全液压下切式宽中厚板热定剪机设计

·20·钢铁技术2008年第3期全液压下切式宽中厚板热定剪机设计刘歌(中冶赛迪公司轧钢事业部,重庆400013)[摘要]简要介绍了宽中厚板全液压下切式热定剪机的应用情况，特别就剪机的性能参数特点和要求、剪切机构、机架和上下刀片及其座架的设计要求作了说明。[关键词]中厚板剪切机下切式热剪机0概述在中厚板热轧厂，热定剪机作为轧线上的主要设备之一，通常布置在热矫机和冷床入口之间，主要对经过矫直处理后的热钢板进行切头和倍尺剪切，以便于适合冷床的宽度，便于冷床上料冷却。目前世界上的中板生产，正逐步趋于向宽度方向发展，热轧成品板宽度越宽，则产品的适用面就越广，相应的轧线生产率以及板材的综合收得率也就越高。但由此对轧线上的主要设备，尤其对轧机、剪切机等需要产生力能变形，或切断的主机设备，在设备的大型化、控制的高精化、反应的灵敏化方面提出了更高的要求。这也对单机设备的设计和制造带来了许多需要解决的难题。笔者有幸在前几年主持了国内某3500mm中厚板热轧厂轧线机械设备的中方设计，并作为主设计师对线上的热定剪机进行了设计，现该厂已投产运行好几年时间，从生产厂现场实际反馈的情况来看，轧线生产运行良好，尤其是热定剪机经受了各种不利情况的考验。在试生产初期，在外方提供全套资料，国内供货的冷定尺剪机一直处于不正常的情况下，该热定剪机承担了全部成品板材的剪切任务，从常规的切头、倍尺剪切，到定尺切断、切尾，剪机不仅工作频繁加剧，而且长时间处于热板的直接烘烤下，设备的各个零部件经受住了恶劣工况的检验，在甲方合同工厂里，该设备得到了上下一致的首肯。现结合该热定剪机的设计，谈点自己的体会。1热剪机的性能参数与特点1.1性能参数昀大剪切力：4500kN；允许被切板规格(宽×厚)：3250×10～40mm；允许被切板温度：450～900℃；上下刀刃昀大开口度：160mm；上刀刃斜度：2.5°；有效剪切周期时间：15s；刀片间隙调整量：0.32～2.8mm；刀片更换时间：～30min。1.2特点1)采用超长型上下刀片，铡刀式全液压下切式剪切。3450mm长的刀片无论是材质的选用，还是加工或热处理，在保证精度、公差要求以及硬度方面，其技术难度都是很高的。上下刀片上的四个棱边均为刀刃，可交替互换使用，有效延长了刀片的使用寿命。上刀架采用两只缸径为500mm的大液压油缸驱动向下剪切，刀架用杠杆平衡。2)上下刀片间隙可自动无级调整。根据不同的钢板厚度，采用不同的刀片间隙，可以保证良好的剪切断面，同时防止被切钢板因刀片间隙调整不好而产生的变形。此外，这一特点还可以补偿刀片使用磨损后的间隙，改善剪切条件。3)剪机集定尺测量、前置夹送辊、活动式上压板为一体，结构紧凑，布置合理。采用整体的焊接钢结构机架，在保证同样的强度和刚度前提下，使得剪机的自重大为减轻。2008年第3期钢铁技术·21·4)采用刀片自动移出机构，可缩短刀片更换辅助时间，提高生产率。5)废料移出及收集装置采用移动摆式辊道、缓冲溜槽、链式传送机与辊间翻板等，安全可靠，大大降低了工人的劳动强度。2剪机的工作原理和剪切机构的设计剪切机构的设计有两种方案，一种是主剪切驱动缸安置在机架的一侧，而且是只有一个主液压缸。当液压缸产生向外的推力后，利用杠杆关系将推力进行放大，并转换成向下的推力，然后推动上刀架向下运动进行剪切(见图1)。美国的IPCO中板厂就是采用的这种剪切机构。另一种是采用两个主剪切驱动缸直接安装在机架的顶部，推动上刀架两端向下运动进行剪切，机构简图如图2。第二种剪切机构是是一种新型式，也是第一次采用。两种方案都是可行的，但比较而言，采用第一种机构，其液压系统设计相对于第二种机构要小得多，而且单一的主缸产生推力比起第二种方案需两缸同步产生的推力来讲，控制要简单得多，需用的液压油量也相对较少，仅液压系统就能省下不少的投资；另外，由于主缸放置在机架的侧面，避免了向上热气流的直接烘烤，对主驱动缸的保护有一定的好处。但第一种方案的缺点也是很明显的。