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735100）

酒鋼集團宏興股份公司（全文簡稱酒鋼）煉軋廠線棒作業區為線棒材復合生產線，前身為酒鋼二軋廠，其線材生產線是酒鋼“七五”末期全套引進國外先進技術和關鍵設備建成的高速線材生產線，投產于1988年，是國內最早引進的現代化高速線材生產線之一，其軋機關鍵設備從德國德馬克公司引進，電控系統從瑞典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格直條棒材精軋機、棒材高速上料系統及精整設備，使其成為即具備盤卷線材生產能力，又具備直條棒材生產能力的線、棒復合生產線。新建的棒材生產線關鍵設備達到世界領先水平，是國內第一條速度超過30 m/s的單線棒材生產線，其主要機械設備由意大利西馬克公司引進，電控系統從德國西門子公司引進。該生產線具有線、棒材共50萬t的年設計生產能力，其中高速棒材產能30萬t，高速線材產能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，以滿足不同用戶的需求。

自2019年以來，生產線堆鋼事故頻發，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）。對于產量、坯耗、能耗等方面產生了很大影響，亟待解決。

1 粗軋過程中頭部開裂的成因分析

線棒作業區棒材主要生產規格為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→運輸→收集、打包→檢查掛牌→入庫

1.1 該生產線的主要工藝設備

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式布置，直流調速電機單獨傳動。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，單線連續式布置，直流調速電機單獨傳動。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，直流調速電機集體傳動。高速無扭軋制，全部碳化鎢輥環，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，直流電機驅動可調速，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。高速倍尺剪為連續式圓盤飛剪，剪切斷面210 mm2，剪切規格Φ16 mm以下；低速倍尺剪為起停式回轉飛剪，剪切斷面810 mm2，剪切規格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，并可有效實現倍尺的優化剪切。

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，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計要求的速度，可有效提高軋制速度。

9）雙轉轂為意大利小西馬克公司進口，雙通道式棒材上料系統，轉轂數2個，每一轉轂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）棒材計數器為意大利小西馬克公司進口，光電全自動式，計數速度10根/s，計數精度99.8%（≤Φ12 mm），100%（＞Φ12 mm）計數精度高。

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。

其中棒材軋機的規定料型見表1。

表1 棒材軋機的規定料型 mm

1.2 典型堆鋼事例

鋼坯經過機架軋制運行到第4架出口時，粗軋崗位工已經發現軋件有劈頭現象，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，避免鋼質劈頭軋件運行至中軋或預精軋等下游機架而引起生產事故。同時崗位工關閉粗軋第5架—第9架軋機冷卻水，降低軋件劈頭程度。軋件經過第6架軋機出口時，軋件頭部劈開程度加劇，當軋件經過第8架軋機出口時，劈開軋件頭部被卡在8架出口扭轉導衛上，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、軋機導衛安裝、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面來分析。

1.3.1 軋機孔型對劈頭堆鋼的影響

生產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、中型斷面產品；適用于線棒的粗軋機架。主要優點：寬度方向變形均勻，速度差小，孔型磨損較為均勻；可以通過調節輥縫得到得到多種厚度軋件，減少孔型數，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，穩定性較好；操作方便，便于實現機械化操作。但是，由于箱型孔的結構特點，孔型側壁斜度較大，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，甚至出現皺紋。

型鋼軋機軋制鋼坯時延伸系數一般采用1.15~1.40，寬展系數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。孔型的側壁斜度y或tanΦ，一般采用10%~25%，個別情況可取30%或更大。內圓角半徑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。

生產過程中孔型寬展方向的斜度比較大，即使調好輥縫，由于寬展方向對鋼的夾持效果差，從而易出現倒鋼現象，導致出口鋼料不規則，易出現折疊，邊大，軸錯，尺寸不合，經過多機架的累積，容易出現堆鋼。而且，不規則鋼料進入后續架次，使各架進出口導衛導輥及導輥軸承承受的軸向力變大，從而導致導衛軸承燒掉或損壞導輥、導板及導衛支撐臂的現象；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，降低軋機有效作業率。

另外，該線現在的棒材生產線是由原先的高線改造的，雖然粗軋軋機沒有變化。但是，由于設計時的鋼號與現在不同，HRB400e這種鋼的強度和硬度都比原先設計的要高出許多。但是軋機電機、軋輥材質、導衛襯板等諸多設備、材料并沒有做相應更新，使軋機的節奏無法提升，限制今后更高強度鋼的發展。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、調整過程中非常關鍵的因素，稍有不慎就會造成堆鋼事故。

