迁钢热轧酸洗线卷取机结构优化实践

张光通

1.引言

热轧酸洗板卷由于其性价比高，近几年在国内市场需求不断上升，因此吨钢利润可观。但目前国内大多数酸洗机组的卷取机[1]均不能高效率的实现自动卸卷模式，自动卸卷故障率较高。自动卸卷的实现可以提高产线的生产效率，降低工人的劳动强度，减少内塔、抽芯、划伤等缺陷卷的产生，对企业的降本增效任务具有较大贡献。因此通过对卷取机结构进行优化设计，提高自动卸卷成功率，对于提高生产效率具有重要的现实意义。

2.自动卸卷成功率低原因分析

通过对迁钢热轧酸洗线卷取机自动卸卷的多次尝试，目前钢卷带头无法正常从卷筒钳口退出，是制约实现自动卸卷的最大瓶颈，在卷取机卷筒顺时针旋转10度时，带头未能顺利从钳口中退出，带头卡在钳口中；卷筒转动时，钢卷内卷随之转动，导致钢卷内卷散卷。在钢卷小车卸卷横移时，带头在钳口堆积卡死或造成内卷塔形[2]。再者，即使钢卷带头能偶然顺利退出钳口，在将卷取机与钢卷分离时，由于钢卷内圈与卷筒外表面间隙过小，仍有几率产生钢卷抽芯和内圈塔形现象。

产生以上钢卷缺陷的主要原因，在于卷筒结构设计不合理，特别是钳口部分的设计不合理。主要体现在（1）钢卷钳口的设计型式不合理；（2）卷筒钳口设计深度及卷筒钳口开口度设计不合理；（3）钳口扇形板圆弧过渡半径及过度渡角设计过小；（4）卷筒的涨缩范围设计过小。

3.卷取机结构优化设计方案

3.1 卷筒钳口型式改造

迁钢卷筒钳口型式是比较传统也是应用比较广泛的机械钳口，早期由于液压技术不够成熟，再加上卷筒是转动设备，油路设计比较困难，因此液压很少应用于卷筒钳口。但随着液压技术的不断发展，特别是卷筒的旋转接头密封技术的日趋成熟可靠，让液压钳口技术应用于卷取机卷筒成为现实。液压钳口相对于机械钳口，在实现自动卸卷方面有以下优势：

（1）当带头夹紧在钳口内，钢卷缩径时，带头不易随钳口位置变化而变化。这样可以最大限度避免钢卷内圈散卷。

（2）机械钳口[3]在夹持不同厚度规格的钢带时，咬合力不一致且力的分布不均匀，容易导致带头变形，不利于自动卸卷工序。而液压钳口对带头的作用力可精确调整控制[3]，不受带钢厚度变化的影响，钳口夹紧力可靠且不易造成带头变形。

（3）液压钳口的型式有利于在不影响卷筒扇形板强度的前提下，将钳口深度设计得较小，有利于在不造成内圈散卷的情况下带头能顺利退出钳口。

因此，在卷筒有效宽度1800mm方向上布置8个钳口液压缸，将原卷筒的机械钳口型式改为单作用油缸的液压钳口，油缸活塞杆与钳口压块采用螺纹连接，钳口夹紧依靠油缸推力作用，钳口松开依靠弹簧力作用。

钳口液压缸的工作压力为14MPa，活塞直径设计为Φ42mm，一共8个钳口液压缸，钳口液压缸的液压推力为：

钳口液压缸活塞设计行程为21mm，实际最大的有效行程为15mm，弹簧系数选取k=8*104N/m，设计在钳口的宽度方向共计4根弹簧，因此弹簧对钳口压块的回程拉力为：

