断面速度差对乙字钢矫直质量的影响分析.doc

断面速度差对乙字钢矫直质量的影响分析陶功明，赵云，邓淑惠，冯伟，李春平，陈光勇（攀钢钒轨梁厂 四川攀枝花 617062）摘要 矫直过程中310乙字钢矫痕严重，采用矫直辊抹油、机械去除粘结物、清除轧件锯切毛刺等方法效果均不明显。通过分析轧件及矫直辊上的凹坑形状及变形方向认为是矫直辊断面速度差过大造成，而轧件表面的粗糙度、规格尺寸及热锯切金属颗粒等加剧了轧件与矫直辊之间的摩擦，使矫痕形成速度加快。本文介绍了减少断面速度差的方法及矫痕消除效果，同时对进一步减少矫痕的形成提出了其它的建议。本文分析的矫痕形成原理及消除方法对其它大断面异型型钢的矫直具有借鉴作用。关键词 310乙字钢 矫直辊 速度差 摩擦 矫痕Analysis of straightening speed difference in section of 310 Z-type steel on its straightening qualityTao Gongming, Zhao yun, Deng Shuhui, Feng Wei, Li Chunping, Chen Guangyong(Rail & Beam Plant of Panzhihua Steel & Vanadium Co.,Ltd, Panzhihua 617062, Sichuan)Abstract: For the problem of the severity of straightening scratch of 310 Z-type steel in the process of straightening, there are no obvious effect for those methods, such as wiping oil on the straightening roll, mechanical removing of sticking materials and eliminating of sawing burr. Too big of straightening speed difference in section of 310 Z-type steel is the main reason of forming the straightening scratch according to the analysis of direction of deformation and shape of straightening pit, and it will form very soon when there are greatly coarse surface, difference of profile size and sawing metal particles which will increase the friction between rolling piece and straightening roll. This paper introduces the methods of decreasing the speed difference of straightening and removing effects of straightening scratch, and the other suggestions are put forward for the reducing the forming of it, and these methods can be used to cut down the straightening defects for other big complex section steel.Keywords: 310 Z-type steel, straightening roll, difference of speed, friction, straightening scratch41前言310乙字钢是火车车厢大梁用钢，属大型不对称断面型钢，矫直过程中不仅矫直负荷大而且轧件矫痕严重甚至形成批量废品。生产厂家先后采取过矫直孔型抹润滑油、矫直辊上毛刺清洁刷、去除轧件端头热锯切飞边及孔型修改等方法均没有解决。