叉车用门架型钢表面质量提升

雷 刚

型钢厂异型线是莱钢实施产品换代升级，调整产品结构，实现差异化经营的重点工程之一，产品主要包括门架型钢、高精度英美标H 型钢、钢板桩、大规格角钢，主要钢种为低合金高强度结构钢和优质碳素结构钢。

产线坯料主要采用260×300mm、180×220mm、320×410mm的矩形坯。轧线主要由两架粗轧机与一个六机架短应力线精轧机组构成，其中粗轧机主电机为AC3500Kw，精轧机为AC1500 kW，成品机架最大速度3.5m/s，其中两架粗轧机为闭口牌坊二辊可逆式轧机，精轧机组为预应力可转换紧凑机组。

1 质量现状

门架槽钢产品应用于叉车提升轨梁装置，由于该产品使用位置的特殊性，其表面质量要求非常严格，我厂生产的门架槽钢产品因表面氧化铁皮压入、粘钢、表面划伤、凹坑等问题一直受到用户抱怨，严重影响了产品表面质量及客户认可度，为彻底解决这些顽疾，增强莱钢门架槽钢产品的市场竞争力，不断拓宽莱钢异型材市场，必须要对异型线工艺设备的升级改造优化工业设计，使门架槽钢表面质量达到客户使用要求。

2 原因分析

2.1 门架型钢凹坑、压入缺陷原因分析

门架型钢成品表面凹坑、压入缺陷主要与轧辊工装表面质量有关，当轧辊表面存在粘钢、凹坑，或者轧辊表面老化严重达到一定程度等会形成型钢表面凹坑、压入缺陷。

门架型钢为异型不对称性型钢，孔型设计多为非对称设计，目前国内该系列孔型设计几乎没有成熟的理论,完全靠经验积累。没有很长时间的现场实际经验，无法较好的设计出新孔型，新规格新产品开发成本高、难度系数大。通过模拟发现，门架型钢轧制时存在剧烈的不均匀变形 ,金属的流动十分复杂。目前,把热状态下的金属作为流变体, 其流动规律在理论上只有定性的描述。将复杂断面划分成若干简单形状的单体后,对单体间的流动可作出定量的数学计算。但是, 由于单体的划分是人为的,以金属在变形过程中的流动区间为界, 因而, 要正确决定断面上各部分金属流动的边界十分困难。再者,由于复杂断面金属流动相互牵制引起的拉缩和强迫宽展,温度分布的不均匀性,及轧件接触轧辊的先后而引起各单体变形的超前与滞后,尽管在断面各部分采用相等的变形系数,仍有不均匀变形存在,导致计算无法精确。

而门架型钢因其特殊用途，为保证产品尺寸精度，设计的孔型侧壁斜度小，轧制过程中轧件变形非常剧烈，导致轧辊表面老化速度较快，容易形成凹坑，当轧件在出现凹坑的孔型中轧制时，会造成金属的堆积与分层，继续轧制时成品表面出现凹坑、压入缺陷。

轧制异型门架型钢, 特别是不对称异型门架型钢时,由于变形不均匀性、不同时性,轧件在变形过程中产生弯曲、扭转、附加应力等, 破坏了轧件在孔型内的稳定性,给轧机调整和操作带来极大地困难,并影响产量和质量。尤其是当轧件头部咬入不正，轧件撞击轧辊时表面粘钢，继续轧制时粘附的金属会附着在轧件表面，在后续轧制轧制过程中不能脱落或脱落后在孔型轧制中不能轧合，成品表面形成凹坑缺陷。

因异型门架型钢的不对称性，热态下的型材在冷却过程中会出现不同程度的冷却弯曲变形，而轧件的冷却变形会对矫直工序的弯曲控制产生较大困难，轧件进矫直时会产生啃伤、压入等缺陷。

2.2 门架型钢氧化铁皮压入分析

门架型钢表面氧化铁皮压入缺陷形成的主要原因是炉生一次氧化铁皮压入和轧制过程中产生的二次氧化铁皮未被清除干净，铁皮被压入轧件表面，后期轧件表面经喷砂去除铁皮处理后形成氧化铁皮压入缺陷。

门架型钢涉及的牌号20MnSiV、Q440C、SM570、Q500M 等Si 含量较高，含Si 均在0.2%以上，由于加热时在氧化铁皮与基底金属界面之间产生层状的Fe2SiO4，界面温度在Fe2SiO4的凝固温度1170℃以下时，铁皮对基底的着力增强，剥离性更差。

