開卷機和卷取機進口設備的國產化研究

黃 怡，吳定川

（武漢鋼鐵重工集團有限公司，湖北 武漢，430083）

作為實現帶鋼生產連續化、機械化和自動化的重要設備，開卷機和卷取機廣泛應用于熱軋、酸洗、冷軋、平整、連續退火、涂鍍、精整、重卷、剪切等生產線機組中，是必不可少的關鍵生產設備。開卷機和卷取機的種類較多，按其用途可以分為三類：線材開卷機／卷取機、熱軋帶鋼開卷機／卷取機、冷軋帶鋼開卷／卷取機［1］。

熱軋帶材卷取機分地上式和地下式兩種，前者現已很少采用，后者常用于連續式或半連續式熱軋帶材軋機機組。隨著熱連軋技術的發展，帶鋼產量、規格、品種的增加，軋制速度不斷提高，卷取熱軋板坯溫度可達600℃～700℃，卷重可達40t［1］，因此對熱軋地下卷取機性能提出了更高的要求。

冷軋帶材開卷機和卷取機是將冷狀態下鋼卷打開或將鋼帶卷成鋼卷的機械設備，用在可逆式、連續式軋制線上和帶鋼精整機組的作業線上。常用的冷軋帶鋼卷取機分為輥式和卷筒式兩種，前者已很少被使用，本文著重介紹的卷筒式卷取機中的扇形脹縮式卷取機，由斜楔脹縮和棱錐脹縮兩類組成，廣泛應用于高速卷取機、大張力卷取機和小張力卷取機上。在現代冷軋車間，軋機正向高速化、大卷重和自動化方向發展。

1 武鋼引進的開卷機和卷取機的歷史和現狀

1.1 引進設備的歷史和現狀

1974年，從國外引進一米七軋機成套設備，其中熱軋廠、硅鋼廠的設備由日本引進；冷軋廠、二煉鋼的設備由前西德引進，耗資40多億元。30多年來，經過武鋼幾代人的努力，從原來消化吸收專利技術，發展到以開發創新為主，開發了大量的新產品和武鋼特有的硅鋼生產技術。

隨著產能的提高，多數產線的開卷機和卷取機已經超出了設計壽命，設備精度制約帶鋼質量的提高。

1.2 引進設備的優劣勢

當時進口的設備無論是在其結構或是工藝性上，都代表了特定時期的先進性水平。然而，隨著時間推移，市場或用戶群對產品質量的日趨升級，進口的開卷機和卷取機也日益暴露出許多問題，特別是在頻頻出現故障后，難以得到及時維修。

1）涉及技術保密，因而資料不全。雖不代表最先進技術，但國外企業仍不會提供詳細的制造、安裝和調試圖，導致設備出現故障后無法維修。

2）易損件為非標或國外企業標準，國內市場難以采購，或采購成本高，供貨周期長。

3）隨機附贈的備件數量有限，用盡后重新加工的備件因與原件不匹配，影響設備的整體精度和性能。且購置國外原品備件不但需耗費巨資，還會因周期長影響生產。

4）設備出現故障后，因核心技術控制在外方手中，如需聘請外方專家，不但難以及時到場，還需支付高額的服務費用，后期售后服務難以保障。

基于上述劣勢，加之鋼鐵市場嚴峻的形勢，消化、吸收國外先進設備的技術及國產化研究，具有極其重要意義和深遠影響。

2 武鋼重工集團對進口開卷機和卷取機國產化的歷史進程

2.1 起步階段

1980年，原機總廠就組織專人測繪卷筒，并在制造上攻關。1981年試制成冷軋酸洗開卷機卷筒。1987年，經過三年試制，成功制造了ZR1大張力軋機卷取機卷筒。

2.2 成長階段

1998年，成立了開卷中心，獨立車間專業從事連軋帶鋼線成套設備為主導產品的生產業務單元，先后成功國產化森吉米爾ZR2和ZR3大張力軋機卷取機。1997－2000年，成功實現熱軋地下卷取機國產化。

