孔利明

（新疆八一鋼鐵股份有限公司）

·分析與探討·

電解鋁陰極扁鋼生產(chǎn)線(xiàn)熱矯直工藝的設(shè)計(jì)

孔利明

（新疆八一鋼鐵股份有限公司）

介紹了生產(chǎn)陰極扁鋼系列的軋制工藝，采用的離線(xiàn)冷矯直方式嚴(yán)重制約了正常生產(chǎn)。研發(fā)設(shè)計(jì)了在線(xiàn)熱矯直裝置，改進(jìn)了精整工序。生產(chǎn)實(shí)踐表明，顯著改善了生產(chǎn)倒運(yùn)過(guò)程及人工操作的勞動(dòng)強(qiáng)度。

電極扁鋼；軋制工藝；矯直方式；精整工序

1　前言

陰極扁鋼作為電解鋁業(yè)電解池的電極使用，屬電解消耗品，因產(chǎn)生燒損和表面滲炭變脆，需要更換。電解槽中的陰極炭塊燒損到一定程度時(shí)也需要進(jìn)行重新筑爐，一般周期為4～5年。近兩年新疆地區(qū)電解鋁產(chǎn)量陸續(xù)增長(zhǎng)，目前有六家電解鋁廠(chǎng)，年產(chǎn)能約為300萬(wàn)t，年需用陰極扁鋼約5萬(wàn)t，但60％以上陰極扁鋼是由內(nèi)地廠(chǎng)家生產(chǎn)。八鋼新建型鋼生產(chǎn)線(xiàn)以軋制H型鋼和工字鋼為主，為增加產(chǎn)品范圍，提高企業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力，在型鋼生產(chǎn)線(xiàn)進(jìn)行了二期改造新增扁鋼專(zhuān)用小冷床，以滿(mǎn)足開(kāi)發(fā)陰極扁鋼系列產(chǎn)品的需要。

熱軋后的成品因存在彎曲狀況，必須經(jīng)過(guò)矯直工序。通常國(guó)內(nèi)同類(lèi)生廠(chǎng)采取經(jīng)冷床冷卻后用6條左右精整線(xiàn)進(jìn)行矯直作業(yè)，以滿(mǎn)足分段、矯直產(chǎn)能與軋制產(chǎn)能的匹配，保證軋制量和交貨期的同步完成。這種矯直方式占用設(shè)備多，人工勞動(dòng)強(qiáng)度大且效率低。八鋼新建型鋼生產(chǎn)線(xiàn)采用離線(xiàn)人工液壓缸壓力矯直，效率更為落后。為此研發(fā)設(shè)計(jì)了在線(xiàn)熱矯直機(jī)，以進(jìn)一步改進(jìn)精整工序，提高生產(chǎn)效率。

2　產(chǎn)品質(zhì)量要求

2.1扁鋼的厚度、寬度及其允許偏差

厚度偏差：H≥50～120mm，允許偏差+2.0/-2.0

寬度偏差：B＞100～200；允許偏差+0.0/-2.5

B＞200～300；允許偏差+0.0/-3。

2.2扁鋼長(zhǎng)度方向的彎曲度

長(zhǎng)度方向不平度≤2mm/m；扭曲度≤1.5mm/m?？倧澢取?mm％，斷面圓弧角半徑5mm～15mm。

2.3表面及內(nèi)部質(zhì)量

扁鋼的表面不得有肉眼可見(jiàn)的裂紋、折疊、結(jié)疤、夾雜及壓入的氧化鐵皮。扁鋼橫斷截面經(jīng)酸浸低倍試驗(yàn)后，組織均勻，不得有肉眼可見(jiàn)的縮孔、氣泡、裂紋等缺陷。

3　生產(chǎn)工藝

根據(jù)用戶(hù)需求，目前開(kāi)發(fā)陰極扁鋼的規(guī)格：65× 180（mm）、65×210（mm）、90×180（mm）、120×198 （mm）和120×245（mm）等。坯料為165mm×225mm 和200mm×240mm矩形連鑄坯。