综上所述，液压钳口对钢卷带头的总夹紧力为：

钳口夹紧位置的压块和固定块的表面设计为锯齿状，摩擦系数为0.5-0.8，取最小值0.5，带钢夹紧后，两面均受到摩擦力作用，故最大的静摩擦力为：

F静=2F夹μ=2*150.29*0.5=150.29KN＞F张=120KN酸洗线卷取机设计的最大卷取张力为120KN，此设计完全满足带头对钳口夹紧力需求。

按最小的带钢宽度700mm计算，带头被夹紧的有效宽度即钳口压块的宽度为32mm，因此，带头受到的夹持压应力为：

P=F夹/S=(150.29*103)/(700*10-3*32*10-3)=6.71MPa

以强度级别最低的普通碳素钢Q215为例，许用抗压应力为145MPa，远大于钳口对带钢产生的压应力。因此，液压钳口的夹紧力不会对带钢产生损伤。

3.2 钳口的深度及开口度改造

钳口深度由原设计机械钳口的126mm缩减到35mm；钳口开口度由原来的机械钳口[4]的8.5mm增大到15mm。钢带插入钳口的深度越小，钳口的开口度越大，在执行钢卷带头退出钳口时，钢卷带头越容易能顺利退出钳口，从而顺利完成自动卸卷的最困难的一环。

3.3 钳口扇形板圆弧过渡半径及过渡角改造

钳口扇形板圆弧过渡半径由原设计R20增大至R100，过渡角有原来的130度增大至169度， 过渡半径设计越大，过度角越接近180度，即钳口与扇形板之间的过渡线条越平滑，受钳口夹持后的带钢头部的变形量就越小，同样有利于在执行钢卷带头退出钳口时，钢卷带头越容易能顺利退出钳口。

3.4 卷筒涨缩范围及钳口压块改造

卷筒的涨缩范围有原来的Φ590-Φ610mm，改造为Φ580-Φ610mm。即涨缩量由20mm增大到30mm，这样钢卷缩径后，卷筒外表面与钢卷的内圈单边间隙进一步增大至15mm。在执行钢卷带头退出钳口卷筒缩径后，转动环节以及在执行自动卸卷第7步骤钢卷横移环节[5]，卷筒外表面不易与钢卷内圈发生摩擦干涉，更加有利于顺利完成自动卸卷。

钳口压块宽度由原设计的1375mm，改造延长至1500mm，与带头的有效接触宽度由原来的10mm增大到32mm，这样就增大了钢板与钳口压块的接触面积，提高钳口夹持的可靠性以及减少带头因夹持产生的压应力[6]，进一步保护带头不受损伤。

4.效益计算

迁钢热轧酸洗线卷取机卷筒改造于2015年1月开始技术攻关和设备改造，历时8个月，于2015年9月成功应用于产线生产。改造后自动卸卷成功率达到了99.9%（改造前自动卸卷成功率测算值为50%），卷取机卸卷由手动/半自动模式改为全自动模式。对改造后产线的持续跟踪和测算，产生的效益如下：

（1）卷取机自动卸卷平均每卷比人工卸卷节约约1min，平均每天节约约100min，每天提高产能约90吨。吨钢利润按2016年上半年平均吨钢200元计算，按每年有效作业时间300天计算，产生的年经济效益：

90吨×200元×300天=540万元

（2）此改造项目完成后，根据测算，能有效降低因钢卷卸卷塔形导致的反洗率约0.5%。酸洗年产量按60万吨计算，吨钢反洗成本约180元，每年可节约成本：

0.5%×60×104×200=60万元

其次，降低了卷取机设备故障率，节约了人工和维护成本。

此次改造完成后，也为后续首钢乃至国内其他类似产线的改造，积累了宝贵经验，让酸洗线的工艺和生产的组织模式更加趋于科学合理。

5.结论

迁钢热轧酸洗线卷取机卷筒改造后，卸卷由手动模式改为全自动模式，自动卸卷成功率达到了99.9%（改造前自动卸卷成功率测算值为50%）。改造后明显的成效有：

（1）提高了酸洗机组的作业效率，每年提高产能约8.3%，约5万吨。

（2）降低了因卸卷塔形导致的反洗率及带出品，约占总产量的0.5%，约3000吨。

（3）降低了卷取机卸卷作业时，因内圈散卷导致的内圈钢卷表面划伤，提高了钢卷的表面质量和客户满意度。

（4）大大降低了人工卸卷造成的劳动强度，同时降低了带头在钳口中卡死导致的设备故障率，节约了维护成本。

（5）为后续国内的其他类似产线的改造积累了宝贵经验，让酸洗线的工艺和生产的组织模式更加趋于科学合理。