通过试验对比发现，门架型钢成品表面氧化铁皮去除难度大，且去除后表面质量差的原因主要为：异型门架型钢表面氧化铁皮厚、致密度高、与金属基体粘度大，用户在喷砂处理时去除难度大。同时表面氧化铁皮厚且脆，在矫直工序表面氧化层容易不均匀破碎，轧件表面形成压痕，喷砂后形成“波浪纹”，甚至形成氧化铁皮二次压入。

通过现场观察与跟踪，轧制过程中一次氧化铁皮清除不彻底，在轧制过程中形成压入，此类问题容易造成较深的氧化铁皮压入或麻点缺陷，目前在产线此类缺陷表现尚不明显。而二次氧化铁皮对异型线门架槽钢表面质量影响最大，去除难度也最大，是项目攻关的重点。二次氧化铁皮去除不彻底，异型门架型钢在冷却过程中会逐渐呈现红色，其残留导致槽钢喷砂后表面产生“花纹”。在此过程中，轧制速度、除鳞压力、除鳞时轧件温度、除鳞环高度、除鳞环安装位置均影响二次氧化铁皮去除效果。

3 质量改进

3.1 轧制工装及辅助工艺件改进

为防止型钢表面产生凹坑、压入缺陷，产线主要采取以下措施：

（1）升级成品轧机下辊材质，在初期生产过程中，门架槽钢成品轧机下辊粘钢严重，耐磨性较差，常常开始轧制就会出现粘钢，造成成品轧件内档出现规律性的划痕。产线与轧辊厂家合作开发了新型高铬铁轧辊，在国内首次实现了高铬铁材质轧辊在热轧型钢应用，在应用过程中不断优化轧辊冷却工艺、烫辊制度等，解决了高铬铁轧辊易开裂、易碎等问题，充分发挥高铬铁轧辊的高耐磨、高硬度特性。每套成品轧机过钢量由原来的500t 提高到920t，有效提高了轧辊使用寿命、改善轧件表面质量，降低了生产成本。

（2）辅助工艺件的投用，设计轧辊在线预紧式修磨，在成品轧机及成品前轧机增设轧辊“预紧式轧辊在线修磨装置”，有效去除轧辊粘钢，确保轧辊表面光滑。

（3）BD 轧制工装优化，通过生产的情况作产品品质分析，并不断加以针对性优化，对BD2 轧辊进行表面喷涂硬化处理，进一步延缓轧辊老化速率，保证孔型精度和轧辊表面质量。

（4）工装精度提高及优化改造，工装精度是保证生产顺行的基础，为保证轧机正常工作状态，对特殊规格工装精度要求必须专用一套立辊箱及芯轴，箱孔及芯轴尺寸必须符合要求，对其他不同规格分别制定不同工装标准严格执行；中间牌坊、轴承座的扭力限制器、滑板和轧机垫片超过标准范围的必须停用或整改。成立离线工装精度恢复小组，及时联系解决工装出现的问题。

要求所有上机立辊装配前都要经打表检查，无问题后方可使用。对于U1 ～U3 同轴度要小于0.3mm；U4、U5 同轴度要小于0.1mm。U4、U5 立辊必须使用新立辊（新装或新车），U1 ～U3 轧机的立辊落槽深度不得大于1mm，其连续使用次数不得超过2 次，且所轧规格翼缘宽度不得由小改大。

所有新立辊和连续使用次数超过2 次的立辊必须对轴承进行清洗、检查、涂油后方可上机使用。所有上机立辊必须转动灵活且无异常，表面无裂纹、粘钢，立辊冷却水嘴不能有阻塞。

（5）导卫设计优化，与常规型钢卫板设计思路不同，门架型钢卫板在设计时除了以防止轧件进出孔型时产生向上向下弯曲趋势进而缠辊为目的之外，更重要的是弥补孔型设计缺陷，预防轧件扭转翘头产生中间废钢或影响成品尺寸、表面质量。因此各孔型对应卫板在设计之初，即需针对每道次轧件轧后状态作相应考虑，上下卫板间距相较常规设计会相对较小，对应叩翘头处理细节也有所不同。在导卫设计中也需要根据轧制情况合理采用组合式异型导卫设计，即将传统滑动摩擦导卫改为滑动摩擦加滚动摩擦导卫。

增加导板辅助装置，在原有导卫的基础上增加侧面导向装置，防止轧件因偏头不能对正孔型，侧面导向装置采用“喇叭口”设置，既可以顺利引入轧件，也可以促进轧件在咬入孔型前扶正轧件对中孔型，实现顺利咬入。

增加导轮防划伤装置，当侧面导向装置与轧件之间接触时，二者之间产生滑动摩擦，当轧件存在扭转趋势时，侧导板容易划伤轧件，影响产品表面质量，甚至产生废品。为了顺利导入轧件又防止出现划伤，在原有导向装置的基础上增加了导向轮装置，采取滑动摩擦+滚动摩擦组合的方式，有效方式轧件表面划伤，从根本上杜绝了因偏头导致划伤缺陷的产生。

