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异型叶片钢的热轧制工艺研究 |
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作者：孟艳君 贾维国 赵云路 |
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摘要：叙述了汽轮机用静叶片异型叶片钢在不对称轧制中的变形原理及受力分析。由于变形、受力复杂，生产中控制难度大，变形过程中极易出现问题。因此，提出采用对称轧制异型叶片钢的新设计理论及工艺。
关键词：异型叶片钢；不对称轧制；孔型设计；对称轧制；设计原理
异型叶片钢是一种断面形状非常复杂的型钢，用于制造30万/60万kw汽轮机组的静叶片，采用1Cr13不锈钢通过轧制生产。这种钢具有高强度、高塑性、耐汽蚀等较好的综合性能。
70年代，国内一些大汽轮机厂生产汽轮机静叶片是采用圆钢或方扁坯做坯料，经过加热改锻、模锻工序生产异型叶片。其工序复杂、台时长、金属利用率较低。本钢研制出用不对称轧制方法生产异型叶片钢来代替模锻，省掉了改锻、模锻工序；提高了金属利用率8%～10%，甚至1倍以上；节约了能源及工模具费和机加工台时。但由于这种钢轧制非常困难，尺寸很难控制准确，而且很容易产生弯曲、耳子、折叠、型线不合等缺陷。所以用不对称方法轧制异型叶片还存在一些问题，变形方法上还需要改进。
一、不对称变形工艺及存在问题
本钢从1983年开始采用不对称方法生产异型叶片钢，时至今日，仍很不理想。主要问题是轧制操作非常困难，产量低、成本高、成材率低、劳动强度大等。
1.不对称轧制异型叶片钢孔型系统及其设计
不对称轧制异型叶片钢孔型系统见图1。成品断面形状与尺寸见图2(以JY142为例)。
图1 不对称轧制异型叶片钢孔型系统
图2 不对称轧制异型叶片钢断面形状与尺寸
(1)成品孔型K1的设计［1］
由于异型叶片钢沿宽度方向的厚度极不均匀，成品两侧厚度比为1∶3(以JY142为例)，不均匀变形程度较大，所以异型孔变形量不可过大，因此共选用异型孔数目为6个。并且采用上下交替闭口式孔型，主要是考虑控制轧件宽度，避免产生耳子、折叠等缺陷。由于粗轧机每隔一道次翻一次钢，所以延伸孔型只安排一个立压孔。并且为了控制不均匀变形而采用压力轧制，K6孔为下压力，其余为上压力。
根据用户提供的异型叶片成品图纸，采用1∶1放样在坐标纸上计算出钢样面积，根据图纸各部分尺寸确定孔型尺寸。
孔型宽度按下式计算：
B＝(B0+Δ).f+Δ0
式中B0——叶片的宽度尺寸
Δ——叶片宽度尺寸的正公差
f——热膨胀系数，1Cr13取1.0105
Δ0——孔型余量，取2mm
孔型高度的确定如图3所示。按用户提供图纸，考虑加工余量，在X轴上每隔5mm建立一点，确定Y轴坐标值，确立过点(X1,Y1)，(X2,Y2)，(X3，Y3)的圆弧方程：
(X1-C)2+(Y1-D)2＝R2
(X2-C)2+(Y2-D)2＝R2
(X3-C)2+(Y3-D)2＝R2
图3 孔型高度的确定
应用电子计算机确定半径R和圆心(C，D)，画出成品孔型样板图。
(2)成品前一孔型K2的设计
根据分配的延伸系数，确定K2孔型面积Fn-1
Fn-1＝Fn.μn
式中Fn——成品叶片的横截面积
μn——最后一次轧制的延伸系数
孔型宽度Bn-1计算公式：
Bn-1＝Bn-Δhcp.Δβ+Δ0′
式中Bn——成品叶片的宽度尺寸
Δhcp——平均压下量
Δβ——展宽系数
Δ0′——孔型余量
孔型高度Hn-1的计算公式：
Hn-1＝Hn+Δh
式中Hn——X轴上某点成品轧件的高度
Δh——X轴上同一点的压下量
根据Δhmax，Δhmin，Δhcp，借助K1的孔型，在坐标纸上做出K2各点的高度。
(3)K3，K4等其他孔型的设计
K3，K4……孔型的设计，均采用上述方法计算。孔型辊缝S值，根据生产经验，S取8mm。坯料断面尺寸为145mm方坯。
2.不对称轧制受力分析及产生的缺陷
成品断面轧件受力分析如图4所示。图4中N为轧辊对轧件的作用力，T为轧辊与轧件间的摩擦力，f为摩擦系数，α为咬入角。
图4不对称轧制轧件受力分析