本文通过分析矫直辊的磨损特点，认为矫直辊断面速度差造成矫直辊异常磨损，而轧件表面粗糙、轧件断面不均匀使磨损加剧形成凸包或凹坑，从而使轧件产生矫痕。根据矫痕产生的原因提出了减小矫直孔型腰部配置斜度及小腿与运输辊道接触等解决方法，经现场使用矫痕产生前的矫直过钢量由原600支左右提高到4000支，大大改善了轧件的表面质量。2存在问题2.1乙字钢表面通长矫痕矫痕主要出现在乙字钢的两个角部（即大、小腿与腰连接处）及大腿尖端，腰部缺陷较少。新车矫直辊开矫时矫痕数量少，深度浅。矫直600支左右矫痕加重，而且通长、密集出现。缺陷通常深度0.5-0.8mm，面积10-20mm2。偶而出现深度1-1.5mm，面积30-50mm2，单个分布的周期性缺陷。缺陷为半径600mm的圆弧状，且存在明显拖尾现象，缺陷严重时在尾部出现发蓝现象。缺陷的拖尾方向在同一断面的两个角部刚好相反。缺陷形状及分布见图1。图1310乙字钢表面矫分布图2.2矫直辊起坑上下矫直辊均存在起坑现象，且坑的分布及大小一致。在同一矫直辊上，直径大的腿腰角部坑分布密集，深0.3-1.0mm、面积20-50mm2不等。而在直径小的腿腰角部坑分布稀少，深0.1-0.5mm、面积5-20mm2不等。坑的形状主要为“流星”形，即头大尾小。同时在大腿尖端部也存在凹坑，但量少，坑小而浅。腰部中心线60mm左右基本没有凹坑存在。同一矫直辊凹坑的“流星”运动方向不一致。在直径大的腿腰角部及大腿尖端凹坑的“流星”运动方向与矫直件运动方向相反，而直径小的腿腰角部凹坑的“流星”运动方向则与矫直件运动方向相同。凹坑分布及“流星”运动方向见图2。图2凹坑分布及“流星”运动方向3缺陷原因分析3.1矫直机机型式 乙字钢矫直机属于悬臂式辊式矫直机，矫直辊数量8个，上矫直辊4个，下矫直辊4个，其中上2#、3#、4#矫直辊属于被动矫直辊；工作辊节距1300mm；矫直辊直径：10001200mm，工作辊圆周速度0.91.8m/s，上下工作辊间距10001300mm。3.2孔型配置及断面速差分析矫直孔型的配置主要考虑矫前轧件的自然放置状态，以便于轧件顺利进入矫直辊，矫直孔型的配置方式见图3。按此方式配置的矫直孔型，大腿与运输辊道面接触，腰部与运输辊道平面的倾角较大，达到31。图3 矫直孔型配置示意图同一矫直辊半径最大处为620mm，而直径最小处仅为479mm。正常矫直时速度为1.5mm/s，即轧件在矫直时的平均运行速度。此时，矫直辊直径最大处的矫直速度为1.69mm/s（1.5x620/550），而直径最小处的矫直速度为1.31mm/s（1.5x479/550）。直径最大处矫直速度与直径最小处矫直速度差为0.38mm/s，而与轧件的平均速度差分别为0.19mm/s和-0.19mm/s。3.3速度差对金属流动的影响直径最大处矫直速度大于轧件平均矫直速度，矫直辊该部位将推动轧件向前运动，轧件与矫直辊产生剧烈的摩擦“搓动”。由于矫直辊推动轧件前进，故矫直辊上擦痕的方向与轧件前进方向相反，即“流星”向轧件相反的方向运动。直径最小处矫直速度小于轧件中心矫直速度，矫直辊该部位将被轧件拉着转动，轧件与矫直辊同样会产生剧烈的摩擦“搓动”。由于矫直辊被轧件拉差转动，故矫直辊上擦痕的方向与轧件前进的方向相同，即“流星”向轧件相同的方向运动。3.4矫直辊起坑现象分析速度差形成同一矫直辊直径最大和最小处强烈的摩擦，在摩擦力的作用下形成“擦痕”。“擦痕”的大小与摩擦系数有关，系数越大，则“擦痕”越严重。310乙字钢矫直过程中，矫直辊的温度不断升高，连续矫直100支左右便达到80-100。摩擦系数增大的主要因素如下：轧件表面锯切颗粒。轧件在热锯切时，锯片与高温轧件（800左右）产生剧烈摩擦，摩擦增加的热量使锯口处轧件温度升高到熔点，产生直径2-4mm大小的金属颗粒而粘结在轧件表面，冷凝后形成高硬度高粘附性的颗粒。增大了轧件与矫直辊的摩擦系数。轧件腿根厚度异常。乙字钢轧制过程中，存在与矫直孔型一样的配置方式，两角部速差较大，轧件与轧辊形成强烈的摩擦“搓动”，孔型角部磨损比其它部位大，从而使轧件腿根厚度增加。正常情况下，孔型轧制后期的腿根厚度比腿端厚1-3mm。矫直时两角部的压下量增大，进一步加大了该处的磨损。轧件角部粗糙。形成轧件角部粗糙的原因也与轧件孔型配置时形成的速度差有关。角部处轧件与轧辊的“搓动”使孔型越来越粗糙，轧件相应位置的金属也凹凸不平，从而使矫直辊该处摩擦系数增大。