（6）头尾预弯式冷却方式的实施，因门架型钢的严重不对称性，异型生产线采用了头尾预弯式冷却技术即带有预弯小车功能的动静步进梁式冷床设计，该冷床在设计上不仅避免了链条同步性差造成的长尺轧件拉弯变形的缺陷，而且在拉入装置上增加预弯小车，有效解决了异型门架型钢因断面形状不对称产生冷却弯曲、冷却扭曲，超出矫直区域调整能力的问题。预弯小车的引入使得轧件在放置静梁上之前，能够根据不同断面异型门架型钢冷却弯曲规律对热态轧件进行有目的性的反向弯曲，保证轧件在冷却过程中能够随着应力释放与冷却变形恢复到平直状态，可有效防止门架型钢过矫直时产生压入废品。

3.2 除鳞技术改进

（1）专用冷却水管在BD 轧辊上的应用，粗轧孔型负责开坯、生产接近成品尺寸的中间坯，但门架槽钢是典型的异型断面型钢，所有切分孔存在较大的磨损，导致孔型加工出来的中间坯尺寸与设计尺寸存在较大偏差。孔型磨损造成供给精轧机组的中间坯存在多余的金属，该部分金属在精轧轧制过程中对精轧辊产生较大的磨损，最终导致成品尺寸超差与表面质量差，同时也加剧了精轧辊的异常消耗。

产线人员突破常规思路，创新性的提出使用专辊专用冷却水管，同时结合孔型设计，与厂家合作对水管形状与水嘴布置进一步优化，增加易磨损孔型的水嘴个数，同时调整喷嘴角度，保证喷嘴喷射扇面与侧壁呈45°角，来加强水管的冷却效果。

（2）异型冷却系统在精轧辊上的应用，根据成品轧辊R 角与侧壁磨损严重、表面粘钢、长时间轧制产生裂纹等缺陷，结合每种门架槽钢的孔型设计，与厂家合作对水管形状与水嘴布置进一步优化。

针对J 型门架槽钢肩部R 角老化速度快主要采用立辊喷嘴加斜与轧机牌坊新增一套立辊冷却水管的方法。对C 型门架槽钢S 辊的上辊侧壁使用异型冷却水管进行侧壁的强制冷却，减缓侧壁老化趋势。对于U 辊，由原来的平直式水管改为圆弧形异型冷却水管进行侧壁与R 角的强制冷却，减缓老化速度。

（3）同时管网压力由原来的最大3 公斤调整到最大8 公斤，自此轧件表面质量显著提升。表面废品率由原来的15.29%降低到14.37%，同时精轧轧辊过钢量由300 ～350t 提升到600t ～700t，轧辊成本由12.7 元/t 降低到12.49 元/t。产线生产效率大幅度提升，轧辊停机修磨时间由原来的吨钢0.53 分钟降低为0.3 分钟。

（4）定制化高效除鳞技术的应用，根据理论分析，喷嘴喷射打击力是除鳞效果最直接的影响因素，喷嘴喷射打击力主要有以下四个因素：喷射压力p，喷嘴的流量Q，喷嘴的喷射角度，以及喷嘴到钢坯的喷射距离H。因此，要想提高除鳞效果，必须从除鳞系统压力、流量等因素考虑，获得良好的除鳞效果，喷射距离在允许范围内尽可能的减小。当然，减小喷射距离也势必要增加喷嘴的数量。根据以上的理论分析，要从根本上提高除鳞效果，必须要在除鳞压力、水量和除鳞环的设计上做工作，以良好的除鳞效果保证异型门架型钢产品的表面质量。

一次强制除鳞，在开始轧制之前，由高压水除鳞装置利用高压水对坯料表面的氧化铁皮进行清理，以避免轧制过程中氧化铁皮的压入，从而保证终产品质量。除鳞箱体为一钢板结构件，包括出口处链帘、侧导板及可更换的喷嘴环。高压水可自动控制，钢坯通过除鳞箱时，喷嘴自动喷射出工作压力约为30MPa 的高压水，清除钢坯表面的氧化铁皮。喷嘴为盒式结构，根据不同规格的坯料可以选择不同尺寸的喷嘴环。喷嘴环是通过快速接头与供水管道连接。

二、三次定制化高效除鳞，布置在精轧U1 机前，主要用于BD 来料的表面氧化铁皮清理。因为使用三次除鳞的每个规格的精轧孔型宽度与高度存在较大跨度，为保证产品表面质量的情况，针对不同规格制定了不同除鳞方案，采用电机带涡轮蜗杆升降机驱动，通过编码器控制升降高度，实现定制化除鳞效果。

