一种无头轧制中间坯连接方法及系统与流程

本发明属于热轧设备领域，涉及一种应用于钢铁行业常规热轧改无头轧制过程中,中间坯的连接方法及系统。

背景技术：

传统板带热连轧精轧机组生产均以单块中间坯进行轧制，进入精轧机组一般要经历穿带、加速轧制、减速轧制、抛钢、甩尾等过程。在精轧过程中，特别是薄规格轧制时，易在精轧机架间板带头部咬入受阻，形成堆钢、打滑和尾部甩尾折叠，甩尾形成折叠咬入，从而产生轧辊表面损伤等；在卷取时因板带前端蛇形、折弯等造成卷取困难形成堆钢等；单坯块轧制，每块轧坯都要进行载荷预测和辊缝值设定，若轧制力预测不准，因轧制力预测误差会引起带钢厚度、凸度变化和机架间板形波动；在薄规格轧制中，由于带钢散热快，为保证薄带钢轧制温度，需尽量提高穿带速度和稳定轧制速度，但穿带速度提高后，各种穿带问题和头部折叠等引起的故障率增多，因此传统热轧生产薄规格受到一定限制；另外，精轧机卷与卷之间的间隔时间也影响轧机产能的发挥。

热轧带钢无头轧制是指在精轧阶段轧制坯料不分块，一次穿带，进行连续精轧，轧后的带钢由高速飞剪按要求重量进行分卷。无头轧制在解决上述间断轧制问题的同时超越间断轧制的限制：通过无头尾轧制解决穿带问题；通过稳定轧制提高质量稳定性和成材率；通过减少穿带次数、并使卷取间隙时间几乎为零提高生产效率；可生产超越过去极限轧制尺寸的超薄带钢或宽幅薄板，以及通过润滑轧制和强制冷却轧制新品种。无头轧制技术，提高板带成材率、尺寸形状精度及薄规格超薄规格比例，实现部分“以热代冷”、降低轧辊消耗取得了显著的收效。该项技术是钢铁生产技术的一次飞跃，代表了当今世界热轧带钢的前沿技术。

在无头轧制技术中，粗轧后中间坯的连接技术是实现无头轧制的关键技术之一。由于精轧机组采用张力轧制，热状态下中间坯的连接质量影响着无头轧制能否实现，若连接时间过长，不仅影响生产效率，还将产生明显温降，使后续精轧难以进行，若连接强度不高、质量不好，则连接处容易发生断带，使连续精轧不能进行；并且连接设备不宜复杂，否则不但会使设备安装位置受到限制，还会增加投资及生产维护成本。

目前，无头轧制中间坯连接方法主要有叠轧压接法、对接压接法、焊接法、机械连接法、还原火焰处理连接法、直接通电连接法、感应加热连接法和激光焊接法等。在这些连接方法中，达到工业应用的有感应加热连接法、激光加热连接法和剪切摩擦连接法。

感应加热连接法是川崎制铁采用的连接技术，该方法是将前板坯尾端与后板坯前端之间保持一微小间隙，在此状态下对板厚方向施加交变磁场，就会在两块板坯的结合端面产生感应电流。板坯端面由于这一感应电流引起的焦耳热而发热、升温，然后将结合面压接完成连接。这种连接方法，由于在感应加热时，流过带坯端部角部的电流远小于流过中部的电流，使连接面端部残留未结合部。同时，连接区的温度高于带坯其它部分的温度，其强度也低于其它区域，因此，连接区成为无头轧制过程中的薄弱环节，容易产生断带。

激光热焊接法是新日铁采用的连接技术，与感应加热连接法相比，可消除连接端面未结合部的存在，但仍然存在结合部的温度高于其它部位，以及适用钢种有限的问题；而且激光器所需功率非常大，明显增加装备投资及生产成本。

