

针对钢板纵剪机组出现的钢板剪切质量不达标、剪切后钢板表面有划伤、钢板剪切后产生镰刀、分离隔片等工艺执行部件磨损严重等问题，进行了现场测量、试验研究及分析。根据分析结果，采用重新修配圆盘剪主刀轴、增加开卷机液压涨力制动力、改进对中立辊的液压回路工作原理和推广使用新的分离隔片等方法，彻底解决了纵剪线工艺设备问题，使该成套设备达产达效。

纵剪机组；主刀轴；对中立辊；液压涨力制动；分离隔片

山西钢铁建设（集团）有限公司为满足新建冷弯型钢厂的生产需要，采购国内某大型重型设备制造厂钢板纵剪机组一套，该设备设计年剪切热轧卷板能力为30万t。该成套设备安装调试后，发现主要存在剪切质量差、板带在机组中跑偏、板带分离隔片及剪刃等工艺执行部件损坏严重等问题，严重影响机组发挥产能，造成型钢产品质量不达标，因此，决定对该设备进行改进，确保达产达效。

1 机组主要技术参数及特点

1.1 主要技术参数

该机组用于热轧普通碳素结构钢、低合金结构钢、不锈钢等热轧卷板的连续纵向剪切分条，剪切范围为板宽600～2 100 mm，板厚2～16 mm。机组适应的材料强度极限为：板厚≤14 mm时，σs≥480 MPa， σb≤820 MPa； 板厚 14～16 mm 时，σs≥345 MPa， σb≤690 MPa。 原料符合 GB 709—2012或其他相关热轧卷板产品标准。以下将剪切板宽600～2 100 mm的机组简称为2 100 mm×（2～16）mm 机组。

1.2 机组工艺流程

机组工艺流程为：备卷→上卷→开卷→铲头、直头→夹送、矫平→剪切头尾（横切）→立辊对中→纵剪→活套储料→钢带分离及张力控制→卷取→卸卷→废边卷取。

1.3 机组技术特点

该机组多处采用液压系统，可实现局部自动控制。电气部分采用PLC控制及全数字直流电机调速装置，可实现全程联动与自锁。此外，机组适应纵剪分条的板厚范围广，可备两卷料。工人劳动强度低，整个机组操作简单，维护方便。

1.4 圆盘剪参数及受力分析

纵剪机组核心设备圆盘剪是国内某重型设备制造公司设计的大型圆盘剪，上、下剪刃之间的调整通过圆盘剪牌坊上的蜗轮、蜗杆减速机来实现，如图1所示。剪刃直径为550 mm，上下剪刃的直径和内径均相等，上下剪刃的重叠量调整是通过上刀轴的提升和下降来完成的，下剪刃固定不动。

图1 圆盘剪上、下剪刃偏移量调整示意图

2 原机组存在的主要问题及改进思路

2.1 带钢剪切边部质量问题

2.1.1 原因分析

带钢横断面形状示意如图2所示，实际剪切时受力示意如图3所示。通过现场观察与实际测量，图2及图3中的上、下剪刃的偏移量和剪刃之间的间隙应当是恒定的尺寸，切分刀片、刀轴的相对位置精度和相对运动精度都是不能变化的，否则剪刃间隙随刀轴的转动进行间歇性的波动，会造成带钢剪切表面切口呈现不规则的撕裂等边部质量问题，达不到标准和工艺的要求，具体状态如图4所示。

图2 带钢横断面形状示意图

图3 实际剪切时受力示意图

图4 改进前带钢剪切端部状态

由图4可以看出，剪刃呈现规则的间断性撕裂，切口毛刺较大，切口处裂纹呈现规则形式的大面积撕裂状态，经过现场分析和测量，认为圆盘剪主轴的装配精度、主轴与钢板的相对运动精度和相对尺寸精度决定了钢板剪切的两个重要工艺参数，一是剪刃的侧间隙（一般取剪切钢板厚度的7%～10%）；二是剪刃的上下重叠量。这两个工艺指标一次调整到位后，在剪切过程中是不能变动的。

