不銹鋼棒材減定徑機的關鍵技術分析研究*

張麗英，張 蘊，郭翰韜，李 樂，任章帥

(1.山西能源學院 機電工程系，山西 晉中 030600；2.華東理工大學 信息科學與工程學院，上海 201499；3.太原供水集團有限公司，山西 太原 030000)

0 引言

三輥減定徑機是KOCKS公司最早研制開發的,由于其具有眾多優點，因此不僅在管材、線棒材上廣泛使用，在不銹鋼領域也同樣可以借鑒。某鋼廠新建一條生產線，年產量15萬噸，產品為Φ16 mm～Φ90 mm不銹鋼圓棒，根據原料鋼坯的工藝參數與技術要求制定生產工藝流程。此線的核心在棒材減定徑機組，減定徑工藝可以達到23%減徑道次壓下量，6%～16%的定徑道次壓下量。本文主要就此機組關鍵技術展開分析研究。

1 不銹鋼棒材減定徑機組機型分析

1.1 Y型三輥棒材減定徑機和二輥軋機的對比分析

Y型三輥棒材減定徑機與二輥軋機都具有閉環控制與低溫軋制這個功能,最低軋制溫度達到800 ℃以下，可以滿足熱機軋制的基本要求，軋制件的力學性能可大大提高，后道工序的熱處理量大幅度減少甚至取消，減少了后處理的成本。雖然此三輥棒材減定徑機組比二輥軋機機械制造成本高,但其在工藝技術方面明顯優于二輥軋機，操作成本大大降低,具體表現在以下方面：

(1)棒材斷面上均勻變形。三輥減定徑機采用三個輥均勻軋制，對于金屬的變形更加有利。三輥孔型中的有效應力如圖1所示，三輥壓下孔型的有效應力導致了棒材從表面至中心的整個斷面上的均勻變形。該特點對于熱機軋制及生產在整個棒材上晶粒尺寸均勻的產品是非常理想的。而二輥孔型導致了斷面上不同的壓下量，表面部分的壓下量要大于中心部分。

圖1 三輥孔型中的有效應力分布

(2)寬展小、變形效率高、溫升低。二輥軋機和三輥軋機的寬展和變形效率如圖2所示，寬展會受到軋制溫度、鋼的種類、機架之間的張力等影響，這些參數的變化會給產品公差和軋件單位長度內的體積帶來不利,與二輥軋機相比，三輥減定徑機的小寬展正好解決了這一弊端，能耗和溫升平均降低30%，更是提高了經濟效益，保證了更好更一致的產品公差。

圖2 二輥軋機與三輥軋機的寬展和變形效率

(3)實現自由尺寸軋制。三輥機組較二輥系統具有更大的自由尺寸范圍。自由尺寸范圍有賴于每一個孔型系列的最小棒材成品尺寸?！白杂啥◤健避堉频恼{整范圍如圖3所示。采用三輥機組同一個孔型系統通過輥縫調整(最大為3 mm)可以軋制直徑的變化范圍為9%的各個規格的產品且具有同樣良好的公差。而二輥孔型對于所有棒材成品規格所允許的自由尺寸范圍僅為直徑的2%，一般在0.2 mm～0.4 mm，因此采用二輥孔型軋制多種規格的產品時將導致孔型、軋輥、導衛數量及更換作業量十分龐大。

圖3 “自由定徑”軋制的調整范圍

(4)對入口斷面波動的補償。由于顯著地降低了寬展的影響，三輥變形可以自動地對入口斷面波動進行補償。通過對三輥機組中三道次軋制前的斷面波動與之后的斷面波動進行比較發現，這些波動由11.1%降低至2.74%，也就是說，降低幅度大于75%。這就是三輥軋機產品尺寸公差非常好的原因。而對于二輥軋機則需要頻繁地測量和調整以處理由于改變軋制參數(鋼種、溫度，入口斷面)導致的寬展的不同。

(5)孔型磨損低。二輥孔型與三輥孔型間另一個基本的差別在于軋輥磨損。二輥與三輥的孔型中軋輥/軋件接觸的不同情況導致三輥孔型軋輥與軋件間的速度差別更小，這使得與采用二輥孔型相比,采用三輥孔型不僅軋件表面質量更好、孔型磨損更小且軋輥成本也更低(軋輥和導衛費用降低約30%)。

(6)輥環重量小，機加工簡單。

從上述描述可以得出這樣的結論:三輥減定徑機對于要求以盡可能低的成本生產高質量產品的棒材精軋而言是一種易于操作、具有很大靈活性的理想選擇。

1.2 Y型三輥棒材減定徑機組與傳統三輥軋機的對比分析

Y型三輥棒材減定徑機組與傳統三輥軋機的共同點是單線、軋制無扭、小間隔機架、機架之間無活套、縱向張力小(也稱微張控制)、設備占用空間小。高合金鋼的三輥軋制可以在無需切頭的情況下連續進行十道次軋制,軋件頭部都不會產生劈頭；成品軋件尺寸公差范圍小，表面質量好；采用快速更換機架的緊湊機組，線上換輥停車時間短。與傳統三輥軋機相比，此Y型三輥棒材減定徑機組的特點是:

(1)框架是剛性的，并具有在高壓下變形的能力。工藝布置時機架排布采用的形式為“Y”(輥軸與輥軸為120°)和倒“Y”型交替排列。三輥機架間互呈180°布置構建出一個無扭軋制機組。因其緊湊性(沒有活套),故僅需更小的空間(更短的廠房距離)、簡單且造價更低的基礎。

(2)在傳統的三輥軋機中,每個機架只有一根驅動軸,而其他兩個輥則由機架內部的螺旋錐齒輪驅動,如圖4(a)所示。而Y型三輥棒材減定徑機組每臺軋機是由一臺電動機帶動一臺雙速比的減速機,變速器輸出軸齒輪系統具有三根傳動軸,分別驅動三個輥子,如圖4(b)所示,這樣機架的軋制力和軋制扭矩的允許值比傳統機架可高約30%。

圖4 傳動軸

(3)此棒材減定徑機組由于每個機架由一個主電機和驅動系統驅動,因此可以分別設置和調整每個機架的軋制速度,從而控制張緊力,并提高軋輥的利用率(可將軋輥進行多次重車)。

(4)此棒材減定徑機組具有機架快速更換系統，如圖5所示，機架1位于支撐架2上,該支撐架2上配備有液壓夾緊和移動系統(圖中未示出),先將裝有舊機架的更換小車3移到臨時存儲區,隨后移到專用軋輥間,而裝有另一種規格范圍的新機架的更換小車4被移到機組前方；然后軋制線上被推上的新機架繼續軋件，更換小車3和更換小車4開到等待位。更換機架一次大約需要3 min～5 min,不受吊車能否使用的限制。

1-機架；2-支撐架；3，4-更換小車

1.3 小結

通過以上的分析，結合用戶給定的技術與質量要求，考慮市場需求與經濟性，選用Y型三輥減定徑機。此機組能按最嚴格的公差要求在很短時間內軋制任何想要的批量、想要的規格，即實現“隨機自由”軋制或“即時生產”軋制。

2 棒材減定徑機組孔型設計分析

與自由定徑范圍較小的二輥軋機相比,Y型三輥減定徑機組所需的孔型和機架更換次數會大大減少。此機組孔型設計具有很寬的調節范圍，從一個入口斷面可生產出很大范圍的產品尺寸；基于此特點，借助于“單一孔型軋制原理”，在粗中軋中單一孔型軋制產生的不同的入口圓鋼斷面僅需調節棒材減定徑機組中的減徑道次就可以得到平衡。具體的孔型系統設計如下:

(1)在粗軋、中軋中應用單一孔型。原來使用的孔型系統是經典的"橢圓形孔-圓形孔",然而三輥孔型序列可以把不連續的圓形孔連接起來,實現了粗軋、中軋單一孔型。而且三輥減定徑機占地面積小,使得軋機的改造也更加容易。

(2)如圖6所示，不同的橫斷面(最大差值為△Smax=25%)可以在同一個三輥孔型中軋制。這又使得僅通過調整輥縫在同一個孔型中軋制眾多的斷面和規格成為可能，從而減少了更換孔型/軋輥的次數及軋制所要求產品組合需要的軋輥和孔型的數量。這一點與調整可能性很受局限的兩輥技術相比非常有利。

圖6 三輥橢圓孔型進行孔型調整的可能性

(3)采用“切線”型孔型提高成品精度。切線孔型的結構如圖7所示，軋槽槽底部分是一段圓弧，槽口部分是與圓弧相切的切線。延伸孔型底部的圓弧角為10°～20°,由三個軋槽圍成的孔型近似等于一個弧邊三角形,即弧三角孔型(與平三角孔型相似，具有孔型寬展余量大的優點)。精軋孔型(成品前孔和成品孔)槽底部的擴張角為30°,三個軋槽圍成的孔型幾乎是圓形的(任何成品規格必須確保有兩個或更多個精加工孔型)。

(4)棒材減定徑機組主要是對圓形進料進行減定徑，此時該機組的總變形量并不大。在熱軋條件下,只定不減,總變形率為10%～50%。在熱機軋制狀態下,無論是減徑還是定徑,都是為了滿足再結晶對變形量的要求,總變形率提高到20%～50%。因此,由于設備性能的限制,每個規格區間的最大總變形率隨成品直徑的增加而減小。在每個規格組距中,每個道次的最大變形率是在機架2,其次是機架3、機架1和機架4最小。

因此，按此孔型設計，最終產品公差控制可達±0.2 mm～±0.5 mm，成材率可以從96.5%增加到97%,并且軋機的熱能利用率可以提高約5%。

3 減定徑機組最終成品精度

使用該生產線最終成品精度與國標GB/T702—2008對照結果如表1所示。

表1 最終成品精度 mm

4 結語

(1)不銹鋼棒材三輥減定徑機具有機械性能好、產品尺寸精度和表面質量高等優點，使得前期加工成本與后期處理成本降低。該機能夠軋制各種金屬,自由規格軋制且無時長限制,是棒材精軋機的理想選擇,且易于操作、靈活性更大,經濟性得到較大期望值。

(2)棒材減定徑機組孔型結構設計使該生產線能夠進行大范圍的產品尺寸調節,并且從棒材的唯一的入口橫截面可以生產出大范圍的成品棒材尺寸。