第一，由于主液压缸置于机架的侧面，当产图1热剪机驱动缸装在机架侧面的方案2热剪机驱动缸装在机架顶上的方案生向外的推力后，根据反作用力的关系，机架在承受板材的剪切反力的同时，还要承受一附加的单侧方向的轴向推力，因此机架两侧牌坊的受力差异较大，为保证机架的强度和刚度，机架的设计会比第二种方案更大、更结实；第二，因上刀架向下剪切的推力是靠连杆利用杠杆关系，将油缸活塞杆向外产生的推力放大来实现的，在剪切过程中，尤其是剪切负荷较大时，剪切短时的冲击力对连杆与联接轴的影响较大，直接影响着连杆与联接轴的使用寿命，而且更换两另件所需的辅助时间较长，对生产影响也较大。第三，当被剪板材由于某些原因使得剪切负荷增大时，例如温度降低过多，刀刃使用时间过长，被剪板材屈服强度较大等等，可能会产生剪机剪切不动的现象，因单一主缸推力加连杆的杠杆比放大，其放大的推力是有限的，即使增大主缸的工作压力，也无法解决这个问题。综上所述，当被切钢板宽度大于2000mm时，采用第二种方案较之第一种方案更好些，不仅能克服上述问题，而且能够使得剪机的外部结构不会因为需要的剪切负荷过大而受到限制。当然事物都有两面性，第二种方案也有它的缺点：1)前面已提到，需要的液压站比第一种方案大，需要的液压油比第一种方案多；2)两个主液压缸驱动剪切时，由于用油量大，且要求同步，所以应配置大流量的同步控制阀。表1列出在额定剪切力4500kN情况下，两种方案的比较。主剪切缸设于机架的侧面主煎切缸设于机架的顶面·22·钢铁技术2008年第3期表1两种方案的比较比较项目主剪切缸设在机架单侧(第一方案)主剪切缸设在机架顶上(第二方案)主缸大小主缸数量Ф580/Ф250×370mm一套Ф500/Ф320×325mm二套液压站容量－－机架质量～58360kg～41040kg主缸外冷却无有上刀片倾斜度3.5º2.5º主缸大流量同步阀不需要需要年检修时间(相对)较多较少3机架的设计机架作为整个剪机剪切力的承载体，是剪机很重要的一个部件。目前国际上一般都采用紧凑式焊接钢结构作为剪机机架，为便于上刀台和刀片的安装，通常机架做成两侧牌坊成U形上开口的开式机架，机架底部用钢结构箱型梁整体连接。机架顶部横梁为可移出的钢结构箱形梁，横梁要求具有足够的强度和刚度，以便能承受向上的剪切反力。对热定剪机架的设计通常应考虑下列几点：3.1由于剪机工作时，热板一般是静止在剪机工作台上，所以机架设计时，要考虑冷却水的循环问题。对焊接钢结构机架，循环冷却水的密封很重要，对钢板，对焊缝一定要严格探伤检查。3.2机架两侧牌坊上有许多便于上刀台滑动的衬板，还有用于上下刀片调整间隙的传动轴支撑装置，此外前置夹送辊两侧轴承座也设在整体一个机架内，所有这些都要求机架的设计应能便于机加工，特别是要求一次加工完成的作业面，或有公差严格要求的作业面，应保证机床刀具能够得着。不能因为某些结构的原因，妨碍了机床的加工。3.3由于机架结构紧凑，设计时要尽量考虑今后设备的安装和检修空间，这一点较难于做到，但基本一点，就是要保证工人能按图纸要求，将剪机组装起来并可拆卸。所以在不影响剪机整体强度和刚度，不影响冷却循环水的密封的前提下，可以多开一些便于安装、检修的窗口，但是为了剪机整体的美观，所有这些窗口外面都应用盖子封起来。3.4机架内的管路较多，有液压软管、冷却水管、干油润滑管等，众多的管子在机架内，对上刀台的运动会造成干扰。所以机架设计时，要尽量地考虑到这些管子的影响。尽可能地利用机体内部走管线，确实需要外部用软管的，可以结合上刀台运动的行程，尽量避免与刀台干涉。3.5机架与上横梁是通过两侧好几组高强螺栓联结的，安装时两者联结的好坏，对以后的生产和剪机本身各部件的寿命都影响较大。设计时，一定要对高强螺栓具体的结构和机械强度进行研究。在机架装配图的技术要求里，要对各高强螺栓的预紧力有一明确值要求，并要求各个高强螺栓的昀终弹性变形量要一致。上述剪机机架设计应注意的几点，是我们在分析总结剪机设计时得出的，仅供参考。