D0I:10.13374/1.issnl00103.2007.08.014 第29卷第8期 北京科技大学学报 Vol.29 No.8 2007年8月 Journal of University of Science and Technology Beijing Aug:2007 大型板带轧机机架制造工艺研究 朱昌逑 马鞍山钢铁股份有限公司，马鞍山243000 摘要为实现大型轧机制造的国产化和降低轧机设备投资，结合马钢2250mm热轧机和2130mm冷轧机薄板生产线的特 点和需要，对大型板带轧机机架的制造工艺进行了研究。经预装配测试，轧机机架的制造精度完全达标，各项性能指标完全符 合设计的技术质量要求.2250mm热轧薄板和2130mm冷轧机薄生产线的工业试验结果表明：在确保轧机机架质量的前提 下，降低了设备投资，缩短了制作时间， 关键词大型板带轧机：机架：制造工艺 分类号TG333.7 保证大型板带轧机机架的加工及机架装配的精 度是大型机架的铸造制作难点之一].由SMSD 2机架的制造工艺 设计的马钢2250热轧机组粗轧机机架属特大型铸 2.1机架毛坯的铸造 钢件，最大外形尺寸为12070mm×4670mm× 由于机架为厚实大断面结构，按传统铸造易造 1610mm,单片质量235t,毛坯质量达285t,机架结 成结晶组织粗大，偏析严重，裂纹倾向较大；因钢水 构复杂，内部质量要求高，一般这种大型铸件由重型 充型速度慢，对上箱型砂烘烤强烈，落砂倾向较大； 制造企业铸造，冶金企业铸造这种大型机架比较少， 机架探伤要求高，内窗口四个圆弧及轧制线区域内 本文以马钢2250热轧机组中重量最大、制造难度 不允许焊补，而圆弧处又极易出现铸造缺陷：仅靠冒 最高的R2粗轧机机架为例对毛坯制作、加工及装 口补缩机架不够，窗口立柱仍会存在缩松区域，需设 配等大型板带轧机机架制作的基本工艺进行研究， 置外冷铁控制铸件冷却凝固可]. 1钢水的冶炼 针对以上工艺技术难点，为严格限制夹杂物，防 止产生缩孔、缩松、裂纹等铸造缺陷，解决关键部位 粗轧机机架毛坯单片质量达285t,冒口质量 不允许焊补的问题，要求铸造工艺具有高度保证 185t,需要经过精炼的470t钢水来保证浇注，根据 性].为确保铸造工艺设计的准确无误，采用与清 相关的规范要求，铸件的化学成分（质量分数） 华大学联合研制开发的FT-STAR凝固模拟软件， 为：C0.18%~0.25%,Si0.30%~0.60%, 对机架俦件充型和凝固过程进行模拟，通过有限元 Mn0.80%~1.0%,P≤0.02%，S≤0.015%，Cr≤ 软件IDEAS分析凝固、冷却过程中的热应力、应变 0.3%,N≤0.4%，Mo≤0.015%：力学性能指标为： 情况，并利用铸造工艺计算机辅助分析，优化、完善 屈服强度o,≥230MPa,抗拉强度，≥450MPa,断 铸造工艺，模拟结果表明：充型结束时，铸件最大温 面收缩率≥31%，冲击韧性A(20℃)≥27J,硬 差约为25℃（如图1所示）·浇注后3h的凝固状态 度HB130~170.为此，在工艺设计上采用3座 凝固壳示意图如图2所示（不包括两相区），为了 120tLF精炼炉同步冶炼，根据渣流动性适当加石 透视凝固补缩通道，模拟分析软件后处理对铸件进 灰或铝钒土快速造合格渣，加强精炼前期的强搅脱 行了局部剖切，由图2可知，铸件保持畅通的顺序 硫工作；在升温操作上尽量保证一次升温达到目标 凝固方式.计算得到疏松情况如图3所示8.从 值；在停止加热和强搅一定时间后，再加合金进行微 图3中可知铸件在图中斑点处可能出现少量疏松， 合金化，将合金元素调至目标值；此外，在精炼后期 因此少量疏松部位要进步加强冷铁的激冷效果，即 要有充分的弱搅时间，并通过“三包联浇”的工艺，确 可消除疏松.由于铸件整体基本上对称，图中疏松 保提供充足的浇注所需的优质钢水， 位置只显示了1/4（其他三个对称位置疏松程度相 收稿日期：2007-05-30修回日期：2007-06-28 对较小)，总之，冒口能充分补缩铸件，铸件凝固前 作者简介：朱昌速(1946-)，男，高级工程师 补缩通道畅通，冷铁设计需改进后才能满足铸件顺