从目前剪切带钢端部的变化情况来分析，剪刃的间隙和重叠量呈现周期性变化，导致剪切状态不稳定。剪刃间隙变大，就会产生钢板的撕裂，而且毛刺也较大；剪刃间隙和重叠量变小，带钢的剪切端口呈现挤压状态，带钢边部挤压带就比较明显。

由现场采集的数据来看，此圆盘剪的刀轴存在侧弯现象，另外装配精度也有问题，从而导致剪刃间隙时大时小，呈现周期性变化。当设备高速运行时，通过观察百分表的波动变化还发现，圆盘剪机组压下涡轮蜗杆减速机有游动间隙，在负载发生变化时，游动间隙会根据负载发生波动，这也是导致剪刃重叠量的一个重要变化因素。

2.1.2 应对措施和方案

要消除牌坊压下蜗轮蜗杆减速机刀轴存在的间隙，在圆盘剪机组上下刀轴之间新增加了一个厚度为150 mm的橡胶垫，如图5所示。在刀轴处于剪切位置时，橡胶垫刚好能够给予上刀轴的轴承座以反向作用力，刀轴越向下压，剪切力越大，则橡胶垫给上刀轴的反向作用力越大。采用橡胶垫消除间隙机构后，从根本上消除了压下蜗轮蜗杆与压下丝杠之间的间隙，使上刀轴运行平稳。

图5 橡胶垫消隙机构增加前、后对比示意图

增加消隙机构后，又复查了刀轴的制造精度和装配精度。现场采用6块百分表测量上、下刀轴的不同位置，上刀轴弯曲0.35 mm，下刀轴弯曲0.31 mm。与制造厂相关技术人员交流后，推断可能是刀轴加工完毕存放不当、支撑件过少导致的弯曲变形。

反复查找资料和与原设备制造厂商讨，最终决定将刀轴从牌坊上分解拆下来，采用堆焊刀轴的办法，将42CrMo的刀轴表面重新进行堆焊和机加工处理后再装配到圆盘剪机架上。经过现场百分表检查，刀轴的径向跳动和端面窜动都在0.05 mm以内，现场经过负荷试运转，完全能满足工艺条件，剪切效果良好。

2.2 带钢镰刀弯现象及解决措施

2.2.1 产生原因

圆盘剪前有一组对中立辊，该立辊的设计意图是防止被剪切的板带在进入圆盘剪前跑偏。但实际使用发现，立辊使用的刚性对中，在板带头部进入圆盘剪之前一次性将立辊夹持到位，在生产和剪切过程中无法进行调整，造成带钢的头部、尾部和钢卷中段板带宽度不一样。这是因为立辊在钢板进入圆盘剪前进行了一次对中后定位，后续钢板在宽度方向发生变化后，对中立辊不能随着钢板宽度的变化随时进行调整，钢板宽度变宽后，钢板作为负载挤压对中立辊，容易造成立辊受力过大损坏或板带在立辊中拱起，使板带发生塑性变形；当钢板宽度变窄后，对中立辊不能跟随板带收紧，造成钢板和对中立辊之间有间隙，钢板在对中立辊之间来回摆动，起不到对中的作用。

