热轧带钢滚筒式切头飞剪关键技术进步

摘要：总结了30年来热轧带钢滚筒式切头飞剪关键技术进步，包括机械结构创新设计和最优化剪切系统等。

Abstract: This paper summarizes key technological progress of drum crop shear for hot strip mill line in past 30 years, including mechanical structure innovation design and optimization cutting system, etc.

关键词：热轧带钢；滚筒式切头飞剪；关键技术进步；机械结构创新设计；最优化剪切系统

Key words: hot strip；drum crop shear；key technological progress； mechanical structure innovation design；optimization cutting system

中图分类号：TF748文献标识码：A文章编号：1006-4311（2011）12-0056-02

1 切头飞剪的轧钢工艺要求

切头飞剪位于精轧除鳞装置前，其功能是切掉中间坯（精轧带坯）的头部和尾部，保证带钢尾部形状以利于精轧机咬入带钢[1]。热轧切头飞剪主要有滚筒式飞剪（或称为“转鼓式飞剪”）和曲柄飞剪两种。

切头时飞剪不能阻碍带坯正常运行，剪刃速度应当与中间坯运行速度同步；切尾时剪刃速度应当与F1轧机的咬入速度同步[2]。切头飞剪设计综合要求如下：

①剪刃的水平分速度与板材运行速度同步，即切头时剪刃的水平分速度略高于精轧坯速度2%～5%，太慢会“堵钢”造成中间坯弯曲或“缠刀”事故；切尾时略低于精轧坯速度2%～5%，太快会“拉钢”，影响剪切质量、增加飞剪的冲击载荷。

②剪刃起动、停止位置要准确。

③剪刃能在预定位置上切下料头、料尾。

④能满足轧机或机组生产率的要求。

⑤最好配备优化剪切系统，剪切下来的料头长度最小。

热连轧中间坯宽度一般为900～2100mm，厚度为20～80mm。通常采用30～60mm中间坯进行轧制，可以节能和提高成材率；轧制2.0mm以下的薄板时采用厚度为20～30mm的中间坯；轧制压缩比要求较高（≥3）的厚规格产品，中间坯最厚甚至可能达到80mm。

滚筒式飞剪上、下剪刃不能垂直切入带坯，剪切过程剪刃间隙是变化的，剪切实质上不是完全切断而是挤剪并存，剪切质量不高，因此，剪切厚度一般不超过65mm；曲柄飞剪剪切断面更齐整，剪切厚度甚至可以达到80mm。

但是，和曲柄飞剪相比，滚筒式飞剪具有明显优点：

①结构简单坚固、可以配置两对剪刃、重量轻；

②滚筒绕转动中心旋转，动平衡性能好，可以提高剪切速度；

③采用滚动轴承、易维护等[3-4]。

2 机械结构设计技术进步

在过去的30年间，滚筒式切头飞剪机械结构设计取得了长足的进步，主要包括：

①双剪刃组合结构；

②同步齿轮；

③异周速滚筒式飞剪；

④其它创新结构设计，有高刚度牌坊结构、剪刃快速更换系统、剪刃间隙调整在线调整结构等。

2.1 双剪刃组合结构

滚筒式飞剪剪切机构由装着剪刃的两个相对转动的滚筒组成。同一滚筒上可以安装一个剪刃或者两个剪刃。从最原始的单剪刃结构发展到双剪刃组合结构是机械结构设计的巨大进步，实现滚筒式飞剪切头、切尾功能的创新组合，双剪刃在滚筒上的夹角可以是180°或90°，表1是三种情况的比较。

下面具体分析后两种剪刃组合方案下的切头飞剪动作顺序。均以以上滚筒为例进行说明。

双剪刃180°布置带钢切头、切尾各一次的的滚筒动作顺序如下：

①带头进入切头飞剪，与此同时，飞剪滚筒开始转动以匹配带钢速度。

②a.号剪刃切头，滚筒减速，此后停在等待位置。

③滚筒开始反向旋转到达启动位置。

④带钢穿过飞剪，与此同时，飞剪滚筒开始转动以匹配带钢速度。

⑤b.号剪刃切尾并减速。

双剪刃90°布置带钢切头、切尾各一次的的滚筒动作顺序如下：

①带头进入切头飞剪，与此同时，飞剪滚筒开始转动以匹配带钢速度。

②带钢持续进入飞剪，a号剪刃无剪切道次。

③b号剪刃切头，滚筒减速，此后停在等待位置。

④滚筒开始反向旋转到达启动位置。

⑤带钢穿过飞剪，与此同时，飞剪滚筒开始转动以匹配带钢速度。

⑥a号剪刃切尾并减速。

⑦减速过程中，b号剪刃无剪切道次。

由表1可以看出，方案二比方案一相比，实现了在180°转动行程内完成切头（或切尾）的功能组合，但是电机功率约为方案一的150%；方案三是方案二的改进型，能够在更短的周期90°转动行程内完成切头（或切尾），而且电机功率可以更小，是电机功率约为方案一的120% 。

2.2 同步齿轮

①零侧隙啮合传动同步齿轮。为了最大限度保证上下滚筒的同步性，需要采用同步齿轮结构，而且要求同步齿轮尽量零侧隙啮合。

同步齿轮是一对渗碳淬火的斜齿轮，硬度高，耐磨性、抗疲劳性能好。其中一个斜齿轮一般由主、副斜齿轮组成，通过主、副齿轮的相对转动，实现啮合间隙的调整。飞剪工作时，上、下剪刃相对运动实现剪切功能。同步齿轮内花键的基准齿中心必须与外齿的基准齿中心对中[5-6]。副齿轮始终超前主齿轮一个角度，保证了上下滚筒的同步齿轮无侧隙啮合状态。