大型板带轧机机架制造工艺研究 朱昌逑 马鞍山钢铁股份有限公司马鞍山243000 摘 要 为实现大型轧机制造的国产化和降低轧机设备投资结合马钢2250mm 热轧机和2130mm 冷轧机薄板生产线的特 点和需要对大型板带轧机机架的制造工艺进行了研究．经预装配测试轧机机架的制造精度完全达标各项性能指标完全符 合设计的技术质量要求．2250mm 热轧薄板和2130mm 冷轧机薄生产线的工业试验结果表明：在确保轧机机架质量的前提 下降低了设备投资缩短了制作时间． 关键词 大型板带轧机；机架；制造工艺 分类号 TG333∙7 收稿日期：2007-05-30 修回日期：2007-06-28 作者简介：朱昌逑（1946—）男高级工程师 保证大型板带轧机机架的加工及机架装配的精 度是大型机架的铸造制作难点之一［1—2］．由 SMSD 设计的马钢2250热轧机组粗轧机机架属特大型铸 钢件最大外形尺寸为12070mm ×4670mm × 1610mm单片质量235t毛坯质量达285t机架结 构复杂内部质量要求高一般这种大型铸件由重型 制造企业铸造冶金企业铸造这种大型机架比较少． 本文以马钢2250热轧机组中重量最大、制造难度 最高的 R2粗轧机机架为例对毛坯制作、加工及装 配等大型板带轧机机架制作的基本工艺进行研究． 1 钢水的冶炼 粗轧机机架毛坯单片质量达285t冒口质量 185t需要经过精炼的470t 钢水来保证浇注．根据 相关的规范要求［3—4］铸件的化学成分（质量分数） 为：C 0∙18％ ～ 0∙25％Si 0∙30％ ～ 0∙60％ Mn0∙80％～1∙0％P≤0∙02％S≤0∙015％Cr≤ 0∙3％Ni≤0∙4％Mo≤0∙015％；力学性能指标为： 屈服强度 σs≥230MPa抗拉强度 σb≥450MPa断 面收缩率 ψ≥31％冲击韧性 Akv（20℃）≥27J硬 度 HB 130～170．为此在工艺设计上采用3座 120t LF 精炼炉同步冶炼根据渣流动性适当加石 灰或铝钒土快速造合格渣加强精炼前期的强搅脱 硫工作；在升温操作上尽量保证一次升温达到目标 值；在停止加热和强搅一定时间后再加合金进行微 合金化将合金元素调至目标值；此外在精炼后期 要有充分的弱搅时间并通过“三包联浇”的工艺确 保提供充足的浇注所需的优质钢水． 2 机架的制造工艺 2∙1 机架毛坯的铸造 由于机架为厚实大断面结构按传统铸造易造 成结晶组织粗大偏析严重裂纹倾向较大；因钢水 充型速度慢对上箱型砂烘烤强烈落砂倾向较大； 机架探伤要求高内窗口四个圆弧及轧制线区域内 不允许焊补而圆弧处又极易出现铸造缺陷；仅靠冒 口补缩机架不够窗口立柱仍会存在缩松区域需设 置外冷铁控制铸件冷却凝固［5］． 针对以上工艺技术难点为严格限制夹杂物防 止产生缩孔、缩松、裂纹等铸造缺陷解决关键部位 不允许焊补的问题要求铸造工艺具有高度保证 性［6］．为确保铸造工艺设计的准确无误采用与清 华大学联合研制开发的 FT—STAR 凝固模拟软件 对机架铸件充型和凝固过程进行模拟通过有限元 软件 IDEAS 分析凝固、冷却过程中的热应力、应变 情况并利用铸造工艺计算机辅助分析优化、完善 铸造工艺．模拟结果表明：充型结束时铸件最大温 差约为25℃（如图1所示）．浇注后3h 的凝固状态 凝固壳示意图如图2所示（不包括两相区） ［7］．为了 透视凝固补缩通道模拟分析软件后处理对铸件进 行了局部剖切．由图2可知铸件保持畅通的顺序 凝固方式．计算得到疏松情况如图3所示［8］．从 图3中可知铸件在图中斑点处可能出现少量疏松 因此少量疏松部位要进步加强冷铁的激冷效果即 可消除疏松．由于铸件整体基本上对称图中疏松 位置只显示了1／4（其他三个对称位置疏松程度相 对较小）．总之冒口能充分补缩铸件铸件凝固前 补缩通道畅通．冷铁设计需改进后才能满足铸件顺 第29卷 第8期 2007年 8月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．29No．8 Aug．2007 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2007．08．014