4刀片与刀片架的设计刀片是很关键的零件，其设计和制造质量的好坏，直接影响着剪机的使用。过去由于受到加工和热处理条件的限制，大于2500mm的热剪，一般都采用滚切式剪机来完成，但滚切式剪机效率较低，且结构复杂，维护检修不方便。近年来，随着加工技术的提高和热处理条件的改善，人们又考虑用下切式整体刀片来处理宽板的剪断问题。对热定剪机，影响长刀片，尤其是长度大于2500mm的超长刀片质量和使用的因素有：刀片的材质、刀片的精加工磨削精度、热处理后刀片内部组织和硬度的改善、热处理对刀片变形的影响、运输途中各种对刀片变形产生影响的因素等。刀片材质的选用首先应考虑具有耐高温、耐磨和耐冲击性，其热处理后的硬度应能满足刀片剪切的要求，当然母材自身的强度与刚度也应符合热剪刀片的规定。通常根据经验，并结合国内外同类刀片材质的选用，即可对设计的刀片材质进行确定。由于刀片长度的关系，选用刀片精加工磨削的机床一定要选好，既要能保证长刀片能够进行磨削，又要保证刀片磨削后的精度要求。刀片的热处理，除要求改善刀片内部组织和硬度外，关键是要想办法控制刀片的变形量。一般建议这种超长的专用刀片由专业的刀具厂来制造为好。为保证刀片在各种场合的运输途中不致于因吊装，或其它任何情况引起刀片的变形，昀好建议刀片2008年第3期钢铁技术·23·架也一并由专业刀具厂完成，合格的刀片应与刀片架组装固定后，再装箱发往用户。为了充分发挥刀片母材的作用，延长刀片的使用寿命，昀好刀片的四周棱边都做成刀刃，并且刀片的结构设计成对称型式的，这样可以方便互换。5上下刀片的间隙调整对于不同厚度的被剪板材，剪机上下刀片的间隙是不一样的，通常薄厚度的板材，需用的剪力较小，上下刀的间隙相应也小；随着厚度的增加，剪力也随之加大，上下刀片的间隙也加大。但不管板材厚度在允许的范围内怎么增加变化，刀片间隙量的变化是很小量的。以4500kN剪机为例，刀片间隙量仅在0.32～2.8mm范围内变化。(收稿日期：2008-05-30)～·～·～·～·～·～·～·～·～·～·～·～·～·～·～·～·～·～·～·～·～·～·～·简讯·国家标准《高炉炼铁工艺设计规范》GB50427－2008将于2008年7月1日实施国家标准《高炉炼铁工艺设计规范》是根据建设部《关于印发《2005年工程建设标准规范制订、修订计划(第二批)》的通知》建标函[2005]124号的要求，由中冶赛迪工程技术有限公司主编，会同宝钢、鞍钢、武钢、本钢，中冶京诚、中冶南方、中冶华天、中冶东方等工程技术股份有限公司，首钢、鞍钢攀钢设计院等单位共同编制完成的。为贯彻科学发展观和《钢铁发展政策》，节约资源、节约能源，为贯彻以精料为基础全面贯彻“高效、优质、低耗、长寿、环保”的高炉炼铁技术方针，而制订的高炉炼铁工艺设计的纲领性文件。《规范》在编制过程中，学习了有关现行国家法律、法规、政策及标准；进行了调查研究，开展了必要的专题研究和技术论证；总结了多年高炉炼铁工艺设计的经验；广泛征求了有关生产、设计、院校的意见，对炼铁存在的问题进行了反复的研讨和修改，昀后经审查定稿。经建设部批准，于2008年7月1日实施。《规范》实施后，不但规范了高炉炼铁设计，同时对高炉生产操作必将产生重大影响。《规范》共分16章，主要内容有：总则、术语、基本规定、原燃料和技术指标、能源和资源利用、矿焦槽及上料系统、炉顶、炉体、风口平台及出铁场、高炉炉渣处理及其利用、热风炉、高炉煤气清洗及煤气余压发电、喷吹煤粉及富氧、检测和自动化、环境保护、节约用水。《规范》由建设部负责管理和对强制性条文的解释，由中冶赛迪工程技术股份有限公司负责具体技术内容的解释。在执行过程中，请各单位注意总结经验，积累资料，随时将有关意见和建议反馈给中冶赛迪工程技术股份有限公司(地址：重庆市渝中区双钢路一号，邮政编码400013)，以便今后修订时参考。为进一步对《规范》进行深入论证，特编写了《高炉设计－炼铁工艺设计理论与实践》一书，已由冶金工业出版社于2007年11月出版，可供参考。国家标准