復合式型鋼冷床在百米高速鋼軌生產線的應用研究

劉新業

(中冶東方工程技術有限公司 山東青島266555)

近年來，以鐵路建設特別是高速鐵路建設為代表的基礎設施投資增長強勁，由此可見未來型鋼及鋼軌(重軌)的需求具有很大的發展空間，以及型鋼生產品種大而多，對生產型鋼及鋼軌(重軌)設備的功能要求也逐漸提高。型鋼冷床是型鋼生產線上的重要設備，其功能是將軋制后的型鋼進行橫向移送，并在移送過程中逐漸冷卻，在保證產品質量的前提下達到均勻、快速冷卻的效果。

1 型鋼冷床設備技術發展的需求

根據技術發展的需要，為了提高產品的成材率以及最終加工精度，現代新建大中型型鋼生產線均采用長尺冷卻、長尺矯直、冷定尺等先進的生產工藝，同時對產品的最終表面質量也提出了更高的要求。為此，要求型鋼冷床不僅能夠橫移軋件、保證冷卻，還要保證具有良好的表面質量，要求軋件在冷卻過程中無彎曲、無扭轉、無劃傷，滿足型鋼及鋼軌的平直度和殘余應力相應的標準要求。型鋼及鋼軌的矯前彎曲度對矯直后的質量有很大影響，而矯前彎曲度就是在冷卻的過程中形成的，特別是對于鋼軌等非對稱截面軋件產品而言，矯前彎曲度直接影響矯后的平直度。在同等變形條件下，矯前彎曲度越大，矯后的平直度越差;另一方面，矯前彎曲度越大，反彎變形量越大，矯直力越大，能耗也高，越不易咬入，也影響矯直機的使用壽命;同時鋼軌斷面尺寸畸變越大，殘余應力越大，穩定性也越差，更容易產生二次變形;此外，矯前彎曲度波動大，則矯直工況穩定性差，反之，矯前彎曲度波動小，矯直過程穩定性也好，矯直效果好。為了盡量降低矯前彎曲度，原國外工藝曾經采用過控制軌頭、軌底的冷卻速度，采取軌底貼靠對稱冷卻等方法，但其效果均不是太理想，同時控制工藝復雜，操作繁綴。由此，為了簡化操作工藝，提高防彎效果，要求冷床在冷卻軋件的同時，能夠盡量的減小軋件冷卻后的彎曲度，同時提高冷床的冷卻效果。

2 適應生產百米高速鋼軌用型鋼冷床的技術思路

基于以上情況，特別是百米鋼軌對矯前彎曲度大，矯后平直度差、殘余應力大，鋼軌穩定性差以及現有型鋼冷床應用情況等進行了分析研究，同時為了提高冷床的使用效率，并解決產品表面劃傷問題，提出了根據不同的產品要求，在冷卻過程中采用自動預彎、強制冷卻等附加功能，并對鋼軌預彎、冷卻模式、冷床的傳動形式等方面進行了系統的研究，開發出了百米高速鋼軌生產線用復合式型鋼步進冷床技術。該冷床具有預彎功能(對非對稱截面軋件進行自動預彎—建立預彎模型)，采用自然風冷和強制風冷相結合的冷卻模式，并設有翻鋼裝置(對H 型鋼、工字鋼軋件進行翻鋼)，冷床升降和平移全部采用液壓驅動，適應于生產百米高速鐵路鋼軌以及大型H 型鋼、鋼板樁、工字鋼等產品。該冷床是在步進式冷床的基礎上，綜合考慮以鋼軌產品為主的非對稱截面軋件的預彎功能，H 型鋼、工字鋼等產品的翻鋼功能，同時考慮采用強制風冷與自然風冷相結合的冷卻方式，以提高冷床的功能性使用效率和軋件的產品質量。