2.3 發展階段

2005年，開卷中心成立了卷筒研發中心，致力于消化、吸收進口開卷機和卷取機的結構，在原設計基礎上大膽創新，結合用戶需求，持續改進，使結構和工藝均優于原設計。構建出完整的產品咨詢、設計、研發、制造、物流、安裝、調試和售后服務鏈，最大限度地為用戶創造價值。

3 開卷機和卷取機的國產化應用

3.1 國產化的基礎

任何一臺進口設備在原理上必有其先進性，這就需要充分消化進口設備的設計理念和設計原理，與現場工況、用戶要求、制造能力、制造成本等因素相結合，使國產化后的設備既能滿足現場使用的功能性要求，又能解決工藝性難題，還能提高設備的性價比，節約資金，取得明顯的經濟效益。因此，在進行開卷機和卷取機的國產化中遵循“三點一線”的模式：“三點”即針對進口設備的結構、工藝、材料三個關鍵點分析，運用科學的手段，合理創新；“一線”指采用“流水生產線”式制造管理模式，降低制造成本，提高生產效率。

武鋼重工經過三代人的共同努力，按“三點一線”的模式不斷吸收各國經驗，在武鋼主體廠的技術專家、專檢員及一線操作工人的密切配合下，在實踐中不斷創新，使制造能力得以不斷提高，由單一生產修復卷筒到仿制整機，由與國外聯合制造到自行研發制造整機，開卷、卷取機生產能力除滿足武鋼的生產需求，還向全國各地供給優質的開卷、卷取機設備。

3.2 結構創新

在對硅鋼森吉米爾大張力軋機卷取機國產化研究時，對其在現場的使用狀況做了詳細的調查和數據采集，進口設備存在以下問題：1）扇形板波紋邊易多處斷齒，使鋼卷內圈產生折痕；2）扇形板鉗口易出現變形、斷裂、邊緣處塌陷變形；3）鉗口備件方向有左右之分，庫房需分別訂購，不利于庫房實現“零庫存”管理；4）鉗口活塞缸處易漏油且易進入灰塵等雜物劃傷缸孔；5）脹縮液壓缸易漏油，影響系統壓力和卷筒的正常脹縮徑。

針對上述問題，采用先進制造方法，在原設計基礎上進行創新。如運用反求工程理論，用精密儀器測量手段對原品測量，根據測量數據，使用SOLIDWORKS建模方法重構其CAD模型，以此為基礎，對開卷機和卷取機進行設計開發和生產。

針對問題1），將扇形板波紋邊由寬齒改為窄齒后，消除了斷齒現象，扇形板的波紋邊能起到很好的脹緊和支承的作用。

針對問題2），運用CAD將實物轉化為三維實體模型，運用ANSYS有限元分析軟件對卷取機鉗口的強度進行分析、計算和比較，確定其危險截面和受力點，優化鉗口的結構設計。

針對問題3），將左、右卷取機固定鉗口槽的不對稱設計改為了對稱結構設計，成功實現了鉗口的互換性，為用戶減少了庫存量。

針對問題4），通過改變活塞的密封槽位置、增加防塵蓋等方式，解決鉗口活塞缸的漏油問題，延長活塞和缸孔的使用壽命。

針對問題5），在脹縮液壓缸缸蓋端面新增了密封槽和密封圈，解決了液壓缸的漏油問題。

此外，為易于設備加工，將主軸齒形改壓力角為20°的標準齒形，并運用ANSYS對其進行強度校核，運用仿真成型技術模擬卷筒裝配及符合工況條件下的工作過程。

對二冷軋重卷線開卷機國產化研制時，由于主軸和扇形板間用了一組6個，共24個導向銷定位，制造精度要求高、加工難度大，若長期使用易使扇形板卡死，阻礙其運動。通過減少彈簧組數，在每塊扇形板的兩頭各設計一組碟簧，既減少了約束又滿足性能要求。

