熱卷箱在熱連軋機組中的應用

□ 郜振興

上海電氣上重碾磨特裝設備有限公司 上海 200245

1 應用背景

在板帶熱連軋機組中,為了減小輸送輥道上的溫降以節約能耗,常在輸送輥道上安裝絕熱保溫罩、溫度補償加熱爐,或在軋件出粗軋機組之后設置熱卷箱進行熱卷取。熱卷箱于20世紀70年代發明,目前已由第一代單工位有芯卷取、第二代雙工位有芯卷取發展至第三代雙工位無芯卷取。筆者主要對雙工位無芯卷取熱卷箱在熱連軋機組中的應用進行介紹。

2 熱卷箱工作原理

熱卷箱在板帶熱連軋機組中位于粗軋機與精軋機之間,布置在粗軋延伸輥道之后,切頭飛剪或邊部加熱器之前。

熱卷箱的工作過程為:粗軋機軋制的中間坯通過熱卷箱前側導板對中后,經入口導輥抬起頭部,進入彎曲輥輥縫,在頭部彎曲后由成形輥形成卷眼,如圖1所示;隨著中間坯持續進入彎曲輥輥縫,中間坯頭部在1號托卷輥上繼續進行卷取,如圖2所示;卷取完成后,中間坯的帶尾變為帶頭,如圖3所示;用開卷機構對中間坯進行反向開卷,如圖4所示;中間坯通過矯直輥矯直后,送入切頭剪、除鱗機和精軋機組。

圖1 中間坯在成形輥處形成卷眼

圖3 中間坯卷取完成

圖4 中間坯反向開卷

熱卷箱有卷取和直通兩種工作模式,當中間坯不需要卷取時,將熱卷箱的入口導輥、成形輥、托卷輥等降至低位,可作為輥道使用。中間坯直通模式如圖5所示。

圖5 中間坯直通模式

一般而言,成品帶鋼厚度大于5.0 mm時,粗軋軋出的中間坯較厚,變形抗力較大,板坯溫度均勻性較易控制,適宜選用直通模式。生產特殊短坯料時,若選擇熱卷方式,則卷徑較小,信號難以跟蹤,因此一般也選擇直通模式。除此以外,都可以選擇卷取模式。

3 熱卷箱優勢

熱卷箱的優勢如下:

(1) 粗軋后在進入精軋機之前進行熱卷取,可以保存熱量,減小溫降,保溫率可達90%以上;

(2) 首尾倒置開卷,以尾為頭進入軋機,可均化板帶的頭尾溫度,不用升速軋制,從而增大厚度,提高精度;

(3) 起到儲料作用,可增大卷重,提高產量;

(4) 可增加事故處理時間8～9 min,從而可減少廢品及鐵皮損失,提高成材率;

(5) 可使中間輥道縮短30～40%,節省廠房和基建投資;

