涂修利

（攀鋼集團(tuán)工程技術(shù)有限公司，四川攀枝花 617062）

0 引言

攀鋼西昌鋼釩公司煉鋼廠200 t 提釩轉(zhuǎn)爐是整個提釩、煉鋼生產(chǎn)中最為關(guān)鍵的生產(chǎn)設(shè)備之一，其轉(zhuǎn)爐爐殼的加工是一項技術(shù)復(fù)雜、加工難度大、精度要求高的異型設(shè)備。本次200 t 提釩轉(zhuǎn)爐爐殼主要由厚度為δ=（70～120）mm 的厚型鋼板加工成型，從外形看可分為爐帽、爐身和爐體下段等3 部分（圖1）。爐帽部分外形為錐面段、爐身部分為柱面段、爐體下段部分由錐面段和球面段組全而成。特殊的幾何形狀、厚板及高加工精度的承重結(jié)構(gòu)決定了轉(zhuǎn)爐爐殼加工的高技術(shù)難度。

因轉(zhuǎn)爐爐殼的用料由設(shè)計人員確定分塊設(shè)計，未結(jié)合市場可供應(yīng)材料的實際尺寸狀況，造成爐殼加工實際采購的鋼板尺寸無法滿足設(shè)計的分帶、分塊的要求，材料采購成本高且料浪費嚴(yán)重。采用拼接方式時，對材料拼接有嚴(yán)格的要求，易因個人失誤造成材料浪費或返工。爐殼不規(guī)則弧形在卷制成形過程中，完全憑借操作者的經(jīng)驗進(jìn)行，使轉(zhuǎn)爐爐殼弧度不易得到精確控制，偏差較大，需反復(fù)頂壓，加工的時間長、工效低。

為了有效控制提釩轉(zhuǎn)爐爐殼的加工的精度和成本，克服以往轉(zhuǎn)爐爐殼加工技術(shù)難題，將目前國內(nèi)外最前沿的CAM（Computer Aided Manufacturing，計算機輔助制造）技術(shù)應(yīng)用于本次轉(zhuǎn)爐爐殼的加工。

圖1 200 t 轉(zhuǎn)爐爐體

1 工藝難點

1.1 爐殼材料采購成本高、浪費大

轉(zhuǎn)爐爐殼設(shè)計圖中對爐殼分為爐殼上段（爐帽）、爐殼中段（爐身）、爐殼下段及爐底等4 部分（圖2），按設(shè)計要求對設(shè)計圖直接進(jìn)行加工轉(zhuǎn)化后，其爐殼加工上制作存在以下問題。

圖2 轉(zhuǎn)爐爐殼

爐殼下料由于超寬，市場上并無符合下料要求的材料，造成爐殼材料無法采購，如按市場上可供采購的材料直接進(jìn)行下料，則除柱面帶外的錐面帶、球面帶下料后丟棄的邊角余量超過下料重量的30%以上，而由于這部分邊角余料并非常用材料，充分利用的可能性并不高，加工成本大幅度增加。

1.2 現(xiàn)有設(shè)備無法直接滿足對200 t 轉(zhuǎn)爐爐殼的加工需要

目前可用于爐殼加工的為一臺規(guī)格為80 mm×3000 mm數(shù)控卷板機，其加工能力：最大卷制鋼材為板厚為80 mm，寬度為3000 mm 的普通Q235 鋼材，而本次轉(zhuǎn)爐爐殼板厚為80 mm，但材料為Q345，而按設(shè)計需卷制80 mm 厚，Q345鋼板寬度為4.8 m，因此想通過現(xiàn)有卷板機直接將200 t 轉(zhuǎn)爐爐殼卷制成型的可能性不大，而另行采購大型卷板機意義不大且成本高。

1.3 傳統(tǒng)加工方法不易滿足轉(zhuǎn)爐爐殼的加工精度要求

傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)爐爐殼加工方法是用人工劃線，采取手工或半自動火焰方式對材料進(jìn)行切割，由液壓千斤頂頂制成型。加工過程中完全憑借人的經(jīng)驗進(jìn)行判定、控制質(zhì)量，切割時產(chǎn)生偏移或切割縫寬度超標(biāo)等，造成材料尺寸達(dá)不到要求，導(dǎo)致材料浪費或多次修整，工效降低，成本增加。

2 應(yīng)用CAM 技術(shù)的具體研究內(nèi)容及目標(biāo)

2.1 爐殼各組成部件的加工圖設(shè)計

結(jié)合設(shè)計圖紙，在轉(zhuǎn)爐爐殼加工前期對爐殼加工圖進(jìn)行轉(zhuǎn)化設(shè)計，完成對每塊爐殼加工的拆分，達(dá)到車間加工圖要求。

