棒線材無頭焊接軋制設(shè)備及其經(jīng)濟(jì)效益

楊 謖

(福建三鋼閩光股份有限公司，福建 三明 365000)

傳統(tǒng)棒線材采用的是單坯軋制機(jī)理[1]進(jìn)行生產(chǎn)，其中加熱爐出爐門至1#軋機(jī)機(jī)列之間布置帶保溫罩的輸送輥道。采用單坯軋制機(jī)理進(jìn)行生產(chǎn)存在設(shè)備故障率高、坯料損耗量大等問題。通過對舊生產(chǎn)線進(jìn)行改造升級，在出爐門至1#軋機(jī)機(jī)列之間布置無頭焊接軋制系統(tǒng)，可以有效地提高設(shè)備利用率[2]和材料收得率[3]，增加產(chǎn)能。

無頭焊接軋制是通過焊機(jī)將前后兩根坯料的頭、尾焊接在一起，并清除焊接區(qū)域表面的毛刺，在保證焊接區(qū)域質(zhì)量的前提下實(shí)現(xiàn)無頭軋制[4]。王睿等表明窄搭接焊接和激光焊接適合于板材的連接，而閃光焊接適合于板材或棒材的連接[5]。張永清等介紹了棒線材無頭軋制系統(tǒng)的組成及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分析了其組成裝置及其功能[6]。盧寧等介紹了無頭軋制設(shè)備的主要組成部分，分析了閃光焊接的工藝過程，并著重分析了無頭軋制關(guān)鍵技術(shù)[7]。董占奎等介紹了連鑄連軋全無頭軋制技術(shù)的優(yōu)勢，表明薄板坯無頭軋制技術(shù)將會發(fā)揮其超常規(guī)的能力和優(yōu)勢[8]。

綜上所述，學(xué)者們針對無頭焊接軋制系統(tǒng)設(shè)備的組成、功能以及軋制工藝的研究較多，但是關(guān)于如何保障無頭焊接軋制正常運(yùn)行，以及采用無頭焊接軋制系統(tǒng)產(chǎn)生多少經(jīng)濟(jì)效益的研究較少?；诖?，筆者在介紹無頭焊接軋制系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備后，闡述了無頭焊接軋制正常運(yùn)行的基本保障，以及采用無頭焊接軋制工藝所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益。

1 無頭焊接軋制系統(tǒng)基本概況

無頭焊接軋制系統(tǒng)的機(jī)械設(shè)備布置于加熱爐出爐門至1#軋機(jī)機(jī)列之間，主要包括：除磷機(jī)、帶保溫罩輥道、升降輥道、方坯焊機(jī)、焊機(jī)機(jī)芯、夾送輥、去毛刺系統(tǒng)。無頭焊接軋制系統(tǒng)的區(qū)域布置如圖1所示。

圖1 無頭焊接軋制系統(tǒng)區(qū)域布置

方坯焊機(jī)安裝在一個由電機(jī)驅(qū)動的帶輪小車支撐座上，在軌道上運(yùn)行，其運(yùn)動速度從預(yù)設(shè)定位置開始啟動加速直到與第一架軋機(jī)咬入的速度保持一致。另外，方坯焊機(jī)根據(jù)焊接鋼種和熔化溫度的不同可以選擇相應(yīng)的焊接程序。坯料經(jīng)帶保溫罩輥道輸送到焊接區(qū)域后，坯料前端與已經(jīng)在1#軋機(jī)中軋制坯料的尾端實(shí)施閃光對焊，如圖2所示。閃光焊接過程是通過加熱熔化兩坯料的相對端面，隨之由液壓缸將兩個熔化面擠壓焊接在一起，如圖3所示。坯料焊接結(jié)束后經(jīng)夾送輥裝置送入去毛刺系統(tǒng)清除焊接區(qū)域表面的毛刺。最后焊機(jī)回到初始位置，而前后兩根坯料則如單根坯料一般進(jìn)行連續(xù)軋制。焊接裝置為簡單重載型結(jié)構(gòu)，可以非常好地避免出現(xiàn)污染等問題；而且對所有暴露在熱輻射下的部件進(jìn)行水冷，可以防止零部件出現(xiàn)熱衰減等情況。

