楚洪超，徐鵬建，王文光

(1.首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責任公司熱軋作業(yè)部，河北 唐山 063200；2. 首鋼機械廠，河北 秦皇島 066003；3. 首鋼技術研究院，北京 100043)

熱軋板帶橫切機組圓盤剪延長壽命的措施

楚洪超1，徐鵬建2，王文光3

(1.首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責任公司熱軋作業(yè)部，河北 唐山 063200；2. 首鋼機械廠，河北 秦皇島 066003；3. 首鋼技術研究院，北京 100043)

對首鋼京唐ANDRITZ(安德里茲)橫切機組圓盤剪的鈍化進程進行了研究分析，找出了剪刃間隙設定不當、排程不合理、放任鈍化進程以及防松措施不力等加速鈍化的主要因素，相應地，提出了合理設定間隙、優(yōu)化生產(chǎn)排程、早期干預鈍化、強化防松等延長剪刃壽命的具體措施。綜合實施各項措施后，以每個鈍化周期的累計剪切噸位增加量衡量，使剪刃壽命延長了32%以上。

圓盤剪；剪刃間隙；熱軋板帶

0 前言

圓盤剪是熱軋帶鋼橫切機組的關鍵裝備之一，其承擔鋼帶切邊任務，工況較為惡劣，屬于重載易損耗設備。由于各種原因，圓盤剪的潛在壽命很多情況下未得到充分挖掘釋放，剪刃鈍化失效進程過快，頻繁的拆裝返修耗費大量資源，拖累企業(yè)效益。

1 延長圓盤剪壽命的工藝措施

1.1 合理設定間隙

實踐表明，剪刃間隙(圖1)對剪刃壽命有重要影響，垂直間隙(重合量)和側(cè)間隙(水平間隙)對剪刃壽命的影響程度不一，其中側(cè)間隙的影響是決定性的，占主導地位。

圖1 圓盤剪水平間隙及垂直間隙Fig.1 Horizontal and vertical clearance of disc shear

垂直間隙主要影響切斷速率及效果，同時也與剪切力有一定關聯(lián)，重合量不足會導致鋼板無法切斷。按剪切力的A.A. Королев計算方法[1]，剪切力表達式如下：

(1)

(2)

ε1=1.2～1.6δ5

(3)

其中，F(xiàn)為剪切力/N，k1為磨鈍及側(cè)間隙影響系數(shù)，取1.3～1.5；k2為應力換算系數(shù)，取0.7～0.75；k3為彎曲切邊影響系數(shù)，取1.2～1.4；σb為帶鋼強度極限，MPa；h為帶鋼厚度，mm；αp為剪切力作用點所對應的圓心角，°；S為重合量，mm；ε1為斷裂時的相對切入深度，mm；D為刀盤直徑，mm；δ5為帶鋼延伸率，%。

由式(1)、式(2)可見，重合量S對F的影響是通過改變αp來實現(xiàn)的，其它參數(shù)一定的情況下，S與F負相關，即理論上S增加，F(xiàn)會減小。但由于S量級很小，一般不超過板厚h的15%，僅為幾個mm，而用于熱軋板剪切的圓盤剪刀盤直徑D達750～1200 mm左右，由式(2)可見S對αp的改變相當有限，因此一些文獻中指出通過加大重疊量S來降低F，這在熱軋板剪切實踐中意義并不大。而且S并非越大越好，過大的重合量會導致鋼板剪切時難以平穩(wěn)咬入，剪切沖擊力大、剪刃與鋼板接觸面積大而加劇磨損[2]，反而不利于剪刃壽命延長。因此對于延長剪刃壽命，重合量調(diào)整方面是缺乏有效手段的，關鍵在于側(cè)間隙。

側(cè)間隙對剪刃壽命的影響是決定性的。側(cè)間隙過大會導致剪切力建立困難，無助于剪切的剪切力矩大幅增加，相當一部分剪切力會退變?yōu)槔瓑毫?，剪刃與鋼板間的摩擦和接觸應力增加從而加速鈍化；側(cè)間隙小則更接近理想剪切情形，但因被剪材料非理想材料，側(cè)間隙若過小，被切金屬在剪刃間受到擠壓并產(chǎn)生較大的軸向力會加劇磨損[3]。同時小的側(cè)間隙會導致剪切層變寬、裂斷層變窄，典型剪切斷面如圖2所示。(為便于說明，并非嚴格按比例繪制，由實物圖可見剪切層和裂斷面幾乎占據(jù)整個斷面，壓入層、毛刺等均不明顯，但其存在)，而形成剪切層過程中剪刃與材料之間存在強大接觸應力以及劇烈摩擦，剪切層的增加意味著剪刃與材料之間的直接接觸、摩擦增加，因此側(cè)間隙過小時，剪刃損耗也會增大[4]。