3 生產百米高速鋼軌用型鋼冷床的主要技術內容

研發的一種具有預彎功能(對非對稱截面軋件根據不同產品的規格建立預彎模型，進行自動預彎)，采用自然風冷和強制風冷相結合，全部采用液壓驅動，并可實現大型型鋼翻轉的百米高速鋼軌生產線用復合式型鋼步進冷床如圖1 所示。包括:冷床輸入輥道、上料裝置(冷床入口橫移裝置)、由冷床定臺面和冷床動臺面構成的冷床本體(固定臺面、活動臺面)、下料裝置(冷床出口橫移裝置)、輸出輥道等。還包括有:入口翻鋼裝置(設置在冷床入口側)、出口翻鋼裝置(設置在冷床出口側)。冷床入口前的上料裝置具有預彎功能，在冷床合適的位置設置的風機可對軋件進行強制風冷。采用強制冷卻與自然冷卻相結合的冷卻工藝，旨在提高冷床的冷卻效果和冷卻效率。

圖1 復合式型鋼步進冷床簡圖

具有預彎功能的百米高速鋼軌生產線用復合式型鋼步進冷床工作過程為:軋件由輸入輥道運來后，上料裝置將軋件移送到冷床固定臺面上，對鋼軌等非對稱截面的型鋼進行預彎(根據不同產品的規格建立的預彎模型)，對于H 型鋼、工字鋼等產品需在軋出狀態基礎上翻轉90°，由入口翻鋼裝置來完成。在初始狀態，冷床固定臺面高于活動臺面，冷床活動臺面升起將軋件托起并向前橫移一個步距，然后落下將軋件放置在固定臺面上。通過如此反復運行將軋件一步一步地移送到冷床出口側。對于H 型鋼、工字鋼等產品在下冷床時需要翻轉90°時，由出口翻鋼裝置來完成。下料裝置將軋件由冷床出口側的固定臺面上移送到輸出輥道上，送往下一工序。

下面將復合式型鋼步進冷床的相關要求和各項功能進行描述。

3.1 具有預彎功能

對于截面不對稱的型鋼(如鋼軌、不等邊角鋼等型鋼)，在自然冷卻的過程中會產生比較大的彎曲，這樣既影響冷床的冷卻效率又不利于下一步矯直工序的順利進行。為防止其下冷床后彎曲度過大，無法進入矯直機，影響矯直效果，在冷床入口橫移裝置處設置了預彎機構(建立預彎模型)，可以對不對稱截面軋件進行自動預彎。在型鋼上冷床前對其進行反向預彎，即在軋件上冷床前施以反向彎曲，使其在冷卻過程中逐漸變直，以期在其冷卻后擁有最小的彎曲度，能順利進行矯直，預彎功能實現了軋件上冷床前完成對非對稱截面型鋼的預彎。

冷床入口橫移裝置由多組橫移小車、橫移和升降機構等組成，設置在冷床輸入輥道及冷床的固定臺面之間。橫向移送單根軋件，將軋件從輥道上托起移送到冷床步進梁上，通過調整橫移小車的橫移速度，對非對稱截面(如鋼軌)軋件進行預彎(依據建立的預彎模型來實現)，由此可實現移送鋼材及預彎功能。同步由電控系統實現，預彎功能由調整橫移小車速度差(建立預彎模型)來完成。

3.2 H 型鋼、工字鋼產品的翻鋼功能

為提高冷床的冷卻效果及冷床臺面的利用率，需對H 型鋼、工字鋼等產品在軋出狀態(H型)的基礎上翻轉90°后(呈工字型)再上冷床，如果采用臥式矯直機，則該產品在下冷床時需要再翻轉90°(翻轉成H 型)后送入矯直機(如果設置的是立式矯直機，則無需在出口處再進行翻轉)。為此在冷床入口側及出口側各設置一套翻鋼裝置，完成對型鋼的翻起和翻倒功能。

3.3 提高冷卻能力及改善設備工作環境(采用自然風冷和強制冷卻相結合)

