开卷机和卷取机进口设备的国产化研究

2014-03-31吴定川

湖北工业大学学报 2014年5期

黄怡，吴定川

（武汉钢铁重工集团有限公司，湖北武汉，430083）

作为实现带钢生产连续化、机械化和自动化的重要设备，开卷机和卷取机广泛应用于热轧、酸洗、冷轧、平整、连续退火、涂镀、精整、重卷、剪切等生产线机组中，是必不可少的关键生产设备。开卷机和卷取机的种类较多，按其用途可以分为三类：线材开卷机／卷取机、热轧带钢开卷机／卷取机、冷轧带钢开卷／卷取机［1］。

热轧带材卷取机分地上式和地下式两种，前者现已很少采用，后者常用于连续式或半连续式热轧带材轧机机组。随着热连轧技术的发展，带钢产量、规格、品种的增加，轧制速度不断提高，卷取热轧板坯温度可达600℃～700℃，卷重可达40t［1］，因此对热轧地下卷取机性能提出了更高的要求。

冷轧带材开卷机和卷取机是将冷状态下钢卷打开或将钢带卷成钢卷的机械设备，用在可逆式、连续式轧制线上和带钢精整机组的作业线上。常用的冷轧带钢卷取机分为辊式和卷筒式两种，前者已很少被使用，本文着重介绍的卷筒式卷取机中的扇形胀缩式卷取机，由斜楔胀缩和棱锥胀缩两类组成，广泛应用于高速卷取机、大张力卷取机和小张力卷取机上。在现代冷轧车间，轧机正向高速化、大卷重和自动化方向发展。

1 武钢引进的开卷机和卷取机的历史和现状

1.1 引进设备的历史和现状

1974年，从国外引进一米七轧机成套设备，其中热轧厂、硅钢厂的设备由日本引进；冷轧厂、二炼钢的设备由前西德引进，耗资40多亿元。30多年来，经过武钢几代人的努力，从原来消化吸收专利技术，发展到以开发创新为主，开发了大量的新产品和武钢特有的硅钢生产技术。

随着产能的提高，多数产线的开卷机和卷取机已经超出了设计寿命，设备精度制约带钢质量的提高。

1.2 引进设备的优劣势

当时进口的设备无论是在其结构或是工艺性上，都代表了特定时期的先进性水平。然而，随着时间推移，市场或用户群对产品质量的日趋升级，进口的开卷机和卷取机也日益暴露出许多问题，特别是在频频出现故障后，难以得到及时维修。

1）涉及技术保密，因而资料不全。虽不代表最先进技术，但国外企业仍不会提供详细的制造、安装和调试图，导致设备出现故障后无法维修。

2）易损件为非标或国外企业标准，国内市场难以采购，或采购成本高，供货周期长。

3）随机附赠的备件数量有限，用尽后重新加工的备件因与原件不匹配，影响设备的整体精度和性能。且购置国外原品备件不但需耗费巨资，还会因周期长影响生产。

4）设备出现故障后，因核心技术控制在外方手中，如需聘请外方专家，不但难以及时到场，还需支付高额的服务费用，后期售后服务难以保障。

基于上述劣势，加之钢铁市场严峻的形势，消化、吸收国外先进设备的技术及国产化研究，具有极其重要意义和深远影响。

2 武钢重工集团对进口开卷机和卷取机国产化的历史进程

2.1 起步阶段

1980年，原机总厂就组织专人测绘卷筒，并在制造上攻关。1981年试制成冷轧酸洗开卷机卷筒。1987年，经过三年试制，成功制造了ZR1大张力轧机卷取机卷筒。

2.2 成长阶段

1998年，成立了开卷中心，独立车间专业从事连轧带钢线成套设备为主导产品的生产业务单元，先后成功国产化森吉米尔ZR2和ZR3大张力轧机卷取机。1997－2000年，成功实现热轧地下卷取机国产化。

2.3 发展阶段

2005年，开卷中心成立了卷筒研发中心，致力于消化、吸收进口开卷机和卷取机的结构，在原设计基础上大胆创新，结合用户需求，持续改进，使结构和工艺均优于原设计。构建出完整的产品咨询、设计、研发、制造、物流、安装、调试和售后服务链，最大限度地为用户创造价值。

3 开卷机和卷取机的国产化应用

3.1 国产化的基础

任何一台进口设备在原理上必有其先进性，这就需要充分消化进口设备的设计理念和设计原理，与现场工况、用户要求、制造能力、制造成本等因素相结合，使国产化后的设备既能满足现场使用的功能性要求，又能解决工艺性难题，还能提高设备的性价比，节约资金，取得明显的经济效益。因此，在进行开卷机和卷取机的国产化中遵循“三点一线”的模式：“三点”即针对进口设备的结构、工艺、材料三个关键点分析，运用科学的手段，合理创新；“一线”指采用“流水生产线”式制造管理模式，降低制造成本，提高生产效率。

