热轧圆盘剪剪刃钝化及寿命延长技术研究

唐 越，景群平，张亚震，李 伟，刘睿平

(1.宝山钢铁股份公司热轧厂，上海 宝山 201900；2.中国重型机械研究院股份公司，陕西 西安 710032；3.燕山大学冷轧带钢设备与技术国家工程研究中心，河北 秦皇岛 066004；4.辽宁忠旺集团有限公司设备部，辽宁 辽阳 111003)

0 前言

为了去除边部减薄的影响，热轧成品往往需要剪边处理。圆盘剪作为热轧产品用于剪边的主要设备[1-4]，对剪边质量的控制、剪边的顺利进行起着举足轻重的影响。热轧带钢圆盘剪剪切过程中，剪刃的钝化则是影响剪切质量的重要因素之一。在剪刃钝化后，轻则导致剪切困难、能耗增加，重则导致剪切粘边、毛刺甚至无法剪切，必须更换剪刃[5-8]，不但造成产品降级而且影响生产效率，给企业造成较大的经济损失。本文研究减轻热轧带钢圆盘剪剪刃的钝化速率、延长圆盘剪的使用寿命。

1 热轧带钢圆盘剪剪刃钝化模型

在热轧带钢的剪边过程中，对于圆盘剪而言，剪切力的大小与刀片的钝化是互相影响、互相作用的。一方面，刀片钝化越严重、剪切力越大；另一方面，剪切力越大、刀片的钝化速率也越快。

1.1 不考虑圆盘剪剪刃钝化的剪切力计算模型

对于热轧带钢圆盘剪剪切过程中的剪切力，在不考虑圆盘剪剪刃钝化的前提下，根据文献[9]可以用式(1)来表示

(1)

式中，P为不考虑圆盘剪剪刃钝化的总剪切力，kN；P1为纯剪切力，kN；P2为带钢被剪切掉部分的弯曲力，kN；h为带钢厚度，mm；σb为带钢强度，MPa；α为圆盘剪上下刀片剪切角的一半；δ为圆盘剪刀片厚度，mm；Z1为计算P2的中间系数，与边丝宽度和厚度有关。

1.2 圆盘剪剪刃钝化状态下的剪切力计算模型

圆盘剪刀片在工作期间剪刃逐渐钝化，如图1所示，R为圆盘剪刀片半径，s0为剪刃原始状态下的斜边长度，st0为s0所对应的横向长度，sr0为s0所对应的纵向长度，s为剪刃发生钝化后的斜边长度，st为s所对应的横向长度，sr为s所对应的纵向长度。

图1 圆盘剪剪刃钝化状态示意图

这样，圆盘剪剪刃钝化状态就可用s的大小来表示，即s越大，则该刀片剪刃钝化行为越严重，所需的剪切力也就越大。考虑圆盘剪剪刃钝化现象下的剪切力可用式(2)来表示。

(2)

1.3 圆盘剪剪刃钝化计算模型

圆盘剪剪刃钝化是一个积累的过程，与剪切带钢的厚度、强度、公里数有必然的联系。除此以外，圆盘剪的间隙量与重叠量等工艺参数的设定直接影响到剪刃与被剪带钢的接触状态，如图2所示。间隙量与重叠量的设定值也会影响圆盘剪剪刃的钝化，且间隙量主要影响剪刃的横向磨损量，重叠量主要影响剪刃的纵向磨损量。

图2 圆盘剪剪刃间隙

以第i组被剪切的带钢为例，建立圆盘剪剪刃钝化的模型，如式(3)及式(4)所示。

(3)

(4)

在已知每次剪切带钢剪刃纵向磨损增量Δsti与剪刃纵向向磨损增量Δsri的前提下，根据勾股定理，则可求得第i组剪切后的剪刃斜边长度si，如式(5)所示。

(5)

由式(2)至式(4)可以看出，在考虑圆盘剪剪刃钝化下的剪切力与剪刃钝化是互相影响的关系，也就是说，剪刃钝化程度越严重，则所需剪切力越大，同时，剪切力越大，则越容易加剧剪刃的钝化。

