热卷箱在热连轧机组中的应用

□ 郜振兴

上海电气上重碾磨特装设备有限公司 上海 200245

1 应用背景

在板带热连轧机组中,为了减小输送辊道上的温降以节约能耗,常在输送辊道上安装绝热保温罩、温度补偿加热炉,或在轧件出粗轧机组之后设置热卷箱进行热卷取。热卷箱于20世纪70年代发明,目前已由第一代单工位有芯卷取、第二代双工位有芯卷取发展至第三代双工位无芯卷取。笔者主要对双工位无芯卷取热卷箱在热连轧机组中的应用进行介绍。

2 热卷箱工作原理

热卷箱在板带热连轧机组中位于粗轧机与精轧机之间,布置在粗轧延伸辊道之后,切头飞剪或边部加热器之前。

热卷箱的工作过程为:粗轧机轧制的中间坯通过热卷箱前侧导板对中后,经入口导辊抬起头部,进入弯曲辊辊缝,在头部弯曲后由成形辊形成卷眼,如图1所示;随着中间坯持续进入弯曲辊辊缝,中间坯头部在1号托卷辊上继续进行卷取,如图2所示;卷取完成后,中间坯的带尾变为带头,如图3所示;用开卷机构对中间坯进行反向开卷,如图4所示;中间坯通过矫直辊矫直后,送入切头剪、除鳞机和精轧机组。

图1 中间坯在成形辊处形成卷眼

图3 中间坯卷取完成

图4 中间坯反向开卷

热卷箱有卷取和直通两种工作模式,当中间坯不需要卷取时,将热卷箱的入口导辊、成形辊、托卷辊等降至低位,可作为辊道使用。中间坯直通模式如图5所示。

图5 中间坯直通模式

一般而言,成品带钢厚度大于5.0 mm时,粗轧轧出的中间坯较厚,变形抗力较大,板坯温度均匀性较易控制,适宜选用直通模式。生产特殊短坯料时,若选择热卷方式,则卷径较小,信号难以跟踪,因此一般也选择直通模式。除此以外,都可以选择卷取模式。

3 热卷箱优势

热卷箱的优势如下:

(1) 粗轧后在进入精轧机之前进行热卷取,可以保存热量,减小温降,保温率可达90%以上;

(2) 首尾倒置开卷,以尾为头进入轧机,可均化板带的头尾温度,不用升速轧制,从而增大厚度,提高精度;

(3) 起到储料作用,可增大卷重,提高产量;

(4) 可增加事故处理时间8～9 min,从而可减少废品及铁皮损失,提高成材率;

(5) 可使中间辊道缩短30～40%,节省厂房和基建投资;

(6) 降低板坯加热与出炉温度,一般可由1 250 ℃降至1 150 ℃,节约能耗。

4 热卷箱不足

应用热卷箱,在轧制质量、节能降耗等方面有诸多优势,但同时也存在不足。

(1) 中间坯经过热卷箱进入精轧机后,为了确保终轧温度波动范围较小,无法升速轧制,反而需要降速,直接影响轧线产能。

(2) 中间坯经过热卷箱后,头尾温度较为均匀,但进入精轧机的轧件温度相较于不使用热卷箱降低了30～40 ℃。精轧机开轧温度降低,将会影响带钢强度。

(3) 热卷箱设备结构较为复杂,卷取及开卷机构共有20多个液压缸,属于高故障率设备。为满足连续正常生产,需要大量维护工作和充足的备品备件。

(4) 热卷箱不适宜轧制高强度钢或难以变形的钢种。

5 国内发展现状

热卷箱问世初期,不少企业认为主要是起缩短中间辊道长度的作用,加之结构复杂,故障率高,在相当长一段时间内,国内新上的轧线为了减少故障点,保证稳定生产,宁愿加长产线长度,增加投资,也很少选择热卷箱,影响了人们对热卷箱的正确评价,进而影响了热卷箱在国内带钢热连轧生产线的使用和推广。经过三代热卷箱技术改进后,热卷箱的优势得到了广泛认可。随着控制手段的发展,热卷箱在使用上的难度也日趋降低。1992年,攀钢热轧厂应用了国内第一台热卷箱。近年来,在新建热连轧生产线中,热卷箱的使用已经越来越普遍。2018年新建的乐亭2 050 mm热连轧机组中采用了SMS型热卷箱,如图6所示。许多旧生产线为了提高产品质量,开发产品种类,也陆续通过技术改造增设了热卷箱。2019年迁钢1 580 mm热连轧机组改造,新增了HATCH型热卷箱,如图7所示。

图6 SMS型热卷箱

图7 HATCH型热卷箱

6 热卷箱结构

一台完整的热卷箱可以分为入口辊道及入口侧导板、卷取区域、开卷区域、出口辊道及出口侧导板等部分。其中,卷取区域包含主机架、入口导辊、弯曲辊、成形辊、1号托卷辊、稳定器,开卷区域包含2号托卷辊、3号托卷辊、开卷器、开卷侧导板、保温罩、开尾销、夹送辊、矫直辊、阻挡辊等。热卷箱截面如图8所示。

图8 热卷箱截面

笔者以迁钢1 580 mm热连轧机组热卷箱为例,对主要部件进行详细介绍。

中间坯厚度为20～45 mm,中间坯宽度为700～1 450 mm,最大单位宽度卷质量为23 kg/mm,最大卷质量为28 t,卷外径为2 050 mm,卷眼直径为650 mm,最大穿带速度为4.5 m/s,最大卷曲速度为5.5 m/s,最大开卷速度为2.5 m/s,最大切头速度为2.0 m/s,直通时最高速度为6.28 m/s。