②双侧同步齿轮。与传统的单侧同步齿轮结构形式相比，双侧布置同步齿轮的滚筒式飞剪技术性能提高很明显，日本IHI（石川岛播磨重工）公司对单侧同步和双侧同步结构进行了对比，见表1。

2.3 异周速滚筒式飞剪

日本MH（三菱重工）公司发明的异周速滚筒式飞剪技术得到了广泛的应用，切头和切尾剪刃通过锁紧缸压紧固定在滚筒上，和普通的同周速滚筒式飞剪不一样[2]：异周速滚筒飞剪剪切线并不在上下滚筒正中间，到上滚筒距离比到下滚筒距离稍大，这就造成了上下滚筒以相同角速度转动时，两剪刃的线速度却不同。在剪切时（也就是滚筒正转时）两剪刃的线速度的水平分速度在逐渐增加，但加速度不同，下剪刃的加速度快，造成了下剪刃追赶上剪刃的状态，两剪刃在剪切过程中出现0.1mm的最小间隙。

异周速和同周速滚筒式飞剪剪切机理有所不同：同周速飞剪在剪切过程中，其上下刀片侧间隙g恒为正，即上刀尖在前，下刀尖在后。在切入过程中，刀刃侧间隙g由小变大，侧向推力的影响较大，故剪切质量相对较差；在切出过程中，刀刃侧隙g由大变小，因而容易产生带尾现象。

异周速飞剪在剪切过程中，上下剪刃侧隙g由负变为正；在切入过程的初期，侧隙g为负，随着剪切过程进行，侧隙g由负变为零继而为正，在后续过程中，刀刃侧隙g由小变大，被剪断的板带由上下剪刃刃背分离，其剪切断面具有均匀平滑的坡口，也不容易产生带尾现象[7]。

2.4 其它创新结构

①高刚度牌坊结构。取消了轴承座，滚筒两端的主轴承直接安放在机架牌坊的轴孔中，这样就消除了轴承座和机架间以及轴承座间锁紧装置的间隙，只有轴承本身的间隙存在，因此机械刚度大大增加，以保证剪切精度和提高了剪切质量[8]。

②剪刃快速更换结构。抛弃了传统的使用预应力螺栓的方法，而是通过弹簧锁紧缸拉紧楔块从剪刃侧面楔紧剪刃，当需要卸剪刃时只需向缸内通入压力油压缩弹簧松开斜楔，即可将旧剪刃轻松拆出，新剪刃顺利装入，这样实现了在线换剪刃[9]。

③剪刃间隙调整在线调整结构。剪刃间隙调整在线进行，在上滚筒操作侧一端的套筒上加工有螺纹付是由液压马达、行星减速机驱动，可以使上滚筒做轴向移动，因同步齿轮是斜齿，可引起上滚筒对下滚筒的相对转动，进而引起剪刃间隙的变化。

3 飞剪最优化剪切系统

为了实现提供金属收得率，实现切头、切尾的最小化，发展了飞剪最佳化剪切系统。飞剪最佳化剪切系统运用CCD成像、激光测速、图像处理等技术，完美地实现了带钢头尾最佳剪切位置的自动计算，与飞剪控制系统相结合，实现了带钢头尾最佳化剪切。

最优化剪切系统原理是：带钢宽度信号及速度信号通过高速通讯处理单元采集、预处理后，送到优化控制系统，通过软件进行图像重构，形成带钢头尾轮廓。然后，根据头尾轮廓形状（圆形、鱼尾形、狗骨形、镰刀弯等），应用剪切线计算准则，判断最佳剪切线的位置，得到剪切长度，通过高速通讯处理单元送给飞剪控制系统[10]。

参考文献：

[1]邹家祥．轧钢机械[M]．北京：冶金工业出版社，2006．

[2]张宇．差速式转鼓切头飞剪[J]．一重技术，2008（3）：8-10.

[3]刘睿.热轧主传动交直交变频调速系统[J].重庆工学院学报：自然科学版，2009，23（10）：42-45.

[4]李金生．带钢热连轧机中滚筒式切头飞剪剪切机理的研究[J]．石川岛播磨技报，1978，18（1）：67-74.

[5]张静，杨继森，陈新岗.滚筒式切头飞剪力能参数与能量模型[J].重庆工学院学报：自然科学版，2009，23（9）：137-141.

[6]徐伟．热连轧飞剪同步齿轮的加工技术[J]．一重技术，2007（3）：30-31.

[7]赵才华．异周速滚筒式飞剪力能参及剪切机理研究[D]．重庆：重庆大学，2010：8-9.

[8]赵华国．滚筒式飞剪结构介绍[J].一重技术，2003（1）：1-3.

[9]王晓东．飞剪的剪切性能及优化[J]．中国高新技术企业，2010（7）：10-11.

[10]顾竞梅．飞剪最佳化剪切系统在热轧线的应用[J]．冶金丛刊，2008（3）：22-24.

[11]傅新，邹俊，杨华勇．热轧带钢头尾图像识别及剪切优化系统[J]．仪器仪表学报，2005（11）：1119-1122.