叉車用門架型鋼表面質量提升

雷 剛

型鋼廠異型線是萊鋼實施產品換代升級，調整產品結構，實現差異化經營的重點工程之一，產品主要包括門架型鋼、高精度英美標H 型鋼、鋼板樁、大規格角鋼，主要鋼種為低合金高強度結構鋼和優質碳素結構鋼。

產線坯料主要采用260×300mm、180×220mm、320×410mm的矩形坯。軋線主要由兩架粗軋機與一個六機架短應力線精軋機組構成，其中粗軋機主電機為AC3500Kw，精軋機為AC1500 kW，成品機架最大速度3.5m/s，其中兩架粗軋機為閉口牌坊二輥可逆式軋機，精軋機組為預應力可轉換緊湊機組。

1 質量現狀

門架槽鋼產品應用于叉車提升軌梁裝置，由于該產品使用位置的特殊性，其表面質量要求非常嚴格，我廠生產的門架槽鋼產品因表面氧化鐵皮壓入、粘鋼、表面劃傷、凹坑等問題一直受到用戶抱怨，嚴重影響了產品表面質量及客戶認可度，為徹底解決這些頑疾，增強萊鋼門架槽鋼產品的市場競爭力，不斷拓寬萊鋼異型材市場，必須要對異型線工藝設備的升級改造優化工業設計，使門架槽鋼表面質量達到客戶使用要求。

2 原因分析

2.1 門架型鋼凹坑、壓入缺陷原因分析

門架型鋼成品表面凹坑、壓入缺陷主要與軋輥工裝表面質量有關，當軋輥表面存在粘鋼、凹坑，或者軋輥表面老化嚴重達到一定程度等會形成型鋼表面凹坑、壓入缺陷。

門架型鋼為異型不對稱性型鋼，孔型設計多為非對稱設計，目前國內該系列孔型設計幾乎沒有成熟的理論,完全靠經驗積累。沒有很長時間的現場實際經驗，無法較好的設計出新孔型，新規格新產品開發成本高、難度系數大。通過模擬發現，門架型鋼軋制時存在劇烈的不均勻變形 ,金屬的流動十分復雜。目前,把熱狀態下的金屬作為流變體, 其流動規律在理論上只有定性的描述。將復雜斷面劃分成若干簡單形狀的單體后,對單體間的流動可作出定量的數學計算。但是, 由于單體的劃分是人為的,以金屬在變形過程中的流動區間為界, 因而, 要正確決定斷面上各部分金屬流動的邊界十分困難。再者,由于復雜斷面金屬流動相互牽制引起的拉縮和強迫寬展,溫度分布的不均勻性,及軋件接觸軋輥的先后而引起各單體變形的超前與滯后,盡管在斷面各部分采用相等的變形系數,仍有不均勻變形存在,導致計算無法精確。

而門架型鋼因其特殊用途，為保證產品尺寸精度，設計的孔型側壁斜度小，軋制過程中軋件變形非常劇烈，導致軋輥表面老化速度較快，容易形成凹坑，當軋件在出現凹坑的孔型中軋制時，會造成金屬的堆積與分層，繼續軋制時成品表面出現凹坑、壓入缺陷。

軋制異型門架型鋼, 特別是不對稱異型門架型鋼時,由于變形不均勻性、不同時性,軋件在變形過程中產生彎曲、扭轉、附加應力等, 破壞了軋件在孔型內的穩定性,給軋機調整和操作帶來極大地困難,并影響產量和質量。尤其是當軋件頭部咬入不正，軋件撞擊軋輥時表面粘鋼，繼續軋制時粘附的金屬會附著在軋件表面，在后續軋制軋制過程中不能脫落或脫落后在孔型軋制中不能軋合，成品表面形成凹坑缺陷。

因異型門架型鋼的不對稱性，熱態下的型材在冷卻過程中會出現不同程度的冷卻彎曲變形，而軋件的冷卻變形會對矯直工序的彎曲控制產生較大困難，軋件進矯直時會產生啃傷、壓入等缺陷。