2.2.2 改造措施

结合以上分析，认为应该改造对中立辊的液压系统工作原理，将现有的普通换向回路改造成可以根据板带宽窄变化（负载变化）来自动调节开合的液压回路。结合现场实际情况和参考有关资料，将系统改造成减压保压回路最为合理，具体方法是在液压系统中带压的无杆腔回路上串接溢流阀。当液压系统工作时一旦板带宽度超过定宽，会产生反向推力，反推力会迅速传导到液压缸无杆腔中，使无杆腔中的液压压力迅速升高，一旦升高到一定程度，事先调整过的溢流阀可以当做背压阀或系统安全阀来考虑，溢流阀开启，消除较大的反向推力，使整个立辊打开到合适状态，以适应板带边宽的变化，实现在圆盘剪前板带对中的工艺动作。钢板一旦变窄，在系统中串接的蓄能器会动作，在工作的液压缸无杆腔内实现压力恒定，推动无杆腔前进，实现与钢板边部的贴合工艺动作，并将此动作压力恒定，实现在圆盘剪前板带对中的工艺动作。同时，蓄能器在整个系统中起到了液压弹簧的作用，快速吸收钢板边部宽度波动所产生的冲击载荷，实现立辊对中的稳定工作。溢流阀还能起到保护液压缸和机组的作用，使较大的推力或是事故状态下的推力能够迅速分解，自动释放立辊开闭，实现安全防护功能。

液压蓄能器容量的选定，只需要完成一卷钢卷在机组工作时间段内的压力损耗即可，待一卷钢卷工作完毕后，下一卷钢卷需要穿过对中立辊机组时，人工操作换向阀，这时整个大系统的压力会迅速将蓄能器的压力补充到系统的工作压力，非常方便。

图6是立辊对中液压回路改造前后的对比。从图6可以看出，改造后液压系统新增加了压力表、溢流阀和蓄能器等液压工作元件。

图6 立辊对中液压回路改造前、后对比图

经过改造后的机组，在试运转中表现出了良好的性能，可以根据板带的宽窄来迅速调整对中辊的位置，通过调整液压蓄能器和溢流阀压力，实现液压弹簧力矩大小的控制及不同板带厚度的对中，使带钢镰刀弯问题得到彻底解决。

2.3 开卷过程松卷现象及改进措施

2.3.1 产生原因

开卷机在将板带送入矫平机前进行正向转动，以便钢板能够顺利进入矫平机内，一旦钢板进入矫平机后，开卷机与矫平机之间会形成速度差，导致板带运行速度差变大，造成钢板在矫平机和开卷机之间拱起；速度差变小，在开卷机强制动力的状态下会造成钢板在矫平机和开卷机之间爬行，造成钢板内外圈之间的挫伤。

2.3.2 对应措施

经过分析，开卷机引料入矫平机前应当处于主动正转状态。当矫平机咬入钢板卷头时候，这时开卷机应当执行微制动工艺动作。制动力根据板带情况可以进行调整。制动力调整要根据板带的宽度、厚度、屈服强度极限等方面来考虑。板带厚、钢卷宽、钢卷材质的屈服强度大、弹性状态力大，则开卷机产生的微制动力大；反之，钢板薄、宽度窄、钢板屈服强度小，则开卷机产生的制动力大，制动力大于板带屈服变形所需要的拉力，则钢板产生塑性变形，造成钢板荷叶边及镰刀弯的产生，严重的时候会造成钢板撕裂现象。

选取合适的制动力是关键，而且开卷制动力需要根据剪切钢板的情况实现分级调整。结合上述问题，将原有开卷机液压制动只有打开和闭合两档液压制动变成六级制动力的液压系统。改造前、后的开卷机制动控制系统如图7所示。

图7 改造前、后开卷机液压制动系统对比图

从图7（a）可以看出，原有开卷制动液压系统只有制动和打开两个动作控制，机组在工作状态下是采用整个液压系统压力10 MPa进行强制动，如需要上卷操作则执行元件泄压，无工作压力，此系统不能满足钢板规格发生变化后的使用条件，制动力过大时，会拉坏钢卷，只能松开制动，这样必然使钢卷处于松卷状态，导致钢卷之间摩擦，产生层间划伤。

改造后由于并联了五组25号零件，使溢流阀当卸荷阀用，每一个卸荷阀压力调整都不同，打开哪个卸荷阀，制动力执行相应档压力，可实现系统制动力分级可调。共有五档微制动力和使用系统压力的强制动力，这样实现了六档制动力，窄薄板用小档位，宽厚板用大档位，同时配合现场工人操作，取得了良好的效果。