(6) 降低板坯加熱與出爐溫度,一般可由1 250 ℃降至1 150 ℃,節約能耗。

4 熱卷箱不足

應用熱卷箱,在軋制質量、節能降耗等方面有諸多優勢,但同時也存在不足。

(1) 中間坯經過熱卷箱進入精軋機后,為了確保終軋溫度波動范圍較小,無法升速軋制,反而需要降速,直接影響軋線產能。

(2) 中間坯經過熱卷箱后,頭尾溫度較為均勻,但進入精軋機的軋件溫度相較于不使用熱卷箱降低了30～40 ℃。精軋機開軋溫度降低,將會影響帶鋼強度。

(3) 熱卷箱設備結構較為復雜,卷取及開卷機構共有20多個液壓缸,屬于高故障率設備。為滿足連續正常生產,需要大量維護工作和充足的備品備件。

(4) 熱卷箱不適宜軋制高強度鋼或難以變形的鋼種。

5 國內發展現狀

熱卷箱問世初期,不少企業認為主要是起縮短中間輥道長度的作用,加之結構復雜,故障率高,在相當長一段時間內,國內新上的軋線為了減少故障點,保證穩定生產,寧愿加長產線長度,增加投資,也很少選擇熱卷箱,影響了人們對熱卷箱的正確評價,進而影響了熱卷箱在國內帶鋼熱連軋生產線的使用和推廣。經過三代熱卷箱技術改進后,熱卷箱的優勢得到了廣泛認可。隨著控制手段的發展,熱卷箱在使用上的難度也日趨降低。1992年,攀鋼熱軋廠應用了國內第一臺熱卷箱。近年來,在新建熱連軋生產線中,熱卷箱的使用已經越來越普遍。2018年新建的樂亭2 050 mm熱連軋機組中采用了SMS型熱卷箱,如圖6所示。許多舊生產線為了提高產品質量,開發產品種類,也陸續通過技術改造增設了熱卷箱。2019年遷鋼1 580 mm熱連軋機組改造,新增了HATCH型熱卷箱,如圖7所示。

圖6 SMS型熱卷箱

圖7 HATCH型熱卷箱

6 熱卷箱結構

一臺完整的熱卷箱可以分為入口輥道及入口側導板、卷取區域、開卷區域、出口輥道及出口側導板等部分。其中,卷取區域包含主機架、入口導輥、彎曲輥、成形輥、1號托卷輥、穩定器,開卷區域包含2號托卷輥、3號托卷輥、開卷器、開卷側導板、保溫罩、開尾銷、夾送輥、矯直輥、阻擋輥等。熱卷箱截面如圖8所示。

圖8 熱卷箱截面

筆者以遷鋼1 580 mm熱連軋機組熱卷箱為例,對主要部件進行詳細介紹。

中間坯厚度為20～45 mm,中間坯寬度為700～1 450 mm,最大單位寬度卷質量為23 kg/mm,最大卷質量為28 t,卷外徑為2 050 mm,卷眼直徑為650 mm,最大穿帶速度為4.5 m/s,最大卷曲速度為5.5 m/s,最大開卷速度為2.5 m/s,最大切頭速度為2.0 m/s,直通時最高速度為6.28 m/s。

入口輥道及入口側導板布置在熱卷箱入口區域,用于運輸中間坯進入入口導輥,同時對中間坯進行對中,入口側導板每側由一個液壓缸驅動。出口輥道及出口側導板布置在熱卷箱出口區域,功能、結構與入口輥道及入口側導板類似。

入口導輥由升降機架、輥子、過渡護板組成。入口導輥在下工作位時,熱卷箱處于直通模式。入口導輥在上工作位時,熱卷箱處于卷取模式。入口導輥在上工作位時,升降導輥上的輥子和過渡護板可以平穩地將中間坯的頭部送至彎曲輥中。入口導輥在下工作位時,入口導輥的作用相當于熱卷箱輸入輥道的延長段。

彎曲輥由兩根上彎曲輥和一根下彎曲輥組成,下彎曲輥固定在熱卷箱主機架上,上彎曲輥可以通過液壓缸擺動以調節輥縫。在頭部成卷過程中,彎曲輥推送中間坯成卷。為了控制后部帶坯彎曲后的曲率和形狀,保持已經成卷部分的穩定性,兩根上彎曲輥隨卷取過程逐步抬升。熱卷箱上彎曲輥設計為雙回轉結構,可以單獨調節入口和出口的兩個彎曲輥輥縫,這樣可以控制帶坯頭部的彎曲曲率,以及帶坯頭部最初接觸成形輥上護板的位置。此類結構的彎曲輥可以保證在高速卷取各種鋼種時,得到圓度很好的卷眼和卷形。

成形輥主要包括上成形輥護板、成形輥、下成形輥護板。護板表面為弧形,幫助中間坯頭部彎曲并形成卷眼。成形輥由液壓缸驅動擺動,在上工作位時,熱卷箱處于卷取模式,在下工作位時,熱卷箱處于直通模式。隨著帶卷直徑的增大,帶卷由成形輥和1A號托卷輥支撐。1號托卷輥由兩根輥子組成,通常分別命名為1A號和1B號。成形輥表面設計為凹槽形,與上下護板的導齒交錯布置,可消除間隙,防止鉆鋼。