3.3 工藝創新

對熱軋地下卷取機國產化研制時，銅柱塞是卷筒的核心部件之一，同一棱面上各個銅柱塞的斜面中心至平面中心的中心高尺寸是否一致，會影響到各個銅柱塞受力的均勻性。考慮到設備的加工精度及人的因素無法保證其工藝性，設計專用組合夾具作為輔助加工工具，使高度誤差控制在0.03mm以內。

對硅鋼森吉米爾大張力軋機卷取機國產化研制時，鉗口是卷筒的核心部件之一，其制造精度會直接影響鋼卷成材率及卷筒的使用壽命。鉗口屬細長件，且必須經過多個熱處理工序，易變形。為此，將鉗口改為分段式，從根本上解決了鉗口的熱處理變形問題，且易于安裝和調試。

對二冷軋卡羅塞爾卷取機國產化研制時，扇形板厚度薄，總長2 500mm以上。這類扇形板屬于超薄超長類零件，若按平放狀態進行熱處理工序，將會造成扇形板的嚴重變形，不僅影響安裝精度，且扇形板在斜面上運動時易卡阻，影響卷筒的正常脹縮。設計熱處理工裝，將其與四塊扇形板組裝成整圓后，以懸掛狀態入爐內調質處理，控制其變形。

對二冷軋重卷線開卷機國產化研制時，卷筒長度達2 300mm。為解決導向銷和銷孔配合精度問題，采用了先裝配后加工的工藝順序，使各孔在使用狀態下整體加工，確保各銷孔間位置精度，從而使四塊扇形板在斜楔的推動下在主軸上實現徑向脹縮運動，活動自如。此外，德國原品采用的熱處理方案是：主軸和一字型楔條各采用調質處理，氮化兩者之間的“七字形”楔形條，熱處理工藝極易使其發生扭曲變形且很難校正。可選擇氮化相對不易變形的主軸和變形后易校正的“一字型”楔條。實踐證明，使用效果好于原品。

3.4 材料創新

在國產化研究過程中，通過對現場工況的深入了解，在滿足設備功能前提下，先后對鉗口、扇形板、棱錐軸等主要件的材質作出更改，主要遵循以下原則。

1）優先選擇國標系列。

選擇性能優良、性價比高的材質，通過熱處理等手段，提高其機械性能，達到或高于原品材質的機械性能要求。

2）通過材質替換降低工藝成本和制造難度。

對硅鋼ZR4和ZR5軋機開卷機國產化研究時，原品棱錐軸套筒為鑄銅件設計，因國外鑄銅技術比國內先進，若還是沿用鑄銅棱錐套筒的設計，毛坯內部極易出現氣孔、夾渣等缺陷，且鑄銅件制造成本高。因此，將其改為鑄鐵件后，兼具更高的抗拉強度、沖擊功、良好的鑄造工藝性能、伸長率和導熱性。

3.5 建立流水生產線的制造管理模式

對各類型號的進口設備進行分析，將卷取機的結構設計定義為標準化模塊生產，為批量化生產提供技術支持。推翻原有的粗精加工混搭的落后生產組織模式，建立科學合理的新的制造管理模式，合理配置機床，將重要零部件的粗加工和精加工完全分離，在裝配區域完成零部件的組裝和調試。

4 結論

1）對引進的開卷機和卷取機的國產化，不但能為企業節約大量的采購成本，還便于現場的生產和維護，順應了武鋼倡導的“進口備件國產化、國產備件本土化”企業要求，極具推廣和應用價值。

2）對進口設備的國產化絕不僅僅停留在模仿階段，應開拓思維，勇于創新，找到新的突破口和生存空間。

3）進口設備國產化時，應將設備的使用情況與現場生產服務相結合，持續改進和發展。

［1］ 鮑思賀，陳述良，等.板帶車間機械設備設計［M］.北京：冶金工業出版社，1987.