提高热轧产品切割质量的砂轮切割技术

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砂轮切割技术是一种先进的切割技术。它与热轧机配合能有效提高轧制工艺的生产灵活性，并大幅度提高热轧机轧制长材和板材的生产能力。具有自动化程度高、能耗低、产品切割质量高和切割成本低等其它切割技术无法比拟的优点。因此，近年来许多轧钢厂用砂轮切割机配合热轧机完成了轧制工艺的升级改造。
    1 切割热轧产品的基本要求
    为了满足市场需要，钢铁厂面临着提高生产灵活性、产品质量稳定性、增加产量和降低生产成本的巨大压力。实践证明，选择合理生产工艺和生产设备，如选择理想的切割方式对提高热轧机的产品产量、质量和生产稳定性以及灵活性有着十分重要的作用。
    热轧工艺的不同阶段和不同的轧制产品，如不同断面的大型钢坯、方坯、棒材或盘条圆钢、板坯以及薄板都需要切割。随着产品断面在各个轧制道次中的不断减小，其长度却不断增加。因此，将很长的产品切割成需要的长度以满足下道工序加工，如打包或船运，便成了生产过程中不可缺少的环节。切去产品的头部、尾部或切取检验样品等都离不开切割技术。
    摩擦锯（利用金属锯刀口）、剪切机和火焰切割机（等离子切割机）是完成上述切割的传统技术。由于传统切割技术切割产品的断面质量不高，需要进行再切割，因而增加能耗和生产成本。加之配合热轧机改换轧制产品的灵活性差等缺点，传统切割技术在现代轧钢厂的应用已越来越少。
    2 砂轮切割的关键技术及优势
    和传统切割技术相比，砂轮切割技术具有切口表面质量高（由于砂轮能自动磨削刃口），切割轨迹线平直、切割尺寸精确、不污染环境以及切口表面无硬化现象。因而可省去再切割和随后的机械磨削加工（例如去飞边及侧面切边等）。
    所有其它切割方法都会导致切割表面出现或多或少的不良切割现象，如毛边粘连（摩擦切割）、部分表面波浪、表面不平滑（火焰切割）、切割表面及端部严重变形（剪切）。由于需要对这些具有缺陷的切割表面进行再精整，因而可能造成产品质量的意外破坏。结果不是增加产品成本，就是降低产品销售。此外，因为锯子或剪切机刃口磨损量的增加，切割的产品质量会变得更差。然而，砂轮切割机的切割刃口-砂轮，却能在整个切割服役期间很好地保证产品的切割质量。
    砂轮切割的适用范围极广，它能切割各种不同的钢材，从低合金钢到高碳合金钢、钛合金钢、镍合金钢以及特殊钢和有色金属等。砂轮切割法可以切割的主要材料见表1。
   
                   表1  砂轮切割法切割的主要材料
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    性能                 案例                       典型材料钢号
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    中高碳非合金钢       碳钢、结构钢              St 52-3，Ck35
    低碳低合金钢         工程用钢、轨道用钢、可淬硬钢    16MnCr5
    中碳低合金钢         热处理钢                      34CrNiMo6
    高碳低合金钢         轴承钢                           90MnV8
    中碳高合金钢         不锈钢                        X2CrNi189
    高碳高合金钢         工具钢                         X210Cr12
    耐高温轻金属合金钢   钛合金                             LT31
    耐高温硬质合金钢     镍合金                          NiCr5Fe
    其它有色金属合金钢   黄铜、青铜                     CuZn20Al
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    摩擦锯则不适宜切割高温和高合金钢以及高硬度材料。剪切机不适于切割冷却或断面较大的材料。然而，砂轮切割既能切冷材料也能切热材料，甚至能切割高温材料。最重要的是它能在热轧机操作中断，对冷却后的产品进行切割。
