棒材粗中軋軋件頭部開裂成因及改進方案

王洪鋒，鄧武軍，姜 軍，許 榮

（酒鋼集團宏興股份公司煉軋廠，甘肅 嘉峪關(guān)735100）

酒鋼集團宏興股份公司（全文簡稱酒鋼）煉軋廠線棒作業(yè)區(qū)為線棒材復(fù)合生產(chǎn)線，前身為酒鋼二軋廠，其線材生產(chǎn)線是酒鋼“七五”末期全套引進國外先進技術(shù)和關(guān)鍵設(shè)備建成的高速線材生產(chǎn)線，投產(chǎn)于1988年，是國內(nèi)最早引進的現(xiàn)代化高速線材生產(chǎn)線之一，其軋機關(guān)鍵設(shè)備從德國德馬克公司引進，電控系統(tǒng)從瑞典ABB公司成套引進。2001年底，酒鋼公司又在原高線廠房成品跨增加大規(guī)格直條棒材精軋機、棒材高速上料系統(tǒng)及精整設(shè)備，使其成為即具備盤卷線材生產(chǎn)能力，又具備直條棒材生產(chǎn)能力的線、棒復(fù)合生產(chǎn)線。新建的棒材生產(chǎn)線關(guān)鍵設(shè)備達到世界領(lǐng)先水平，是國內(nèi)第一條速度超過30 m/s的單線棒材生產(chǎn)線，其主要機械設(shè)備由意大利西馬克公司引進，電控系統(tǒng)從德國西門子公司引進。該生產(chǎn)線具有線、棒材共50萬t的年設(shè)計生產(chǎn)能力，其中高速棒材產(chǎn)能30萬t，高速線材產(chǎn)能20萬t，棒材捆重4 t，線材卷重1 t，目前已達到70萬t的能力，可進行線材和棒材的交替生產(chǎn)，以滿足不同用戶的需求。

自2019年以來，生產(chǎn)線堆鋼事故頻發(fā)，而粗軋堆鋼事故占了很大比例，其中前9機架堆鋼的最主要原因就是頭部開裂（劈頭）。對于產(chǎn)量、坯耗、能耗等方面產(chǎn)生了很大影響，亟待解決。

1 粗軋過程中頭部開裂的成因分析

線棒作業(yè)區(qū)棒材主要生產(chǎn)規(guī)格為Φ12 mm、Φ14 mm、Φ16 mm的HRB400E，這是一條由高速線材軋線改造的。故有必要對其棒材生產(chǎn)工藝進行簡單介紹。

原料入庫→堆放→上料→入爐加熱→粗軋（9架）→S9切頭尾→中軋（4架）→預(yù)精軋（4架）→S17切頭→精軋（10架）→穿水冷卻→倍尺飛剪→冷床→冷剪定尺剪切→剔短尺→過跨臺架檢查、計數(shù)→運輸→收集、打包→檢查掛牌→入庫

1.1 該生產(chǎn)線的主要工藝設(shè)備

1）200 m2蓄熱式步進加熱爐，最大加熱能力為每小時110 t，加熱鋼坯長度為5.7~6.25 m。

2）粗中軋機組為單線連續(xù)式布置，直流調(diào)速電機單獨傳動。其中1—4架軋輥直徑600 mm，5—9架480 mm，中軋10—13架350 mm。

3）預(yù)精軋機組為德國德馬克公司進口，14、16架為懸臂水平軋機，15、17架為懸臂立式機架，單線連續(xù)式布置，直流調(diào)速電機單獨傳動。其中14—17架軋輥直徑275 mm。

4）小棒精軋機組為德國德馬克公司進口，15°/75°交替布置的懸臂式精軋機，直流調(diào)速電機集體傳動。高速無扭軋制，全部碳化鎢輥環(huán)，表面光潔、尺寸精度高。其中18—27架軋輥直徑210 mm。（小棒軋機使用原來的高速線材精軋機組）