剪切摩擦连接法是采用特殊设计的剪切机，将中间坯搭接区沿斜面切断，通过剪切形成两个无氧化表面，剪切力使新形成的两个表面发生相对运动，发生摩擦，产生大量热能，加速了表面的扩散，剪切机剪切的同时对斜切面施加压力使之沿剪切面形成物理结合。这种连接方法由于对剪切面施加压力进行物理连接，主要适用于同种材质连接，不同种材质连接时，同样存在因化学成分及物理冶金特性不同，使连接区的强度受到影响，同时，该设备庞大，占用空间大、设备投资及维护成本高等问题。

总之，现有技术中的中间坯连接方式，均存在设备投资大、中间坯连接强度不高、连接速度较慢、不适用于异种钢材的连接、设备庞大、维护成本高这些问题中的一种或几种。

技术实现要素：

鉴于以上所述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种结构简单、连接强度高、连接速度快的热轧板带无头轧制中间坯的连接方法。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明的技术方案如下：

一种无头轧制中间坯连接方法，将前后块中间坯的头尾端部对齐，对前块中间坯的尾部端面及后块中间坯的头部端面进行摩擦，摩擦期间对后块中间坯施加向前的顶锻力，当前后块中间坯的连接端面升温达到粘塑性状态后，使后块中间坯头部在顶锻力的作用下向前与前块中间坯尾部连接在一起。

在前后块中间坯连接前，利用剪切机将粗轧后中间坯的头尾切平齐，使中间坯形成平直的头尾端面。

在前后块中间坯连接后，通过毛刺机去除中间坯连接区域挤出的飞边，再通过毛刺吹扫装置将去除的飞边毛刺吹掉。

采用中间坯连接装置对前后块中间坯进行连接，中间坯连接装置包括用于夹持前块中间坯的出口夹持装置、用于夹持后块中间坯的入口夹持装置、用于对前块中间坯和后块中间坯的连接端面进行摩擦的摩擦机构、用于驱动摩擦机构运动的驱动机构和用于施加顶锻力的顶锻装置，所述摩擦机构位于入口夹持装置与出口夹持装置之间，顶锻装置位于入口夹持装置前，顶锻装置通过入口夹持装置向后块中间坯施加顶锻力。

先用出口夹持装置和入口夹持装置将前块中间坯和后块中间坯夹持住，然后利用摩擦机构对前块中间坯和后块中间坯的连接端面进行摩擦，摩擦期间顶锻装置对后块中间坯施加向前的力，增大摩擦压力，当中间坯端面及附近区域迅速升温达到粘塑性状态时，移开摩擦机构，后块中间坯头部端面在顶锻装置的作用下向前与前块中间坯尾部端面对接，并持续施加顶锻力，将前后两块中间坯连接在一起。

所述摩擦机构为摩擦盘，该摩擦盘安装在摩擦盘横移刀架上，摩擦盘横移刀架安装在摩擦盘压下刀架内，所述驱动机构包括驱动摩擦盘转动的动力机构以及驱动摩擦盘横移刀架横向往复运动和驱动摩擦盘压下刀架竖向移动的推动机构。

所述摩擦盘横移时沿中间坯宽度方向往复移动，横移的距离保证摩擦盘与整个中间坯横截面均接触到；所述摩擦盘下行时，深入到中间坯下表面以下。

所述摩擦盘为一个或多个，摩擦盘为多个时，沿中间坯宽度方向等间距一字排列。、

所述摩擦机构为摩擦刀片，还包括摩擦刀片压下刀架、摩擦刀片振动刀架和摩擦刀片振动装置，所述摩擦刀片安装在摩擦刀片振动刀架上，摩擦刀片振动刀架安装在摩擦刀片压下刀架内，所述摩擦刀片振动装置与摩擦刀片直接或间接连接，使其产生振动。

所述摩擦刀片振动装置位于中间坯上方或侧面，摩擦刀片振动装置安装在中间坯上方时，摩擦刀片垂直于中间坯表面上下振动；摩擦刀片振动装置安装在中间坯侧面时，摩擦刀片沿中间坯宽度方向振动；所述摩擦刀片在摩擦刀片压下刀架带动下向下移动时，深入到中间坯下表面以下，所述摩擦刀片振动装置的振动频率范围为10Hz-300Hz；振幅小于等于10mm。

