遷鋼熱軋酸洗線卷取機結構優化實踐

張光通

1.引言

熱軋酸洗板卷由于其性價比高，近幾年在國內市場需求不斷上升，因此噸鋼利潤可觀。但目前國內大多數酸洗機組的卷取機[1]均不能高效率的實現自動卸卷模式，自動卸卷故障率較高。自動卸卷的實現可以提高產線的生產效率，降低工人的勞動強度，減少內塔、抽芯、劃傷等缺陷卷的產生，對企業的降本增效任務具有較大貢獻。因此通過對卷取機結構進行優化設計，提高自動卸卷成功率，對于提高生產效率具有重要的現實意義。

2.自動卸卷成功率低原因分析

通過對遷鋼熱軋酸洗線卷取機自動卸卷的多次嘗試，目前鋼卷帶頭無法正常從卷筒鉗口退出，是制約實現自動卸卷的最大瓶頸，在卷取機卷筒順時針旋轉10度時，帶頭未能順利從鉗口中退出，帶頭卡在鉗口中；卷筒轉動時，鋼卷內卷隨之轉動，導致鋼卷內卷散卷。在鋼卷小車卸卷橫移時，帶頭在鉗口堆積卡死或造成內卷塔形[2]。再者，即使鋼卷帶頭能偶然順利退出鉗口，在將卷取機與鋼卷分離時，由于鋼卷內圈與卷筒外表面間隙過小，仍有幾率產生鋼卷抽芯和內圈塔形現象。

產生以上鋼卷缺陷的主要原因，在于卷筒結構設計不合理，特別是鉗口部分的設計不合理。主要體現在（1）鋼卷鉗口的設計型式不合理；（2）卷筒鉗口設計深度及卷筒鉗口開口度設計不合理；（3）鉗口扇形板圓弧過渡半徑及過度渡角設計過小；（4）卷筒的漲縮范圍設計過小。

3.卷取機結構優化設計方案

3.1 卷筒鉗口型式改造

遷鋼卷筒鉗口型式是比較傳統也是應用比較廣泛的機械鉗口，早期由于液壓技術不夠成熟，再加上卷筒是轉動設備，油路設計比較困難，因此液壓很少應用于卷筒鉗口。但隨著液壓技術的不斷發展，特別是卷筒的旋轉接頭密封技術的日趨成熟可靠，讓液壓鉗口技術應用于卷取機卷筒成為現實。液壓鉗口相對于機械鉗口，在實現自動卸卷方面有以下優勢：

（1）當帶頭夾緊在鉗口內，鋼卷縮徑時，帶頭不易隨鉗口位置變化而變化。這樣可以最大限度避免鋼卷內圈散卷。

（2）機械鉗口[3]在夾持不同厚度規格的鋼帶時，咬合力不一致且力的分布不均勻，容易導致帶頭變形，不利于自動卸卷工序。而液壓鉗口對帶頭的作用力可精確調整控制[3]，不受帶鋼厚度變化的影響，鉗口夾緊力可靠且不易造成帶頭變形。

（3）液壓鉗口的型式有利于在不影響卷筒扇形板強度的前提下，將鉗口深度設計得較小，有利于在不造成內圈散卷的情況下帶頭能順利退出鉗口。

因此，在卷筒有效寬度1800mm方向上布置8個鉗口液壓缸，將原卷筒的機械鉗口型式改為單作用油缸的液壓鉗口，油缸活塞桿與鉗口壓塊采用螺紋連接，鉗口夾緊依靠油缸推力作用，鉗口松開依靠彈簧力作用。

鉗口液壓缸的工作壓力為14MPa，活塞直徑設計為Φ42mm，一共8個鉗口液壓缸，鉗口液壓缸的液壓推力為：

鉗口液壓缸活塞設計行程為21mm，實際最大的有效行程為15mm，彈簧系數選取k=8*104N/m，設計在鉗口的寬度方向共計4根彈簧，因此彈簧對鉗口壓塊的回程拉力為：