武钢重工经过三代人的共同努力，按“三点一线”的模式不断吸收各国经验，在武钢主体厂的技术专家、专检员及一线操作工人的密切配合下，在实践中不断创新，使制造能力得以不断提高，由单一生产修复卷筒到仿制整机，由与国外联合制造到自行研发制造整机，开卷、卷取机生产能力除满足武钢的生产需求，还向全国各地供给优质的开卷、卷取机设备。

3.2 结构创新

在对硅钢森吉米尔大张力轧机卷取机国产化研究时，对其在现场的使用状况做了详细的调查和数据采集，进口设备存在以下问题：1）扇形板波纹边易多处断齿，使钢卷内圈产生折痕；2）扇形板钳口易出现变形、断裂、边缘处塌陷变形；3）钳口备件方向有左右之分，库房需分别订购，不利于库房实现“零库存”管理；4）钳口活塞缸处易漏油且易进入灰尘等杂物划伤缸孔；5）胀缩液压缸易漏油，影响系统压力和卷筒的正常胀缩径。

针对上述问题，采用先进制造方法，在原设计基础上进行创新。如运用反求工程理论，用精密仪器测量手段对原品测量，根据测量数据，使用SOLIDWORKS建模方法重构其CAD模型，以此为基础，对开卷机和卷取机进行设计开发和生产。

针对问题1），将扇形板波纹边由宽齿改为窄齿后，消除了断齿现象，扇形板的波纹边能起到很好的胀紧和支承的作用。

针对问题2），运用CAD将实物转化为三维实体模型，运用ANSYS有限元分析软件对卷取机钳口的强度进行分析、计算和比较，确定其危险截面和受力点，优化钳口的结构设计。

针对问题3），将左、右卷取机固定钳口槽的不对称设计改为了对称结构设计，成功实现了钳口的互换性，为用户减少了库存量。

针对问题4），通过改变活塞的密封槽位置、增加防尘盖等方式，解决钳口活塞缸的漏油问题，延长活塞和缸孔的使用寿命。

针对问题5），在胀缩液压缸缸盖端面新增了密封槽和密封圈，解决了液压缸的漏油问题。

此外，为易于设备加工，将主轴齿形改压力角为20°的标准齿形，并运用ANSYS对其进行强度校核，运用仿真成型技术模拟卷筒装配及符合工况条件下的工作过程。

对二冷轧重卷线开卷机国产化研制时，由于主轴和扇形板间用了一组6个，共24个导向销定位，制造精度要求高、加工难度大，若长期使用易使扇形板卡死，阻碍其运动。通过减少弹簧组数，在每块扇形板的两头各设计一组碟簧，既减少了约束又满足性能要求。

3.3 工艺创新

对热轧地下卷取机国产化研制时，铜柱塞是卷筒的核心部件之一，同一棱面上各个铜柱塞的斜面中心至平面中心的中心高尺寸是否一致，会影响到各个铜柱塞受力的均匀性。考虑到设备的加工精度及人的因素无法保证其工艺性，设计专用组合夹具作为辅助加工工具，使高度误差控制在0.03mm以内。

对硅钢森吉米尔大张力轧机卷取机国产化研制时，钳口是卷筒的核心部件之一，其制造精度会直接影响钢卷成材率及卷筒的使用寿命。钳口属细长件，且必须经过多个热处理工序，易变形。为此，将钳口改为分段式，从根本上解决了钳口的热处理变形问题，且易于安装和调试。

对二冷轧卡罗塞尔卷取机国产化研制时，扇形板厚度薄，总长2 500mm以上。这类扇形板属于超薄超长类零件，若按平放状态进行热处理工序，将会造成扇形板的严重变形，不仅影响安装精度，且扇形板在斜面上运动时易卡阻，影响卷筒的正常胀缩。设计热处理工装，将其与四块扇形板组装成整圆后，以悬挂状态入炉内调质处理，控制其变形。

对二冷轧重卷线开卷机国产化研制时，卷筒长度达2 300mm。为解决导向销和销孔配合精度问题，采用了先装配后加工的工艺顺序，使各孔在使用状态下整体加工，确保各销孔间位置精度，从而使四块扇形板在斜楔的推动下在主轴上实现径向胀缩运动，活动自如。此外，德国原品采用的热处理方案是：主轴和一字型楔条各采用调质处理，氮化两者之间的“七字形”楔形条，热处理工艺极易使其发生扭曲变形且很难校正。可选择氮化相对不易变形的主轴和变形后易校正的“一字型”楔条。实践证明，使用效果好于原品。