310乙字钢端部规格尺寸波动原因分析

王代文，杜健

（攀钢集团攀枝花钢钒有限公司轨梁厂，四川 攀枝花617000）

310乙字钢属于大型热轧型材，用于制作火车底部中梁，每年需求量在4万～5万 t。随着铁路向高速化、重载化发展，以及用户对310乙字钢的质量要求不断提高，为更好地满足用户要求，攀钢集团攀枝花钢钒有限公司轨梁厂决定在装备水平先进的万能线开发生产310乙字钢。在开发初期，轧件两端规格波动大，为保证产品质量，须将端部规格尺寸不合格的部位切除，两端切除总长度达8.5 m以上，极大影响了其成材率。本文拟通过对现场实物断面尺寸测量与计算机仿真分析，找出310乙字钢端部规格波动的原因，进一步采取改进措施。

1 端部规格尺寸波动原因分析

310乙字钢采用360 mm×450 mm铸坯生产，在BD1（该轧机配置有两个箱形孔和两个蝶式孔共四个孔型）轧制11道次，BD2轧机轧制3道次，U1、U2和UF轧机各轧制1道次，共计轧制17道次。

1.1 现场实物测量分析

为了找到两端规格尺寸波动原因，用延伸系数计算成品规格波动位置，对应不同道次轧件出现的理论位置，并对BD1、BD2轧机轧制后的轧件进行取样，然后用轮廓仪扫描轧件的轮廓并测量其规格尺寸，BD1、BD2轧件东西头腿长波动理论计算和实际测量位置结果如表1所示，BD1、BD2轧件东西头腿长实测数据见表2。

表1 BD1、BD2轧件东西头腿长波动理论计算和测量位置Table 1 Theoretical Calculation and Measuring Positions of Fluctuation of Head Length and Leg Length in Terms of BD1 and BD2 Rolling Pieces m

表2 BD1、BD2轧件东西头腿长实测数据Table 2 Measured Data of Head Length and Leg Length in Terms of BD1 and BD2 Rolling Pieces mm

从表1和表2可以看出，成品两端规格波动与BD1、BD2轧件均具有对应性，说明规格波动在BD1轧机已经造成。为了验证BD1轧件东西头金属量是否缺失，对东西头每隔200 mm测量一次轧件总宽度，测量结果显示，长腿和短腿总金属量没有问题，只是在长、短腿金属量分配上出现了问题。

由于轧件中间部位金属量分配正常，而端部金属分配则发生了变化。通过对BD1、BD2轧件东西头弯曲度进行观察、测量，发现进钢端和出钢端均发生了弯曲，BD1、BD2轧件东西头弯曲度见表3。

表3 BD1、BD2轧件东西头弯曲度Table 3 Degree of Curvature Heads in Terms of BD1 and BD2 Rolling Pieces

从表1～3可以看出，310乙字钢端部规格尺寸波动与BD轧机轧件端部弯曲状态有较强的对应关系。

1.2 轧件出钢弯曲、扭转对规格尺寸影响数值仿真分析

为了进一步验证310乙字钢端部规格尺寸波动与BD轧机轧件端部弯曲状态有较强的对应关系，采用MARC软件进行仿真分析，以便为工艺优化和导卫系统改进提供支撑。

1.2.1 建立有限元模型

分别设计两种BD1第三孔和第四孔的轧制规程方案，方案1为BD1第3孔轧制4道次、第4孔轧制1道次，方案2为BD1第3孔轧制5道次、第4孔轧制1道次,并对每道次编号、建模，各模型对应轧制道次参数见表4。对建立的模型进行对比，BD1第3孔、第4孔孔型及压下工艺见图1，分析轧件在模型中轧制时孔型中的充满情况、弯曲情况、扭转情况和轧件扭转、弯曲对其孔型充满情况的影响。

图1 BD1第3孔、第4孔孔型及压下工艺Fig.1 Pass Patterns for 3rd and 4th Passes of BD1 and Screwdown Process for Rolling