由于在夏季時環境溫度較高，會帶來軋件的冷卻速度較慢，如果進行設備本體設計時，按照夏季的冷卻能力進行設計，則在冬季時，會造成大量的設備能力浪費，從而導致設備一次投資增加，設備運行成本增加，為此，為了平衡夏季與冬季的冷床冷卻能力，在冷床合適的位置設置風機或水冷裝置，對軋件進行強制風冷或強制水冷。該風冷裝置或水冷裝置均可以根據現場冷床的實際冷卻情況靈活開啟或關閉，操作簡單，實用性強，效果明顯。另外，為了改善設備工作環境，避免因為溫度過高而導致的設備變形、干油碳化等問題的出現，對冷床底部的散熱、隔熱等進行了特殊處理，延長設備使用壽命，減少設備維護量，減少設備維護投資。

3.4 保證產品表面質量，無彎曲、無扭轉、無劃傷

為保證鋼軌，大型H 型鋼、工字鋼表面質量完好，無彎曲、無扭轉、無劃傷，整個冷床動臺面升降和平移以及翻鋼裝置和橫移裝置的驅動機構均采用液壓步進式和同步機構，工作平穩，減小對軋件的沖擊，同時，在冷卻過程中，冷床臺面與軋件之間沒有相對滑動，能夠有效地避免由于相對滑動而導致的產品表面劃傷，同時能夠避免因為不同步而導致的附加軋件彎曲，可以降低矯直時所需要的矯直力，降低矯直后殘余應力。

該復合式型鋼步進冷床設備首次在包鋼軌梁廠高速鐵路百米鋼軌生產線上成功應用。

4 復合式型鋼步進冷床的應用效果

綜上所述，我們在鋼軌預彎、冷卻模式、冷床的傳動形式等方面進行了創新，開發出了適用于百米高速鐵路鋼軌(重軌)生產線用復合式型鋼步進冷床設備，具有自主知識產權。該技術成果在國內多個軋鋼廠的多條大中型型鋼生產線上得到廣泛應用。通過在包鋼軌梁廠高速鐵路百米鋼軌(重軌)生產線中的實際應用，百米高速鋼軌(重軌)的挑出率(合格率)由原來70 ～80%提高到91%以上，取得了顯著的經濟效益和社會效益。

5 結論

復合式型鋼步進冷床適用于生產高速鐵路百米鋼軌(重軌)以及大型H 型鋼、鋼板樁、工字鋼等產品的設備。它既能實現對非對稱截面型鋼的預彎，又能實現對大型H 型鋼、工字鋼等型鋼的翻轉，同時還能保證產品有良好的表面質量，在滿足冷卻能力的同時，將設備投資降到最低。且功能齊全可靠、維護簡單、停位準確、沖擊小，能保證鋼軌(重軌)、H 型鋼、工字鋼等產品表面質量完好，無彎曲、無扭轉、無劃傷，達到均勻、快速冷卻的效果。

該高速百米鋼軌(重軌)生產線用復合式型鋼步進冷床設備的主要特點如下:

1)具有預彎功能，對非對稱斷面軋件進行自動預彎(建立有預彎模型)。通過預彎，實現將非對稱斷面軋件冷卻后的彎曲度從25‰ ～35‰縮減至5‰;

2)在冷床入口和出口均設置有翻鋼裝置，可以對H 型鋼、工字鋼軋件進行翻鋼冷卻，提高冷卻效果和冷床冷卻能力;

3)采用自然風冷和強制風冷相結合的冷卻工藝，極大的改善冷床的工作環境，提高冷床的冷卻能力;

4)冷床本體的升降和平移全部采用液壓驅動(液壓步進和液壓同步)，工作平穩，減小對軋件的沖擊，同時，冷床臺面與軋件之間沒有相對滑動，避免了由于相對滑動而導致的產品表面劃傷。對不同規格型鋼切換步距方便，能夠避免因為不同步而導致的附加軋件彎曲，可以降低矯直時所需要的矯直力，降低矯直后殘余應力。

該冷床具有結構緊湊、功能完善、冷卻效果好、停位準確，工作時振動小、噪聲低、運行可靠，制造、安裝方便，便于維護、易于操作、投資少等特點。推進綠色鋼鐵生產，引領當今型鋼、鋼軌生產冷卻設備的技術潮流。

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