本发明同时提供一种无头轧制中间坯连接系统，采用上述的一种无头轧制中间坯连接方法，该系统包括依次设置在热连轧生产线粗轧机与第一架精轧机之间的热卷箱、夹送辊、剪切机、中间坯连接装置、去毛刺机和毛刺吹扫装置。

本系统工作原理如下：首先利用剪切机将粗轧后中间坯的头尾切平齐，使中间坯形成平直的头尾端面；再将前后两块中间坯的头尾端部对接；然后利用中间坯连接装置对前块中间坯的尾部端面及后块中间坯的头部端面进行摩擦，摩擦期间顶锻装置对后块中间坯施加摩擦压力，使中间坯端面及附近区域迅速升温达到粘塑性状态，此时摩擦机构迅速抬起，后块中间坯头部端面在顶锻装置及夹送辊的作用下迅速向前与前块中间坯尾部端面对接，并持续施加顶锻力，便可将前后两块中间坯连接在一起。在经过去毛刺机将中间坯连接区域挤出的飞边进行去除，再通过毛刺吹扫装置将去除的飞边毛刺吹掉。中间坯经热卷箱开卷后由夹送辊夹紧、驱动前进；当剪切机检测到中间坯头部及尾部时，对中间坯进行切头、切尾，使中间坯头部及尾部齐平；当停留在初始位置的中间坯连接装置检测到前块中间坯的带尾时，中间坯连接设备立即启动、加速，一旦追上前块中间坯并使其尾部在中间坯连接装置上就位，并利用出口夹持装置夹紧，中间坯连接设备就与该中间坯同步运行；当后块中间坯的带头在夹送辊的驱动下追上前块中间坯时，入口夹持装置将其夹紧；摩擦刀片振动装置启动，摩擦刀片压下刀架逐渐压下，对前后块中间坯连接端面进行摩擦，摩擦期间顶锻装置对后块中间坯施加摩擦压力，使中间坯端面及附近区域迅速升温达到粘塑性状态，此时摩擦刀片迅速抬起，后块中间坯头部端面在顶锻装置作用下迅速向前与前块中间坯尾部端面对接，并持续施加顶锻力，将前后两块中间坯连接在一起；接着，松开出入口夹持装置的上下夹持块，与此同时，中间坯连接装置减速、而后迅速返回到其初始位置，完成一个中间坯连接循环，进入下一轮连接；连接好后的中间坯通过去毛刺机时，连接处上下表面上的飞边被清除，并在通过毛刺吹扫装置时，飞边、毛刺被彻底吹掉，为进入精轧机做好准备。

本发明有益效果如下：

1、设备简单：

只需在常规热连轧生产线粗轧机后的热卷箱和第一架精轧机之间，设置一套夹送辊、一套剪切机、一套中间坯连接装置、一套去毛刺机，以及一套毛刺吹扫装置。由于顶锻时会将端面的氧化膜破碎并挤出，因此不需除鳞等特殊处理。

2、连接速度快：

由于中间坯自身温度达到950℃～1100℃，因此只需很短时间的摩擦即可达到适合焊接的粘塑性状态。

3、连接强度高，适用于不同材质的板坯连接：

采用摩擦焊接，被焊材料不熔化，焊接区金属为锻造组织，无熔化焊接的缺陷；在顶锻压力的作用下，焊接区产生了一些力学冶金效应，并且摩擦表面会产生自清理作用，不存在氧化层；摩擦焊接时间短，热影响区窄，热影响区组织无明显粗化；由于要进行摩擦，对中间坯端面剪切质量要求可降低，而且，顶锻压力会挤碎和挤出连接端面的氧化金属及其他有害杂质，因此可省去连接前对中间坯连接端面氧化层清除的步骤，简化工艺和设备，并使接头金属在压力作用下得到锻造，促进晶粒细化，从而提高接头力学性能。这些特点有利于获得与母材等强的焊接接头，同时也决定了本装置广泛的工艺适应性，适合于不同材质的板坯连接。