2.2 加工下料的優(yōu)化

下料優(yōu)化設(shè)計是依據(jù)材料尺寸規(guī)格對轉(zhuǎn)爐爐殼部件的材料下料過程優(yōu)化，以提高材料利用率，減少下料后產(chǎn)生的余料或廢料，從而盡可能地降低對材料的浪費。加工下料的優(yōu)化是依靠計算機輔助設(shè)計進(jìn)行控制完成，即在滿足設(shè)計要求的前提下對轉(zhuǎn)爐爐殼在CAD（Computer Aided Design，計算機輔助設(shè)計）的平臺上對材料排料進(jìn)行優(yōu)化，通過優(yōu)化使材料的實際損耗降低至可以在正常情況下加工轉(zhuǎn)爐爐殼接受的范圍內(nèi)。

2.3 計算機加工控制

計算機加工控制具有很高的效率和加工精度，可減少人為錯誤，節(jié)約成本，是轉(zhuǎn)爐爐殼應(yīng)用CAM 技術(shù)中的核心技術(shù)。主要是將車間加工圖利用數(shù)控切割設(shè)備進(jìn)行下料、切割，利用數(shù)控卷床進(jìn)行材料卷制成型，以提高加工工效，降低加工過程成本。

3 CAM 技術(shù)研究和實施過程

與普通鋼結(jié)構(gòu)CAM 加工技術(shù)應(yīng)用相比較，轉(zhuǎn)爐爐殼部件的加工圖設(shè)計必須與材料的實際排版圖相結(jié)合才能有效利用材料，達(dá)到有效降低材料浪費的效果，而不是僅僅是根據(jù)部件加工圖對材料進(jìn)行排版、加工、下料的簡單優(yōu)化。

3.1 爐殼部件加工圖設(shè)計及優(yōu)化

3.1.1 加工部件設(shè)計

通過對設(shè)計圖紙熟悉、理解后，用AuToCAD 制圖軟件對于轉(zhuǎn)爐爐殼加工前進(jìn)行爐殼加工圖的轉(zhuǎn)化設(shè)計，將設(shè)計圖（圖2）轉(zhuǎn)化為可用于在廠房內(nèi)進(jìn)行加工的單個部件圖，即分塊加工圖（圖3）。利用制圖軟件對每塊爐殼展開放樣，展開后根據(jù)爐殼尺寸對每塊爐殼分類初步排版，確定出理論所需采購的材料尺寸、重量，并在此基礎(chǔ)上考慮一定余量，確定材料的最終采購計劃，從而盡可能地減少材料的浪費，節(jié)約成本。

圖3 爐殼展開放樣排版

3.1.2 轉(zhuǎn)爐爐殼加工部件對焊縫坡口的優(yōu)化設(shè)計

根據(jù)原設(shè)計圖紙，焊縫坡口形式要求為U 形坡口，對此坡口需采取機加工。如果下料前進(jìn)行加工，則在爐殼卷制和吊裝過程中會對坡口造成損傷，必須在爐殼卷制后重新對坡口進(jìn)行處理。如果卷制成形后再進(jìn)行坡口加工，由于機床操作界面等原因則無法實施。因此，根據(jù)同類工程及國家相關(guān)規(guī)范，向設(shè)計院提出在保證焊接設(shè)計要求且不違背設(shè)計意圖的前提下，優(yōu)化坡口形式，即將U 形坡口改為K 形（圖4）。在卷制成型后坡口一次加工成型，提高效率降低成本。

圖4 坡口優(yōu)化

3.2 爐殼下料與材料（劃線）排版優(yōu)化

3.2.1 爐殼部件加工圖設(shè)計及優(yōu)化

爐殼加工前，一般情況下，首先根據(jù)轉(zhuǎn)爐爐殼的展開放樣的實際尺寸并考慮一定收縮、邊緣處理余量后選擇滿足要求的材料進(jìn)行劃線、排版、切割，然后進(jìn)行加工。

由于設(shè)計排版并未考慮材料的實際尺寸，而是直接根據(jù)設(shè)計圖要求進(jìn)行的轉(zhuǎn)爐爐殼各部件的加工設(shè)計，不利于高效利用實際材料，為此，根據(jù)設(shè)計要求并結(jié)合材料尺寸、加工條件等多方因素優(yōu)化并取得設(shè)計人員同意后對原排版圖進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計排版。提高材料利用率，減少材料拼接工作量，節(jié)省焊縫打磨、探傷等相關(guān)費用。

例如，根據(jù)傳統(tǒng)排版與優(yōu)化設(shè)計排版圖對比，對其中第5帶、第6 帶爐殼進(jìn)行了合理劃分和優(yōu)化，減少了實際爐殼塊數(shù)3塊，拼接焊縫減少約7.3 m。

