消除微合金钢板坯梯形截面缺陷的压边辊论文和设计-范佳

全文摘要

本实用新型公开了一种消除微合金钢板坯梯形截面缺陷的压边辊，其包括有辊主体，在辊主体的上、下两端均设有带有斜面的凸缘结构；所述辊主体为倒圆台形，圆台边线与垂线的夹角β=8°～15°。本压边辊的辊主体为倒圆台形，使梯形截面的板坯在进行二次压边操作的过程中，其窄面会受到有效的塑性挤压，促使金属从板坯梯形截面的长边区域向短边方向流动，从而使板坯的截面形状从梯形重新恢复成为矩形，进而使二次压边工艺效果能够真正发挥出来。采用本压边辊能有效消除板坯梯形截面缺陷，进而真正有效解决了长期困扰钢铁企业的微合金钢宽厚板材的边直裂缺陷问题，提升微合金钢宽厚板材表面质量。

主设计要求

1.一种消除微合金钢板坯梯形截面缺陷的压边辊，其包括有辊主体，在辊主体的上、下两端均设有带有斜面的凸缘结构，其特征在于：所述辊主体为倒圆台形，圆台边线与垂线的夹角β=8°～15°。

设计方案

2.根据权利要求1所述的消除微合金钢板坯梯形截面缺陷的压边辊，其特征在于：所述上凸缘的斜面与水平面的夹角α=25°～45°，下凸缘的斜面与水平面的夹角ε=15°～20°。

设计说明书

技术领域

本实用新型涉及一种压边辊，尤其是一种消除微合金钢板坯梯形截面缺陷的压边辊。

背景技术

近年来，各炼钢企业普遍采用了大倒角结晶器设备，通过生产角部进行倒角处理的板坯（以下简称：倒角板坯）来解决板坯角部横裂缺陷。其主要工作原理是：优化板坯角部形状，使其呈倒角形状，从而优化其角部温度，避免其在矫直扇形段区间落入第三脆性区范围内，从而有效消除上述缺陷的发生。但在后续的生产中发现，尽管倒角板坯的角部横裂缺陷已基本消除，但成材的边部直裂缺陷（以下简称：边直裂）却十分凸显。目前，这种缺陷已成为国内各家中厚板生产企业高度关注的一种质量缺陷问题。

所谓的“边直裂缺陷”，是指板坯轧制后出现在板材边部的直线型表面缺陷，产生位置距板材边缘约为10～60mm，裂纹深度为200μm～2mm，外观形貌与板坯表面纵裂引起的板带缺陷相似。这种缺陷通常容易在管线钢、船板钢、高强机械用钢等钢种上现象，其发生率高达80%以上，严重影响到企业新产品的发展。特别是随着我国钢铁生产技术的进步，各种高强度宽厚板坯产量逐年增加，对钢板表面质量的要求不断增高，微合金宽厚板材缺陷的问题显得更加突出，并带有广泛的普遍性。

通过现场的大量生产试验表明：造成宽厚板材边直裂缺陷的主要原因是由于在生产过程中，板坯角部温度降低相对更快，角部优先发生γ相向α相转变，由于其变形的抗力较其它区域大，因此在轧制过程中角部金属的变形量相对较小，板坯窄面中部及角部的变形差异大，从而造成板坯展宽过程中窄面形成折叠，并在后续的轧制过程中，这种折叠形成的纵向裂纹会翻转到宽面的边部，最终造成边直裂的发生。

钢铁企业针对宽厚板边直裂缺陷的传统补救性措施主要有两种，一是对板坯角部进行火焰切角处理，二是对钢板进行切边处理。上述两种方法均能够在一定程度上降低宽厚板材边直裂缺陷的发生率，但缺点也十分的明显：对连板坯进行火焰切角处理不仅造成大量能源、材料、人力资源的浪费以及库存场地的加大，而且由于连板坯必须下线进行冷态清理，这使得板坯的热装或热送变得不可能，板坯的加热能耗大幅增加，同时炼钢－连铸－轧钢流程的高效化生产节奏也被打乱；而对宽厚板进行裁边处理，则会造成钢的成材率大幅下降、生产成本的大幅提高。