.828 北京科技大学学报 第29卷 序凝固原则 况，可确定铸件打箱的时间及温度，由图4可见，打 箱时（铸件温度高于350℃）小冒口的根部和颈部、 大冒口的颈部应变较其他部位大：此时铸件的米塞 斯等效应力分布如图5所示，从图中可以看出，大 1528 小冒口颈部是明显的应力集中部位，但如果适当增 加砂型的退让性，设置合理的铸造圆角，并严格控制 321 钢水成分，铸件将不致产生裂纹，内窗口四个内圆 1519 151w s16 弧处必须设置冷铁，提高该部位的冷却速度，防止产 冲w时间200,1。 生裂纹 易变形区 图1浇注结束后钢水温度分布图 Fig.1 Temperature distribution of molten steel after casting end 446 357 易变形区 1092 1001 915 图4铸件的变形分布 Fig.4 Deformation distribution of the casting 时间180.0min 9 图2浇注后3h的凝固状态 应力集中区 Fig-2 Solidification state at 3h after casting 图5铸件米塞斯等效应力分布 Fig-5 Equivalent stress distribution of the casting 优化的铸造工艺如下：造型面砂为铬铁矿砂，背 砂为石英砂，填充砂为水玻璃粘土砂.面砂层厚度 40~60mm,中间砂层厚度150~200mm,型腔底部 及侧面共放置12块挂砂冷铁，总质量56t、挂砂厚 度30~40mm·采用两端、双侧复层阶梯浇注系统 盖箱上放置总质量450t的暗压铁.浇注温度为 1560~1580℃.型腔热风预热24h(~150℃)，采 用三包同时浇注，保证钢包开浇相差时间不超过 图3硫松位置示意图 Fig.3 Looseness position 20s,铸件总充型时间为300s·充型过程中，钢水液 面在铸件本体中的上升速度约为6.6mms1.机架 通过模拟研究冷却过程中的热应力应变情 毛坯铸造工艺流程如图6所示， [铸造模拟铸造工艺编制木模制作☐·造型☐合箱☐浇注+骨口补浇 冶炼工艺编制转炉冶炼SKF、LF精炼 精整、打磨精剂骨口☐一热处理仁打箱落砂☐开箱初制肾口铸件保温 [检验转加工 图6机架毛坯铸造工艺流程 Fig.6 Foundry flow chart of the rough rolling mill stand
序凝固原则． 图1 浇注结束后钢水温度分布图 Fig．1 Temperature distribution of molten steel after casting end 图2 浇注后3h 的凝固状态 Fig．2 Solidification state at3h after casting 图3 疏松位置示意图 Fig．3 Looseness position 通过模拟研究冷却过程中的热应力—应变情 况可确定铸件打箱的时间及温度．由图4可见打 箱时（铸件温度高于350℃）小冒口的根部和颈部、 大冒口的颈部应变较其他部位大；此时铸件的米塞 斯等效应力分布如图5所示．从图中可以看出大 小冒口颈部是明显的应力集中部位．但如果适当增 加砂型的退让性设置合理的铸造圆角并严格控制 钢水成分铸件将不致产生裂纹．内窗口四个内圆 弧处必须设置冷铁提高该部位的冷却速度防止产 生裂纹． 图4 铸件的变形分布 Fig．4 Deformation distribution of the casting 图5 铸件米塞斯等效应力分布 Fig．5 Equivalent stress distribution of the casting 优化的铸造工艺如下：造型面砂为铬铁矿砂背 砂为石英砂填充砂为水玻璃粘土砂．面砂层厚度 40～60mm中间砂层厚度150～200mm．型腔底部 及侧面共放置12块挂砂冷铁总质量56t、挂砂厚 度30～40mm．采用两端、双侧复层阶梯浇注系统． 盖箱上放置总质量450t 的暗压铁．浇注温度为 1560～1580℃．型腔热风预热24h（～150℃）．采 用三包同时浇注保证钢包开浇相差时间不超过 20s铸件总充型时间为300s．充型过程中钢水液 面在铸件本体中的上升速度约为6∙6mm·s —1．机架 毛坯铸造工艺流程如图6所示． 图6 机架毛坯铸造工艺流程 Fig．6 Foundry flow chart of the rough rolling mill stand ·828· 北 京 科 技 大 学 学 报 第29卷