附图说明

图1为本发明无头轧制中间坯连接系统的结构示意图；

图2为本发明实施例1中间坯连接装置的结构示意图；

图3为实施例1中摩擦盘及压下刀架和横移刀架结构示意图；

图4为实施例1中摩擦盘随压下刀架上下运动示意图；

图5为实施例1中摩擦盘随横移刀架左右横移运动示意图；

图6为本发明实施例2中间坯连接装置的结构示意图；

图7为实施例2中摩擦刀片及摩擦刀片振动刀架和摩擦刀片压下刀架的结构示意图；

图8为实施例2中摩擦刀片随压下刀架上下运动示意图；

图9为实施例2中摩擦刀片随摩擦刀片振动刀架左右和上下振动示意图。

零件标号说明：

1 摩擦机构

2 摩擦盘横移刀架

3 摩擦盘压下刀架

4 摩擦盘传动装置

41 可伸缩万向接轴

5 入口夹持装置

6 出口夹持装置

7 顶锻装置

8 中间坯

81 后块中间坯

82 前块中间坯

91 摩擦刀片振动刀架

92 摩擦刀片压下刀架

93 摩擦刀片振动装置

100 粗轧机

200 热卷箱

300 夹送辊

400 剪切机

500 中间坯连接装置

600 去毛刺机

700 毛刺吹扫装置

800 第一架精轧机

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

实施例1

本例中所述前后方向是以轧制方向为前方。

本发明提供一种中间坯连接方法，具体为，将前后块中间坯的头尾端部对齐，对前块中间坯的尾部端面及后块中间坯的头部端面进行摩擦，摩擦期间对后块中间坯施加向前的摩擦压力，使前后块中间坯的连接端面及附近区域迅速升温达到粘塑性状态，后块中间坯头部在顶锻力的作用下向前与前块中间坯尾部连接在一起。摩擦方式可采用旋转摩擦或者振动摩擦。

采用固态焊接的方法，被焊材料不熔化，焊接区金属为锻造组织，无熔化焊接的缺陷；在顶锻力的作用下，焊接区产生了一些力学冶金效应，并且摩擦表面会产生自清理作用，不存在氧化层；摩擦焊接时间短，热影响区窄，热影响区组织无明显粗化。由于要进行摩擦，对中间坯端面剪切质量要求可降低，而且，顶锻压力会挤碎和挤出连接端面的氧化金属及其他有害杂质，因此可省去连接前对中间坯连接端面氧化层清除的步骤，简化工艺和设备，并使接头金属在压力作用下得到锻造，促进晶粒细化，从而提高接头力学性能。有利于获得与母材等强的焊接接头，同时也适合于不同材质的板坯连接。

本发明同时提供一种无头轧制中间坯连接系统，用于实现上述中间坯的连接方法，包括中间坯连接装置500，还包括热卷箱200、夹送辊300、剪切机400、去毛刺机600和毛刺吹扫装置700，所述热卷箱200、夹送辊300、剪切机400、中间坯连接装置500、去毛刺机600和毛刺吹扫装置700依次设置在热连轧生产线粗轧机100与第一架精轧机800之间。如图1所示。

其中，中间坯连接装置500用于前块中间坯82和后块中间坯81的连接，参见图1所示，中间坯连接装置500包括入口夹持装置5、出口夹持装置6、摩擦机构1和顶锻装置7，其中，入口夹持装置5用于夹持后块中间坯81，出口夹持装置6用于夹持前块中间坯82，本例中摩擦机构1采用摩擦盘，该摩擦盘位于入口夹持装置5与出口夹持装置6之间，用于对前块中间坯82和后块中间坯81的连接端面进行摩擦，顶锻装置7位于入口夹持装置5前，顶锻装置7通过入口夹持装置5向后块中间坯81施加顶锻力。还包括驱动机构，驱动机构直接或间接地驱动摩擦盘转动和移动。摩擦盘为一个或多个，摩擦盘为多个时，沿中间坯宽度方向等间距一字排列。