2.4 分离隔片不耐用现象及解决对策

2.4.1 原因分析

分离隔片是在纵剪机组圆盘剪剪切后，张力机构前后分离剪切后，防止钢板错层的工艺圆片。从现场照片来看，该分离隔离片使用工况较为恶劣，属于典型的表面需要硬度而心部需要韧性的零件。其表面和钢板接触，每剪切30 t钢卷需要硬摩擦700 m左右，全年设计产能30万t，则需要工作700万m，而分离后的钢板在内应力变化的条件下均产生不规则的推力，导致与其接触的分离隔片承担较大的推力，并产生剧烈摩擦使该零件极不耐用，磨损情况如图8所示。

图8 磨损后的分离隔片

经过现场分析认为，分离隔片在材质和制造工艺上的缺陷导致分离隔片不耐用。同时，在太钢引进的法格公司和山西太钢大明不锈钢制品有限公司引进的意大利菲米公司的纵剪机组做了现场调研，机组的分离隔片使用状态良好，无任何磨损和失效，我们选取了一片法格公司的分离隔片与磨损严重的国产分离隔片一起进行了试验分析，其化学成分见表1，硬度试验结果见表2，分离隔片表面情况见表3。

表1 进口与国产分离隔片的化学成分对比

表2 进口与国产分离隔片的材料硬度对比

表3 进口与国产分离隔片的表面情况

同时，对进口及国产分离隔片的材料进行了金相分析，试验结果表明，进口分离隔片的组织为回火屈氏体，国产的为回火马氏体+屈氏体。国产分离隔片组织较为粗大，厚度方向中心部位偏析严重，热处理后形成马氏体带，原材料应为连铸坯轧制而成。

2.4.2 对应措施

进口分离隔片硬度适中，韧性好，表面镀层大大提高了分离隔片的耐磨性。国产分离隔片虽然硬度较高，但本身材料的耐磨性较差，因此表面磨损严重。另一方面，国产分离隔片材料韧性较差，易发生断裂现象。我们仿造进口分离隔片的材料和工艺，制造了40CrNi2Mo2材料的分离隔片，控制材料的热处理工艺，硬度HRC45±2，表面精磨，零件加工后进行镀铬处理，镀铬层厚度 15 μm。

使用仿造分离隔片经过30万t钢卷板料的剪切，无任何问题，且寿命已经是原有零件寿命的11倍，证明原有65Mn分离隔片的材料和工艺选型不合理，是导致零件急剧磨损而失效的重要原因。

2.5 机组改造前、后效果对比

图9为纵剪机组改造前、后板带剪切质量对比。从图9可以看出，改造后板带剪切质量明显提高。

图9 纵剪机组改造前、后板带剪切质量对比

3 结 语

针对山西钢铁建设（集团）有限公司新投产的钢板纵剪机组出现的钢板剪切质量不达标问题，进行了较为详实和细致的分析，并且经过大量的现场测量、工艺试验和对比试验，找出了影响剪切质量和机组不达产达效的主要问题，即剪切后钢板表面有划伤、产生镰刀弯、分离隔片等工艺执行部件磨损严重，提出了重新修配圆盘剪主刀轴、增加开卷机液压涨力制动力、改进对中立辊的液压回路工作原理和推广使用新的分离隔片材料等方法，彻底解决了纵剪线工艺设备问题。在后续近两年的运行中，该机组工作状态良好，累计剪切材料30万t以上，其中涵盖了T610L、TQ700QZ、TQ750MCD、T4003、Q450NQR1、904L等高强钢、双相钢、不锈钢等新型钢种，均未再出现投产初期发生的工艺问题，证明该机组改造是成功的，为公司创造了良好的经济效益。

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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，工程师，长期从事厚壁方矩型钢管、厚壁冷弯型钢、铁路、塔吊、商用汽车、核电与军工冷弯型钢的工艺研究及生产组织、设备管理工作。

2016-02-18

黄蔚莉