應用CAM技術優化200t提釩轉爐爐殼加工工藝

涂修利

（攀鋼集團工程技術有限公司，四川攀枝花 617062）

0 引言

攀鋼西昌鋼釩公司煉鋼廠200 t 提釩轉爐是整個提釩、煉鋼生產中最為關鍵的生產設備之一，其轉爐爐殼的加工是一項技術復雜、加工難度大、精度要求高的異型設備。本次200 t 提釩轉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構決定了轉爐爐殼加工的高技術難度。

因轉爐爐殼的用料由設計人員確定分塊設計，未結合市場可供應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計的分帶、分塊的要求，材料采購成本高且料浪費嚴重。采用拼接方式時，對材料拼接有嚴格的要求，易因個人失誤造成材料浪費或返工。爐殼不規則弧形在卷制成形過程中，完全憑借操作者的經驗進行，使轉爐爐殼弧度不易得到精確控制，偏差較大，需反復頂壓，加工的時間長、工效低。

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

圖1 200 t 轉爐爐體

1 工藝難點

1.1 爐殼材料采購成本高、浪費大

轉爐爐殼設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），按設計要求對設計圖直接進行加工轉化后，其爐殼加工上制作存在以下問題。

圖2 轉爐爐殼

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 現有設備無法直接滿足對200 t 轉爐爐殼的加工需要

目前可用于爐殼加工的為一臺規格為80 mm×3000 mm數控卷板機，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，而本次轉爐爐殼板厚為80 mm，但材料為Q345，而按設計需卷制80 mm 厚，Q345鋼板寬度為4.8 m，因此想通過現有卷板機直接將200 t 轉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 傳統加工方法不易滿足轉爐爐殼的加工精度要求

傳統的轉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驗進行判定、控制質量，切割時產生偏移或切割縫寬度超標等，造成材料尺寸達不到要求，導致材料浪費或多次修整，工效降低，成本增加。

2 應用CAM 技術的具體研究內容及目標

2.1 爐殼各組成部件的加工圖設計

結合設計圖紙，在轉爐爐殼加工前期對爐殼加工圖進行轉化設計，完成對每塊爐殼加工的拆分，達到車間加工圖要求。

2.2 加工下料的優化

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

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，節約成本，是轉爐爐殼應用CAM 技術中的核心技術。主要是將車間加工圖利用數控切割設備進行下料、切割，利用數控卷床進行材料卷制成型，以提高加工工效，降低加工過程成本。

3 CAM 技術研究和實施過程

與普通鋼結構CAM 加工技術應用相比較，轉爐爐殼部件的加工圖設計必須與材料的實際排版圖相結合才能有效利用材料，達到有效降低材料浪費的效果，而不是僅僅是根據部件加工圖對材料進行排版、加工、下料的簡單優化。

3.1 爐殼部件加工圖設計及優化

3.1.1 加工部件設計

通過對設計圖紙熟悉、理解后，用AuToCAD 制圖軟件對于轉爐爐殼加工前進行爐殼加工圖的轉化設計，將設計圖（圖2）轉化為可用于在廠房內進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，節約成本。

圖3 爐殼展開放樣排版

3.1.2 轉爐爐殼加工部件對焊縫坡口的優化設計

根據原設計圖紙，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行處理。如果卷制成形后再進行坡口加工，由于機床操作界面等原因則無法實施。因此，根據同類工程及國家相關規范，向設計院提出在保證焊接設計要求且不違背設計意圖的前提下，優化坡口形式，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 坡口優化

3.2 爐殼下料與材料（劃線）排版優化

3.2.1 爐殼部件加工圖設計及優化

爐殼加工前，一般情況下，首先根據轉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行劃線、排版、切割，然后進行加工。

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

例如，根據傳統排版與優化設計排版圖對比，對其中第5帶、第6 帶爐殼進行了合理劃分和優化，減少了實際爐殼塊數3塊，拼接焊縫減少約7.3 m。

3.2.2 加工余量優化控制

通過重新排版對爐殼加工余量進行控制，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到75%。

表1 提釩爐爐殼與傳統材料統計對比

3.3 計算機加工控制

3.3.1 計算機加工實施

根據轉爐爐殼各部件加工圖，將繪制的各帶、塊爐殼展開CAD 圖經轉化后輸入數控加工設備（數控切割機），并由數控切割機在轉爐爐殼的鋼板上放出實樣，并根據需要預留切割余量，經檢查確認無誤后，進行數控切割，同時開好各相關眼孔、坡口等。由于數控加工設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，節省加工成本。

3.3.2 改進爐殼冷壓工藝

（1）頂架改進。由于轉爐爐殼第四帶板厚80 mm、寬度為2000 mm，材料為Q345R，超出公司數控卷板機的能力，無法利用現有的數控卷板機進行卷制，因此采用頂架頂制成型的方法進行加工，并利用樣板來掌握頂壓行進量，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；如頂壓超標造成過頂，則需進行反向變形處理，有時有由超標過大甚至會造成材料的報廢），頂壓過程中極易出現頂壓的圓弧度不均勻現象，造成后續矯正工作很大，制作成本增高。

現通過改進加工設備，采取在頂架中心安置一限位擋板（圖5），使頂壓爐殼到達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計頂壓尺寸要求

圖5 限位擋塊

（2）數控卷板機卷制過程控制改進。對轉爐爐殼的各錐帶加工由數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整上滾軸的傾角來完成錐帶的卷制；在傳統的錐帶（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，通過卷制時不斷調整上滾軸兩端高度確定最終上滾軸角度。

根據80 mm 數控卷板機的滾軸參數，依據錐帶爐殼的成型數據通過公式計算，一次性調整好上滾軸的卷制傾角（圖6），以保證轉爐爐殼的卷制質量。

圖6 卷板機上滾軸

4 結論

CAM 技術在200 t提釩轉爐爐殼加工中得到成功應用，突破了傳統加工工藝，使特殊鋼結構加工技術得到大幅度提升。與傳統加工工藝 相 比，CAM 技 術 在200 t 轉爐爐殼加工具有以下優勢。

（1）與傳統排版與優化排版相對比，減少爐殼加工分塊數，焊縫減少也隨之減少，提高加工質量。

（2）轉爐爐殼加工采用傳統加工工藝時的材料利用率為70%；采用CAM 技術優化排版、數控下料、加工，實際轉爐爐殼材料利用率達到75%，提高材料利用率。

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

通過CAM 技術的研究、實施，使轉爐爐殼加工的工藝合理、資源得到合理調配、充分利用，施工成本得到有效降低、工期達到了預期，是計算機輔助控制技術與鋼結構加工的有效結合，對優化加工工藝、降低加工成本具有重大意義。