5）小棒夾送輥為碳化鎢輥環(huán)，直流電機驅(qū)動可調(diào)速，軋件直徑Φ8 mm~Φ16 mm，軋件速度16.5~40 m/s。

6）小棒水冷箱有正向水嘴15個，反向水嘴2個，總供水壓力0.6 MPa，全長22 m。

7）倍尺分段剪為意大利小西馬克公司進口，高速倍尺剪和低速倍尺剪。高速倍尺剪為連續(xù)式圓盤飛剪，剪切斷面210 mm2，剪切規(guī)格Φ16 mm以下；低速倍尺剪為起停式回轉(zhuǎn)飛剪，剪切斷面810 mm2，剪切規(guī)格Φ18 mm~Φ32 mm。最大倍尺長度84 m，最小倍尺長度66 m。剪切精度高，并可有效實現(xiàn)倍尺的優(yōu)化剪切。

8）尾部制動器為意大利小西馬克公司進口，兩個，上下氣動同步對稱開合式，碳化鎢輥環(huán)，軋件直徑Φ8 mm~Φ32 mm，軋件速度4~40 m/s。將高速運行的棒材制動減速到設(shè)計要求的速度，可有效提高軋制速度。

9）雙轉(zhuǎn)轂為意大利小西馬克公司進口，雙通道式棒材上料系統(tǒng)，轉(zhuǎn)轂數(shù)2個，每一轉(zhuǎn)轂4個槽，全長90 m，工作周期0.5 s。配合尾部制動器可實現(xiàn)高速棒材軋制的要求。

10）冷床為長度9.382 m，寬度90 m，齒條間距300 mm（高溫段）/600 mm（低溫段）。

11）定尺剪切機為剪切力4 900 kN，剪刃長度950 mm。

12）棒材計數(shù)器為意大利小西馬克公司進口，光電全自動式，計數(shù)速度10根/s，計數(shù)精度99.8%（≤Φ12 mm），100%（＞Φ12 mm）計數(shù)精度高。

13）打捆機為兩臺，最大打捆直徑350 mm，最小打捆直徑150 mm，最高打捆重量4 t，工作周期7 s。

其中棒材軋機的規(guī)定料型見表1。

表1 棒材軋機的規(guī)定料型 mm

1.2 典型堆鋼事例

鋼坯經(jīng)過機架軋制運行到第4架出口時，粗軋崗位工已經(jīng)發(fā)現(xiàn)軋件有劈頭現(xiàn)象，立即通知CT2崗位啟動S9剪碎斷功能，準備在S9剪處碎斷此軋件，避免鋼質(zhì)劈頭軋件運行至中軋或預(yù)精軋等下游機架而引起生產(chǎn)事故。同時崗位工關(guān)閉粗軋第5架—第9架軋機冷卻水，降低軋件劈頭程度。軋件經(jīng)過第6架軋機出口時，軋件頭部劈開程度加劇，當(dāng)軋件經(jīng)過第8架軋機出口時，劈開軋件頭部被卡在8架出口扭轉(zhuǎn)導(dǎo)衛(wèi)上，造成7架與8架之間拱起堆鋼。

1.3 分析劈頭堆鋼原因

劈頭堆鋼的原因主要需要從粗中軋軋機孔型、軋機導(dǎo)衛(wèi)安裝、加熱爐的加熱制度、對于入爐鋼坯的檢查、連鑄二冷制度、煉鋼工藝、鋼水成分以及HRB中所添加釩鐵合金的特殊性能發(fā)面來分析。

1.3.1 軋機孔型對劈頭堆鋼的影響

生產(chǎn)過程中粗軋前兩機架使用的孔型為箱型孔，一般用于軋制大、中型斷面產(chǎn)品；適用于線棒的粗軋機架。主要優(yōu)點：寬度方向變形均勻，速度差小，孔型磨損較為均勻；可以通過調(diào)節(jié)輥縫得到得到多種厚度軋件，減少孔型數(shù)，減少換孔或換輥；軋件無尖銳棱角，斷面溫降均勻；軋件氧化鐵皮易脫落，不易扭轉(zhuǎn)，穩(wěn)定性較好；操作方便，便于實現(xiàn)機械化操作。但是，由于箱型孔的結(jié)構(gòu)特點，孔型側(cè)壁斜度較大，不能從箱型孔型中軋出幾何形狀精確的軋件，軋件在孔型中只能受兩個方向的壓縮，軋件表面不易平直，甚至出現(xiàn)皺紋。