入口辊道及入口侧导板布置在热卷箱入口区域,用于运输中间坯进入入口导辊,同时对中间坯进行对中,入口侧导板每侧由一个液压缸驱动。出口辊道及出口侧导板布置在热卷箱出口区域,功能、结构与入口辊道及入口侧导板类似。

入口导辊由升降机架、辊子、过渡护板组成。入口导辊在下工作位时,热卷箱处于直通模式。入口导辊在上工作位时,热卷箱处于卷取模式。入口导辊在上工作位时,升降导辊上的辊子和过渡护板可以平稳地将中间坯的头部送至弯曲辊中。入口导辊在下工作位时,入口导辊的作用相当于热卷箱输入辊道的延长段。

弯曲辊由两根上弯曲辊和一根下弯曲辊组成,下弯曲辊固定在热卷箱主机架上,上弯曲辊可以通过液压缸摆动以调节辊缝。在头部成卷过程中,弯曲辊推送中间坯成卷。为了控制后部带坯弯曲后的曲率和形状,保持已经成卷部分的稳定性,两根上弯曲辊随卷取过程逐步抬升。热卷箱上弯曲辊设计为双回转结构,可以单独调节入口和出口的两个弯曲辊辊缝,这样可以控制带坯头部的弯曲曲率,以及带坯头部最初接触成形辊上护板的位置。此类结构的弯曲辊可以保证在高速卷取各种钢种时,得到圆度很好的卷眼和卷形。

成形辊主要包括上成形辊护板、成形辊、下成形辊护板。护板表面为弧形,帮助中间坯头部弯曲并形成卷眼。成形辊由液压缸驱动摆动,在上工作位时,热卷箱处于卷取模式,在下工作位时,热卷箱处于直通模式。随着带卷直径的增大,带卷由成形辊和1A号托卷辊支撑。1号托卷辊由两根辊子组成,通常分别命名为1A号和1B号。成形辊表面设计为凹槽形,与上下护板的导齿交错布置,可消除间隙,防止钻钢。

1A号托卷辊的轴承直接安装在热卷箱主机架上,1B号托卷辊安装在以1A号托卷辊为回转轴的机架上,并由液压缸驱动机架回转。在卷取过程中,1B号托卷辊随着带卷直径的增大逐渐从抬起的位置降落,给逐渐增大的带卷留出足够的空间。最终,1B号托卷辊降低至开卷头开卷和准备开卷反转的位置高度。在启动带卷强制移送时,1B号托卷辊会逐渐抬起至传送位置,完成带卷的强制传送。在直通状态下,1B号托卷辊处于轧制线的高度位置。

稳定器固定在热卷箱主机架的侧板上,传动侧和操作侧对称布置,每侧由一个液压缸推动,作用是防止带卷跑偏,产生横向窜动或塔形卷。在卷取结束时,稳定器起到保证带卷中心和轧制中心对中的作用。在带卷开卷过程中,稳定器还要起到防止带卷横向窜动的作用。

2号托卷辊紧挨着1号托卷辊,由2A号托卷辊和2B号托卷辊组成。与1号托卷辊相反,2B号托卷辊直接安装在固定底座上,2A号托卷辊以2B号托卷辊为中心,通过液压缸驱动摆动。2号托卷辊和1号托卷辊配合完成带卷在开卷过程中的移送。

3号托卷辊、开卷侧导板和开尾销安装布置在2号托卷辊之后,一般固定在底座上。3号托卷辊也可以称为支撑辊和过渡辊,在开卷过程接近结束时,带卷会被拉拽至3号托卷辊上,抵靠在阻挡辊上完成最后几卷的开卷。此时开尾销会插入卷眼,防止塌卷,确保带卷完全打开。开卷侧导板和开尾销都由液压缸驱动伸缩。还安装有保温罩,能够减少钢卷边部和整个开卷过程中的热量损失。操作侧的保温罩可以通过液压缸打开,便于观察开卷过程及吊运废卷。

夹送辊布置在3号托卷辊之后,在开卷过程中采用较低的夹送压力进行控制,目的是协助中间坯进入精轧机。在处理卡钢反转时,采用较高的夹送压力。矫直辊、夹送辊和辊道辊配合在一起,可以消除开卷过程中的中间坯起浪。当中间坯头部进入精轧机后,夹送辊从夹送压力控制模式切换至矫直位置控制模式,从而消除夹送力对中间坯运行的影响。阻挡辊的作用是挡住被拉进来的带卷,并协助完成最后的开卷。上夹送辊和矫直辊安装在一个焊接机架上,焊接机架绕安装夹送辊和出口辊道的固定底座回转轴摆动。阻挡辊通过一组弹簧吸收带卷对机架造成的冲击力。当热卷箱处于直通状态时,夹送辊和矫直辊参与控制,起到带卷防翘头和头部矫平的作用,满足中间坯进入后续设备时对平直度的要求。

开卷器安装在主机架的顶部,由开卷大臂、开卷小臂、开卷铲头组成,作用是在开始开卷时将带卷的尾部打开,并一直向下压至中间坯,以便1号托卷辊推动中间坯送至精轧机。工作时,开卷大臂从开卷器检修位置下落至开卷位置。在开卷位置设有机械阻挡块,安装在热卷箱主机架上。开卷大臂的回转轴安装在热卷箱主机架的侧板上,通过两个齿条液压缸驱动。开卷小臂的回转轴安装在开卷大臂的头部,由一个液压缸驱动。

7 结束语

热卷箱在现代热连轧生产线中,是一种控制中间坯温降、降低废品率的成熟高效设备,结构较为复杂,控制难度和维护成本较高。在后续的热卷箱设计、制造、使用过程中,需要优化设备结构和生产工艺,提高控制手段,扬长避短,以更好地发挥热卷箱的功能。