2 热轧带钢圆盘剪剪刃钝化影响因素分析

圆盘剪剪刃钝化的影响因素有两方面：被剪带钢属性参数，包括带钢厚度、带钢强度以及带钢长度等；圆盘剪剪切工艺参数，包括间隙量与重叠量等。

2.1 被剪带钢属性参数对剪刃钝化的影响

在圆盘剪间隙量与重叠量保持不变的前提下，带钢厚度与带钢强度的大小对剪刃的影响可描述为：剪刃在当前带钢厚度与带钢强度参数下的单位磨损量；而带钢长度对剪刃的影响可描述为：随着剪切公里数的逐渐增加，剪刃磨损在单位磨损量上的逐渐累积。因此，对于被剪带钢属性参数对剪刃钝化的影响而言，需分别分析不同带钢厚度随着剪切公里数的逐渐增加对剪刃钝化的影响，以及不同带钢强度随着剪切公里数的逐渐增加对剪刃钝化的影响。为此，本文选择主要典型规格带钢进行研究，其基本参数如表1及表2所示。

表1 带钢强度280 MPa时不同厚度带钢的规格参数

表2 带钢厚度4 mm时不同带钢强度的规格参数

利用本文所述剪刃钝化计算模型，设定圆盘剪间隙量为0.6 mm，重叠量为0.4 mm，分别计算在不同厚度与不同强度的典型规格带钢参数下的剪刃磨损量，以剪刃钝化程度变量s为z坐标，带钢厚度(或带钢强度)为x坐标，剪切公里数为y坐标，计算结果如图3与图4所示。

图3 带钢厚度与磨损量的关系图4 带钢强度与磨损量的关系

由图3及图4可以看出，在带钢强度一定的前提下，随着带钢厚度的增加，圆盘剪剪刃钝化现象越为严重；同样的，在带钢厚度一定的前提下，随着带钢强度的增加，圆盘剪剪刃钝化现象也越为严重；在带钢厚度与带钢强度一定的前提下，随着剪切公里数的逐渐增加，圆盘剪剪刃钝化程度逐渐增加，且增加的速率呈逐渐下降的规律。

2.2 圆盘剪剪切工艺参数对剪刃钝化的影响

圆盘剪间隙量和重叠量对剪刃的寿命也是有决定性影响的。为研究圆盘剪工艺参数对剪刃钝化的影响，特选择典型规格带钢，设定相关参数如下：带钢厚度4 mm,带钢强度300 MPa,剪切公里数10 000 km。利用本文所述剪刃钝化计算模型，计算带钢在不同重叠量与间隙量下的剪刃磨损量。以剪刃磨损量变量s为y坐标，圆盘剪设定的间隙量(或重叠量)为x坐标，计算结果如图5与图6所示。

图5 重叠量与磨损量的关系

图6 间隙量与磨损量的关系

由图5及图6可以看出，在圆盘剪剪切一定的公里数下，圆盘剪间隙量设定过大和过小时都会造成剪刃磨损量的增加，且钝化速率随偏离最佳值越大而增大，偏离较大时，钝化速率会逐渐趋于平缓；重叠量在设定过大时造成剪刃磨损量增加的现象更为明显，且钝化速率随偏离最佳值增大而增大，而重叠量在设定偏小时对剪刃钝化的影响相对偏小一点。圆盘剪工艺参数设定不合理势必会加快刀刃钝化和磨损，减少剪刃的使用寿命。

圆盘剪的间隙量应根据剪切带钢的厚度和强度设定，带钢越厚或强度越高，所设定的间隙量应适当增加。但是，如果设定的间隙量过大，不仅造成剪切力建立困难，加大剪切力矩，还使得剪刃与带钢间的摩擦力和接触应力增加[12-14]，从而加速剪刃钝化；设定的间隙量过小时，则被剪切的带钢受到剪刃间挤压产生较大的轴向力会加剧磨损，同时小的间隙量会导致剪刃与材料之间存在较大的接触应力以及剧烈摩擦，使剪切层增加，而剪切层的增加意味着剪刃与材料直接接触，增加摩擦，因此间隙量过小也会加大剪刃磨损[15-16]。圆盘剪的重叠量根据带钢的厚度有正负之分，主要跟剪切速度和剪切力有关，在其他参数一定的情况下，与剪切力是负相关的关系。但是重叠量并非越大越好，过大的重叠量会增大带钢剪切时咬入难度和剪刃与带钢接触面积，从而加剧磨损[17]，另外会因摩擦而结瘤，影响剪切质量，发生崩刃，反而不利于剪刃寿命的延长；重叠量太小时，会造成剪切力太大，剪切力越大，剪刃磨损越严重。