型鋼軋機軋制鋼坯時延伸系數(shù)一般采用1.15~1.40，寬展系數(shù)β=0.25~0.24。孔型尺寸確定如下：孔型高度h等于軋件的高度；孔型槽口寬度Bk=b+Δ，mm；孔型槽底寬度bk=B-(0~6)，mm。式中Δ為寬展余量，可取5~12 mm，或更大；B為來料寬度；或bk=（1.01~1.06）B。孔型的側(cè)壁斜度y或tanΦ，一般采用10%~25%，個別情況可取30%或更大。內(nèi)圓角半徑R=（0.1~0.2）h；r=（0.05~0.15）h。為孔型軋制留展寬余量的凸度f=5~10 mm。

生產(chǎn)過程中孔型寬展方向的斜度比較大，即使調(diào)好輥縫，由于寬展方向?qū)︿摰膴A持效果差，從而易出現(xiàn)倒鋼現(xiàn)象，導(dǎo)致出口鋼料不規(guī)則，易出現(xiàn)折疊，邊大，軸錯，尺寸不合，經(jīng)過多機架的累積，容易出現(xiàn)堆鋼。而且，不規(guī)則鋼料進入后續(xù)架次，使各架進出口導(dǎo)衛(wèi)導(dǎo)輥及導(dǎo)輥軸承承受的軸向力變大，從而導(dǎo)致導(dǎo)衛(wèi)軸承燒掉或損壞導(dǎo)輥、導(dǎo)板及導(dǎo)衛(wèi)支撐臂的現(xiàn)象；同時鋼料不均會使各架次軋制負荷增加，從而使軋輥軸承承受的軸向力與切向力增加，導(dǎo)致軸承燒掉，在負荷過大時，軋輥變形量過大，還有可能造成斷輥事故。增加備件成本，降低軋機有效作業(yè)率。

另外，該線現(xiàn)在的棒材生產(chǎn)線是由原先的高線改造的，雖然粗軋軋機沒有變化。但是，由于設(shè)計時的鋼號與現(xiàn)在不同，HRB400e這種鋼的強度和硬度都比原先設(shè)計的要高出許多。但是軋機電機、軋輥材質(zhì)、導(dǎo)衛(wèi)襯板等諸多設(shè)備、材料并沒有做相應(yīng)更新，使軋機的節(jié)奏無法提升，限制今后更高強度鋼的發(fā)展。而且，像燕尾槽的平正、軋制線的絕對對中、軋輥輥縫的對齊等問題是在軋制、調(diào)整過程中非常關(guān)鍵的因素，稍有不慎就會造成堆鋼事故。

1.3.2 導(dǎo)衛(wèi)對劈頭堆鋼的影響

導(dǎo)衛(wèi)在線材生產(chǎn)中的作用：正確的將軋件導(dǎo)入軋輥孔型；保證軋件在孔型中穩(wěn)定的變形，并得到所要求的幾何形狀和尺寸；順利地將軋件由孔型中導(dǎo)出，防止纏輥。控制或強制軋件扭轉(zhuǎn)或彎曲變形，按一定的方向運動。軋制任何斷面形狀的型鋼，幾乎在所有軋輥的進口和出口都要使用導(dǎo)衛(wèi)裝置。其作用是使軋件能按照所需的狀態(tài)進出孔型，保證軋件按即定的變形條件進行軋制。盡管孔型設(shè)計合理，如果導(dǎo)衛(wèi)裝置的設(shè)計或使用不當(dāng)，也不能軋出合格的產(chǎn)品，并可能造成刮切軋件、擠鋼、纏輥，甚至造成斷輥或嚴重的設(shè)備事故和人身事故。

粗軋在導(dǎo)衛(wèi)裝置使用上，結(jié)合該高速連軋生產(chǎn)線橢圓軋件的運行特點，偶數(shù)機架出口均采用滾動導(dǎo)衛(wèi)。另外，粗軋7、9機架也采用滾動導(dǎo)衛(wèi)。

