37#球扁钢槽式闭口轧法孔型设计实践

丁光辉

(宿迁南钢金鑫轧钢有限公司，江苏 宿迁 223800)

球扁钢是造船业的专用结构型材，用于船的壳体加强筋，对船体的结构安全和承载能力有重要影响[1]。近几年，国内造船业蓬勃发，造船行业总吨位量已跃居世界第一，随着船型的大型化、高端化(LNG、LPG、LNG、海工装备等)，尤其，PSPC标准的推行对球扁钢产品质量(表面质量、尺寸精度、平直度、腹板直边和球头饱满度等)要求越来越高[2]。

球扁钢断面(如图1)由球头和腹板组成，断面不对称，属异型断面型钢，断面各部位(球头与腹板)上所占金属量有较大的差异。断面的不对称导致轧制过程中存在变形不均匀、轧制难度极大，尤其是大规格球扁钢，工艺设计、生产技术难度大[3]。

图1 球扁钢断面

宿迁南钢金鑫轧钢有限公司根据多年积累的型材设计、生产经验，进行充分理论分析和创新，摸索出了在槽式轧制法的基础上，完全采用闭口槽式孔型系统轧制出高质量的30#-43#大规格球扁钢。通过生产实践，掌握了不同轧制方法下金属变形规律。同时，自主研制滚动导板在球扁钢上的运用，成功解决了球头划伤的技术难题。

1 主要工艺装备及生产工艺流程

主要工艺装备为：

加热炉：80 t/h，三段连续推钢式加热炉。

粗轧机：850×1轧机，为二辊可逆式。

中轧机：750×1轧机，为三辊可逆式。

精轧机：650×2轧机，一架为三辊可逆，一架为二辊不可逆。

成品轧机：650×1轧机，为二辊不可逆。

精整设备：热锯机、1000 mm矫直机各一台、2台冷锯和与之配套的冷床、检验台架。

生产工艺流程如图2所示。

图2 生产工艺流程

球扁钢规格尺寸现有国家标准(GB/T9945-2008)、欧洲标准(EN10163-3：2004)、日本标准(JIS G3192-2008)等三个标准，且相互接轨，断面及几何尺寸公差要求一致。37#球扁钢尺寸要求如表1所示。

表1 37#球扁钢尺寸及偏差

2 孔型及配辊设计

宿迁南钢金鑫轧钢有限公司生产的大规格系列球扁钢采用集团公司所生产的连铸坯。37#球扁钢采用坯料断面为250×300 mm、250×350 mm，同时，也能采185×280 mm、230×300 mm、230×350 mm断面坯料。不同断面的矩形坯充分利用850可逆粗轧机的能力可获得所需的中间坯尺寸，生产组织灵活。

2.1 孔型系统

基于37#球扁钢的尺寸特点，采用槽式孔型系统。该孔型系统具有以下特点：(1)将腹板分成水平段和弯曲段，孔型形状接近对称，金属变形较为均匀，轧制具有较强的稳定性；(2)由于轧件断面左右形状接近对称，轧制过程中轧辊轴向力较小，轧辊不易窜动，减轻产生弯曲等不均匀变形；(3)显著减小孔宽，轧辊利用率得以提高，还可利用较扁平的坯料或较小断面的坯料轧制较大规格的球扁钢；(4)与直轧孔型系统相比，轧制负荷较小；(5)孔型设计和轧辊、导卫的设计及准备工作相对复杂，准备时间稍长。

针对球扁钢生产中变形的严重不均匀性，在槽式孔型系统中，采用闭口孔型。闭口轧法孔型系统具有显著的优势：(1)轧件宽度容易控制；(2)辊环工作面靠死，轧辊基本没有轴向窜动，轧制稳定；(3)闭口式轧法中，球头及腹板锁口交替，使轧件各部位加工良好，产品表面质量好，表面光洁、球头饱满。