2.2 門架型鋼氧化鐵皮壓入分析

門架型鋼表面氧化鐵皮壓入缺陷形成的主要原因是爐生一次氧化鐵皮壓入和軋制過程中產生的二次氧化鐵皮未被清除干凈，鐵皮被壓入軋件表面，后期軋件表面經噴砂去除鐵皮處理后形成氧化鐵皮壓入缺陷。

門架型鋼涉及的牌號20MnSiV、Q440C、SM570、Q500M 等Si 含量較高，含Si 均在0.2%以上，由于加熱時在氧化鐵皮與基底金屬界面之間產生層狀的Fe2SiO4，界面溫度在Fe2SiO4的凝固溫度1170℃以下時，鐵皮對基底的著力增強，剝離性更差。

通過試驗對比發現，門架型鋼成品表面氧化鐵皮去除難度大，且去除后表面質量差的原因主要為：異型門架型鋼表面氧化鐵皮厚、致密度高、與金屬基體粘度大，用戶在噴砂處理時去除難度大。同時表面氧化鐵皮厚且脆，在矯直工序表面氧化層容易不均勻破碎，軋件表面形成壓痕，噴砂后形成“波浪紋”，甚至形成氧化鐵皮二次壓入。

通過現場觀察與跟蹤，軋制過程中一次氧化鐵皮清除不徹底，在軋制過程中形成壓入，此類問題容易造成較深的氧化鐵皮壓入或麻點缺陷，目前在產線此類缺陷表現尚不明顯。而二次氧化鐵皮對異型線門架槽鋼表面質量影響最大，去除難度也最大，是項目攻關的重點。二次氧化鐵皮去除不徹底，異型門架型鋼在冷卻過程中會逐漸呈現紅色，其殘留導致槽鋼噴砂后表面產生“花紋”。在此過程中，軋制速度、除鱗壓力、除鱗時軋件溫度、除鱗環高度、除鱗環安裝位置均影響二次氧化鐵皮去除效果。

3 質量改進

3.1 軋制工裝及輔助工藝件改進

為防止型鋼表面產生凹坑、壓入缺陷，產線主要采取以下措施：

（1）升級成品軋機下輥材質，在初期生產過程中，門架槽鋼成品軋機下輥粘鋼嚴重，耐磨性較差，常常開始軋制就會出現粘鋼，造成成品軋件內檔出現規律性的劃痕。產線與軋輥廠家合作開發了新型高鉻鐵軋輥，在國內首次實現了高鉻鐵材質軋輥在熱軋型鋼應用，在應用過程中不斷優化軋輥冷卻工藝、燙輥制度等，解決了高鉻鐵軋輥易開裂、易碎等問題，充分發揮高鉻鐵軋輥的高耐磨、高硬度特性。每套成品軋機過鋼量由原來的500t 提高到920t，有效提高了軋輥使用壽命、改善軋件表面質量，降低了生產成本。

（2）輔助工藝件的投用，設計軋輥在線預緊式修磨，在成品軋機及成品前軋機增設軋輥“預緊式軋輥在線修磨裝置”，有效去除軋輥粘鋼，確保軋輥表面光滑。

（3）BD 軋制工裝優化，通過生產的情況作產品品質分析，并不斷加以針對性優化，對BD2 軋輥進行表面噴涂硬化處理，進一步延緩軋輥老化速率，保證孔型精度和軋輥表面質量。

（4）工裝精度提高及優化改造，工裝精度是保證生產順行的基礎，為保證軋機正常工作狀態，對特殊規格工裝精度要求必須專用一套立輥箱及芯軸，箱孔及芯軸尺寸必須符合要求，對其他不同規格分別制定不同工裝標準嚴格執行；中間牌坊、軸承座的扭力限制器、滑板和軋機墊片超過標準范圍的必須停用或整改。成立離線工裝精度恢復小組，及時聯系解決工裝出現的問題。