滾動導(dǎo)衛(wèi)的選擇依據(jù)：

1）正確選擇各部件材質(zhì)并確定其配合問隙。

2）根據(jù)各機架孔型的尺寸，孔型在軋輥上的配置情況，正確選擇各部件外形結(jié)構(gòu)，使之有利于安裝和調(diào)整。

3）合理設(shè)計導(dǎo)衛(wèi)油氣潤滑和冷卻水系統(tǒng)。

4）根據(jù)孔型形狀、尺寸，正確設(shè)計導(dǎo)輥、導(dǎo)板、導(dǎo)衛(wèi)尖的孔型參數(shù)。

由于導(dǎo)衛(wèi)座所處的環(huán)境較惡劣，受冷卻水侵蝕、軋件頭尾沖擊、氧化鐵皮垢結(jié)、堆鋼破壞等影響，因此必須可靠固定，操作中應(yīng)經(jīng)常進行點檢，發(fā)現(xiàn)問題及時更換，防止事故發(fā)生。導(dǎo)衛(wèi)總成上線后，依靠導(dǎo)衛(wèi)座可完成導(dǎo)衛(wèi)與孔型的對中對正。導(dǎo)衛(wèi)座的調(diào)整十分關(guān)鍵，

滾動導(dǎo)衛(wèi)裝置的選擇和設(shè)計是一項與現(xiàn)場生產(chǎn)應(yīng)用結(jié)合十分緊密的工作，可操作性很強。結(jié)合最近發(fā)生的幾次事故發(fā)現(xiàn)粗軋堆鋼大部分是由于導(dǎo)衛(wèi)狀況引起的，產(chǎn)生的根本原因是：第2、4、6、8架出口扭轉(zhuǎn)導(dǎo)衛(wèi)的扭轉(zhuǎn)角度不合適，導(dǎo)致在后面機架倒鋼現(xiàn)象越來越嚴重導(dǎo)致堆鋼。特別是第2、4機架更為嚴重，扭轉(zhuǎn)角如果稍微變小就對后面產(chǎn)生很大影響。還有就是因為軋機的使用時間過長，導(dǎo)致軋制線對中出現(xiàn)問題。再加上燕尾槽的磨損，使固定c型塊后，導(dǎo)衛(wèi)很難調(diào)整，導(dǎo)致導(dǎo)衛(wèi)傾斜，出現(xiàn)耳子以致堆鋼。

1.3.3 加熱與坯料檢查

加熱對鋼坯軋制的作用至觀重要，因為設(shè)計原因無法采用熱裝熱送，主要使用冷鋼坯。這就對對加熱爐的要求嚴格，目前采用的是200 m2蓄熱式步進加熱爐，最大加熱能力為每小時110 t，加熱鋼坯長度為5.7~6.25 m。燃燒介質(zhì)為純高爐煤氣，這是酒鋼公司第二座畜熱式加熱爐。

加熱爐三段加熱制度見表2。

表2 加熱爐三段加熱制度 ℃

在軋制過程中觀察三架出口經(jīng)常出現(xiàn)倒鋼現(xiàn)象，一方面是由于2架導(dǎo)衛(wèi)開口和扭轉(zhuǎn)角度不合適；另一個重要原因就是加熱冷鋼坯時因為加熱爐能力有限，為了提高軋制節(jié)奏而導(dǎo)致鋼坯受熱不均。鋼坯的芯部與表面溫度差異、頭部與尾部溫度差異以及鋼坯在加熱爐中的上下表面溫度不均，這些會導(dǎo)致粗軋崗位人員對2、4架扭轉(zhuǎn)角度、開口度的判斷失誤而導(dǎo)致5機架后倒鋼、耳子等現(xiàn)象的積累導(dǎo)致堆鋼事故發(fā)生。

另外CT1崗位還有檢查鋼坯質(zhì)量的職責(zé)，最近一段時間由于種種原因9#連鑄機的鋼坯出現(xiàn)夾雜和偏析的質(zhì)量問題較多。這就需要崗位人員密切檢查鋼坯質(zhì)量，剔除問題鋼坯。