经对孔型系统特点的分析，结合公司850轧机、750轧机、650轧机的特点，确定采用槽式闭口孔型，孔型系统如图3所示。其中，850粗轧机利用了高温下钢塑性好的特点，加大1～5孔的压下量和侧压，使后面750、650变形孔压下均匀，轧制中不易产生轧制缺陷，各孔负荷波动不大，孔型磨损小，极大地提高了孔型的轧制量。

图3 37#球扁钢孔型系统

2.2 孔型设计要点

槽式孔型形状尺寸设计是大规格球扁钢工艺设计的关键之一。其孔型形状如图4所示。

图4 槽式孔型示意图

(1)腹板的水平长度L

L=(0.65-0.75)B

其中，B球扁钢宽度。各道次L值向K2孔逐渐减小。

(2)腿与腹板的水平夹角

设计中将成前孔(K2)腿部弯折角度减小至16°左右，使轧件进入成品孔(K1)时给予较小的角度变化，腿部扳直过程的变形抗力减小，避免轧件在成品孔中腿部(被弯折的腹板)剧烈折弯而产生横向的倾翻力矩，提高轧件轧制稳定性。设计中将由成品前孔(K2)16°左右逐渐过渡至槽式切深孔(第K5孔)的50°左右，将腿部弯折角度变量积聚分布在K6-K8延伸孔上。

(3)展宽系数一般取0.3-0.8，规格越大取值越小。

(4)压下系数，以球扁钢腰部压下系数为基准，腰部的压下系数比球头部压下系数适当增大，从成品孔向后逐渐增大。

(5)腹板宽度严格控制。腿部逐渐扳直过程中，腿端外沿受到两向拉应力，容易造成腿端外沿金属的拉裂。因此，须对K4-K1孔的腹部宽度严格控制，采用上、下交替配置的闭口孔型，使腿端在轧制过程中受双向压应力，以保证腿端形状饱满和加工良好。

(6)球头及表面质量控制。由于球头和腹板是球扁钢重要工作面，承受较大应力，其中组织缺陷或表面缺陷都将会造成应力集中，容易产生破坏。为了改善表面质量，设计中分步考虑：

a)在850粗轧开坯机上配置二个箱形孔进行翻面轧制，并给予1.8的压缩比，使坯料变形充分，破碎铸态组织，改善表面和内部组织，再配以较高的切入楔子进行二次切深，以获得槽形粗轧坯，进入中精轧机列。

b)为了获得形状饱满的球头，在精轧750 机架上利用K5、K3孔作为球头控制孔。

c)由于37#球扁钢球头占腹板面积的72%，为了减少腹板延伸对球头的拉缩，从切深孔至成品前孔给予了逐渐减小的球头假帽，对球头进行补偿。

2.3 配辊设计

考虑到现有生产线主要工艺装备，特点650轧机生产大规格球扁钢能力偏小，为更好发挥850可逆式轧机、750三辊轧机能力，在配辊设计时考虑650×2机列的第一架三辊轧机不用，孔型在各轧机轧辊配置如表2所示。

表2 孔型在各轧机轧辊配置情况

3 生产实践

3.1 试轧及调试

37#球扁钢工艺设计完成后，进行了第一次试轧，并获得合格断面的产品，轧制过程顺利，生产稳定。但是由于配辊时采用了球头朝下配置方式，热锯出现“卡脖子”现象，锯切、困难，锯片消耗快，跟不上轧制节奏。此外球头易产生划伤现象，轧制了300多吨，就终止生产。第一次试轧生产的主要技术经济指标见表3。

表3 第一次生产主要技术经济指标

针对第一次试轧生产中出现热锯“卡脖子”现象，将原配辊设计球头朝下改为球头朝上的配置工艺，如图5所示。一是850上轧机、下辊对调，对K10、K9、K8三孔堆焊配压；二是750轧机重新加工一支中辊，上、下辊对调；三是650(II)轧机及成品轧机上、下辊对调。组织第二次试生产，生产锯切慢、困难及消耗“卡脖子”现象得到有效解决，轧制稳定，本次共生产1216.1 t，中废19.8 t，成废4.5 t，各项主要技术经济指标较好，见表4。

