25 kg鉬線材兩輥連軋工藝研究

高增法

(福州大學(xué)機(jī)械工程及自動化學(xué)院，福建福州 350108)

0 概述

鉬線材主要用作拉制鉬絲的原料，其品質(zhì)和盤重直接影響鉬絲及其制品的品質(zhì)和生產(chǎn)效率。

鉬線(棒)材加工的傳統(tǒng)方法是采用“旋鍛法開坯-串打(連續(xù)旋鍛)-焊接-串打-拉粗絲-卷取成盤”工藝［1］。由于旋錘錘頭打擊能力有限，鉬坯條單根質(zhì)量一般≤3 kg。國內(nèi)一般采用900 g～1 500 g的鉬坯條經(jīng)1618火，用旋錘機(jī)反復(fù)旋鍛制成d3.9的鉬線桿成品。旋錘機(jī)在工作過程中，靠人工將高溫工件夾持著沿軸向頂進(jìn)成對的錘頭之間，錘頭繞著工件軸線作反復(fù)徑向開合的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，對工件圓周表面進(jìn)行鍛打，形成小變形量的加工工藝。其產(chǎn)品品質(zhì)與操作工人的熟練程度、體力狀況關(guān)系密切，如果人工的頂進(jìn)力不夠，將發(fā)生“曼內(nèi)斯曼”現(xiàn)象(產(chǎn)品心部反復(fù)受拉形成微裂紋)，造成品質(zhì)事故。顯然，這種方法勞動強(qiáng)度大、環(huán)境惡劣、能耗大、加工成本高、生產(chǎn)效率差，且無法加工大于3 kg的鉬坯條，無法生產(chǎn)大盤重的鉬線材。大盤重的鉬線材通常采用焊接法，由小坯條焊接而成，缺點(diǎn)是難以保證通盤鉬線材性能的均勻性，不僅存在條間的性能差異，還有不可忽視的焊區(qū)缺陷，將給后續(xù)的拉絲及制品等下游工序帶來品質(zhì)難以控制的問題。

20世紀(jì)70年代以來，Y型三輥軋機(jī)軋制法開始應(yīng)用于鎢鉬棒材的生產(chǎn)［1］。Y型三輥軋機(jī)使鉬坯條三向受壓軋制，變形連續(xù)，軋制力比旋鍛法的打擊力大，變形深入工件心部，使內(nèi)在品質(zhì)大為提高，單根質(zhì)量可達(dá)12 kg。但是，Y型三輥軋機(jī)要軋制圓斷面產(chǎn)品必須采用“三角-弧三角-圓”的孔型系統(tǒng)［2］?；∪菙嗝孳埣凇皥A”孔型系統(tǒng)中軋制時，處于不穩(wěn)定狀態(tài)，軋件靠導(dǎo)衛(wèi)裝置夾持消除扭轉(zhuǎn)才能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定軋制。“弧三角”軋件斷面的長短軸差小，軋制時扭轉(zhuǎn)力臂小、扭轉(zhuǎn)力大。由于鉬的變形抗力大、硬度高，使導(dǎo)衛(wèi)裝置迅速磨損失效，軋件扭轉(zhuǎn)、圓斷面產(chǎn)品失圓、軋制無法穩(wěn)定進(jìn)行。Y型三輥軋機(jī)目前只能采用“三角”-“六角”的孔形系統(tǒng)，軋制六角斷面產(chǎn)品，才能進(jìn)行穩(wěn)定生產(chǎn)。另外，鉬的加工溫度高且范圍窄、熱容量小，溫降快。用“三角”-“六角”的孔型系統(tǒng)軋制，鉬軋件表面存在棱邊，棱邊附近表面溫降比其他部位快，表面棱邊在溫差拉應(yīng)力作用下，極其容易產(chǎn)生橫向裂紋(圖1)，使得表面品質(zhì)難以控制。且產(chǎn)品為六角斷面的鉬桿還需要旋鍛(串打)成圓斷面的鉬線材才能用于拉制鉬絲。可見，采用Y型三輥軋機(jī)軋制鉬桿生產(chǎn)鉬絲不僅仍存在旋鍛法的缺點(diǎn)，而且增加了表面品質(zhì)低下的問題。我國某廠鉬桿車間采用Y型三輥軋機(jī)軋制鉬桿，粗軋部分為國內(nèi)研制的工藝與設(shè)備，精軋部分從國外引進(jìn)，1998年試生產(chǎn)至今，試軋過圓斷面鉬桿，也曾嘗試過用六角形斷面鉬桿直接拉絲，均未能解決以上的問題。引進(jìn)的設(shè)備投資昂貴，產(chǎn)品除單重優(yōu)勢外，其品質(zhì)及價格一直無法與旋鍛法競爭。因此，至今未見鉬加工企業(yè)再新建Y型三輥軋機(jī)軋制鉬桿。