要求所有上機立輥裝配前都要經打表檢查，無問題后方可使用。對于U1 ～U3 同軸度要小于0.3mm；U4、U5 同軸度要小于0.1mm。U4、U5 立輥必須使用新立輥（新裝或新車），U1 ～U3 軋機的立輥落槽深度不得大于1mm，其連續使用次數不得超過2 次，且所軋規格翼緣寬度不得由小改大。

所有新立輥和連續使用次數超過2 次的立輥必須對軸承進行清洗、檢查、涂油后方可上機使用。所有上機立輥必須轉動靈活且無異常，表面無裂紋、粘鋼，立輥冷卻水嘴不能有阻塞。

（5）導衛設計優化，與常規型鋼衛板設計思路不同，門架型鋼衛板在設計時除了以防止軋件進出孔型時產生向上向下彎曲趨勢進而纏輥為目的之外，更重要的是彌補孔型設計缺陷，預防軋件扭轉翹頭產生中間廢鋼或影響成品尺寸、表面質量。因此各孔型對應衛板在設計之初，即需針對每道次軋件軋后狀態作相應考慮，上下衛板間距相較常規設計會相對較小，對應叩翹頭處理細節也有所不同。在導衛設計中也需要根據軋制情況合理采用組合式異型導衛設計，即將傳統滑動摩擦導衛改為滑動摩擦加滾動摩擦導衛。

增加導板輔助裝置，在原有導衛的基礎上增加側面導向裝置，防止軋件因偏頭不能對正孔型，側面導向裝置采用“喇叭口”設置，既可以順利引入軋件，也可以促進軋件在咬入孔型前扶正軋件對中孔型，實現順利咬入。

增加導輪防劃傷裝置，當側面導向裝置與軋件之間接觸時，二者之間產生滑動摩擦，當軋件存在扭轉趨勢時，側導板容易劃傷軋件，影響產品表面質量，甚至產生廢品。為了順利導入軋件又防止出現劃傷，在原有導向裝置的基礎上增加了導向輪裝置，采取滑動摩擦+滾動摩擦組合的方式，有效方式軋件表面劃傷，從根本上杜絕了因偏頭導致劃傷缺陷的產生。

（6）頭尾預彎式冷卻方式的實施，因門架型鋼的嚴重不對稱性，異型生產線采用了頭尾預彎式冷卻技術即帶有預彎小車功能的動靜步進梁式冷床設計，該冷床在設計上不僅避免了鏈條同步性差造成的長尺軋件拉彎變形的缺陷，而且在拉入裝置上增加預彎小車，有效解決了異型門架型鋼因斷面形狀不對稱產生冷卻彎曲、冷卻扭曲，超出矯直區域調整能力的問題。預彎小車的引入使得軋件在放置靜梁上之前，能夠根據不同斷面異型門架型鋼冷卻彎曲規律對熱態軋件進行有目的性的反向彎曲，保證軋件在冷卻過程中能夠隨著應力釋放與冷卻變形恢復到平直狀態，可有效防止門架型鋼過矯直時產生壓入廢品。

3.2 除鱗技術改進

（1）專用冷卻水管在BD 軋輥上的應用，粗軋孔型負責開坯、生產接近成品尺寸的中間坯，但門架槽鋼是典型的異型斷面型鋼，所有切分孔存在較大的磨損，導致孔型加工出來的中間坯尺寸與設計尺寸存在較大偏差?？仔湍p造成供給精軋機組的中間坯存在多余的金屬，該部分金屬在精軋軋制過程中對精軋輥產生較大的磨損，最終導致成品尺寸超差與表面質量差，同時也加劇了精軋輥的異常消耗。

產線人員突破常規思路，創新性的提出使用專輥專用冷卻水管，同時結合孔型設計，與廠家合作對水管形狀與水嘴布置進一步優化，增加易磨損孔型的水嘴個數，同時調整噴嘴角度，保證噴嘴噴射扇面與側壁呈45°角，來加強水管的冷卻效果。