第8期 朱昌逑：大型板带轧机机架制造工艺研究 .829 2.2机架的热处理 的检查及确认，并记录机床实际精度误差情况，在 针对轧机机架受力大、性能要求高，对机架 其后的精加工中，根据所测机床精度误差的数据，利 毛坯采用正火热处理.在大件铸造场地配有80m2 用数控编程进行合理补偿，镗铣机加工和钳工清整 大型热处理炉，尺寸为13500mm×6000mm× 精加工各面留余量不大于0.5mm,光刀余量 4500mm,可满足机架毛坯正火热处理要求.将铸 0.05mm,粗轧机机架精加工后，通过数控机床的检 件加热到Ac3或Am以上30~50℃，保温一定时 测，所有尺寸公差均在图纸要求公差范围内，主要形 间，使之完全奥氏体化，然后在空气中冷却，以得到 位公差实测数据如下：机架窗口两侧面相对于机架 珠光体类型组织，消除了钢热加工缺陷，达到细化 垂直中心线的对称度及平行度要求为0.O8mm;窗 晶粒，均匀组织，消除内应力，确保轧机机架的性能 口底面相对于窗口两侧面的垂直度要求为 要求 0.04mm:窗口顶面相对于窗口底面的平行度要求 2.3机架的加工 为0.O8mm;机架脚底面相对于窗口两侧面的垂直 特大型轧机机架的冷加工，需要高精度、大规格 度要求为0.04mm/1000mm,相对于机架底面的平 的数控机床作为硬件支撑，同时要考虑工件的装夹 行度要求为0.05mm/1000mm;机架下部两侧面相 变形、温度变化对测量的影响，因而大型轧机机架的 对于窗口两侧面平行度要求为0.05mm,相对于机 精加工有相当的难度，精加工前必须对毛坯进行粗 架窗口垂直中心线的对称度要求为0.1mm;压下孔 加工，粗加工设备为牛头铣、端面铣，粗加工各面均 部同轴度要求为0.04mm,孔底部平面度要求为 按图纸要求单面留余量10~12mm,粗加工后，毛 0.04mm,底面跳动要求为0.04mm,同轴各孔中心 坯须经探伤、去应力退火后方可进行精加工，精加 线相对于机架窗口两侧面的平行度要求为 前，必须对所使用加工机床的精度再一次进行全面 0.05mm·机架加工工艺流程如图7所示. 缺陷处理 缺陷处理 不符合 不符合 符合 加工方案编制粗加工 探伤(UT) 去应力退火半精加工探伤(UT、MT) 符合 涂装、防锈清整卡 符合检验 精加工 不符合 返工、返修 图7机架加工工艺流程 Fig.7 Processing flow chart of the rough rolling mill stand 2.4机架的装配 大型轧机的装配是控制和检验轧机制造精度的 关键过程，装配的难点在于设备的复杂系数高、安装 精度要求高、总重量大、体积庞大，轧机装配包括在 制造厂的预装配及现场装配两部分内容，装配工艺 应根据轧机在制造厂的加工精度和轧钢厂工程进度 灵活确定，选择满足承载要求的装配场地，并对装 配场地实施预压，对场地的沉降进行检测，并跟踪 记录；选择合适的预装配工装，工装应具有足够的刚 度、良好稳定性及可调整性；予装配精度的设置应比 设备的基础零件的安装精度和整机的安装精度高一 个精度等级；选择合理的测量器具；检测过程中应充 分考虑测量器具受环境影响，而对测量精度产生的 图82250热轧轧机基础设备装配 Fig-8 Basal equipment assemble of the 2 250 mm hot rolling mill 影响：进行必要的部件功能试验，2250热轧轧机基 础设备装配如图8所示
2∙2 机架的热处理 针对轧机机架受力大、性能要求高对机架 毛坯采用正火热处理．在大件铸造场地配有80m 2 大型 热 处 理 炉尺 寸 为13500mm ×6000mm× 4500mm可满足机架毛坯正火热处理要求．将铸 件加热到 Ac3或 Accm 以上30～50℃保温一定时 间使之完全奥氏体化然后在空气中冷却以得到 珠光体类型组织．消除了钢热加工缺陷达到细化 晶粒均匀组织消除内应力确保轧机机架的性能 要求． 2∙3 机架的加工 特大型轧机机架的冷加工需要高精度、大规格 的数控机床作为硬件支撑同时要考虑工件的装夹 变形、温度变化对测量的影响因而大型轧机机架的 精加工有相当的难度．精加工前必须对毛坯进行粗 加工粗加工设备为牛头铣、端面铣粗加工各面均 按图纸要求单面留余量10～12mm．粗加工后毛 坯须经探伤、去应力退火后方可进行精加工．精加 前必须对所使用加工机床的精度再一次进行全面 的检查及确认并记录机床实际精度误差情况．在 其后的精加工中根据所测机床精度误差的数据利 用数控编程进行合理补偿．镗铣机加工和钳工清整 精加 工 各 面 留 余 量 不 大 于 0∙5mm光 刀 余 量 0∙05mm．