受軋機(jī)布置和工藝條件的限制，所有規(guī)格只能在一架Φ650×1800（mm）三輥式軋機(jī)上出成品，工藝配置不利于產(chǎn)品精度的提高和軋制穩(wěn)定性的控制，故孔型設(shè)計(jì)上采用共軛工藝彌補(bǔ)軋制道次的不足。根據(jù)坯料和成品規(guī)格，孔型形狀分別按：平-平-平-平-立-立-平和平-平-立-立-平設(shè)計(jì)。壓下規(guī)程設(shè)計(jì)見(jiàn)表1。

表1　壓下規(guī)程設(shè)計(jì)參數(shù)

熱軋生產(chǎn)無(wú)論單機(jī)架軋制還是多機(jī)架軋制，因終軋溫度都在1000℃以上，軋件在軋制、輸送過(guò)程中造成二維彎曲，平彎和側(cè)彎值均遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出標(biāo)準(zhǔn)要求，總彎曲度達(dá)到20mm以上。必須分別對(duì)各彎曲部位進(jìn)行矯直，用鋼板尺檢測(cè)達(dá)標(biāo)后方可碼垛收集入庫(kù)。具體操作過(guò)程：軋后11m的倍尺經(jīng)冷床冷卻后輸送至成品臺(tái)架，由行車(chē)吊入成品場(chǎng)地逐支火焰切割成用戶(hù)需求的2m的定尺；定尺收集成捆簡(jiǎn)單打包裝車(chē)運(yùn)送至軋機(jī)跨堆放，再逐捆吊入矯前放鋼臺(tái)架，由人工開(kāi)捆并逐支拉入矯前輥道上，進(jìn)行分段檢測(cè)，對(duì)平、側(cè)兩面進(jìn)行壓力矯直。

每套離線(xiàn)液壓冷矯直裝置需配置3～5人，20t/班的矯直量遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿(mǎn)足不了生產(chǎn)所需節(jié)奏。

4　原設(shè)備及操作狀況

型鋼生產(chǎn)線(xiàn)的陰極扁鋼軋制由于是后期新增產(chǎn)品，不具備增加多條在線(xiàn)矯直線(xiàn)工藝的實(shí)施，采用離線(xiàn)倒運(yùn)，人工進(jìn)行放鋼、彎曲測(cè)量、翻轉(zhuǎn)、液壓缸矯直、收集等作業(yè)，效率極低。

原設(shè)計(jì)壓力矯直機(jī)是采用兩點(diǎn)活動(dòng)支撐，一點(diǎn)壓頭對(duì)最彎部分進(jìn)行反向壓彎矯直的三點(diǎn)式。壓力矯直機(jī)工作原理是將帶有原始彎曲的工件支撐在工作臺(tái)的兩個(gè)活動(dòng)支撐點(diǎn)之間，用壓頭對(duì)準(zhǔn)最彎部位進(jìn)行反向壓彎。當(dāng)壓彎量與工件彈復(fù)量相等時(shí)，壓頭撤回后工件的彎曲部位變直，憑經(jīng)驗(yàn)設(shè)定的壓彎量很難與工件的彈復(fù)量相等，有時(shí)要多次調(diào)校、檢測(cè)，直到矯正為止。

每一次矯直量等于壓彎量減去彈復(fù)量，其液壓缸行程即彈復(fù)量和橫移支點(diǎn)的位置間距依賴(lài)于操作工的經(jīng)驗(yàn)判斷，避免過(guò)矯和欠矯。原矯直方法不但勞動(dòng)強(qiáng)度大，且兩套矯直線(xiàn)只能完成班產(chǎn)量的15％，嚴(yán)重影響交貨時(shí)間。

5　熱矯直機(jī)的設(shè)計(jì)

5.1矯直機(jī)位置的確定

考慮矯直后的鋼溫應(yīng)盡可能低，避免高溫狀態(tài)下軋件在矯直后的運(yùn)行中繼續(xù)發(fā)生變形，將矯直點(diǎn)選在靠近冷床處，適當(dāng)降低開(kāi)軋鋼溫，控制在1100℃。矯直機(jī)的位置如圖1所示。