（2）異型冷卻系統在精軋輥上的應用，根據成品軋輥R 角與側壁磨損嚴重、表面粘鋼、長時間軋制產生裂紋等缺陷，結合每種門架槽鋼的孔型設計，與廠家合作對水管形狀與水嘴布置進一步優化。

針對J 型門架槽鋼肩部R 角老化速度快主要采用立輥噴嘴加斜與軋機牌坊新增一套立輥冷卻水管的方法。對C 型門架槽鋼S 輥的上輥側壁使用異型冷卻水管進行側壁的強制冷卻，減緩側壁老化趨勢。對于U 輥，由原來的平直式水管改為圓弧形異型冷卻水管進行側壁與R 角的強制冷卻，減緩老化速度。

（3）同時管網壓力由原來的最大3 公斤調整到最大8 公斤，自此軋件表面質量顯著提升。表面廢品率由原來的15.29%降低到14.37%，同時精軋軋輥過鋼量由300 ～350t 提升到600t ～700t，軋輥成本由12.7 元/t 降低到12.49 元/t。產線生產效率大幅度提升，軋輥停機修磨時間由原來的噸鋼0.53 分鐘降低為0.3 分鐘。

（4）定制化高效除鱗技術的應用，根據理論分析，噴嘴噴射打擊力是除鱗效果最直接的影響因素，噴嘴噴射打擊力主要有以下四個因素：噴射壓力p，噴嘴的流量Q，噴嘴的噴射角度，以及噴嘴到鋼坯的噴射距離H。因此，要想提高除鱗效果，必須從除鱗系統壓力、流量等因素考慮，獲得良好的除鱗效果，噴射距離在允許范圍內盡可能的減小。當然，減小噴射距離也勢必要增加噴嘴的數量。根據以上的理論分析，要從根本上提高除鱗效果，必須要在除鱗壓力、水量和除鱗環的設計上做工作，以良好的除鱗效果保證異型門架型鋼產品的表面質量。

一次強制除鱗，在開始軋制之前，由高壓水除鱗裝置利用高壓水對坯料表面的氧化鐵皮進行清理，以避免軋制過程中氧化鐵皮的壓入，從而保證終產品質量。除鱗箱體為一鋼板結構件，包括出口處鏈簾、側導板及可更換的噴嘴環。高壓水可自動控制，鋼坯通過除鱗箱時，噴嘴自動噴射出工作壓力約為30MPa 的高壓水，清除鋼坯表面的氧化鐵皮。噴嘴為盒式結構，根據不同規格的坯料可以選擇不同尺寸的噴嘴環。噴嘴環是通過快速接頭與供水管道連接。

二、三次定制化高效除鱗，布置在精軋U1 機前，主要用于BD 來料的表面氧化鐵皮清理。因為使用三次除鱗的每個規格的精軋孔型寬度與高度存在較大跨度，為保證產品表面質量的情況，針對不同規格制定了不同除鱗方案，采用電機帶渦輪蝸桿升降機驅動，通過編碼器控制升降高度，實現定制化除鱗效果。

各除鱗裝置根據生產規格不同，采用的除鱗壓力、除鱗時軋件溫度、除鱗環高度、除鱗環安裝位置均不相同。

3.3 軋制工藝優化

軋制工藝優化措施如下：

（1）優化工藝布置路徑，在開坯軋制階段采用多道次翻鋼軋制規程，能夠徹底有效去除一次除鱗未能去除的大塊爐生氧化鐵皮。通過對不同斷面的坯型共用技術和軋機孔型共用技術研究，以雙BD 可逆多道次軋制+6 機架組合精軋相結合的工藝技術合理分配壓下量，在系列門架型鋼的生產過程中，軋件尺寸控制公差穩步提升，軋件表面質量明顯提高。