綜上所述，液壓鉗口對鋼卷帶頭的總夾緊力為：

鉗口夾緊位置的壓塊和固定塊的表面設計為鋸齒狀，摩擦系數為0.5-0.8，取最小值0.5，帶鋼夾緊后，兩面均受到摩擦力作用，故最大的靜摩擦力為：

F靜=2F夾μ=2*150.29*0.5=150.29KN＞F張=120KN酸洗線卷取機設計的最大卷取張力為120KN，此設計完全滿足帶頭對鉗口夾緊力需求。

按最小的帶鋼寬度700mm計算，帶頭被夾緊的有效寬度即鉗口壓塊的寬度為32mm，因此，帶頭受到的夾持壓應力為：

P=F夾/S=(150.29*103)/(700*10-3*32*10-3)=6.71MPa

以強度級別最低的普通碳素鋼Q215為例，許用抗壓應力為145MPa，遠大于鉗口對帶鋼產生的壓應力。因此，液壓鉗口的夾緊力不會對帶鋼產生損傷。

3.2 鉗口的深度及開口度改造

鉗口深度由原設計機械鉗口的126mm縮減到35mm；鉗口開口度由原來的機械鉗口[4]的8.5mm增大到15mm。鋼帶插入鉗口的深度越小，鉗口的開口度越大，在執行鋼卷帶頭退出鉗口時，鋼卷帶頭越容易能順利退出鉗口，從而順利完成自動卸卷的最困難的一環。

3.3 鉗口扇形板圓弧過渡半徑及過渡角改造

鉗口扇形板圓弧過渡半徑由原設計R20增大至R100，過渡角有原來的130度增大至169度， 過渡半徑設計越大，過度角越接近180度，即鉗口與扇形板之間的過渡線條越平滑，受鉗口夾持后的帶鋼頭部的變形量就越小，同樣有利于在執行鋼卷帶頭退出鉗口時，鋼卷帶頭越容易能順利退出鉗口。

3.4 卷筒漲縮范圍及鉗口壓塊改造

卷筒的漲縮范圍有原來的Φ590-Φ610mm，改造為Φ580-Φ610mm。即漲縮量由20mm增大到30mm，這樣鋼卷縮徑后，卷筒外表面與鋼卷的內圈單邊間隙進一步增大至15mm。在執行鋼卷帶頭退出鉗口卷筒縮徑后，轉動環節以及在執行自動卸卷第7步驟鋼卷橫移環節[5]，卷筒外表面不易與鋼卷內圈發生摩擦干涉，更加有利于順利完成自動卸卷。

鉗口壓塊寬度由原設計的1375mm，改造延長至1500mm，與帶頭的有效接觸寬度由原來的10mm增大到32mm，這樣就增大了鋼板與鉗口壓塊的接觸面積，提高鉗口夾持的可靠性以及減少帶頭因夾持產生的壓應力[6]，進一步保護帶頭不受損傷。

4.效益計算

遷鋼熱軋酸洗線卷取機卷筒改造于2015年1月開始技術攻關和設備改造，歷時8個月，于2015年9月成功應用于產線生產。改造后自動卸卷成功率達到了99.9%（改造前自動卸卷成功率測算值為50%），卷取機卸卷由手動/半自動模式改為全自動模式。對改造后產線的持續跟蹤和測算，產生的效益如下：

（1）卷取機自動卸卷平均每卷比人工卸卷節約約1min，平均每天節約約100min，每天提高產能約90噸。噸鋼利潤按2016年上半年平均噸鋼200元計算，按每年有效作業時間300天計算，產生的年經濟效益：

90噸×200元×300天=540萬元

（2）此改造項目完成后，根據測算，能有效降低因鋼卷卸卷塔形導致的反洗率約0.5%。酸洗年產量按60萬噸計算，噸鋼反洗成本約180元，每年可節約成本：

0.5%×60×104×200=60萬元

其次，降低了卷取機設備故障率，節約了人工和維護成本。

此次改造完成后，也為后續首鋼乃至國內其他類似產線的改造，積累了寶貴經驗，讓酸洗線的工藝和生產的組織模式更加趨于科學合理。

5.結論

遷鋼熱軋酸洗線卷取機卷筒改造后，卸卷由手動模式改為全自動模式，自動卸卷成功率達到了99.9%（改造前自動卸卷成功率測算值為50%）。改造后明顯的成效有：

（1）提高了酸洗機組的作業效率，每年提高產能約8.3%，約5萬噸。

（2）降低了因卸卷塔形導致的反洗率及帶出品，約占總產量的0.5%，約3000噸。

（3）降低了卷取機卸卷作業時，因內圈散卷導致的內圈鋼卷表面劃傷，提高了鋼卷的表面質量和客戶滿意度。

（4）大大降低了人工卸卷造成的勞動強度，同時降低了帶頭在鉗口中卡死導致的設備故障率，節約了維護成本。

（5）為后續國內的其他類似產線的改造積累了寶貴經驗，讓酸洗線的工藝和生產的組織模式更加趨于科學合理。