5.2矯直機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)思路是利用高溫塑性將離線(xiàn)冷矯直改為在線(xiàn)熱矯，框架用20MnSi材質(zhì)的150方坯焊制，安裝時(shí)將三塊輥道蓋板吊移，熱矯裝置底座坐在輥道架上并卡在框架內(nèi)側(cè)不使其產(chǎn)生橫向串動(dòng)。矯直過(guò)程為水平狀態(tài)的成品軋件由輥道輸送至矯直機(jī)動(dòng)梁和定梁之間，紅外線(xiàn)檢測(cè)定位并啟動(dòng)2個(gè)矯直液壓缸，進(jìn)行水平狀態(tài)側(cè)矯，如圖2所示。

1.上料臺(tái)架；2.入爐輥道；3.推鋼機(jī)；4.加熱爐.5.出爐輥道；6.翻鋼機(jī)；7.φ650軋機(jī)；8.軋機(jī)輥道；9.矯直機(jī)；10.鋸齒冷床；11.圓盤(pán)鋸；12.定尺；13.非尺臺(tái)架；14.碼垛機(jī)；15.打捆機(jī)；16.收集臺(tái)架圖1　平面位置圖

圖2　側(cè)矯示意圖

液壓缸回位后翻鋼液壓缸啟動(dòng)通過(guò)翻鋼臂將軋件翻轉(zhuǎn)90°立起，再對(duì)側(cè)立狀軋件進(jìn)行平矯。平矯過(guò)程如圖3所示。

圖3　平矯示意圖

圖4　翻鋼過(guò)程

平矯完成后矯直液壓缸回位時(shí)由設(shè)計(jì)的6個(gè)勾鋼爪將軋件勾倒恢復(fù)水平狀態(tài)，啟動(dòng)輥道使經(jīng)雙向矯直后的軋件進(jìn)入冷床。圖4是翻鋼臂從最低位到翻轉(zhuǎn)90°后的最高位軌跡，翻鋼臂頭部設(shè)計(jì)Φ26mm兩個(gè)孔，更換安裝其他尺寸的連接板，可滿(mǎn)足軋制不同厚度、寬度陰極扁鋼時(shí)合適接觸點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡。

5.3矯直力的計(jì)算

由于是在原有輸送輥道上設(shè)計(jì)安裝熱矯裝置，需根據(jù)輥道結(jié)構(gòu)確定各部件的運(yùn)動(dòng)方式和行程尺寸，尤其是翻鋼傳動(dòng)軸和翻鋼臂的位置受較大的局限，只能在現(xiàn)有條件下選擇動(dòng)力參數(shù)。

軋件呈水平狀態(tài)即進(jìn)行側(cè)彎矯直時(shí)其負(fù)荷遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于立起時(shí)的平矯，且最大負(fù)荷是在動(dòng)梁和靜梁間距接近軋件寬度瞬間，此時(shí)負(fù)荷作用點(diǎn)的間距最小。經(jīng)實(shí)測(cè)，軋件頭部彎曲嚴(yán)重之處其曲率半徑達(dá)到1000mm，即200mm間距彎曲量接近5mm，如圖5。

圖5　軋件頭部彎曲狀況

軋件總長(zhǎng)11.5m，按照一般呈S彎狀況，存在兩處以上彎曲點(diǎn)，單只液壓缸校正力應(yīng)大于198144kg。

高溫狀態(tài)下彎曲強(qiáng)度和軋件溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖6所示。設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)因考慮軋件異常停留時(shí)的鋼溫狀況，下限按900℃對(duì)應(yīng)負(fù)荷。彎曲強(qiáng)度約3.5kg/ mm2，是最高負(fù)荷下的3.5/35。

圖6　高溫強(qiáng)度曲線(xiàn)圖

所以：需要液壓缸內(nèi)徑的最小半徑

現(xiàn)場(chǎng)型號(hào)為160-110-650液壓缸，計(jì)算該液壓缸實(shí)際矯直能力

型號(hào)為160-110-650液壓缸滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，可以在改進(jìn)的工程中利舊使用。