通過多輪次的軋制，不斷優化軋制程序表，成型工序首先由精軋三架軋機升級為五架軋機軋制，采用多軋機小壓下量分布，即由原三架精軋機組的大壓下軋制程序，逐漸優化為五架精軋機組的小壓下軋制程序，大大緩解了軋件內檔粘鋼的缺陷。同時精軋采用五機架連軋后，精軋終軋溫度降低20 度左右，產品性能明顯提升；同時由于精軋采用小壓下量軋制，精軋成品輥壓下量大幅減小，軋件尺寸一致性得到提升的同時，產品表面的粘鋼現象也明顯減輕。

（2）優化孔型設計。針對異型門架型鋼軋制特點及對高尺寸精度高表面質量要求特征，以全軋程數值模擬技術為藍本，優化工藝提高保障能力，結合型鋼廠多規格產品和訂單資源的實際，充分發揮雙BD 的工藝布置優勢。在BD1 開坯的基礎上，將BD2 孔型系統改為直軋孔型系統，由此BD 區域為雙BD 軋制，道次共10 道次軋制，配輥方面，增加易磨損孔型的個數，針對部分孔型側壁斜度較大容易造成磨損較快的問題，優化軋輥孔型布置，分別增加了備用6 孔與備用7 孔，使得軋件在出現腿外側氧化鐵皮壓入缺陷后，隨即進行換孔操作，保證軋件表面質量。

在設計各類門架型鋼過程中，創新性采用擴腰軋制及縮腰軋制并行的兩種設計理念，擴腰軋制，即從坯料設計開始，每孔寬度及腹板內腹寬逐漸遞增，在坯料金屬滿足成品尺寸要求下限的基礎上，通過孔型寬度逐步增加實現小坯料擴充軋制大規格；縮腰軋制則與擴腰軋制理念相反，每孔寬度及腹板內腹寬逐漸遞減，在坯料金屬滿足成品尺寸要求上限的基礎上，通過孔型寬度逐步減小實現大坯料收縮軋制小規格。

（3）多維度矯直工藝優化，目前型鋼主流矯直方案存在兩種，一種是小變形逐步矯直方案，另一種為大變形統一彎曲之后一步矯直方案。由于小變形逐步矯直方案中的壓彎值易算但不易調，計算的很準而調整卻較難，尤其在設備剛度較低的情況下，調準之后工作時各輥互相影響，便會失去準確性，而且側彎及扭轉對矯直效果有較大影響。因此生產時選用大變形矯直方案進行輥數的確定。過查看殘留曲率比與輥數的關系曲線，發現10 輥矯直機可以將殘留曲率控制在0.01 之下，查看曲線與曲線，并使用殘留曲率公式，計算出矯后曲率半徑，進而求出每米軋件的相應撓度，滿足門架槽鋼尺寸標準的控制要求。

10 輥矯直機上輥為2#、4#、6#、8#、10#矯直輥，從前到后輥子作用依次為：2#輥為導入，輔助使用；4#輥為主壓力，承擔軋件主要塑性變形；6#輥為輔助主壓力，承擔軋件主壓力區間的總體彎曲調整；8#輥為介于塑性變形和彈性變形區間，為反復彎曲曲率的最終環節；10#輥為微小彎曲修正作用。此種矯直工藝布置下，軋件咬入狀態、矯直穩定性大幅提升，因矯直工藝問題產生的壓入缺陷得到消除。

（3）優化加熱制度，將260×300mm 坯料均熱段溫度由原來的1260℃降低為1230℃，將180×220mm 坯料均熱段溫度由原來的1220℃降低為1180℃，減少爐生氧化鐵皮的厚度，保證一次高壓水除鱗系統除鱗效果。改進坯料裝爐方式，將坯料在爐時間由原來的3.6h 減少到2.5h，控制坯料在爐時間，降低氧化鐵皮粘附力，利于爐生氧化鐵皮去除。

4 結語

通過工藝改進，萊鋼型鋼廠所產門架型鋼產品表面質量提升明顯，凹坑、壓入、鐵皮壓入缺陷基本消除，尺寸精度進一步提升，客戶滿意度明顯提升，取得了較好的經濟效益。