各除鳞装置根据生产规格不同，采用的除鳞压力、除鳞时轧件温度、除鳞环高度、除鳞环安装位置均不相同。

3.3 轧制工艺优化

轧制工艺优化措施如下：

（1）优化工艺布置路径，在开坯轧制阶段采用多道次翻钢轧制规程，能够彻底有效去除一次除鳞未能去除的大块炉生氧化铁皮。通过对不同断面的坯型共用技术和轧机孔型共用技术研究，以双BD 可逆多道次轧制+6 机架组合精轧相结合的工艺技术合理分配压下量，在系列门架型钢的生产过程中，轧件尺寸控制公差稳步提升，轧件表面质量明显提高。

通过多轮次的轧制，不断优化轧制程序表，成型工序首先由精轧三架轧机升级为五架轧机轧制，采用多轧机小压下量分布，即由原三架精轧机组的大压下轧制程序，逐渐优化为五架精轧机组的小压下轧制程序，大大缓解了轧件内档粘钢的缺陷。同时精轧采用五机架连轧后，精轧终轧温度降低20 度左右，产品性能明显提升；同时由于精轧采用小压下量轧制，精轧成品辊压下量大幅减小，轧件尺寸一致性得到提升的同时，产品表面的粘钢现象也明显减轻。

（2）优化孔型设计。针对异型门架型钢轧制特点及对高尺寸精度高表面质量要求特征，以全轧程数值模拟技术为蓝本，优化工艺提高保障能力，结合型钢厂多规格产品和订单资源的实际，充分发挥双BD 的工艺布置优势。在BD1 开坯的基础上，将BD2 孔型系统改为直轧孔型系统，由此BD 区域为双BD 轧制，道次共10 道次轧制，配辊方面，增加易磨损孔型的个数，针对部分孔型侧壁斜度较大容易造成磨损较快的问题，优化轧辊孔型布置，分别增加了备用6 孔与备用7 孔，使得轧件在出现腿外侧氧化铁皮压入缺陷后，随即进行换孔操作，保证轧件表面质量。

在设计各类门架型钢过程中，创新性采用扩腰轧制及缩腰轧制并行的两种设计理念，扩腰轧制，即从坯料设计开始，每孔宽度及腹板内腹宽逐渐递增，在坯料金属满足成品尺寸要求下限的基础上，通过孔型宽度逐步增加实现小坯料扩充轧制大规格；缩腰轧制则与扩腰轧制理念相反，每孔宽度及腹板内腹宽逐渐递减，在坯料金属满足成品尺寸要求上限的基础上，通过孔型宽度逐步减小实现大坯料收缩轧制小规格。

（3）多维度矫直工艺优化，目前型钢主流矫直方案存在两种，一种是小变形逐步矫直方案，另一种为大变形统一弯曲之后一步矫直方案。由于小变形逐步矫直方案中的压弯值易算但不易调，计算的很准而调整却较难，尤其在设备刚度较低的情况下，调准之后工作时各辊互相影响，便会失去准确性，而且侧弯及扭转对矫直效果有较大影响。因此生产时选用大变形矫直方案进行辊数的确定。过查看残留曲率比与辊数的关系曲线，发现10 辊矫直机可以将残留曲率控制在0.01 之下，查看曲线与曲线，并使用残留曲率公式，计算出矫后曲率半径，进而求出每米轧件的相应挠度，满足门架槽钢尺寸标准的控制要求。

10 辊矫直机上辊为2#、4#、6#、8#、10#矫直辊，从前到后辊子作用依次为：2#辊为导入，辅助使用；4#辊为主压力，承担轧件主要塑性变形；6#辊为辅助主压力，承担轧件主压力区间的总体弯曲调整；8#辊为介于塑性变形和弹性变形区间，为反复弯曲曲率的最终环节；10#辊为微小弯曲修正作用。此种矫直工艺布置下，轧件咬入状态、矫直稳定性大幅提升，因矫直工艺问题产生的压入缺陷得到消除。

（3）优化加热制度，将260×300mm 坯料均热段温度由原来的1260℃降低为1230℃，将180×220mm 坯料均热段温度由原来的1220℃降低为1180℃，减少炉生氧化铁皮的厚度，保证一次高压水除鳞系统除鳞效果。改进坯料装炉方式，将坯料在炉时间由原来的3.6h 减少到2.5h，控制坯料在炉时间，降低氧化铁皮粘附力，利于炉生氧化铁皮去除。

4 结语

通过工艺改进，莱钢型钢厂所产门架型钢产品表面质量提升明显，凹坑、压入、铁皮压入缺陷基本消除，尺寸精度进一步提升，客户满意度明显提升，取得了较好的经济效益。