    砂轮切割是台座式移动切割。由于切割速度高，所以切割时间短，且能在5min内完成新、旧切割砂轮的更换（根据砂轮直径的大小，一台BRAUN切割机可在3min~5min内完成更换）。所以，砂轮切割是连续轧制工艺，如热轧工艺，理想的高性能切割设备。
    砂轮切割机的切削速度取决于材料温度和切割材料尺寸。性能优秀的砂轮机其切割速度可高达40cm2/s，如果材料温度更高，切割速度可超过40cm2/s。实践证明，被切割材料硬度对切割速度的影响不大。也就是说，即使具有更高合金量的材料或更硬的材料，砂轮切割速度仍然可以很高。除上述优点之外，它还具有以下优点。
    .比摩擦锯切割噪音低，通常为80dB~85dB（A）（摩擦锯噪音达100dB（A））。因此，砂轮切割机不需要安装在隔离室内。
    .由于砂轮切割能全自动化操作，所以，它能很好地配合和满足连续生产工艺，如热轧切割的需要。特别重要的是，可将设计好的切割程序存贮在与轧机相联的砂轮机的PLC中（可编程序控制器）。所以，所有需要的生产数据及切割参数都能自动提供给切割机的PLC，并自动完成切割程序选择。
    .至今为止，砂轮机的电能效率和适用性是所有切割机中最高的。与摩擦锯不同，砂轮机是干式切割，不需水或其它冷却剂冷却。因而，切割后没有冷却剂的收集、清洁和污染处理。此外，火焰切割因停止切割时仍需开启火焰等待下次切割而要浪费燃气。砂轮切割则可切割时开机，不切割时停机而无电力浪费。
    3 基本技术原理
    砂轮切割机的主要切割部件是砂轮。这种高性能砂轮在工厂经多道工序加工而成。砂轮的原料为规则排列氧化铝、特殊氧化铝或锆铝氧化物颗粒、粘结剂和玻璃纤维强化剂。
    砂轮的实际成分取决于用途，使用性能涉及到材料温度、材料形状和尺寸、材料类别和质量等级。无论何种切割速度和切割何种材料都必须保证砂轮具有极高的稳定性、高速工作状态下的抗爆炸性，具有优良的切割质量和超长的使用寿命。为此，制造工艺必须十分精良，同时应包含以下几种制造阶段：原材料成分分析、称重和混合、填充和调整、加压和高温硬化、机械加工/调整平衡以及最后的质量检测。为了生产出特殊用途的砂轮，最大限度降低终端用户的使用成本，砂轮制造商集中一切技术力量，开发出许多新产品，满足了各地市场的需要。
    砂轮切割时，保持砂轮边沿速度的稳定十分重要。边沿速度取决于切割需要和砂轮的技术条件，常用速度在80m/s~100m/s之间。由于砂轮直径在切割过程中不断减小，导致边沿速度的不断降低，必须对砂轮机的转速进行相应调整（提高）。为此，给BRAUN切割机安装了一套切割轮磨损自动补偿系统，每次切割后能自动测量砂轮实际直径，同时对频率控制马达的驱动速度进行自动调整以保持砂轮外沿速度的恒定。
    砂轮磨损补偿系统也允许砂轮刃口进行自动定位，使刃口与被切割材料之间始终保持着最短距离，以最大限度缩短切割时间。此外，切割次数还可根据准确的材料尺寸和切割轮直径一起进行自动计算，允许在准备时间内利用新砂轮更换旧砂轮。砂轮切割还可根据被切割材料温度进行自动识别：低温切割，材料温度约200℃；中温切割，材料温度为200℃~700℃；高温切割，材料温度为700℃~1150℃。
    根据轧制工艺和产品特点，可选择以下切割法。
    .纵向冲程切割法
    这种切割的特点是砂轮在做主切割旋转运动的同时，亦作径向垂直下移进给运动。顾名思义，这种方法通常用于单件切割，即每次切断一件圆形或近圆断面、方形或近似方形断面材料。设计恰当或理想的切割机也可用于切割矩形材料或方形轧件。
    .横向切割法
    切割特点是砂轮一边作主切割旋转运动，一边作水平移动（进给运动）横向进入被切材料，同时将其切断。这种方法适用于一次进给运动切割多件圆形、方形或近方形断面材料，也可切割板式材料，如矩形板坯、钢坯或薄板等。
    这种切割原理的具体应用性能取决于砂轮机的基本设计。BRAUN公司已开发出五种不同的切割机。以下介绍常用的3种，即板坯、大型钢坯或方坯砂轮切割机，棒材砂轮切割机，宽板坯、厚钢板或薄板砂轮切割机。
    4 板坯、大型钢坯或方坯砂轮切割机