矫直辊角部因受到大的矫直压下和剧烈摩擦，而使表面损伤。如果轧件表面上不易脱落的凸出物（锯切颗粒、端面锯切毛刺等）硬度大于矫直辊表面的硬度，且高度足以使矫直辊表面产生塑性变形，则与矫直辊表面存在滑动摩擦的凸出物将嵌入矫直辊表层，形成“流星”形凹坑。矫直辊使用初期表面没有加工硬化时易出现该类缺陷。随着矫直辊表面硬度的逐步增加，凸出物的硬度不能使表面层金属产生屈服。矫直辊表面只形成颗粒状的“梗痕”，其方向与断面速差有关。随着矫直过钢量不断增加，“梗痕”处开始产生疲劳裂纹，严重时裂纹处金属脱落而形成凹坑。如果凹坑处的金属在轧件通过时脱落，则脱落的金属被轧件碾压在矫直辊上形成粘结，在轧件上形成通长矫痕。如果凹坑处的金属在轧件通过后脱落，则不会形成粘结，在轧件上被下一个矫直辊碾入后，仅形成单个矫直缺陷。4减少速差的方法及效果通过上述的分析认为，形成矫痕的根本原因是轧件断面大，在矫直辊上断面准速度差太大造成。而轧件矫前的表面质量及规格尺寸加剧了矫痕的形成和扩展。4.1减少矫直辊断面速差4.1.1小腿向下进钢矫直采用该方法可以不在矫直机前设计专门的引导装置，但需对矫前轧件进行翻钢和重新进行矫直孔型的配置。与大腿向下比，可有效减少速度差。大腿与运输辊道面接触时，腰部倾斜角度a为：tan()186/310 =0.6 a=30.96。式中：186、310分别为大腿和腰部的长度，单位：mm。矫直辊同一断面直径最大处和最小处的直径差为282mm，速度差达0.38mm/s。小腿与运输辊道面接触时，腰部倾斜度为（参见图3）：tan()125/310 =0.4 a=21.81。式中：125、310分别为小腿和腰部的长度，单位：mm。矫直辊最大直径为：550x2+2xsin(21.81 ）310/2=1215.16(mm)最小直径为：550x2-2xsin(21.81）x310/2=984.84(mm)最大直径处的速度为：1.5x1211.16/1100=1.66（mm/s）最小直径处的速度为：1.5x988.84/1100=1.34（mm/s）同一断面直径最大处和最小处的直径差为230.32mm，速度差达0.32mm/s。改进配置方式后，直径差减少51.68mm，速度差减少0.06mm/s，减少18%左右。现场实施时，乙字钢在收集台架上完成小腿与辊道运输面接触。矫直1100支时出现矫痕加重现象，相比于原进钢方式，提高了500支左右，效果较为理想。但存在收集台架人工翻钢的问题，工作温度高、劳动强度大，批量生产难度大。4.1.2矫直孔型配置优化根据前面的分析，矫直孔型配置时可以让腰部水平，但在此状态下乙字钢角部得不到加工，矫后成品角度及侧向弯曲度满足不了标准要求。同时会增加两腿尖部的速度差，形成两腿尖端部矫痕。因此按照轧件各部位受力仿真分析的结果，对矫直孔型按13的腰部倾斜度进行配置（参见图3）。按照上述配置方式的速差计算如下：矫直辊最大直径为：550x2+2xsin(13 ）x310/2=1169.73(mm)最小直径为：550x2-2xsin(13）x310/2=1030.27(mm)最大直径处的速度为：1.5x1169.73/1100=1.59（mm/s）最小直径处的速度为：1.5x1030.27/1100=1.40（mm/s）同一断面直径最大处和最小处的直径差为139.46mm，速度差仅0.19mm/s。改进配置方式后，直径差减少142.54mm，速度差减少0.19mm/s，减少50%。由于矫前轧件自然放置状态与矫直孔型配置斜度相差较大，需在矫直机前加一引导板，保证乙字钢顺利进入矫直孔型。该方案矫直3000支时出现矫痕加重现象，且矫痕深度小于0.3mm，完全满足标准的要求。5改善矫痕的其它措施提高矫直辊的表面硬度。采取对矫直辊表面淬火的方式，提高矫直辊表面硬度；采用高强度合金材质矫直辊也是提高矫直辊表面硬度的有效措施之一。优化矫直孔型尺寸。改善矫直孔型的受力部位，使孔型各部位受力均匀；同时还可让速差大的部位不受力，而将受力部位集中在速差小的区域。优化矫前原料质量。对310乙字钢表面粘附物进行清理，减少金属颗粒粘附，减少矫直时金属颗粒对矫直辊的拉伤；优化轧制孔型，提高角部金属的表面光洁度及减少腿根厚度。局部润滑。根据上述分析角部存在轧件与矫辊的剧烈摩擦，从而导致矫痕的产生。因此在速差较大的角部可采用滴油润滑减少摩擦系数