圖2 鋼板剪切斷面形貌及實物圖Fig.2 Fracture surface morphology and material picture of steel plate sheared

實際上，能獲得合格剪切質(zhì)量的剪切間隙是以一定寬度的區(qū)間形式存在的，但不同間隙對剪刃的損耗是不一樣的。因此，探索低剪刃損耗的經(jīng)濟間隙對延長剪刃使用壽命具有重要意義。對于3～18 mm熱軋板材，相對經(jīng)濟的剪切參數(shù)區(qū)間及鈍化后的調(diào)整策略見表1。此表僅為相對經(jīng)濟的區(qū)間(因設備差異，精確具體的間隙往往沒有普遍代表性)，實踐中應根據(jù)具體生產(chǎn)線情況通過總結積累剪刃耗用數(shù)據(jù)進一步細化縮減，從而確定最經(jīng)濟的剪刃間隙。

表1 3～18 mm熱軋板材剪刃間隙區(qū)間

為縮短經(jīng)濟間隙的摸索時間，某公司在生產(chǎn)實踐中總結出一種簡便快捷確定經(jīng)濟性剪刃間隙的評判方法——斷面結構評判法：無論是側(cè)間隙還是垂直間隙，只要能使斷面上的剪切層越窄并且各層邊界清晰規(guī)整就越具有經(jīng)濟性(理想的剪切層寬度可在板厚的10%以內(nèi)，圖2實物斷面就是一個較為理想的斷面)，其對剪刃的損耗就越小，剪刃壽命就越長。運用此方法可較快地確定、固化經(jīng)濟剪切間隙并用以指導生產(chǎn)，從而延長剪刃壽命。

1.2 控制修磨精度

橫切線圓盤剪裝容量一般為4片剪刃，DS及OS側(cè)各一組，每組上下2片剪刃。圓盤剪修磨時應等量磨削，磨削后4片剪刃的直徑應一致，如果直徑偏差過大，會縮短剪刃壽命。

圓盤剪各剪刃軸驅(qū)動速度一致，直徑偏小的剪刃其圓周速度也偏小，直徑的差異會導致圓盤剪剪切速度的不一致，引發(fā)鋼帶向低速側(cè)跑偏，跑偏工況下低速一側(cè)的剪刃刃口要承受鋼板跑偏的軸向壓力，會加速刃口磨損、鈍化并誘發(fā)崩刃，縮短剪刃壽命。此外，圓盤剪刃重疊量一般均為通過HMI人機界面給出設定值以及設定指令后由電腦自動設定到位，而自動設定時程序需調(diào)用該組剪刃直徑，同時設定程序默認整組剪刃直徑一致，因此剪刃實際直徑的不一致會直接影響重疊量的設定精度，造成工藝參數(shù)失真，而重疊量不一致也會促成各刀刃不同步鈍化，鈍化最快的剪刃最終決定該組剪刃的整體壽命。

因此為保證剪刃使用壽命就必須控制修磨精度、限制其直徑差異。一般情況下，為避免不同步鈍化，應盡可能整組剪刃一同修磨(同時上磨床)，修磨后同組剪刃直徑公差應限制在+0～+0.025 mm。

1.3 合理配置壓盤

壓盤與圓盤剪上剪刃共軸并列裝配，其材質(zhì)多為高強度聚氨酯類橡膠，是剪切厚度12 mm以下的鋼板時配置的一種輔助剪切裝備。壓盤的作用是對鋼板施加約束將其壓緊，防止鋼板在剪切時彎曲變形以非水平狀態(tài)進入刃口受剪。如果未配置或未合理匹配壓盤直徑，則剪切時極易出現(xiàn)非水平受剪而加劇剪刃損耗——非水平受剪的鋼板會因無法平衡的翻轉(zhuǎn)力矩作用而變得不穩(wěn)定，鋼板對刀刃產(chǎn)生較大的軸向擠壓力；同時由于鋼板不穩(wěn)定，剪切過程中剪力波動劇烈，鋼板實際剪切斷面面積增大，剪切層大幅變寬甚至占據(jù)整個斷面，加劇刃口的磨損甚至誘發(fā)崩刃，從而縮短剪刃壽命。

壓盤直徑一般是成組序列化的，為保證壓緊效果，壓盤大小必須按被切鋼板厚度以及圓盤剪直徑來確定。實踐表明，為壓緊鋼板，應保證壓盤壓實鋼板后自身徑向彈性變形在2～5 mm左右，壓盤與鋼板厚度以及剪刃直徑的大小關系可參考表2進行匹配。同時，在圓盤剪鈍化后壓盤應隨同組剪刃一同磨削，從而恢復直徑上的匹配關系，保證壓緊效果。