邯钢与北京钢铁研究总院经过长期研究，首创了板坯二次压边技术，通过对倒角板坯进行二次压边处理，从而有效解决了该种缺陷，其发生率由工艺优化前的80%以上，稳定降至0.5%以下，效果十分明显。

所谓二次压边，主要是通过在连铸机末端扇形段出口位置设置压边辊，其位置通过液压装置进行控制，通过对板坯边部的倒角做进一步压边处理，使边部金属发生高温塑性变形，从而优化其表面形貌，使板坯角部温度的均匀性进一步提升，缓解因板坯角部区域因冷却温度不均而造成的金属折叠现象，有效消除钢板边部直裂缺陷的发生。

在技术的具体实施过程中，压边辊是二次压边设备的核心部件。传统压边辊如图1所示，其主体形状为圆柱形，同时在圆柱的上、下两端各设计出一个带α角斜面的凸缘结构，其α角的控制范围为25°～45°。这样设计的目的，是能够利用压边辊凸缘结构对具有大倒角如图2所示的正常截面板坯的倒角进行挤压，使其附近的金属区域发生塑性变形，具体实施过程，如图3所示；从而使得板坯每个角部区域的倒角数量从1个增加到2个，倒角角度得到进一步增大，从而有效提高了轧制过程中的板坯角部温度；这样就可在完全控制和消除角部横裂纹的情况下，达到优化板坯角部形状、消除板材边直裂缺陷的目的。

但在实际的生产过程中发现，传统的压边辊辊型尽管能够有效解决正常截面倒角板坯轧制后的边直裂缺陷问题，但却无法有效解决存在着梯形截面缺陷如图4所示的倒角板坯的轧后边直裂缺陷问题。

如图4所示，所谓的板坯“梯形截面缺陷”，是指与板坯的正常截面不同，其内、外弧面和窄面之间没有相互的垂直，其窄面与垂直面呈现一个φ角，φ角的大小在8°～12°范围内。同时板坯的内弧宽面截面长度要大于外弧宽面截面长度。因此，板坯的截面形状呈现一个倒立的梯形，板坯的内弧面与窄面之间呈现一个较小的锐角。当采用传统辊型的压边辊（如图1所示）对梯形截面缺陷板坯进行压扁处理时，尽管同样可以对该种板坯的倒角进行挤压，使其附近的金属区域发生塑性变形，具体实施过程如图5所示；同样使得板坯每个角部区域的倒角数量从1个增加到2个，但由于板坯内弧面与窄面之间呈现的锐角并未发生明显变化，因此该区域金属在轧制过程中的温降速度与未实施压边处理的板坯角部的温降速度相比，并未发生明显的改变。因此，该种缺陷铸坯在后续的宽厚板材轧制过程中，依然容易产生边直裂缺陷。

出现梯形截面缺陷的板坯往往集中在微合金钢。这是因为，微合金钢中由于加入了Nb、V、Ti等微合金元素后，其钢种的第三脆性温度区间较为宽泛，即：相关钢种的温度敏感性较强，极易产生角部微小裂纹缺陷。尽管通过板坯大倒角处理，已经有效降低了板坯角部微小裂纹缺陷的发生概率，但为了避免板坯角部的温度在连铸机矫直区附近落入相关钢种的第三脆性温度区间，现场技术人员往往会在二次冷却环节中对微合金钢板坯实施弱冷工艺，即：降低二次冷却水流量。由于考虑到板坯内弧宽面和外弧宽面结构的不同（板坯的内弧宽面容易积存冷却水）对板坯内、外弧边部温度的影响，因此现场往往将板坯内弧宽面的区域的冷却水流量调节的更低，最终导致了板坯内弧宽面区域的温度要高于外弧宽面区域的温度。因此，板坯内弧宽面区域的金属较外弧宽面区域的金属，更容易发生塑性变形。为确保板坯的内部质量，现场技术人员往往还会对板坯进行动态轻压下处理，即：通过扇形段上框架下降一定量的位移，对板坯内弧表面施加向下的压力，从而均匀板坯液芯的钢水成分并焊合芯部因钢水凝固所形成的空洞，解决板坯内部的偏析和疏松缺陷。在这一过程中，板坯内弧宽面的金属会在压力的作用下，开始沿宽面并垂直于拉速方向，向角部方向流动，从而造成板坯内弧宽面与窄面不再垂直，从而使板坯的梯形截面缺陷初步形成。当板坯进入连铸矫直区后，其总体形貌会从原有的弧形变成直形。在这一过程中，板坯的内、外弧宽面会受收到不同方向的应力。其中，板坯内弧宽面金属会受到拉应力，从而促使金属会进一步沿宽面并垂直于拉速方向，向角部方向流动；而板坯外弧宽面金属会受到压应力，从而促使金属沿宽面并垂直于拉速方向，从角部向表面中心流动，从而最终形成了板坯的梯形截面缺陷。