本文分析軋制法的技術(shù)特點(diǎn)，研究鉬線材兩輥熱連軋工藝，反復(fù)修改工藝參數(shù)，穩(wěn)定地將直徑d70單重約25 kg的燒結(jié)鉬坯經(jīng)1火軋制成圓斷面d5.5成卷的優(yōu)質(zhì)鉬線材圓盤條。產(chǎn)品可以直接通過拉絲機(jī)，拉制成各種規(guī)格的優(yōu)質(zhì)鉬絲。

圖1 六角軋件棱邊橫向裂紋

1 技術(shù)路線及關(guān)鍵技術(shù)

本文采用兩輥連續(xù)軋制，對孔型系統(tǒng)采用“菱-方-箱-立箱-橢-圓-橢-方-橢-圓”等各種形狀合理地加以組合，使軋件表面消除棱邊，且各道次軋件斷面上的輥縫位置可以變化，因此，軋件表面溫度均勻，避免軋件表面因溫差應(yīng)力產(chǎn)生裂紋;采用長短軸比例合理的無棱角軋件斷面，軋制過程可靠穩(wěn)定;各軋機(jī)的軋輥直徑按各道次的軋件尺寸合理確定，道次變形量合理，變形易深入，變形速度快，軋件變形均勻，可靠地保證了軋件的內(nèi)在和表面品質(zhì)。因此，本文研究的技術(shù)關(guān)鍵在于探索建立兩輥連續(xù)穩(wěn)定軋制的機(jī)理。

由于當(dāng)今鉬桿連軋法只有采用三輥Y型軋機(jī)的先例，兩輥軋制還停留在小坯條反復(fù)加熱切頭穿梭軋制的階段，均無參考借鑒的價值。除了先按金屬及合金的軋制原理推算外，主要采用試驗(yàn)取得數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、修正、優(yōu)化，再試驗(yàn)再分析、修正、優(yōu)化……逐漸接近直至成功。

另外，為了獲得良好的內(nèi)在組織，采用大變形輔以軋間或軋后處理技術(shù)。根據(jù)實(shí)際條件本工藝研究的總體技術(shù)路線分以下兩個階段進(jìn)行。

a)第一階段:工藝參數(shù)試驗(yàn)

用現(xiàn)成的旋鍛件d8.9鉬桿在兩輥式試驗(yàn)軋機(jī)上完成以下研究內(nèi)容:

1)證實(shí)兩輥連續(xù)軋制鉬桿的可行性。實(shí)測鉬桿高溫狀態(tài)兩輥軋制的咬入數(shù)據(jù)。制定壓下量、軋輥直徑、軋件溫度與展寬的關(guān)系式。

2)確定不同變形程度、變形速度產(chǎn)生的變形熱與輻射熱損失對鉬軋件變形“塑-脆性”轉(zhuǎn)變溫度的影響。測定了軋制鉬的加工溫度范圍及推導(dǎo)出每1火軋制的時間范圍。

3)制定出有中間加熱的25 kg，d70鉬錠軋制d5.5鉬線材圓盤條的1火半兩輥連軋工藝參數(shù)，供工程實(shí)施。

b)第二階段:工業(yè)性試驗(yàn)