将轧辊给轧件的作用力N和轧辊与轧件间的摩擦力T分解为垂直分力和水平分力。垂直分力的合力是向下的；而水平分力的合力是两个大小不相等，方向相反，且作用点不在一条直线上的力。轧制时能产生较大的轴向力及扭转力矩，使轧辊产生轴向串动，轧件产生扭转，造成型线不合。
由于大面处(如Ⅰ-Ⅰ断面)压下量最小，延伸率亦相对小；小面处(如Ⅱ-Ⅱ断面)压下量最大，延伸率亦相对大。故在轧制时轧件易形成侧弯，影响咬入，增加操作难度，轧件内部由于不均匀变形产生残余应力。为了矫直轧件水平弯曲缺陷，实际生产中需在轧件出口处安装长导板，但由于水平弯曲力很大，经常发生顶坏出口导板事故。
3.异型叶片钢的经济、技术指标
用不对称法生产异型叶片钢产量低，台时长，相对生产成本较高。现将我公司Φ650轧机两次生产JY142、JY169异型叶片钢的经济、技术指标统计如表1。表1 异型叶片钢的经济和技术指标
 虽然生产异型叶片钢存在上述许多问题，但社会效益和各大汽轮机厂的直接经济效益不可估量。要解决不对称变形生产异型叶片钢存在的问题，只有用对称轧制法生产叶片钢，其成材率可提高15%～20%，合格率提高15%以上，轧材成本可降低10%～20%。
二、用对称轧制法生产异型叶片钢
虽然目前还没有用对称轧制法生产异型叶片钢的先例，但已经有不少轧钢厂利用对称轧制工艺生产球扁钢、方钢、角钢等。可以说是一种成熟的变形工艺。所以用对称轧制法生产异型叶片钢，首先从理论上是可行的，主要问题是合理的孔型设计与切分方法。
1.对称轧制异型叶片钢孔型系统及其设计
对称轧制异型叶片钢孔型系统见图5。可按下述原则进行设计：
图5 对称轧制异型叶片钢孔型系统
(1)对称轧制开坯辊多数为扁孔型，箱形孔较少，这样不易产生侧弯和倒钢现象，每隔一道次翻一次钢。
(2)延伸孔型K7孔也为扁孔型，其他异型孔设计方法与不对称孔型设计方法相同，只是左右对称设置，孔型宽度B为不对称孔型宽度的2倍，孔型高度h与不对称轧制设计相同，成品前没有复杂的立轧孔，减少轧制道次，缩短轧制节奏时间。
(3)成品孔为切分孔，设置楔形辊环(图6)将轧件在连接带处切分［2］。
图6 辊切切分图
切分孔型中轧件受力分析如图7［3］所示。
图7 对称轧制切分孔轧件受力分析
切分孔连接带处轧件同时受Nx，Ny和P三个力的作用。其中Nx是使轧件从连接带处撕开的拉力，而P、Ny是使轧件压缩的力。在两种性质不同的力共同作用的结果使并联件从连接带分开。
切分后的叶片钢切口处有毛边，可在后部工序采用砂轮清理。
2.对称轧制的受力分析
对称轧制成品孔型的受力分析见图8。
图8 对称轧制成品孔型受力分析
由于轧件为左右对称，轧辊对轧件向左的水平分力的合力与向右的水平分力的合力大小相等而方向相反，互相抵消，合力为零。所以对称轧制时不产生轴向力，轧辊无轴向串动，易于调整，且作用点在同一直线上，不能产生扭转力矩，从而保证轧件不产生扭转，型线合格。因此用对称轧制能解决不对称轧制存在的问题。在设备相同的条件下，增加了原料的断面尺寸，减少了轧制道次，可大幅度地提高产量，降低生产费用(可降电耗15%～30%，降煤气耗量1.8%～2%)，轧材成本可降低10%～20%。
三、结语
用不对称变形工艺生产异型叶片钢由于变形不均，受力复杂，生产时难度大，轧件尺寸很难控制，极易形成弯曲、耳子、折叠、型线不合等缺陷，产量低，成材率低。而采用对称变形工艺能变不对称产品为对称产品，轧制时轧辊无轴向串动，易于调整，可大幅度地提高产量，提高成材率，降低轧材成本。
作者简介：孟艳君女，36岁，工程师
作者单位：孟艳君(本钢集团特殊钢有限公司117001)
贾维国(本钢集团特殊钢有限公司117001)
赵云路(沈阳新光模具公司)
参考文献
［1］徐景林，黄荣初.轧钢，1996(专辑).
［2］李芳春，徐林平.切分轧制.北京：冶金工业出版社，1995.
［3］白光润.型钢孔型设计.北京：冶金工业出版社，1995.(end)
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(9/4/2007) |
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