具体地，所述驱动机构包括驱动摩擦盘转动的动力机构以及驱动摩擦盘横向移动、竖向移动、横向和竖向移动的推动机构。其中动力机构采用电动机，且电动机安装在电机支架上，并通过可伸缩万向接轴41与摩擦机构1连接，电机支架可安装在中间坯连接装置的主体框架上，电动机、电机支架和可伸缩万向接轴41与中间坯连接装置500整体一同移动。推动机构驱动摩擦盘横移刀架2和摩擦盘压下刀架3运动可采用气压、液压或电机驱动的方式。

本例中，摩擦盘安装在摩擦盘横移刀架2上，摩擦盘横移刀架2安装在摩擦盘压下刀架3内。摩擦盘由摩擦盘横移刀架2带动，沿中间坯8宽度方向快速往复移动，往复移动距离要保证摩擦盘与整个中间坯8横截面均接触到；摩擦盘和摩擦盘横移刀架2由摩擦盘压下刀架3压下，摩擦盘深入到中间坯8下表面以下；保证中间坯8在宽度和厚度方向上端面均被摩擦到。在单个摩擦盘能够覆盖中间坯宽度的情况下，也可以省去摩擦盘横移刀架2，不进行横向移动。

进一步，为了保证夹持的稳定性；入口夹持装置5和出口夹持装置6均设置有上、下夹持块，该上、下夹持块长度大于中间坯的宽度。此外，如果顶锻装置7带夹持功能则可省去入口夹持装置5。顶锻装置7主要是对后块中间坯81施加力，使后块中间坯81能够快速压紧及持续压紧前块中间坯82，可采用电机驱动或液压驱动，进一步可以通过杠杆放大顶锻力。入口夹持装置5和出口夹持装置6采用液压驱动，包括上下夹持块，主要对中间坯其到夹紧支撑作用。

顶锻装置7、入口夹持装置5和出口夹持装置6在本领域中属于比较成熟的技术，在此不再赘述。

为了保证，摩擦盘横移刀架2往复移动时摩擦盘与整个中间坯横截面均接触到，如图3至图5所示，摩擦盘横移距离S1，摩擦盘压下时在中间坯8上形成的最大间距S2，摩擦盘压下时距中间坯8边部的距离S3，三者之间保证如下关系：S1>S2>S3。

基于上述系统的连接方法：中间坯经热卷箱200开卷后由夹送辊300夹紧、驱动前进；当剪切机400检测到中间坯8头部及尾部时，对中间坯8进行切头、切尾，使中间坯8头部及尾部齐平；当停留在初始位置的中间坯连接装置500检测到前块中间坯82的带尾时，中间坯连接装置500立即启动、加速，一旦追上前块中间坯82并使其尾部在中间坯连接装置500上就位，出口夹持装置6将其夹紧，中间坯连接装置500就与该中间坯同步运行；当后块中间坯82的带头在夹送辊300的驱动下追上前块中间坯82时，入口夹持装置5将其夹紧；摩擦盘传动装置4启动，旋转的摩擦盘逐渐压下，对前后块中间坯连接端面进行摩擦，摩擦期间顶锻装置7对后块中间坯81施加摩擦压力，使中间坯端面及附近区域迅速升温达到粘塑性状态，此时摩擦盘迅速抬起，后块中间坯81头部端面在顶锻装置7及夹送辊300的作用下迅速向前与前块中间坯82尾部端面对接，并持续施加顶锻力，将前后两块中间坯连接在一起；接着，松开出入口夹持装置的上下夹持块，与此同时，中间坯连接装置500减速、而后迅速返回到其初始位置，完成一个中间坯连接循环，进入下一轮连接；连接好后的中间坯8通过去毛刺机600时，连接处上下表面上的飞边被清除，并在通过毛刺吹扫装置700时，飞边、毛刺被彻底吹掉，为进入精轧机800做好准备。