3.2.2 加工余量優(yōu)化控制

通過重新排版對爐殼加工余量進(jìn)行控制，可以減少爐殼壓制過程中需要的端頭余量（表1）。傳統(tǒng)爐殼材料利用率：70%；利用計算機把相同厚度的材料合理排版利用率達(dá)到75%。

表1 提釩爐爐殼與傳統(tǒng)材料統(tǒng)計對比

3.3 計算機加工控制

3.3.1 計算機加工實施

根據(jù)轉(zhuǎn)爐爐殼各部件加工圖，將繪制的各帶、塊爐殼展開CAD 圖經(jīng)轉(zhuǎn)化后輸入數(shù)控加工設(shè)備（數(shù)控切割機），并由數(shù)控切割機在轉(zhuǎn)爐爐殼的鋼板上放出實樣，并根據(jù)需要預(yù)留切割余量，經(jīng)檢查確認(rèn)無誤后，進(jìn)行數(shù)控切割，同時開好各相關(guān)眼孔、坡口等。由于數(shù)控加工設(shè)備由計算機操作控制，不僅具有較高的加工效率和加工精度，而且可減少人為失誤，節(jié)省加工成本。

3.3.2 改進(jìn)爐殼冷壓工藝

（1）頂架改進(jìn)。由于轉(zhuǎn)爐爐殼第四帶板厚80 mm、寬度為2000 mm，材料為Q345R，超出公司數(shù)控卷板機的能力，無法利用現(xiàn)有的數(shù)控卷板機進(jìn)行卷制，因此采用頂架頂制成型的方法進(jìn)行加工，并利用樣板來掌握頂壓行進(jìn)量，由于操作時不易掌握頂壓量（由于鋼材彈性原因，頂壓不足時會反彈，造成需二次或多次頂壓；如頂壓超標(biāo)造成過頂，則需進(jìn)行反向變形處理，有時有由超標(biāo)過大甚至?xí)斐刹牧系膱髲U），頂壓過程中極易出現(xiàn)頂壓的圓弧度不均勻現(xiàn)象，造成后續(xù)矯正工作很大，制作成本增高。

現(xiàn)通過改進(jìn)加工設(shè)備，采取在頂架中心安置一限位擋板（圖5），使頂壓爐殼到達(dá)此位置后即停止壓制，確保頂壓的圓弧度均勻一致且符合設(shè)計頂壓尺寸要求

圖5 限位擋塊

（2）數(shù)控卷板機卷制過程控制改進(jìn)。對轉(zhuǎn)爐爐殼的各錐帶加工由數(shù)控卷板機直接卷制成型，但因錐帶板料為扇形狀，大小口曲率半徑大小不一，因此在實施操作中需不斷調(diào)整上滾軸的傾角來完成錐帶的卷制；在傳統(tǒng)的錐帶（包括管道大小頭）卷制等時，上滾軸傾角由操作人員憑肉眼估計，通過卷制時不斷調(diào)整上滾軸兩端高度確定最終上滾軸角度。

根據(jù)80 mm 數(shù)控卷板機的滾軸參數(shù)，依據(jù)錐帶爐殼的成型數(shù)據(jù)通過公式計算，一次性調(diào)整好上滾軸的卷制傾角（圖6），以保證轉(zhuǎn)爐爐殼的卷制質(zhì)量。

圖6 卷板機上滾軸

4 結(jié)論

CAM 技術(shù)在200 t提釩轉(zhuǎn)爐爐殼加工中得到成功應(yīng)用，突破了傳統(tǒng)加工工藝，使特殊鋼結(jié)構(gòu)加工技術(shù)得到大幅度提升。與傳統(tǒng)加工工藝 相 比，CAM 技 術(shù) 在200 t 轉(zhuǎn)爐爐殼加工具有以下優(yōu)勢。

（1）與傳統(tǒng)排版與優(yōu)化排版相對比，減少爐殼加工分塊數(shù)，焊縫減少也隨之減少，提高加工質(zhì)量。

（2）轉(zhuǎn)爐爐殼加工采用傳統(tǒng)加工工藝時的材料利用率為70%；采用CAM 技術(shù)優(yōu)化排版、數(shù)控下料、加工，實際轉(zhuǎn)爐爐殼材料利用率達(dá)到75%，提高材料利用率。

（3）采用CAM 加工技術(shù)比傳統(tǒng)加工工藝（加工設(shè)備相同條件）實現(xiàn)加工工期縮短10 d，效率得到較大提高。

通過CAM 技術(shù)的研究、實施，使轉(zhuǎn)爐爐殼加工的工藝合理、資源得到合理調(diào)配、充分利用，施工成本得到有效降低、工期達(dá)到了預(yù)期，是計算機輔助控制技術(shù)與鋼結(jié)構(gòu)加工的有效結(jié)合，對優(yōu)化加工工藝、降低加工成本具有重大意義。