图5 850粗轧配辊修改表4 第二次生产主要技经指标

原料重量(t)成品材重量(t)成材率(%)电耗(kwh/t)燃耗(m3/t)成废重量(t)1216．11100．5790．570．450．68．5

对生产37#球扁钢13、14、15三个厚度规格的整条48 m成品钢随机抽样进行头、中、尾产品尺寸检测如下：

X13厚度：头部371.5×66.5×13.3(mm)、中部372.0×66.7×13.4(mm)、尾部372.5×66.8×13.5(mm)；

X14厚度：头部370.0×67.5×14.1(mm)、中部370.5×67.5×14.1(mm)、尾部371×67.7×14.2(mm)；

X15厚度：头部370.8×68.6×15.0(mm)、中部371.5×68.5×15.1(mm)、尾部：371.6×68.7×15.3(mm)；

从抽样测量情况来看，尺寸完全达到标准要求，单支钢宽度尺寸波动在1mm 以内、球头高度尺寸波动控制在0.5mm内，球头饱满、厚度尺寸波动控制在0.3mm内。

3.2 滚动导卫在球扁钢轧制中的运用

在进行第二次生产前，对第一次试生产出现的球扁钢生产过程中出现球头划伤及球头形状不稳定现象进行了深入分析。由于球扁钢断面形状严重不对称，在热轧过程中采用的槽式孔型系统，设计时球头和腹板尽管考虑了相近的延伸系数，但在腹板逐渐扳直的过程中，向球头产生一个倾翻力矩，使轧件断面扭曲，造成球头与导板剧烈摩擦而导致轧件表面划伤。如果采用增大球头延伸系数的方法进行调整，又使球头不能顺利进入孔槽导致造成球头形状缺陷。既然采用调试方法很难消除大规格球扁钢划伤，应设法减轻球头与导板的摩擦，使球头与导板的滑动硬摩擦转变为滚动摩擦形式，从而改善划伤制约生产的现象。

尽管棒线材轧制中广泛使用滚动导卫，但其工艺条件与大规格球扁钢有显著差异。37#球扁钢单重60.5 kg/m，热轧过程严重不均匀变形；而棒线产品是对称变形，以Ø8 mm盘圆为例，单重仅0.89 kg/m；且高线滚动导板采用稀油或油汽集中连续润滑。而大断面球扁钢轧机设计滚动导板受现场条件制约，只能采用干油润滑，两者受力情况、润滑条件有着天壤之别。因此，需要根据大规格球扁钢的生产工艺设计进行导卫设计。自主研制的第一副滚动导卫以现有导板作母体，应用于37#球扁钢精轧出口，对球头划伤有了很大地改善。滚动导卫使用良好，滚轮有轻微磨损。成品孔进口处使用存在一定问题，没有斜度(未与孔型斜度一致)，使球头和腹板边产生轻微的变形。因此，将导轮改为与孔型斜度一致，可解决这一问题。目前，滚动导卫在所有规格球扁钢生产上的应用已形成了一项稳定的工艺，相继推广到所有球扁钢的750、650(Ⅱ)、650成品的球头出口导卫上和650成品进口导卫上。

5 结束语

通过设计槽式闭口轧法孔型，成功实现37#大规格球扁钢的热轧生产。生产实践表明，槽式孔型系统适合大规格球扁钢的生产，采用闭口式孔型轧法后，轧件各部位加工良好，外形尺寸稳定、球头饱满、表面光洁，产品质量稳定，完全满足了高端船舶制造的需要。随着37#球扁钢的成功开发，相继用槽式闭口孔型系统开发了30#-43#大型球扁钢生产工艺，并取得一次性成功。

[1] 陈昌渝. 我国船舶工业的发展及船舶用钢的需求状况[J]. 冶金管理，2007(12)：4-6.

[2] 杨才福，苏航. 高性能船舶及海洋工程用钢的开发[J]. 钢铁，2012,47(12)：1-8.

[3] 张 纯，武志强. 球扁钢生产问题浅析[J]. 现代冶金，2016,44(3)：39-40.