粗轧机机架精加工后通过数控机床的检 测所有尺寸公差均在图纸要求公差范围内主要形 位公差实测数据如下：机架窗口两侧面相对于机架 垂直中心线的对称度及平行度要求为0∙08mm；窗 口底 面 相 对 于 窗 口 两 侧 面 的 垂 直 度 要 求 为 0∙04mm；窗口顶面相对于窗口底面的平行度要求 为0∙08mm；机架脚底面相对于窗口两侧面的垂直 度要求为0∙04mm／1000mm相对于机架底面的平 行度要求为0∙05mm／1000mm；机架下部两侧面相 对于窗口两侧面平行度要求为0∙05mm相对于机 架窗口垂直中心线的对称度要求为0∙1mm；压下孔 部同轴度要求为●0∙04mm孔底部平面度要求为 0∙04mm底面跳动要求为0∙04mm同轴各孔中心 线相 对 于 机 架 窗 口 两 侧 面 的 平 行 度 要 求 为 0∙05mm．机架加工工艺流程如图7所示． 图7 机架加工工艺流程 Fig．7 Processing flow chart of the rough rolling mill stand 2∙4 机架的装配 大型轧机的装配是控制和检验轧机制造精度的 关键过程装配的难点在于设备的复杂系数高、安装 精度要求高、总重量大、体积庞大．轧机装配包括在 制造厂的预装配及现场装配两部分内容装配工艺 应根据轧机在制造厂的加工精度和轧钢厂工程进度 灵活确定．选择满足承载要求的装配场地并对装 配场地实施预压．对场地的沉降进行检测并跟踪 记录；选择合适的预装配工装工装应具有足够的刚 度、良好稳定性及可调整性；予装配精度的设置应比 设备的基础零件的安装精度和整机的安装精度高一 个精度等级；选择合理的测量器具；检测过程中应充 分考虑测量器具受环境影响而对测量精度产生的 影响；进行必要的部件功能试验．2250热轧轧机基 础设备装配如图8所示． 图8 2250热轧轧机基础设备装配 Fig．8 Basal equipment assemble of the2250mm hot rolling mill 第8期 朱昌逑： 大型板带轧机机架制造工艺研究 ·829·
.830. 北京科技大学学报 第29卷 3结论 产技术.北京：冶金工业出版社，2002.34 [2]第一重型机器厂·大型铸钢件生产.哈尔滨：黑龙江人民出版 (1)2250热轧薄板生产线分别于2007年2月 社，1979：168 28日一次热负荷试车成功，各项主要技术指标满 [3]机械设计手册编委会机械设计手册·北京：机械工业出版社， 足并超过设计要求，最终现场实测精度全部达标且 2004.262 轧机静刚度达到6500kN·mm,比设计值高出 [4]曾正明.机械工程材料手册·北京：机械工业出版社，2003：157 [5]李贺增.2160mm热连轧机R2机架的铸造.铸造技术，1996 8.3%,实现了可靠的设备设计与制造 (6):13 (2)由于实现大型轧机机架全部自行制造，使 [6]王贵·大型铸钢件挂砂冷铁的研究[学位论文]北京：清华大 得大型轧机及其成套设备的采购费用比国内同类型 学机械工程系，1994.63 生产线降低15%以上.大型轧机及其成套设备交货 [7]康进武，铸钢应力框凝固过程三维热应力数值模拟.铸造，1999 期比国内同类型生产线提前3个月，确保了马钢新 (1):23 [8]孙立斌，大型铸钢件补浇工艺的凝固模拟研究，特种铸造及有 区冷、热轧薄板生产线提前投产. 色合金，2000(1)：45 参考文献 [1]中国金属学会热轧板带学术委员会，中国热轧宽带钢轧机及生 Research on manufacturing technology of a large strip rolling mill stand ZHU Changqiu Maanshan Iron and Steel Co.Ltd..Maanshan 234000.China ABSTRACI In order to realize domestic manufacture of a large rolling mill and reduce investment of equip- ment,the manufacture technology of a large strip rolling mill stand was studied considering the characteristics of a 2250mm hot rolling mill and a 2130mm cold rolling mill in Maanshan Iron and Steel Co.Ltd.Through pre assembling and debugging,the