    在主要轧机中，大型钢坯或方坯，某些时候的板坯，在高温条件下切割时因为横断面很大，所以多数选择单件切割法。由于被切材料断面很大，砂轮直径也必须很大，一般在1000mm~ 1600mm。为此，给砂轮切割机安装了一支水平摇杆，相似于BRAUN公司的W型切割机。这种方法，砂轮切割的进给运动垂直向下，切割矩形断面材料时，砂轮可得到优化利用。稍小的方坯材料一次可切割2片~3片，切割宽度窄，且可保持很高的切割产量。为了防止切割圆形材料出现重迭，可给材料夹紧系统加装一垂直夹紧器。
    由于砂轮切割清洁，对环境污染小，切割材料断面平滑而光洁。因此，很容易在切割面打印标记或编码。此外，砂轮切割还可避免摩擦锯或火焰切割导致很厚的飞边和剪切引起的“鼻”样变形。
    由于砂轮切割具有上述种种优势，所以，近年来不少大型钢坯或方坯轧机已经和正在安装砂轮机，以配合轧机改造升级。例如，BRAUN公司为英国一家企业的初轧机安装了5台配有长度自动定位、切头切尾和取样的大型砂轮切割机。
    5 棒材砂轮切割机
    经最后轧制道次的成品棒材或型材在送至冷却床时仍然很长。离开冷却床后、打包前的所有型材或棒材应在中温状态下切割成定长。为了满足轧机生产要求，不论断面尺寸是否已经很小，成品都采用横向切割方式切割。根据切割产品尺寸，典型的砂轮直径为800mm~1270mm。
    为了实现横向切割运动，横向进刀切割机配有一块装备着切割摇杆的直线移动滑块。实际切割的进刀运动通过水平移动滑块完成。安装切割摇杆有两个目的：一是，每次切割后按照变小后的砂轮直径调整滑块的翻转角度；二是，一旦横向切割完成，立即提高砂轮，以便在辊道上无型材时移动滑块能够回到起始位置。BRAUN公司设计的F型切割机便是这种机器的典型代表。
    对于那些必须保持切割断面质量十分优良的材料，采用砂轮切割尤其适合。剪切机切割的材料很多时候因为剪切断面质量低劣，最后不得不由轧钢厂或钢材买主对棒材剪切面进行精整或利用分离切割设备进行再次切割。因此，越来越多的轧钢厂给现有轧机增装一台横向砂轮切割机以提高切割质量。如奥地利，捷克共和国，俄罗斯，韩国，法国，美国等国家的钢铁企业都已给现有轧机安装了横向切割式砂轮切割机。
    6 宽板坯、厚钢板或薄板砂轮切割机
    通常情况下，热轧中厚板或薄板在高温状态下切割均采用剪切机或火焰切割机进行切割。从成品机架出来的成品材立即用砂轮切割机切割还是最近几年才开始应用的。奥地利特殊钢生产企业BOHLER Bleche为了使本厂的钢板轧机实现全面现代化，在安装了三座新机架后便开始探索用现代切割技术取代现有的剪切机。剪切机长期存在着切割质量问题而无法更好地满足热轧中厚板和薄板提高切割质量的要求。因此，剪切机切割后的产品端部不得不在冷态下，在准备车间用锯机再进行切边修整，以消除钢板附加操作和切割成本。
    在彻底调查并对比了所有切割方法后，BOHLER Bleche公司决定采用砂轮切割机与改造后的现代轧机配套。
    很明显，切割大尺寸的中厚板和薄板（最大切割宽度可达2.3m）必须使用横向砂轮切割机。为了进一步改进砂轮切割机的结构与性能，BRAUN公司在广泛调研的基础上开发成功一种龙门起重机式横向砂轮切割机（FP型）。水平移动滑板和摇杆一起在上部运动，线性导向装置安装在龙门架上。为了满足BOHLER 公司的特殊要求，即特定时候在冷却条件下切割铸坯，专门设计了一种能独立开动和能自动调整夹紧元件的、不论铸坯多么细小都能安全夹紧的夹紧装置。
    由于用于切割横断面，使用的砂轮直径至少在1250mm。
    由于龙门起重机式横向砂轮切割已完全能满足钢板的切割质量要求。因此，任何时候都不需要在准备车间对钢板端部进行再精整，从而大大降低了生产成本。
    7 展望
    具有现代技术水平的砂轮切割技术已被广泛地用于热轧机生产的长材和板材切割。砂轮切割机已成为现有热轧工艺升级改造，提高产品质量和改善轧制工艺性能的理想设备。
    由于市场竞争的日益激烈，轧钢厂不得不顶着强大的压力进一步改善自己的生产设备和提高产品质量。虽然各种切割工艺在不同的轧钢阶段仍被视为次要工艺，但实际上对轧机生产性能、成品质量和生产成本有着极大地影响?因此，近年来许多轧钢厂在对各种切割技术研究与分析对比之后，纷纷选择砂轮切割机配合热轧机升级改造，以实现轧制工艺的全面现代化。    (张化义)