進(jìn)行d70鉬錠軋成d8.9工藝參數(shù)試驗(yàn)的費(fèi)用跟建設(shè)工程的投資相差無幾。考慮經(jīng)濟(jì)因素，這些工藝參數(shù)采用第一階段的研究試驗(yàn)的成果進(jìn)行推導(dǎo)及設(shè)定，在工業(yè)性試生產(chǎn)中加以修正。由于第一階段試驗(yàn)提前完成，制定的有中間加熱的25 kg，d70鉬錠軋制d5.5鉬線材圓盤條的1火半兩輥連軋工藝參數(shù)，就在建設(shè)工程中實(shí)施。

1)這些工藝參數(shù)的修定與試生產(chǎn)同時進(jìn)行。試生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)了燒結(jié)態(tài)鉬錠與加工態(tài)鉬條出爐后產(chǎn)生的氧化鉬對軋制咬入的影響大相徑庭。課題組重新探索從燒結(jié)態(tài)到軋制態(tài)鉬的軋制規(guī)律、工藝參數(shù)，經(jīng)過三次修改，終于制定出穩(wěn)定可靠的工藝參數(shù)。采用了孔型側(cè)壁夾持及增大軋件與孔型面積接合率、軋件滾動扭轉(zhuǎn)、電腦控制的活套裝置等措施，可靠地保證軋件頭部咬入、穩(wěn)定軋制和尾部軋出等三個軋制階段順利地進(jìn)行。

2)在兩輥軋制過程中，采用不產(chǎn)生明顯的棱邊軋件的孔型，且在各道次中不斷變化壓縮方向，采取增大軋件的軋制斷面與軋輥孔型的接合率等措施，使軋制過程軋件表面溫度比較均勻，不產(chǎn)生裂紋，其產(chǎn)品的表面品質(zhì)良好。

3)本工藝中鉬軋件的粗軋采用大變形，中、精軋過程變形速度逐漸加快。隨著試生產(chǎn)的順利進(jìn)行，實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)軋件產(chǎn)生的變形熱大于軋件的散熱，使軋件在中、精軋階段溫度升高，不用二次加熱其變形仍在塑性區(qū)進(jìn)行。最后成功地取消中間加熱，實(shí)現(xiàn)從燒結(jié)鉬錠“一火成材”的工藝，更為圓滿地完成了本課題的研究任務(wù)。

4)采用控制軋制、控制冷卻技術(shù)，使產(chǎn)品產(chǎn)生良好的晶粒組織。

粗軋道次采用大壓縮量軋制，粗軋后獲得密度接近理論密度軋件，為中、精軋道次提供塑性良好的中間軋件，生產(chǎn)的鉬圓盤條成品經(jīng)散卷控制冷卻，其橫斷面晶粒組織致密、均勻，縱向切面纖維組織極為明顯(圖2)。

圖2 晶粒組織

用Y型軋機(jī)軋制的鉬桿組織照片［3］作為對比?？梢悦黠@看出用d17的軋制鉬坯生產(chǎn)內(nèi)切圓為d5.9的六角斷面鉬桿，其軋制態(tài)無穿水冷卻處理的產(chǎn)品晶粒組織總體呈粗大再結(jié)晶組織，晶粒大小不均勻。即使采用穿水冷卻處理其產(chǎn)品的組織照片出現(xiàn)了纖維組織，但這些組織的晶粒度、晶粒均勻度及纖維組織的發(fā)育程度與本工藝產(chǎn)品的組織是無法相比的。顯而易見，本工藝的產(chǎn)品晶粒組織，對于后續(xù)拉絲工序極為有利。

5)研制成品散卷控制冷卻系統(tǒng)并投試成功，有效地控制成品的冷卻速度，使產(chǎn)品穩(wěn)定地具有良好的組織，切實(shí)地賦予產(chǎn)品優(yōu)良的綜合性能，另外，減少了成品的氧化損失，提高了后續(xù)拉絲工序的鉬絲收得率。