1.3.4 鋼質(zhì)問題

鋼質(zhì)問題多數(shù)時候在軋制時無法控制，而且會造成嚴重后果。最近粗軋劈頭堆鋼主要發(fā)生在生產(chǎn)建筑用鋼HRB400E屈服強度為400 MPa的熱軋帶肋鋼筋時。這種鋼平均含碳量為0.21%，該碳含量的坯料在連鑄過程中易產(chǎn)生偏析和內(nèi)裂。

鋼中化學(xué)元素硫、錳含量對鋼坯質(zhì)量也有較大影響。有實驗表明，當(dāng)鋼中w[S]>0.02%時，方坯易產(chǎn)生內(nèi)裂；而錳元素能減少硫的影響程度，當(dāng)m[Mn]/m[S]比值達到25~30時，能明顯防止方坯內(nèi)裂產(chǎn)生。有人對劈頭軋件作化學(xué)分析，其w[S]為0.20%以下，m[Mn]/m[S]比為14.38。遠低于平均值。

連鑄設(shè)備、二冷制度的影響。連鑄二冷配水參數(shù)、連鑄機對弧精度、連鑄冷卻水質(zhì)、以及對出現(xiàn)脫方、凹陷等缺陷的控制都是鋼質(zhì)問題產(chǎn)生的原因。

2 針對劈頭堆鋼的解決方案

1）針對孔型解決方案。設(shè)計新孔型，減小側(cè)部斜度（減小孔型邊緣斜度，增加直線段長度），并將內(nèi)圓角減小，加深槽深度2.5 mm左右，減小8 mm輥縫。這樣可以對軋件起到夾持作用，應(yīng)該可以控制軋制過程中鋼轉(zhuǎn)而導(dǎo)致的倒鋼現(xiàn)象。在年修時對軋制中心線調(diào)正、對正上下軋輥軋槽。

2）針對導(dǎo)衛(wèi)解決方案。年修時將軋制線對中；將固定c型塊的燕尾槽表面平整；對于第2、4架扭轉(zhuǎn)導(dǎo)衛(wèi)適當(dāng)調(diào)大扭轉(zhuǎn)角；將易堆鋼的5號機架導(dǎo)衛(wèi)導(dǎo)板工作區(qū)域設(shè)計為圓角。

3）針對加熱解決方案。在加熱冷鋼坯時盡量降低軋制節(jié)奏；檢查加熱爐內(nèi)噴嘴使用情況，及時修復(fù)調(diào)整；認真檢查鋼坯質(zhì)量。

4）針對鋼質(zhì)解決方案。嚴格控制w[S]為0.20%~0.21%之間，以避開鑄坯裂紋的敏感區(qū)，控制鋼水中錳、硫含量m[Mn]/m[S]>20以上；穩(wěn)定鋼水的溫度、拉速、液面高度；提高連鑄機對弧精度、控制冷卻水質(zhì)、加強鑄坯質(zhì)量的檢查等等。

5）粗軋人員密切觀察各機架間紅鋼情況，出現(xiàn)劈頭或鋼質(zhì)問題立即將冷卻水關(guān)掉，通知CT2啟動S9碎斷剪功能。對劈頭鋼質(zhì)留樣保存，分析問題鋼坯成分。追溯粗軋各架料型、加熱爐各段溫度，找到問題根源，實施改進措施。

3 結(jié)論

1）棒材劈頭堆鋼主要由鋼坯質(zhì)量問題引起（偏析、夾雜）。

2）鋼坯內(nèi)裂屬于鑄造缺陷，但與冶煉時成分相關(guān)。

3）冶煉時應(yīng)避開包晶點，可以有效避免偏析、內(nèi)裂。

4）提高鋼中錳硫比例可防治方坯內(nèi)裂。

5）軋制過程中，粗軋崗位密切盯鋼，盡量及時處理鋼質(zhì)問題。

6）年修時，對軋機的軋制線對正，跟換更耐磨的3、5架導(dǎo)衛(wèi)襯板。

7）適當(dāng)調(diào)大2、4機架導(dǎo)衛(wèi)扭轉(zhuǎn)角。