通过上述分析可知，微合金钢板坯的梯形截面缺陷，是在避免该钢种板坯出现角部微裂纹缺陷和内部偏析、疏松缺陷，确保板材表面及内部质量的工艺实施过程中所形成的。因此，采用优化工艺的办法去解决微合金钢板坯的梯形截面缺陷的可行度是较低的。同时，利用传统的二次压边措施也无法有效解决该类产品的边直裂缺陷问题。因此，针对上述问题，打破传统方式，开发出一种有效消除微合金钢板坯梯形截面缺陷的设备、方法，最终有效解决微合金钢产品的边直裂缺陷，对于提升钢铁企业的产品质量，扩大企业经济效益具有十分重要的意义。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是提供一种压边效果好的消除微合金钢板坯梯形截面缺陷的压边辊。

为解决上述技术问题，本实用新型所采取的技术方案是：其包括有辊主体，在辊主体的上、下两端均设有带有斜面的凸缘结构；所述辊主体为倒圆台形，圆台边线与垂线的夹角β=8°～15°。

本实用新型所述上凸缘的斜面与水平面的夹角α=25°～45°，下凸缘的斜面与水平面的夹角ε=15°～20°。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本实用新型的辊主体为倒圆台形，使梯形截面的板坯在进行二次压边操作的过程中，其窄面会受到有效的塑性挤压，促使金属从板坯梯形截面的长边区域向短边方向流动，从而使板坯的截面形状从梯形重新恢复成为矩形，进而使二次压边工艺效果能够真正发挥出来。采用本实用新型能有效消除板坯梯形截面缺陷，进而真正有效解决了长期困扰钢铁企业的微合金钢宽厚板材的边直裂缺陷问题，提升微合金钢宽厚板材表面质量，从而为企业创造了显著的经济效益。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

