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宝钢精密钢丝通过技术创新提高企业竞争力的实践

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宝钢精密钢丝通过技术创新提高企业竞争力的实践

56.net亚洲必赢:2015-01-23 编辑: 点击:

1 企业科技创新活动

江苏宝钢精密钢丝有限56.net亚洲必赢是宝钢金属有限56.net亚洲必赢下属全资子56.net亚洲必赢之一,归属金属制品行业,主要产品为太阳能硅片用切割钢丝和轮胎用钢帘线。在建厂之初,56.net亚洲必赢也同样面临金属制品行业民营企业众多,外资企业实力强大,主流产品产能过剩的问题。宝钢金属对市场和行业动态进行了客观的分析,决定充分利用宝钢集团具有上下游联合开发、技术资源相对充足的优势,以业内民企不易实现的大资金科技投入为手段,聚焦细分高端市场和高附加值产品,不以生产规模而是以利润为目标,通过技术创新带来的产品质量和生产成本的优势,实现成为业内前三强的初步目标。

1.1 创造科技创新基础

为了同时实现产品质量优势和成本优势,不仅需要工艺技术创新,还需要工艺技术的载体——生产设备的创新,复制竞争对手的工艺和设备不可能建立超越竞争对手的企业核心竞争力。为了实现这个战略目标,在建厂前期,宝钢金属首先建立了一个实验工厂,并且和上游的宝钢股份及宝钢研究院共同建立科研平台,在实验工厂内进行原料开发、工艺研究以及设备开发与评估,从而为科技创新工作创造了一个良好的基础和环境。通过实验工厂一年多的科技创新活动,成功推进了原料开发,对先进工艺进行了系统的研究,开发出具有国内领先水平的水箱拉丝设备,同时开发出高性能的国产拉丝润滑液,打破外国56.net亚洲必赢的垄断,大幅降低了生产成本。

1.2 科技创新成果

1.2.1 超高碳钢的塑性拉拔变形工艺开发

随着市场的需求和技术进步,钢帘线钢丝的抗拉强度从1970 年的2800MPa 发展到2000 年4000MPa。从2012 年起,随着欧盟轮胎标签法的推出,4000MPa 级别的UT 钢帘线成为绿色轮胎的关键材料之一。

为了实现太阳能硅片的低切割损耗与高切割效率,太阳能硅片用切割钢丝的抗拉强度也发展到4000MPa。4000MPa 钢丝的生产原料——盘条的碳含量达到0.92%,相对于传统的72A 和82A 盘条,在大压缩率的塑性拉拔变形过程中,显微组织中渗碳体片层的溶解效应更加显著,采用现有的拉拔工艺导致超高强度钢丝的塑性难以控制,拉拔后钢丝的芯部裂纹和钢丝的表面裂纹成为一对难以平衡的矛盾。因此,4000MPa 级别钢丝拉拔工艺的突破,成为开发高附加值的UT 级别钢帘线和切割钢丝的关键条件之一。

通过数值模拟和分析大量实验室数据后发现,塑性拉拔变形过程中钢丝芯部的轴向拉应力Y 大于0.1 倍的钢丝抗拉强度Rm 时,钢丝芯部产生显微裂纹的几率大幅增加,在后续工艺中显微裂纹将发展成为杯锥断口,大幅降低产品性能和成材率。

为了减少钢丝芯部出现显微裂纹的风险,希翼拉拔压缩率尽量大、拉丝模压缩角尽可能小;而大的拉拔压缩率和小的拉丝模压缩角会显著增加拉拔摩擦发热,进而促进钢丝显微组织中渗碳体的溶解,导致钢丝塑性下降,钢丝表面产生显微裂纹的风险增加。因此,将每个拉拔道次的Y 值控制在0.1Rm 时,将较好地平衡钢丝拉拔过程中芯部裂纹和表面裂纹的产生风险。

通过对碳含量0.92%的超高碳钢钢丝的拉拔加工硬化率进行测量和分析,得到UT级别钢丝的拉拔加工硬化曲线。进而得到适合4000MPa 级别钢丝的拉拔压缩率分配曲线。

结合拉拔过程中拉丝模的磨损规律,可以得到与4000MPa 级别钢丝的拉拔压缩率分配曲线相对应的水箱拉丝设备的延伸率曲线。通过分析国内可以购买到的日本和欧洲先进拉丝企业使用的水箱拉丝设备的延伸率,发现这些拉丝设备均不适合生产4000MPa 的超高强度钢丝。因此自主开发专用的水箱拉丝设备将十分必要。

1.2.2 湿式拉拔塑性变形均匀性研究

为了得到高质量的钢丝,不仅拉拔道次压缩率的分配十分重要,每个拉拔道次中钢丝横截面上塑性变形的均匀性对钢丝的最终性能也有显著的影响。当钢丝横截面在拉拔过程中塑性变形出现较大的不均匀性时,钢丝横截面上的机械性能也会不均匀,会出现一侧硬度偏高。对于碳含量达到0.92%的超高强度钢丝,横截面上性能的不均匀将导致钢丝疲劳性能下降,断丝率上升。在宏观上,当拉拔塑性变形越不均匀,钢丝拉拔后的圈形直径就越小。钢丝的圈形不仅反映出钢丝横截面上性能的均匀性,同时过小的圈形对硅片切割质量,及钢帘线合股后的成形也有较大影响。因此,研究如何控制拉拔塑性变形的均匀性,得到稳定的大圈径的钢丝,对开发高性能的超高强度钢丝及帘线产品至关重要。