表2 3 mm以上熱軋板帶圓盤剪壓盤直徑配置

1.4 保證裝配精度

圓盤剪剪刃裝配精度主要指刀盤與刀軸的垂直度，可通過工況受載情況下刀盤的端面跳動來限制。圓盤剪的端面跳動直接影響剪刃側(cè)間隙，精度越差則整個圓周上的側(cè)間隙的精確度和一致性也越差，而無論間隙是偏大還是偏小，如前所述，非經(jīng)濟性的間隙值最終都會導致剪刃損耗加劇，縮短使用壽命。

圓盤剪的裝配定位精度主要由剪刃端面以及中心孔與刀軸的孔軸配合來決定。由于圓盤剪工況惡劣，易受鋼板氧化灰、潤滑油污等污染而形成板結狀污垢，而刀盤端面跳動允許值為次mm級別，因此端面及中心孔壁上的板結物很容易影響到裝配精度而導致剪刃端面圓跳動超標。故每次裝配前務必徹底清潔剪刃定位端面以及中心孔內(nèi)壁上的污垢，并保證裝配后在工況受載情況下圓盤剪剪刃端面跳動控制在±0.05 mm以內(nèi)，且越小越好。

2 延長圓盤剪壽命的管理措施

2.1 優(yōu)化生產(chǎn)排程

合理的生產(chǎn)過程對延長剪刃壽命非常重要。經(jīng)驗表明，為充分發(fā)揮圓盤剪剪切能力，應按照“先薄后厚、先軟后硬”的原則來安排生產(chǎn)計劃。此處的“軟硬”指鋼材抗拉強度，軟是指抗拉強度相對低，硬則相反。

由公式(1)可見，鋼板厚度h越大、抗拉強度σb越高則剪切力F越大，剪刃的損耗、鈍化也就越快。如果注意不到這點，按照“先硬后軟、先厚后薄”組織生產(chǎn)，則剪刃在剪切厚規(guī)格(或高強度)鋼板后會較快地發(fā)生鈍化，刀鋒會退變?yōu)轭悎A弧面，此時剪切斷裂相對切入深度ε1以及剪切阻力都將增加[5]，剪刃后續(xù)的鈍化速度加速，往往短期內(nèi)就會迅速喪失對薄規(guī)格(或低強度)鋼板的剪切能力，剪刃的潛在壽命就不能得到充分發(fā)揮。

其原因就在于薄規(guī)格(或低強度)鋼板對鈍化的敏感程度遠高于厚規(guī)格(或高強度)鋼板。對薄規(guī)格鋼帶剪切能力的喪失實際上是鈍化后刃口圓角半徑與薄規(guī)格剪刃側(cè)間隙之間相近的數(shù)量級關系決定的——剪切厚度10 mm以下的薄鋼板，圓盤剪側(cè)間隙允許變動量一般是次mm級別，而剪刃鈍化后的圓角半徑在1 mm左右，因此鈍化將實質(zhì)性地顯著增大側(cè)間隙。而如前所述，側(cè)間隙過大會影響剪切力建立，同時圓角形的刃口剪切時對鋼板的作用力方向發(fā)散，亦削弱了剪切效應，刃口接觸應力以及摩擦加劇，導致斷面不齊整出現(xiàn)毛刺[6]甚至撕裂，無法滿足斷口質(zhì)量要求；對低強度鋼剪切能力的喪失則主要是因為低強度鋼塑性好，材料易流動變形，受剪后有明顯屈服-塑變-斷裂過程，剪刃必須足夠鋒利才能限制塑性變形的程度以及范圍，從而獲得齊整斷面。鈍化后的剪刃剪切力方向發(fā)散，而低強度鋼屈服點低，超過屈服點的力都將導致材料塑性變形，因此刃口處強烈的擠壓以及摩擦力會使斷面材料出現(xiàn)塌角、毛刺甚至撕裂而無法保證斷面質(zhì)量。

此外新修復的剪刃由于機加工影響，表層應力狀態(tài)及機械性能并不十分理想，如果立即剪切厚規(guī)格或高強度鋼板，很容易發(fā)生磨損及鈍化。而若先剪切薄規(guī)格或低強度鋼板，刃口表層材料會逐漸強化(加工硬化)，并形成壓應力，其硬度平均可提高HRC1-3左右，從而有利于增加耐磨性、減緩鈍化、延長剪刃壽命。