表4 各模型对应轧制道次参数Table 4 Parameters for Each Model Corresponding to Rolling Passes

1.2.2 计算结果及分析

（1）模型1在计算中有-7.16°/m的扭转，但是计算结果中轧件头、中、尾的形状一致，表明轧件的扭转不会对头、中、尾的尺寸造成直接影响。

最难的莫过于打破自身的虚荣，敢于承认自身的不足。虽然我在前一份岗位取得了骄人的成绩，但是隔行如隔山，荣耀已成过眼云烟，一切都要从头再来。仔细分析了自身知识的缺陷之后，通过自学初步建立了知识体系。同事们各有所长，但性格不同，如何寻找到双方的利益共同点，建立良好的合作关系并能得到指导就成为了难点。日常的闲聊，部门的聚会，公司的活动都是良好的契机，了解到每个人的兴趣爱好人生目标，积极实现求同存异，通过设定共同的目标使得同事积极主动对我的询问答疑解惑。

（2）轧件的水平弯曲在碰到挡板 （相当于轧件前后的推床）后，其端部和中部（稳定轧制区）的形状与头部的形状发生了显著变形，与实际生产情况吻合，说明出钢弯曲会影响轧件规格尺寸。因此，控制轧件的弯曲对控制乙字钢的头、中、尾尺寸一致具有重要的意义。

综上，通过测量现场实物规格尺寸、端部弯曲度和计算机仿真验证，310乙字钢端部规格尺寸波动的原因是BD轧机出钢弯曲。

2 改进措施

根据上述分析结果，造成310乙字钢端部规格尺寸波动的主要原因是BD轧机出钢弯曲，为了解决该问题，一是对轧制工艺进行优化，主要包括孔型和轧制规程优化两方面，首先对轧制规程进行优化，此方法最经济、快捷；二是导卫结构优化，保证进钢位置正确，并通过导卫改善BD轧机出钢弯曲状态。

2.1 BD1轧机轧制规程优化

为防止轧件弯曲，长腿和短腿的压下系数应保持相等。轧件在孔型中的不均匀变形程度愈小，轧制愈稳定。目前有两种确定轧件不均匀变形程度的方法：一种是用相似系数K来确定，另一种是用长、短腿的压下系数λ来确定。在工艺设计中采用长腿和短腿的压下系数渐近相等的方法对BD1轧机轧制规程进行优化。

式中，λ为压下系数；h'为所求各孔短腿厚度；h'为已知各孔短腿厚度；h为所求各孔长腿厚度；h为已知各孔长腿厚度。

优化规程：减少箱形孔轧制道次，增加蝶式孔轧制道次，使蝶式孔不均匀变形程度减轻，优化前后的BD1轧机轧制规程见表5。

表5 优化前后的BD1轧机轧制规程Table 5 Rolling Schedule for BD1 Mill before and after Optimization

2.2 BD轧机导卫改进

在BD1、BD2轧机导卫上增加活动侧导板，入口侧导板主要作用是保证轧件进入孔型位置正确，用于控制出钢弯曲程度，同时还能调整规格尺寸。

3 实施效果

通过采取优化轧制规程和增加侧导板措施，能够有效抑制轧件的出钢弯曲程度，从而提高了310乙字钢的头、中、尾规格尺寸精度，其东、西头长、短腿腿长波动长度由优化前的0～5 m减少到了0～3 m。同时，优化后西头长腿9～11 m处的波动也得到了消除，310乙字钢的成材率提高到82.5%，优化前后腿长波动情况对比如图2所示。

图2 优化前后腿长波动情况对比Fig.2 Comparison of Leg Length Fluctuation before and after Optimization

4 结语

通过现场实物规格尺寸测量和计算机数值仿真分析发现，造成310乙字钢端部规格尺寸波动大的主要原因是BD轧机出钢弯曲。通过优化BD1轧机规程，保证长短腿压下系数近似相等，以及改进整体导卫结构，改善BD轧机出钢弯曲程度，可以缓解310乙字钢端部规格尺寸波动大的问题，其东、西头长、短腿腿长波动长度由优化前的0～5 m减少到0～3 m，同时优化后西头长腿9～11 m处的波动消除，310乙字钢成材率由75%提高到82.5%。