1A號托卷輥的軸承直接安裝在熱卷箱主機架上,1B號托卷輥安裝在以1A號托卷輥為回轉軸的機架上,并由液壓缸驅動機架回轉。在卷取過程中,1B號托卷輥隨著帶卷直徑的增大逐漸從抬起的位置降落,給逐漸增大的帶卷留出足夠的空間。最終,1B號托卷輥降低至開卷頭開卷和準備開卷反轉的位置高度。在啟動帶卷強制移送時,1B號托卷輥會逐漸抬起至傳送位置,完成帶卷的強制傳送。在直通狀態下,1B號托卷輥處于軋制線的高度位置。

穩定器固定在熱卷箱主機架的側板上,傳動側和操作側對稱布置,每側由一個液壓缸推動,作用是防止帶卷跑偏,產生橫向竄動或塔形卷。在卷取結束時,穩定器起到保證帶卷中心和軋制中心對中的作用。在帶卷開卷過程中,穩定器還要起到防止帶卷橫向竄動的作用。

2號托卷輥緊挨著1號托卷輥,由2A號托卷輥和2B號托卷輥組成。與1號托卷輥相反,2B號托卷輥直接安裝在固定底座上,2A號托卷輥以2B號托卷輥為中心,通過液壓缸驅動擺動。2號托卷輥和1號托卷輥配合完成帶卷在開卷過程中的移送。

3號托卷輥、開卷側導板和開尾銷安裝布置在2號托卷輥之后,一般固定在底座上。3號托卷輥也可以稱為支撐輥和過渡輥,在開卷過程接近結束時,帶卷會被拉拽至3號托卷輥上,抵靠在阻擋輥上完成最后幾卷的開卷。此時開尾銷會插入卷眼,防止塌卷,確保帶卷完全打開。開卷側導板和開尾銷都由液壓缸驅動伸縮。還安裝有保溫罩,能夠減少鋼卷邊部和整個開卷過程中的熱量損失。操作側的保溫罩可以通過液壓缸打開,便于觀察開卷過程及吊運廢卷。

夾送輥布置在3號托卷輥之后,在開卷過程中采用較低的夾送壓力進行控制,目的是協助中間坯進入精軋機。在處理卡鋼反轉時,采用較高的夾送壓力。矯直輥、夾送輥和輥道輥配合在一起,可以消除開卷過程中的中間坯起浪。當中間坯頭部進入精軋機后,夾送輥從夾送壓力控制模式切換至矯直位置控制模式,從而消除夾送力對中間坯運行的影響。阻擋輥的作用是擋住被拉進來的帶卷,并協助完成最后的開卷。上夾送輥和矯直輥安裝在一個焊接機架上,焊接機架繞安裝夾送輥和出口輥道的固定底座回轉軸擺動。阻擋輥通過一組彈簧吸收帶卷對機架造成的沖擊力。當熱卷箱處于直通狀態時,夾送輥和矯直輥參與控制,起到帶卷防翹頭和頭部矯平的作用,滿足中間坯進入后續設備時對平直度的要求。

開卷器安裝在主機架的頂部,由開卷大臂、開卷小臂、開卷鏟頭組成,作用是在開始開卷時將帶卷的尾部打開,并一直向下壓至中間坯,以便1號托卷輥推動中間坯送至精軋機。工作時,開卷大臂從開卷器檢修位置下落至開卷位置。在開卷位置設有機械阻擋塊,安裝在熱卷箱主機架上。開卷大臂的回轉軸安裝在熱卷箱主機架的側板上,通過兩個齒條液壓缸驅動。開卷小臂的回轉軸安裝在開卷大臂的頭部,由一個液壓缸驅動。

7 結束語

熱卷箱在現代熱連軋生產線中,是一種控制中間坯溫降、降低廢品率的成熟高效設備,結構較為復雜,控制難度和維護成本較高。在后續的熱卷箱設計、制造、使用過程中,需要優化設備結構和生產工藝,提高控制手段,揚長避短,以更好地發揮熱卷箱的功能。