3 热轧带钢圆盘剪寿命延长技术的研究

由分析可知各个因素对剪刃的钝化有不同程度的影响。剪刃的磨损越小，寿命就越长。生产过程中，剪切带钢的厚度，强度，长度是不能改变的，若要实现减弱剪刃钝化现象、延长刀片寿命的目的，就需从圆盘剪的间隙量和重叠量等工艺参数入手，提出相应的优化措施。

3.1 优化圆盘剪间隙量

圆盘剪的间隙量通常根据带钢厚度和材料强度综合选取。被剪切带钢的厚度在3 mm以上时，可按δ=(0.14～0.22)h来计算[18-19]，h为带钢厚度。对于强度小于450 MPa的低强度钢，可按小的值选；对于强度不小于450 MPa的高强度钢[4]，可按大的值选，假如剪刃出现轻微的钝化，应适当将间隙量调小。

3.2 优化圆盘剪剪刃重叠量

圆盘剪的重叠量通常根据带钢的厚度选取。圆盘剪重叠量如图7所示。重叠量的选取可按θ=(0.07～0.15)h来计算，h为带钢厚度，当带钢厚度在4 mm以下时，采取正的重叠量，θ根据带钢厚度调整，最大调整在1.4 mm左右；当带钢厚度在4 mm以上时，采取负的重叠量，随着带钢厚度的增加，θ呈线性减小[20]，当剪刃发生轻微钝化时，可以适当的将θ调小。

图7 圆盘剪重叠量示意图

3.3 以工艺参数为优化变量，延长刀刃寿命

在确定圆盘剪间隙量优化准则与圆盘剪重叠量优化准则的前提下，考虑到圆盘剪在工作期间是连续作业的，其间隙量与重叠量一般根据剪切带钢的厚度和强度设定，不会经常改变[21]。为此，为了延长刀片寿命，以间隙量、重叠量为优化变量，以刀片在服役期间内整体刀刃钝化状态s最小为目标建立目标函数，如式(6)所示。

(6)

式中，m为刀片服役期间所剪切的总带钢数，且i=1,2,3,…,m。

这样，热轧带钢圆盘剪刀片寿命延长的问题就转化为：寻找一组最优的间隙量与重叠量X=(θ,δ)，使得目标函数G(X)最小，通过Powell法即可快速得到结果，从而达到延长圆盘剪刀片寿命的目的。与此同时，给出剪刃以达极限的临界值S*，在保证G(X)

3.4 寿命延长技术的现场应用

某钢铁企业热轧带钢圆盘剪投产之初，圆盘剪剪切过程中剪刃钝化问题较为严重，换刀次数非常频繁。采用本文所述相关技术对该圆盘剪的相关使用工艺进行优化，优化后剪刃钝化速率有了较大幅度的降低，根据现场半年的跟踪统计，换刀次数降低了35.6%，不但降低了圆盘剪刀片使用成本，而且减少了换刀时间、提高了生产效率，给机组带来了较大的经济效益。

4 结论

(1)在充分考虑到热轧带钢圆盘剪的设备与工艺特点、建立了圆盘剪剪切力计算模型的基础上，提出了一套适合于热轧带钢剪边过程的圆盘剪剪刃钝化计算模型；

(2)随着带钢厚度的增加，圆盘剪剪刃钝化现象越为严重；随着带钢强度的增加，圆盘剪剪刃钝化现象也越为严重；随着剪切公里数的逐渐增加，圆盘剪剪刃钝化程度逐渐增加，且增加的速率呈逐渐下降的规律；

(3)圆盘剪间隙量设定过大和过小时都会造成剪刃磨损量的增加，且钝化速率随偏离正常值越大会增大；重叠量主设定过大时会造成剪刃磨损量的增加，且钝化速率随偏离正常值越大会先增大后趋于平缓；

(4)以磨损量最小为目标函数，建立了一套适合于热轧带钢圆盘剪以降低钝化速率、延长剪刃寿命为目标的剪切工艺参数综合优化技术，并将其应用到生产实践，取得了良好的使用效果。