manufacture precision and properties of the rolling mill stand met the demand. The results of industrial testing on 2250mm hot rolling sheets and 2130mm cold rolling sheets show that under the condition of ensuring the rolling mill s quality the investment of equipment reduces and the manufacture time shortens. KEY WORDS large strip rolling mill;roughing mill stand;manufacturing technology
3 结论 （1）2250热轧薄板生产线分别于2007年2月 28日一次热负荷试车成功．各项主要技术指标满 足并超过设计要求最终现场实测精度全部达标且 轧机静刚度达到6500kN·mm —1比设计值高出 8∙3％实现了可靠的设备设计与制造． （2） 由于实现大型轧机机架全部自行制造使 得大型轧机及其成套设备的采购费用比国内同类型 生产线降低15％以上．大型轧机及其成套设备交货 期比国内同类型生产线提前3个月确保了马钢新 区冷、热轧薄板生产线提前投产． 参 考 文 献 ［1］ 中国金属学会热轧板带学术委员会．中国热轧宽带钢轧机及生 产技术．北京：冶金工业出版社2002：34 ［2］ 第一重型机器厂．大型铸钢件生产．哈尔滨：黑龙江人民出版 社1979：168 ［3］ 机械设计手册编委会．机械设计手册．北京：机械工业出版社 2004：262 ［4］ 曾正明．机械工程材料手册．北京：机械工业出版社2003：157 ［5］ 李贺增．2160mm 热连轧机 R2机架的铸造．铸造技术1996 （6）：13 ［6］ 王贵．大型铸钢件挂砂冷铁的研究 ［学位论文］．北京：清华大 学机械工程系1994：63 ［7］ 康进武．铸钢应力框凝固过程三维热应力数值模拟．铸造1999 （1）：23 ［8］ 孙立斌．大型铸钢件补浇工艺的凝固模拟研究．特种铸造及有 色合金2000（1）：45 Research on manufacturing technology of a large strip rolling mill stand ZHU Changqiu Maanshan Iron and Steel Co．Ltd．Maanshan234000China ABSTRACT In order to realize domestic manufacture of a large rolling mill and reduce investment of equipmentthe manufacture technology of a large strip rolling mill stand was studied considering the characteristics of a2250mm hot rolling mill and a2130mm cold rolling mill in Maanshan Iron and Steel Co．Ltd．Through preassembling and debuggingthe manufacture precision and properties of the rolling mill stand met the demand． The results of industrial testing on2250mm hot rolling sheets and2130mm cold rolling sheets show that under the condition of ensuring the rolling mill’s quality the investment of equipment reduces and the manufacture time shortens． KEY WORDS large strip rolling mill；roughing mill stand；manufacturing technology ·830· 北 京 科 技 大 学 学 报 第29卷