圖3 夾緊液壓缸

2 無頭焊接軋制系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備

2.1 除磷機(jī)

高壓除磷機(jī)位于加熱爐出爐門口處，主要由兩臺單驅(qū)動輥?zhàn)雍统[箱組成，除鱗箱內(nèi)裝有噴嘴。高壓水通過噴嘴產(chǎn)生機(jī)械沖擊力實(shí)現(xiàn)對鋼坯表面較厚且致密的氧化鐵皮進(jìn)行全方位的清除，防止氧化鐵皮在軋制過程被軋輥壓入，造成鋼表面出現(xiàn)點(diǎn)狀、條紋狀、面狀情況，影響成品質(zhì)量。另外，清除鋼坯表面的氧化鐵皮還可以降低軋輥的磨損速度，延長軋輥的使用壽命。

2.2 帶保溫罩輥道

帶保溫罩輥道位于高壓除鱗機(jī)之后，由兩個單獨(dú)驅(qū)動的輥?zhàn)訛橐唤M進(jìn)行布置安裝，共有4組輥?zhàn)印Ｆ渲休伒兰転楹附愉摻Y(jié)構(gòu)，輥?zhàn)咏M件內(nèi)部采用水冷方式進(jìn)行冷卻，并選用滾柱軸承安裝于水冷軸承座上，軸承座與輥道架之間通過絕緣件進(jìn)行絕緣，防止閃光對焊時電流流失影響焊接質(zhì)量。保溫罩通過液壓驅(qū)動進(jìn)行開啟與閉合，且其內(nèi)壁裝有保溫材料，保證鋼坯的開軋溫度。

2.3 升降輥道

升降輥道位于方坯焊機(jī)閃光對焊的區(qū)域中，共有8個升降輥?zhàn)?，其?個輥?zhàn)游挥诤笝C(jī)機(jī)芯內(nèi)，可隨焊機(jī)機(jī)芯進(jìn)行縱向移動，其余6個輥?zhàn)游挥谲堉凭€上。當(dāng)升降輥道作業(yè)時，升降輥?zhàn)佑呻姍C(jī)經(jīng)聯(lián)軸器帶動軸轉(zhuǎn)動，再通過鏈輪鏈條帶動傳動軸實(shí)現(xiàn)輥?zhàn)愚D(zhuǎn)動，且輥?zhàn)优c傳動軸通過絕緣件進(jìn)行絕緣。當(dāng)方坯焊機(jī)經(jīng)過時，方坯焊機(jī)上的壓下輥道控制元件通過對導(dǎo)向板進(jìn)行下壓，實(shí)現(xiàn)輥?zhàn)酉陆祫幼鳎划?dāng)導(dǎo)向板脫離壓下輥道控制元件后，輥?zhàn)油ㄟ^反平衡作用實(shí)現(xiàn)上升動作。

2.4 方坯焊機(jī)

用于坯料焊接的方坯焊機(jī)裝配圖，如圖4所示。方坯焊機(jī)主要由焊機(jī)小車支撐座、焊機(jī)夾緊單元、方坯對接導(dǎo)向裝置、主動缸與從動缸組件、壓下輥道控制元件、焊接傾動組件、火花抑制器組件、夾鉗組件、電氣系統(tǒng)、走道裝配等組成。

