國內的棒材生產企業大多數采用上切式上刀刃垂直剪切的棒材剪斷機。刀片做成90°角,四個刃可以輪換使用。上切式剪斷機的特點是下刀片固定,上刀片運動。剪切棒材的動作是由上刀的垂直運動來完成的。
  濟南鋼鐵集團總公司第二小型軋鋼廠(簡稱濟鋼第二小型軋鋼廠)采用φ540mm×1/φ430mm×2/φ280mm×4/φ270mm×1多列式布置、120mm×120mm連鑄坯一火軋制小型棒材的生產工藝,年產量35萬t。成品棒材的剪斷機為2.5MN上切式平行剪斷機,最大剪切力為2.5MN。剪斷機的主要缺點是:在成品質量方面易出現成品剪切彎頭;在軋制節奏方面已經明顯表現出剪切能力不足,所以在大規格品種剪切上必須嚴格控制剪切支數。否則,剪斷機安全銷折斷將影響軋鋼生產,成為制約生產的難題。

1 缺陷分析

1.1 成品剪切彎頭的產生
  成品棒材剪斷機前是步進式鋸齒冷床,使成品棒材由850℃冷卻到50~100℃。由于軋制節奏加快,產量大幅度提高,成品棒材在冷床上面的滯留時間較短,不能滿足冷卻工藝要求。在大規格品種軋制中,實測冷床輸出的棒材溫度高達300~450℃。對于同一鋼種的剪切而言,溫度愈低金屬愈硬,棒材剪切彎曲小,剪切斷面趨于平整;溫度愈高最大剪切力愈低,棒材剪切彎曲大,易出現剪切彎頭。溫度高是造成平行刃剪切彎頭的主要因素。
1.2 剪斷機的剪切能力不足
  剪斷機是生產工藝線上的在線設備。在大規格品種的生產中,2.5MN的最大剪切力不能滿足要求。在1996年采用多機列布置實現120mm×120mm連鑄坯一火軋制小型棒材的生產工藝時,曾考慮采用最大剪切力為4MN的剪斷機。但是,由于空間限制及行車起吊高度不足等原因,選用了2.5MN剪斷機。產量迅速達產后,剪斷機的能力明顯不足。

2 消除缺陷的技術分析

2.1 利用斜剪切的原理降低剪切載荷
 為了能在不更換大剪切力剪斷機的前提下,消除剪切彎頭這一質量缺陷,決定采用斜剪切原理改變剪切方式。
 在平行剪切中:
P=τF                      (1)
 式中P——剪切力,N;
     τ——單位剪切阻力,N/mm2
    F——剪切原始斷面積,mm2[1]。
  同一鋼種在同一溫度下剪切,單位剪切阻力τ可視為常量。剪切原始斷面積Fmax等于剪切支數與每支斷面積之和。剪斷機的剪切力P P0迅速增加到Pmax。當Pmax小于剪斷機的最大允許載荷時,剪斷機正常剪切;當Pmax大于剪斷機的最大允許載荷時,剪斷機安全銷折斷,剪斷機不能進行剪切。
 在斜剪切中,斜剪切主要用于對板材的剪切。根據B.B諾薩利公式:
 PP1+P2+P3               (2)
 式中P1——純剪切力;
  P2——軋件被剪掉部分的彎曲力;
 P3——鋼板在剪切區域內的彎曲力[1]
 對于棒材而言,它不是鋼板的連續剪切,可忽略P2和P3兩力的影響,采用下式:
 PP1h2/tanα∫τdε       (3)
 式中h ——軋件的高度;
    α——刀刃傾斜的角度;
    ε——軋件的相對切入深度[1]
 在相同情況下,與平行刃剪切相比較,斜剪切在剪切過程中是從軋件的一邊向另一邊逐漸移動的剪切過程。即在剪切過程中的每一瞬間,剪刃剪斷軋件斷面長度只是軋件斷面的一部分。因而,剪切力大大減小。如圖1所示。
   對圖1進行定性分析,可知斜剪切的剪切力遠小于平行刃剪切的剪切力。如果確定斜剪切的傾斜角α,通過定量計算證明,斜剪切可以降低剪切載荷,從而提高剪斷機的剪切能力。


圖1 斜剪切與平行刃剪切的對比

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