2.2 剪刃硬度管控

鋼材的減量增強是大勢所趨，為保證刀刃耐磨性，延緩鈍化，剪刃對鋼材必須保有一定的硬度優(yōu)勢。一般來說，刀刃硬度高則韌性較差，易脆裂，崩刃傾向增大；刀刃韌性高則硬度不佳，易粘附壓入異物以及磨損鈍化，因此兼具高硬度高韌性很難實現(xiàn)。國內(nèi)廠商的圓盤剪的硬度多數(shù)都在HRC50-58左右，而得益于先進的材料及熱處理工藝，德國ANDRITZ圓盤剪刃硬度可達HRC60-62而仍能保有優(yōu)異的韌性，可適用于1 500 MPa超高強度鋼材的剪切。而從生產(chǎn)實踐來看，對于普碳鋼以及800 MPa以下高強鋼，剪刃硬度控制在HRC52-58左右即已適用，除非特殊產(chǎn)品結構需要，否則過于強調(diào)剪刃的高硬度既不經(jīng)濟、亦無太大意義。

圓盤剪每次修磨一般都將損失直徑上1～2 mm左右的材料，由于熱處理、鍛壓等工藝局限，越接近內(nèi)部，材料力學性能與外部差異就越顯著。因此，圓盤剪直徑損失一旦超過30 mm，就有必要加強硬度管控，對刃口區(qū)域新暴露材料做硬度檢測。檢測時，在磨削后的刃口外圓(且靠近端面5 mm以內(nèi)區(qū)域)周向每隔90°取一點檢測，任一點不應低于HRC52，否則會因硬度不足而影響剪刃壽命。如發(fā)現(xiàn)硬度連續(xù)偏低應及時重作熱處理，恢復硬度。

2.3 加強剪刃防松

松動在很多情況下直接影響功能精度，是零件失效的最重要、最廣泛的原因之一。圓盤剪屬重載設備，對防松的要求較高，苛刻場合一般都是以液壓鎖母緊固，但生產(chǎn)經(jīng)驗顯示，即便如此仍無法保證杜絕松動。剪刃松動即會破壞裝配精度，剪刃承受重載惡劣工況，肉眼不可分辨的微小松動亦足以影響精度。生產(chǎn)經(jīng)驗表明，如果松動發(fā)展到明顯可辨程度，則剪刃一般已伴發(fā)顯著鈍化。實際上，圓盤剪對松動的容忍度非常低，這種不易察覺的松動也往往是生產(chǎn)中圓盤剪無征兆壽命縮短的重要原因，事實上不只是圓盤剪，對于剪切頻率高的重載剪類設備，如切頭剪、飛剪等，都存在此問題。

圓盤剪鎖母防松是一項強調(diào)事前性的工作，生產(chǎn)實踐中不論有無可見松動，都要定期對剪刃進行緊固，這對保證剪刃使用壽命非常重要。一般情況下每2日應以許用裝配力矩緊固至少一次，生產(chǎn)強度高時應適當增加緊固頻率。

2.4 干預鈍化進程

強調(diào)對剪刃鈍化的早期干預、在鈍化進程中定期維護是延長圓盤剪壽命的重要手段。目前，圓盤剪基本都是完全鈍化后一次性返廠修復，中間不進行專門維護，隨著設備管理要求的提高，這種傳統(tǒng)維護模式已逐漸不符合精細化管理要求。

日常性修磨與完全鈍化后返廠修復相結合是更為優(yōu)越的維護模式——圓盤剪在使用中應進行日常修磨維護，將剪刃在剪切過程中產(chǎn)生的金屬粘結物、早期疲勞層、以及初期細微刃口損傷及時修磨改善，避免放任微觀損傷擴大，從而改善剪切受力，延緩鈍化進程。修磨一般2次/日(可視刃口情況增減)，修磨工具為P級硬度、粒度為120/240的GC材質(zhì)油石。修磨時先以油石粗磨面沿剪刃外圓面(只允許磨外圓)刃口往復做圓周運動粗磨，快速消除局部毛刺、金屬粘結物及細小損傷，粗磨完成后再以油石精磨面拋光，降低粗糙度，提高抗疲勞能力，精磨后戴線手套以手指輕觸修磨部位并沿刃口做圓周運動進行檢查，以光滑、順暢、無明顯對手套織線的鉤掛為合格。

盡管日常修磨只能應對一些早期細微損傷，但這種早期的日常性修磨對延長剪刃壽命非常重要。某公司為提高效率，減少停機時間，開發(fā)了一種圓盤剪在線修磨裝置(圖3，已申請專利)，可在生產(chǎn)中(不停機)通過定期投用的方式實現(xiàn)剪刃在線修磨，取得了良好效果。