6)采取這些關(guān)鍵技術(shù)，使得產(chǎn)品的表面及內(nèi)在品質(zhì)得到全面的提高。

2 創(chuàng)新點(diǎn)及工藝優(yōu)勢

本課題的目的本是為創(chuàng)新產(chǎn)品而研究新工藝，經(jīng)福建省科學(xué)技術(shù)信息研究所進(jìn)行國內(nèi)外查新，可以看出本項(xiàng)目主要的創(chuàng)新點(diǎn)如下:

1)兩輥連軋工藝，終軋速度達(dá)23 m/s;

2)坯料為直徑達(dá)70 mm的鉬錠，單根重達(dá)25 kg;

3)軋制出圓斷面產(chǎn)品直徑為5.5 mm;

4)軋后直接成圈，并采用散卷控制冷卻;

5)散卷收集成圓盤條直接用于拉絲;

6)大壓縮率軋制，一火加工總延伸率達(dá)160。

本工藝生產(chǎn)的大盤重鉬線材減少了拉絲工序穿模次數(shù)，大幅度提高拉絲工序的效率;減少了拉絲工序穿模絲頭的損耗;消除了大盤重鉬絲的焊點(diǎn)，不存在焊點(diǎn)熱區(qū)對大盤重的鉬絲品質(zhì)均勻性的影響，提高了鉬絲使用廠家的產(chǎn)品品質(zhì)穩(wěn)定性。大盤重鉬絲還可減少鉬絲頭尾的損耗，降低鉬絲產(chǎn)品的制造成本。顯然，本工藝生產(chǎn)的大盤重鉬線材具有明顯的品質(zhì)、價格競爭優(yōu)勢及顯著的社會、經(jīng)濟(jì)效益。該產(chǎn)品問世后，各使用廠家競相使用無焊點(diǎn)大盤重鉬絲。

3 結(jié)論

本工藝經(jīng)受了廈門虹鷺鎢鉬工業(yè)有限公司生產(chǎn)實(shí)踐的考驗(yàn)，與其他工藝相比，產(chǎn)品的外表及內(nèi)在的綜合品質(zhì)大幅度提高，生產(chǎn)成本顯著降低，企業(yè)及社會經(jīng)濟(jì)效益顯著。

本工藝降低了生產(chǎn)運(yùn)行噪聲，改善了工人的勞動條件，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化、半自動化生產(chǎn)，減輕了工人的勞動強(qiáng)度。生產(chǎn)人員僅需傳統(tǒng)工藝的1/10，大大降低了人工成本。

本工藝產(chǎn)品使后續(xù)拉絲工序提高了效率，減少了消耗，提升了鉬絲品質(zhì)。

2003年12 月本工藝通過了福建省科技廳組織的成果鑒定，認(rèn)為工藝技術(shù)首創(chuàng)，為國際領(lǐng)先水平。產(chǎn)品品質(zhì)優(yōu)良，可直接拉制鉬絲。應(yīng)用價值極高，有望淘汰原有的粗鉬絲加工設(shè)備及生產(chǎn)工藝，推廣前景無限廣闊。

由于本工藝在經(jīng)濟(jì)建設(shè)、國防裝備及科技進(jìn)步方面具有獨(dú)特的重要作用，2004年，“無焊接單根重25 kg，d5.5鉬軋制圓盤條”被評為《國家重點(diǎn)新產(chǎn)品》，本項(xiàng)目獲福建省科學(xué)技術(shù)獎一等獎。

［1］郭順興.三輥Y型連軋機(jī)在鎢鉬軋制開坯中的應(yīng)用［J］.中國鉬業(yè)，2001，25(6):34-38.

［2］劉昕.370 mm三輥Y型連軋機(jī)軋制鎢鉬棒試車實(shí)踐與工藝研究［J］.中國鉬業(yè)，1999，23(4):31-34.

［3］郭順興，惠保衛(wèi).改進(jìn)三輥連軋技術(shù) 提高鎢鉬線桿質(zhì)量［J］.中國鉬業(yè)，2003，(2):42-46.