圖4 方坯焊機(jī)裝配

方坯焊機(jī)焊接時部件的動作由液壓進(jìn)行驅(qū)動，而焊接的參數(shù)則由電氣系統(tǒng)進(jìn)行控制。焊機(jī)小車支撐座為鋼結(jié)構(gòu)框架，由電動馬達(dá)帶動減速箱經(jīng)齒條驅(qū)動焊機(jī)設(shè)備沿軌道往軋制方向進(jìn)行移動，其移動速度與坯料咬入第一架軋機(jī)的速度相同。焊機(jī)夾緊單元由2個夾鉗裝置組成，每個夾鉗裝置包含本體、液壓缸和2個夾鉗組件(上部和下部)；其中出口夾鉗不動，入口夾鉗相對出口鉗能夠移動360mm，夾緊力可以通過調(diào)節(jié)控制閥進(jìn)行調(diào)整。方坯對接導(dǎo)向裝置由上、下兩個部分組成，其作用不僅可以使坯料準(zhǔn)確對中符合焊接要求，而且也為焊接時提供擠壓力。主動缸與從動缸組件的作用在于提供足夠的擠壓力將坯料焊接在一起。壓下輥道控制元件作用于升降輥道上的導(dǎo)向板，保證焊機(jī)移動時不受升降輥?zhàn)拥挠绊?。焊接傾動組件由液壓缸、傾斜軸、滑軌和連接臂組成，用于傾斜焊機(jī)使得坯料接近下夾鉗，便于對坯料的夾持與對中?；鸹ㄒ种破鹘M件是一個單箱裝置，通過一個液壓缸進(jìn)行控制，配有堅(jiān)實(shí)的刀刃，可以消除達(dá)到一定體積的火花飛濺束或聚集團(tuán)。

2.5 焊機(jī)機(jī)芯

焊機(jī)機(jī)芯是通過液壓缸在基礎(chǔ)軌道上實(shí)現(xiàn)縱向移動，其結(jié)構(gòu)為鋼結(jié)構(gòu)框架，內(nèi)含2個升降輥?zhàn)雍?個由電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動輥?zhàn)咏M成的旁通輥道。焊機(jī)機(jī)芯的作用在于方坯焊機(jī)不需要作業(yè)或出現(xiàn)故障需要檢修時，可以將焊機(jī)由液壓缸移動到離線位置，而坯料可以通過旁通輥道進(jìn)行輸送生產(chǎn)。

2.6 夾送輥

無頭焊接軋制系統(tǒng)中的夾送輥有2臺，主要功能在于導(dǎo)鋼與定位。夾送輥的主體為焊接機(jī)加工鋼，水冷懸臂上裝有輥?zhàn)?采用集中干油潤滑系統(tǒng))，輥?zhàn)优c底座通過絕緣件進(jìn)行絕緣。夾送輥上輥的開啟與閉合由液壓驅(qū)動，下輥則由電機(jī)驅(qū)動。

2.7 去毛刺系統(tǒng)

去毛刺系統(tǒng)由水平去毛刺機(jī)、立式去毛刺機(jī)以及底座3個部件組成，位于夾送輥B之后，用于清除焊接區(qū)域表面的毛刺。不同于以往的刀片式去毛刺，此系統(tǒng)采用刀盤式，可以根據(jù)坯料大小調(diào)整兩側(cè)刀盤間隙，刀盤的上下、前后動作由液壓驅(qū)動。其中，水平去毛刺機(jī)由頂部兩個液壓缸動作經(jīng)連桿保證上下刀盤同步；立式去毛刺機(jī)由兩側(cè)兩個液壓缸驅(qū)動保證刀盤同步，且水平與立式去毛刺機(jī)各有6個刀盤作用于焊接區(qū)域。

3 無頭焊接軋制系統(tǒng)基本保障

3.1 確保鑄坯外形質(zhì)量符合要求

其中，方坯焊接區(qū)域的邊長偏差≤2%；對角線邊長偏差(偏菱形)≤3%；整根坯料的扭轉(zhuǎn)度2度/m(最大4度/m)；整根坯料的拱度≤95mm，頭尾一米≤13mm；端部縱向不規(guī)則8mm。