1.3.2 導衛對劈頭堆鋼的影響

導衛在線材生產中的作用：正確的將軋件導入軋輥孔型；保證軋件在孔型中穩定的變形，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出，防止纏輥。控制或強制軋件扭轉或彎曲變形，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衛裝置。其作用是使軋件能按照所需的狀態進出孔型，保證軋件按即定的變形條件進行軋制。盡管孔型設計合理，如果導衛裝置的設計或使用不當，也不能軋出合格的產品，并可能造成刮切軋件、擠鋼、纏輥，甚至造成斷輥或嚴重的設備事故和人身事故。

粗軋在導衛裝置使用上，結合該高速連軋生產線橢圓軋件的運行特點，偶數機架出口均采用滾動導衛。另外，粗軋7、9機架也采用滾動導衛。

滾動導衛的選擇依據：

1）正確選擇各部件材質并確定其配合問隙。

2）根據各機架孔型的尺寸，孔型在軋輥上的配置情況，正確選擇各部件外形結構，使之有利于安裝和調整。

3）合理設計導衛油氣潤滑和冷卻水系統。

4）根據孔型形狀、尺寸，正確設計導輥、導板、導衛尖的孔型參數。

由于導衛座所處的環境較惡劣，受冷卻水侵蝕、軋件頭尾沖擊、氧化鐵皮垢結、堆鋼破壞等影響，因此必須可靠固定，操作中應經常進行點檢，發現問題及時更換，防止事故發生。導衛總成上線后，依靠導衛座可完成導衛與孔型的對中對正。導衛座的調整十分關鍵，

滾動導衛裝置的選擇和設計是一項與現場生產應用結合十分緊密的工作，可操作性很強。結合最近發生的幾次事故發現粗軋堆鋼大部分是由于導衛狀況引起的，產生的根本原因是：第2、4、6、8架出口扭轉導衛的扭轉角度不合適，導致在后面機架倒鋼現象越來越嚴重導致堆鋼。特別是第2、4機架更為嚴重，扭轉角如果稍微變小就對后面產生很大影響。還有就是因為軋機的使用時間過長，導致軋制線對中出現問題。再加上燕尾槽的磨損，使固定c型塊后，導衛很難調整，導致導衛傾斜，出現耳子以致堆鋼。

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常出現倒鋼現象，一方面是由于2架導衛開口和扭轉角度不合適；另一個重要原因就是加熱冷鋼坯時因為加熱爐能力有限，為了提高軋制節奏而導致鋼坯受熱不均。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，這些會導致粗軋崗位人員對2、4架扭轉角度、開口度的判斷失誤而導致5機架后倒鋼、耳子等現象的積累導致堆鋼事故發生。

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

1.3.4 鋼質問題

鋼質問題多數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生在生產建筑用鋼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生偏析和內裂。

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

連鑄設備、二冷制度的影響。連鑄二冷配水參數、連鑄機對弧精度、連鑄冷卻水質、以及對出現脫方、凹陷等缺陷的控制都是鋼質問題產生的原因。

2 針對劈頭堆鋼的解決方案

1）針對孔型解決方案。設計新孔型，減小側部斜度（減小孔型邊緣斜度，增加直線段長度），并將內圓角減小，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，應該可以控制軋制過程中鋼轉而導致的倒鋼現象。在年修時對軋制中心線調正、對正上下軋輥軋槽。

2）針對導衛解決方案。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架扭轉導衛適當調大扭轉角；將易堆鋼的5號機架導衛導板工作區域設計為圓角。

3）針對加熱解決方案。在加熱冷鋼坯時盡量降低軋制節奏；檢查加熱爐內噴嘴使用情況，及時修復調整；認真檢查鋼坯質量。

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

5）粗軋人員密切觀察各機架間紅鋼情況，出現劈頭或鋼質問題立即將冷卻水關掉，通知CT2啟動S9碎斷剪功能。對劈頭鋼質留樣保存，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 結論

1）棒材劈頭堆鋼主要由鋼坯質量問題引起（偏析、夾雜）。

2）鋼坯內裂屬于鑄造缺陷，但與冶煉時成分相關。

3）冶煉時應避開包晶點，可以有效避免偏析、內裂。

4）提高鋼中錳硫比例可防治方坯內裂。

5）軋制過程中，粗軋崗位密切盯鋼，盡量及時處理鋼質問題。

6）年修時，對軋機的軋制線對正，跟換更耐磨的3、5架導衛襯板。

7）適當調大2、4機架導衛扭轉角。