图1是传统压边辊的辊型结构示意图；

图2是具有正常矩形截面的倒角板坯示意图；

图3是传统压边辊对正常截面的倒角板坯进行二次压边的操作示意图；

图4是具有梯形截面缺陷的倒角板坯示意图；

图5是传统压边辊对梯形截面的倒角板坯进行二次压边的操作示意图；

图6是本实用新型的辊型结构示意图；

图7是本实用新型对梯形截面的倒角板坯进行二次压边的操作示意图。

图中标记为：传统压边辊1、具有正常矩形截面的倒角板坯2、本压边辊3、具有梯形截面缺陷的倒角板坯4。

主要符号说明：

α分别为传统压边辊上、下凸缘的斜面以及本压边辊上凸缘的斜面与水平面的夹角；

L1分别为传统压边辊上、下凸缘顶部圆面以及本压边辊上凸缘顶部圆面的直径；

H分别为传统压边辊和本压边辊的总高度；

H1分别为传统压边辊和本压边辊的辊主体高度；

S为具有正常矩形截面的倒角板坯的倒角斜边的长度；

θ为大倒角板坯的倒角斜边与水平面的夹角；

φ为具有梯形截面缺陷的倒角板坯窄面与垂直面的夹角；

L2为本压边辊下凸缘顶部圆面的直径；

β为本压边辊圆台形主体边线与垂直面的夹角；

ε为本压边辊下凸缘斜面与水平面的夹角。

具体实施方式

图2、图3所示，具有倒角斜边长度S和倾斜角θ的正常矩形截面倒角板坯2在传统的压边辊1的挤压下，其倒角形状能够发生充分的改变，从而使得板坯每个角部区域的倒角数量从1个增加到2个，倒角角度得到进一步增大，从而有效提高了轧制过程中的板坯角部温度，达到了消除宽厚板材边直裂缺陷的目的。图1所示，其中，传统压边辊的α角为25°～45°，L1的长度为290mm～350mm，H的高度为320mm～370mm，H1的高度为220mm～280mm。

图4所示，梯形截面缺陷板坯4尽管在相同倒角结晶器的影响下，倒角斜边长度S和倾斜角θ与正常矩形截面倒角板坯2相同，但由于受到外部生产工艺的影响，其截面发生变形，由矩形变成倒置的梯形，其φ通常为8°～12°，从而形成了梯形截面缺陷。

如图5所示，传统压边辊1在对梯形截面缺陷板坯4进行二次压边处理时，由于受到板坯截面形貌的影响，其尽管同样可以对该种板坯的倒角进行挤压，使其附近的金属区域发生塑性变形，并同样使得板坯4每个角部区域的倒角数量从1个增加到2个；但由于板坯内弧面与窄面之间呈现的锐角并未发生明显变化，因此该区域金属在轧制过程中的温降速度与未实施压边处理的板坯角部的温降速度相比，并未发生明显的改变。因此，该种缺陷铸坯在后续的宽厚板材轧制过程中，依然容易产生边直裂缺陷。

本消除微合金钢板坯梯形截面缺陷的压边辊与传统压边辊1在L1、H、H1的数据上相同，L1的长度为290mm～350mm、H的高度为320mm～370mm、H1的高度为220mm～280mm。为了能有效解决板坯4的梯形截面缺陷，本压边辊将压边辊的辊主体设计成一个上底面积大、下底面积小的倒圆台形；圆台边线与垂线呈β角，β角的大小为8°～15°。

如图6所示，在本压边辊3与存在梯形截面缺陷的板坯4接触后，使得本压边辊3的主体结构能够对存在梯形截面缺陷的板坯4的窄面进行充分的挤压，迫使板坯4内弧宽面与窄面相交区域的金属有效发生塑性形变，并充分的向板坯4的外弧方向流动，通过造成金属的流动，使板坯4内、外弧宽面与窄面之间的夹角均达到85°～95°范围内，从而将板坯4截面由原有的梯形重新调整为矩形，解决板坯4的梯形截面缺陷问题。此外，板坯4的梯形截面缺陷会影响到压边辊对板坯外弧宽面位置倒角的挤压效果；为了有效避免这一问题的发生，确保终轧宽厚钢板的表面质量，在确保压边辊4上凸缘斜面与水平面的夹角α继续与传统压边辊1上凸缘的斜面与水平面的夹角保持一致的前提下，即：α依然保持在25°～45°的基础上，将下凸缘的斜面与水平面的夹角ε减小为15°～20°，从而扩大下凸缘与梯形截面缺陷板坯4的外弧宽面附近的接触面积，从完成二次压边操作。

使用统计：统计邯钢三炼钢厂的压边案例，采用传统压边辊对矩形截面倒角板坯进行二次压边，经统计1000例，其中995例宽厚板材无边直裂缺陷，可见其有效地消除了矩形截面倒角板坯的边直裂缺陷。采用传统压边辊对梯形截面倒角板坯进行二次压边，经统计5例，其中4例宽厚板材有边直裂缺陷，可见其无法有效地消除梯形截面倒角板坯的边直裂缺陷。采用本压边辊对梯形截面倒角板坯进行二次压边，经统计1000例，其中999例宽厚板材无边直裂缺陷，可见其有效地消除了梯形截面倒角板坯的边直裂缺陷。

设计图

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