1.底座 2.懸臂 3.螺母 4.彈簧 5.鋼桿 6.套筒 7.補償墊片 8.壓緊彈簧 9.毛刷 10.修磨頭9-1.刷毛 9-2.刷毛架 10-1.螺紋 10-2.P級硬度240粒度GC材質(zhì)油石 10-3.排屑槽圖3 圓盤剪在線修磨(清掃)裝置Fig.3 On-line grinding (cleaning ) device for disc shear

2.5 保持刃口清潔

圓盤剪在使用中會發(fā)生磁化并吸附細小氧化鐵皮碎屑、斷口毛刺以及日常修磨產(chǎn)生的金屬磨削碎屑，而尖銳的刀鋒部位磁性最強，刃口區(qū)域往往吸附更多的碎屑(圖4)。剪切過程中刃口與鋼板之間存在巨大的接觸應力，經(jīng)強力擠壓，部分碎屑被壓入刃口剪刃基體的微觀凹坑及裂痕中，從而在剪切中隨圓盤剪的旋轉(zhuǎn)而形成周期性的脹縮交變應力，客觀上加速了刃口微裂紋的形成、發(fā)展以及材料疲勞進程[7]。

圖4 圓盤剪剪刃磁化吸附的氧化鐵皮碎屑Fig.4 Oxide scale chips magnetized and adsorbed on disc shear blade

由于碎屑在生產(chǎn)過程中會隨時產(chǎn)生并被吸附，因此很難及時徹底清理剪刃。為解決磁化吸附問題，某公司在圓盤剪修磨裝置中增設了特殊的刃口毛刷(圖3)，可實時清除剪刃磁化吸附的氧化鐵皮、毛刺以及磨削碎屑，有效避免了碎屑壓入而引發(fā)的剪刃提早疲勞、鈍化甚至崩刃問題。

3 結論

通過改進圓盤剪維護模式，對其鈍化進程進行早期干預，實施日常在線修磨與返廠修復相結合以及設定經(jīng)濟性剪刃間隙、清潔刃口、合理排程、保證修磨裝配精度以及加強防松等多方面的綜合措施，以每個鈍化周期的累計平均剪切噸位增加量衡量，使圓盤剪剪刃壽命延長了32%以上。

[1] 劉培鍔.圓盤式剪切機剪切力計算力學進展[J].鋼鐵,1996,(8):55-59.

[2] 李力冰.圓盤剪切邊時鋼板跑偏原因分析及解決措施[J].冶金設備,2011,(4):49-52.

[3] 劉培鍔,吳國彥.圓盤剪切機剪切力和軸向力的實驗研究[J].重型機械,1994,(5):22-26.

[4] 鄒仲芹.圓盤剪和滾切式定尺剪的剪切缺陷及防止措施[J].焊管,2008,25(3):68-71.

[5] 劉培鍔,張世杰.金屬剪切過程力學研究進展[J].力學進展,1987,(1):39-45.

[6] TEKINER Z,NALBANT M,GURUN H. Anexperimental study for the effect of different clearances on burr,smooth-sheared and blanking force on aluminium sheet metal[J] Mater. Des.2006,27 (10) :1134-1138.

[7] 趙敏,王文合. H13圓盤剪剪刃裂紋、崩刃原因分析及改進措施[J].天津冶金,2008,(1):37-39.

Measures to prolong life of disc shear in hot-rolled strip cross-cut line

CHU Hong-chao1， XU Peng-jian2， WANG Wen-guang3

(1.Hot-rolling dep., Shougang Jingtang United Iron & Steel Co., Ltd., Tangshan 063200,China；2. Shougang Machinery Co., Ltd., Qinhuangdao 066003,China;3.Shougang Research Institute of Technology, Beijing 100043,China)

The passivating process of disc shear in Shougang Jingtang ANDRITZ cross-cut line was analyzed, and the main factors of accelerated passivating process, for example improper blade clearance, unreasonable production scheduling, non-intervention passivating, weak anti-loosing measures and so on were found out. Accordingly, the measures to prolong life of disc shear such as setting proper blade clearance, optimizing production schedule, early intervening passivation, strengthening anti-loosing measures, were put forward. With the help of implementation of the measures, the total shearing tonnage of disc shear increased in each passivation cycle, and the service life of blade prolonged more than 32%.

disc shear；blade clearance；hot-rolled strip

2016-02-26；

2016-05-04

楚洪超(1983-)，男，首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責任公司工程師。

TG335.12

A

1001-196X(2016)06-0080-06