实施例2

本例中与实施例1的区别在于中间坯连接装置500结构不同，如图6和图7所示，本例采用振动摩擦的方式，即摩擦机构1为摩擦刀片，还包括摩擦刀片振动刀架91、摩擦刀片压下刀架92、摩擦刀片振动装置93、入口夹持装置5、出口夹持装置6和顶锻装置7。入口夹持装置5、出口夹持装置6和顶锻装置7与实施例1相同。

其中，入口夹持装置5用于夹持后块中间坯81，出口夹持装置6用于夹持前块中间坯82，摩擦刀片安装在摩擦刀片振动刀架91上，摩擦刀片振动刀架91安装在摩擦刀片压下刀架92内；摩擦刀片位于入口夹持装置5与出口夹持装置6之间，通过摩擦刀片振动装置93使摩擦刀片产生振动，并对前块中间坯82和后块中间坯81的连接端面进行摩擦，顶锻装置7位于入口夹持装置5前，顶锻装置7通过入口夹持装置5向后块中间坯81施加顶锻力。

如图8和图9所示，为了保证，摩擦刀片与前块中间坯82和后块中间坯81的连接端面充分接触，摩擦刀片长度方向与中间坯8宽度方向一致，且摩擦刀片的长度大于中间坯8最大宽度；所述摩擦刀片通过摩擦刀片压下刀架92压下，压下的深度范围H要保证，摩擦刀片能深入到中间坯8下表面以下。摩擦刀片压下刀架92的上升和下降运动可由气压、液压或电机等驱动。摩擦刀片振动装置93可采用多种形式，如电机驱动形式，也可以是液压振动或者电磁振动等，满足振幅可控、频率可控的要求。

所述摩擦刀片在摩擦刀片振动装置93带动下快速往复振动，振动方向为上下或水平，振动频率范围：10Hz-300Hz；振幅S一般小于等于10mm，以3mm-5mm为优。振幅不能取得太大，因为振幅过大，容易引起摩擦副失稳而导致焊件对中困难、焊接失败。

所述顶锻装置7位于入口夹持装置5前，通过入口夹持装置5向后块中间坯81施加顶锻压力，压力范围为10MPa-200MPa，顶锻压力不宜过大，否则粘结介质大量被挤出，焊接效果反而下降。

进一步地，摩擦刀片可沿垂直于中间坯8的方向振动或中间坯8宽度方向振动，摩擦刀片振动装置93安装在中间坯的上方或侧面，当摩擦刀片振动装置93安装在中间坯上方时，摩擦刀片垂直于中间坯8表面上下振动；摩擦刀片振动装置93安装在中间坯侧面时，摩擦刀片沿中间坯8宽度方向振动，具体地，摩擦刀片振动装置4可安装在连接设备自身框架上，或者在连接设备外部另设机架支撑。

综上所述，本发明结构简单，由于顶锻时会将端面的氧化膜破碎并挤出，因此不需除鳞等特殊处理。

连接速度快：由于中间坯自身温度达到950℃～1100℃，因此只需很短时间的摩擦即可达到适合焊接的粘塑性状态。

连接强度高，适用于不同材质的板坯连接：采用摩擦焊接的方法，被焊材料不熔化，焊接区金属为锻造组织，无熔化焊接的缺陷；在顶锻压力的作用下，焊接区产生了一些力学冶金效应，并且摩擦表面会产生自清理作用，不存在氧化层；摩擦焊接时间短，热影响区窄，热影响区组织无明显粗化。有利于获得与母材等强的焊接接头，使得本方法和系统具有广泛的工艺适应性，适合于不同材质的板坯连接。

任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。