3.2 確保所有輥道得到充分潤滑

所有輥道在使用前必須確保軸承等部位加滿潤滑脂；輥道運(yùn)行時無異常響聲、振動或其他異常情況。另外，由于輥道作業(yè)環(huán)境惡劣，因此至少每半個月需要對潤滑點(diǎn)進(jìn)行全面檢查并加潤滑脂一次。

3.3 定期清理火花抑制器

方坯焊機(jī)在對坯料進(jìn)行焊接時會產(chǎn)生非常多的火花飛濺束，通過火花抑制器可以有效地收集火花。因此，維修部門需要每周結(jié)合換品種時間更換火花抑制器，并離線對其清理維護(hù)。

3.4 定期更換絕緣材料

閃光對焊過程需要很大的電流密度對坯料進(jìn)行加熱，因此足夠的功率是保證焊接區(qū)域質(zhì)量合格的前提。然而，部分絕緣材料安裝于設(shè)備的內(nèi)部，日常維護(hù)無法確定其是否完好，因此定期更換絕緣材料是確保設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)的重要保障措施之一。

4 無頭焊接軋制工藝的經(jīng)濟(jì)效益

無頭焊接軋制工藝具有增加產(chǎn)能、降低生產(chǎn)成本、便于工廠管理等優(yōu)點(diǎn)。采用無頭焊接軋制工藝一方面是可以避免切頭尾、消除坯料軋制間隔時間、消除短尺、減少軋制堆鋼次數(shù)；另一方面是因?yàn)槿B續(xù)軋制，所以設(shè)備沖擊小，設(shè)備故障率降低，設(shè)備可靠性提升，設(shè)備作業(yè)率提高。通過無頭尾軋制可以解決穿帶問題；通過無非穩(wěn)定軋制可以提高質(zhì)量穩(wěn)定性和成材率；通過提高穿帶速度并使間隙時間為零可以提高生產(chǎn)效率。但是，無頭焊接軋制工藝也會增加成本：①電耗、煤氣耗增加；②由于焊接位置冗余材料的清除會導(dǎo)致材料損失；③增設(shè)無頭焊接軋制設(shè)備會導(dǎo)致維護(hù)人工及備件消耗成本增加。通過結(jié)合某棒材線生產(chǎn)情況，綜合分析得出無頭焊接軋制工藝的經(jīng)濟(jì)效益，如表1所示。

表1 無頭焊接軋制工藝經(jīng)濟(jì)效益

由表1可知，當(dāng)采用無頭焊接軋制工藝進(jìn)行軋制時，噸材效益增加10.69元。若按年產(chǎn)120萬噸，設(shè)備運(yùn)行率90%進(jìn)行計(jì)算，年可創(chuàng)效益120×0.9×10.69=1 154.52萬元。

5 結(jié)論

通過采用無頭焊接軋制工藝對傳統(tǒng)單坯軋制機(jī)理的生產(chǎn)線進(jìn)行改造升級，并進(jìn)一步深化智能制造生產(chǎn)管理理念，實(shí)現(xiàn)全自動生產(chǎn)運(yùn)行目標(biāo)，可使得棒線材生產(chǎn)管理水平得到進(jìn)一步的提升。無頭焊接軋制工藝的優(yōu)勢主要表現(xiàn)在：①無頭焊接軋制系統(tǒng)的機(jī)械設(shè)備布置于加熱爐出爐爐門至1#軋機(jī)機(jī)列之間，在滿足空間的情況下，適用于廣大的傳統(tǒng)棒線材生產(chǎn)線的改造升級；②無頭焊接軋制系統(tǒng)改變了傳統(tǒng)的生產(chǎn)工藝，從而使得生產(chǎn)能力、材料收得率、生產(chǎn)成本、工廠管理等得到大幅度的改善；③該工藝提高了生產(chǎn)線的自動化程度，進(jìn)一步保障了生產(chǎn)人員的生命財(cái)產(chǎn)安全；④雖然短期投入成本較高，但從長期來看，該工藝可以有效地提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。