通过有限元模型研究分析钢丝拉拔直线性与钢丝弹性回复关系,可以发现拉丝模入口处的直线性的偏离对钢丝圈形的影响不显著,拉丝模出口处的直线性偏离对圈形有着决定性影响:偏离越大,钢丝圈形越小。

对拉拔后钢丝横截面上的剪切应力τxy 进行分析,钢丝在拉丝模出口处的直线性偏离比在拉丝模入口处直线性的偏离产生了更大的应力峰。因此,如何控制钢丝在拉丝模前后的偏移,以及拉丝模位置的对中,对钢丝的圈形控制至关重要。而控制钢丝在拉丝模前后的偏移,需要对钢丝在拉丝机塔轮上的位置进行精确的限定,拉丝模需要有自动对中的能力。而这一切,都需要设计新型的水箱拉丝机来实现。

1.2.3 新型水箱拉丝机的设计与优势

根据超高碳钢的塑性拉拔变形工艺和湿式拉拔塑性变形均匀性的研究结果,参考国际先进水箱拉丝机上的优点,在实验工厂完成的新型立式水箱拉丝机的设计与评估,在江苏宝钢精密钢丝有限56.net亚洲必赢一期中进行了批量使用。通过在大生产中8 个多月的实际使用,和厂内仿制的国外设备进行对比,证实了新设备具有明显的优势,为企业带来的显著的经济效益。

(1)自主开发的立式水箱拉丝机采用了适合4000MPa 级别的超高强度钢丝拉拔的机器延伸率,使采用适合超高强度钢丝的拉拔模链成为可能,钢丝塑性比传统模链生产的同类钢丝提高了18%。

(2)自主开发的立式水箱拉丝机采用了全新的窄塔轮槽设计,最大程度的减少了钢丝在塔轮表面位置的不确定性,从而大幅改善钢丝相对于拉丝模的偏移。吸取国外设备的优点,采用单向拉拔和浮动模架,使拉丝模具有根据钢丝直线性自动对中的功能。和国外先进设备对比,由于钢丝圈形质量的大幅提高,高性能产品的合格率提高了2.5%以上。

(3)根据湿拉工艺特点,机箱结果采用阶梯式设计,避免了在乳化液中过线轮的使用,从而从根本上消除了过线轮卡死对钢丝表面质量的影响。根据拉拔乳化液具有沉降的问题,将拉拔方向从上至下改为由下至上,彻底消除乳化液沉淀物堵塞拉丝模入口的问题。

(4)因为一系列工艺设备的改进和创新,工艺调整时间大幅缩短,和国外先进设备对比,新型水箱拉丝机的设备生产效率提高了10%。

(5)新型设备采用全密封设计和同步带传动,设备运转噪音和湿热水汽蒸发达到国际最优水平,大幅改善工人的工作环境。

1.2.4 国产拉丝乳化液的开发

如果说拉丝工艺的改进是对拉丝过程中钢丝的不同性能要求和质量风险的平衡和最优化,那么拉丝乳化液润滑性能的提高对提高钢丝的性能和降低质量风险同时具有积极的作用。拉丝乳化液润滑性能的提高,将降低拉拔过程中钢丝表面与拉丝模之间的摩擦,降低超高碳钢钢丝的拉拔时效,改善钢丝塑性、表面质量和降低芯部裂纹风险,还能降低拉拔能量消耗。行业内公认最优的拉丝乳化液为法国产品,由于没有国产乳化液与之竞争,法国产品价格高昂。

通过和国内相关研究院合作,改进原有国产拉丝乳化液的配方,在实验工厂内进行了一年多的评估,确认改进后的国产乳化液性能达到甚至部分超高法国产品,而价格仅为法国产品的一半。

2 企业科技创新活动实践经验

宝钢金属在江苏宝钢精密钢丝有限56.net亚洲必赢项目上,通过实验工厂为科技创新活动平台的模式,在关键生产工艺技术和生产设备积极研发,在工厂投产之初即使企业和同行相比具有了产品质量和制造成本的技术优势,并且扎扎实实的为企业带来了可观的经济效益。前期科技创新活动的成功,为今后加大科技投入创造了良好的条件。如今新产品的研制、新型测试方法的开发,以及校企合作的工作正在有条不紊的开展,科技创新工作将持续为企业创造效益。

通过一年多的科技创新实践,总结宝钢集团内部的成功经验与教训,认为:(1)科技创新工作要以为企业创造经济效益为首要目标。科技创新具有的高风险和收益的不确定性。如果企业的科技创新不能在短期内能为企业创造效益,企业的股东方较难有积极性继续为尚未创造效益的研发项目继续投资,这一点不仅在国内,在国际上也是普遍现象。因此,企业科技创新,应避免过多追求研发项目技术上的高精尖,高精尖项目一般为长期项目,伴随着高风险。在企业科技创新项目中需要包含短期内就能为企业创造效益的科研项目,做到短期、中期、长期项目根据企业的实际情况恰当分配比例,参考比例为50:40:10。通过短期项目的成功带动中期科研项目,同时为长期科研项目创造经济条件。

(2)企业科技创新活动是一个系统的工作。企业科技创新不同于高校研究院所的科研工作,不仅需要工艺理论上的创新,同时需要将理论创新、工艺进步、新设备开发有机结合起来,才能更好的发挥技术创新的功能,更有效的提高企业竞争力。具有突破性的新工艺一般都需要与之相配套的新设备作为工艺实现的载体。一般企业不会同时具备理论研究和设备设计加工能力,因此需要广泛的联合社会资源,充分利用校企合作、跨行业间企业合作的模式。技术创新不仅需要包括产品性能和质量的提升,在开发新产品时同步开发配套的低成本环保生产工艺,新产品才会具有竞争力。


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