5.4翻轉(zhuǎn)力矩的計(jì)算

由輥道輸送過(guò)來(lái)的軋件呈水平狀，翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)用于將軋件沿縱向一邊抬起翻轉(zhuǎn)90°呈立狀。如圖4所示。翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)由液壓缸、動(dòng)力臂、傳動(dòng)軸和翻鋼臂組成。翻轉(zhuǎn)力包括軋件重量、翻鋼臂自重和軋件翻轉(zhuǎn)摩擦力，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)提供的力矩需大于克服上述合成的力矩，完成翻鋼動(dòng)作。

動(dòng)力臂長(zhǎng)度600mm，液壓缸阻力距880mm，翻鋼臂單重為59.1kg，自重矩0.59m，翻轉(zhuǎn)的最重軋件為2600kg，翻轉(zhuǎn)半徑0.24m。軋件和輥道及定梁的摩擦系數(shù)取0.2，翻轉(zhuǎn)速度較慢可不計(jì)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，要實(shí)現(xiàn)軋件的90°翻轉(zhuǎn)，克服的力矩包含重力矩和摩擦力矩。

所需液壓缸內(nèi)徑的最小面積：

液壓缸內(nèi)徑最小半徑：

現(xiàn)場(chǎng)利舊液壓缸型號(hào)為80-56-335，實(shí)際可以達(dá)到的推力

液壓缸能力滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，該液壓缸可以利舊使用。

6　結(jié)語(yǔ)

生產(chǎn)實(shí)踐證明，熱矯直工藝顯著優(yōu)于冷矯直工藝，結(jié)構(gòu)科學(xué)合理，操作簡(jiǎn)單可靠，運(yùn)行穩(wěn)定。

改進(jìn)后的在線(xiàn)熱矯直裝置成功解決了效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大的問(wèn)題，利用高溫塑性使多處S彎一次性得到擠壓校正，達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)范圍。

在生產(chǎn)過(guò)程中還要注意以下操作：

（1）軋件長(zhǎng)度在11m以上，矯直液壓缸距軋件端部約有1.5m，動(dòng)梁和定梁兩端懸出部分在高溫軋件的烘烤下逐漸產(chǎn)生X型側(cè)彎，需將軋件前后錯(cuò)位分兩次擠壓，在增加淋水冷卻后效果仍然不佳，為提高效率，有必要增加兩個(gè)液壓缸將動(dòng)梁分兩段推進(jìn)，液壓缸距動(dòng)梁端部間距減小到250mm。

（2）寬度和厚度不同的斷面規(guī)格，翻鋼臂與軋件接觸點(diǎn)會(huì)發(fā)生變化，需要設(shè)計(jì)兩種連接頭，與預(yù)留的Φ26mm兩圓孔螺栓連接，滿(mǎn)足中小規(guī)格陰極扁鋼合適的翻鋼軌跡。

［1］ 林治平等.金屬塑性變形的試驗(yàn)方法.北京：冶金工業(yè)出版社，2002.6.

［2］ 許云祥.金屬材料常用試驗(yàn)方法.北京：冶金工業(yè)出版社，1993：69.

［3］ 何擎基.金屬力學(xué)性能試驗(yàn).北京：冶金工業(yè)出版社，1988.5：123.

Design of Hot Straightening Technique for Electrolytic Aluminum Electrode Flat Steel Production Line

KONG Li-ming
（Xingjiang Bayi Iron&Steel Co.，Ltd.）

The rolling process of production series electrode flat steel is introduced，using the direct way of off-line cold straightening seriously restrict the normal production.Research and design of the on-line thermal straightening device，improve the finishing process.The production practice shows that significantly improve the labor intensity of production and transportation process of manual operation.

electrode flat steel；rolling technology；straightening method；finishing process

TG335.5+7

A

1672—4224（2016）01—0001—04

聯(lián)系人：孔利明，男，58歲，本科，軋鋼高級(jí)工程師，烏魯木齊（830022）寶鋼集團(tuán)八鋼公司制造管理部
E-mail：konglm@bygt.com.cn