棒材減定徑生產裝備技術水平與發展概況

王仕杰，閆 樂，劉 磊，賈尚武，馬 強，周文浩，陳 燦，張志娜

(1.中國重型機械研究院股份公司，陜西 西安 710018；(2.陜西歷史博物館(陜西省文物交流中心)，陜西 西安 710054)

0 前言

長期以來，我國的棒線材產量占鋼鐵產品總產量一直處于40%～50%之間，近幾年棒線材產量總和超過4億噸，除了約10%出口外，其余產量均用于國內消化，可見棒線材產品在國民經濟建設中起著相當重要的作用。棒線材軋機量大面廣，全國共有1 000多條生產線。自20世紀80、90年代，我國陸續引進國外先進的棒線材軋機以來，通過消化-轉化-提升這一技術路線，使我國的國產棒線材軋機裝備接近世界先進水平，加上12%的進口國際先進水平的生產線，目前，處于國內先進水平以上的這部分比例約占到75%，成為市場主流。另有20%的普通軋機，采用的是雙線扭轉軋制工藝，產量大，僅適合普碳鋼生產。還有5%的落后軋機有待淘汰。

為了提高棒材成品表面質量、控制產品尺寸公差、減少料損。現普遍采用在棒線材粗中軋機及預精軋機后增設棒材精密軋制機組即棒材減定徑機組，用于特殊鋼的精密控制軋制。經過發展的棒材減定徑機組具有三個突出優點：首先是由于其優秀的控軋控冷及低溫軋制特點，可最終獲得晶粒度高、尺寸精度公差好以及表面質量優異的成品；其次是可以快速反應市場需求，通過極短時間的機架及孔型調整可獲得市場需要的任何成品尺寸；最后是由于其機架的高剛度及工藝可控性，大大提高了材料的收得率，為用戶極大的降低了生產成本。

減徑定徑機組分為二輥式、三輥式和四輥式。二輥減徑定徑機組主要應用在高速線材軋機，其形式主要有MORGAN機型、DANIELI機型、SMS機型三種，其中MORGAN和DANIELI機型應用比較廣泛，SMS機型應用較少。1980年后，三輥技術在精密定徑機組PSB和減徑定徑機組RSB技術上取的突破，主要有KOCKS機型和SMS MEER機型。

1 棒材減定徑軋機結構形式

棒材減定徑軋機區別于普通軋機主要有三點:一是采用帶速比的離合器，使其能夠適應所有產品不同軋制速度需要；二是采用最小軋機中心距，減少微張力軋制帶來的尺寸影響；三是采用單一孔型的硬質合金輥環，軋輥為雙支撐，保證足夠的剛度以適應很寬的產品規格范圍。目前，國內主要有二輥軋機和三輥Y軋機兩種引進的機型。有三機架平-立-平布置和四機架平-立-平-立布置兩種型式，軋機輪系采用的是高剛度的短應力線軋機框架結構。三輥Y軋機主要是KOCKS型和西馬克型，通常由3-5個機架組成軋輥孔型呈Y-Δ交替布置。

由于進口設備價格昂貴、投資大，中國重型機械研究院股份公司(以下簡稱中重院)已成功研發了高剛度三輥棒材減定徑，并于某特鋼廠成功上線使用，且效果良好，該三輥棒材減定徑具備產品質量好、尺寸精度高、良好的機械性能和表面質量;較高的市場靈活性，能夠軋制所有的鋼種，可以軋制規格范圍內所有尺寸的產品，高效快速的反應未來市場的需求。

2 棒材減定徑的控軋控冷及低溫軋制技術

由于控制軋制溫度對成品的微觀結構和各自的機械性能具有決定性的影響，因此控制軋機生產線的溫度是關鍵。為了實現軋制產品的最佳冷卻，必須以非常精確的方式控制冷卻水流量。根據進口和出口溫度曲線，冷卻水量會自動適應軋制產品的每個位置。低溫軋制控制使系統能夠適應溫差，并將整個冷卻水平保持在最嚴格的公差范圍內。

KOCKS棒材減定徑基于軋制過程中的大數據統計，建立了一個復雜的冷卻程序管理系統，可以控制由該機組定徑的所有軋制產品。通過操作員監督整個軋制過程，利用自動化系統與KOCKS微結構模擬器結合。提前模擬冷卻程序，預測微觀結構演變和溫度發展。通過匹配獨特的水箱參數實現軋制溫度的控制，該水箱機械設計復雜且獨特定制，適用于所有尺寸的復雜冷卻工藝，對冷卻元件進行了差異化設計，滿足控軋控冷及低溫軋制的要求。

SMS MEER棒材減定徑通過在軋線上增加水冷裝置，通過能夠精確控制冷卻裝置的冷卻機構，保證軋件的冷卻溫度，實現控制軋制和控制冷卻，最終能有效的控制成品軋件的晶粒大小。

DANIELI棒材減定徑均布置在精軋機組與夾送混/吐絲機之間，并通過布置的可實現軋件快速冷卻的大水量水箱控制進入減定徑機組的軋件溫度，采用熱機軋制工藝改善線材的內部組織，提高產品機械性能和表面質量。同時，為保證進入減定徑機組軋件斷面溫度的均勻性、精確控制軋制溫度與吐絲溫度以及延長吐絲管的使用壽命，在工藝布置上需考慮加大精軋機組與減定徑機組之間以及減定徑機組與夾送輪/吐絲機之間的距離。該機型可進行750～800 ℃的低溫軋制，以滿足兩相區的控軋要求，可有效細化晶粒尺寸，改善產品性能。

中重院研發的棒材減定徑，在控軋控冷及低溫軋制方面綜合了國外的先進技術與控制方案，通過專用的組織金相模擬軟件，對高溫軋制狀態下通過棒材冷卻與水箱噴水流量及速度的組織預測，得到最佳的棒材減定徑入口組織，使整個軋制過程具備前饋和可預見性，再通過軋制后組織金相分析比對，積累原始數據庫做為水箱噴水流量及速度的修正，不斷自學習從而實現質量可控的閉環控制。

3 棒材減定徑機架及孔型的調整

棒材減定徑孔型調整主要是為了在軋制過程中根據實時的棒材出口公差及橢圓度來快速調整孔型來達到精密軋制的目的。調整孔型首先分為帶載壓下以及離線壓下兩種方式，帶載壓下是利用板帶軋制液壓尺寸自動控制(AGC)的原理，通過液壓小倉的液壓調整來實現孔型的調整，而離線壓下主要是通過偏心機構或絲杠螺母進行調整。

KOCKS棒材減定徑尺寸控制系統在線棒材測量系統調整軋制過程，該系統提供實際軋制棒材形狀的數據，以及來自三輥減定徑機組前后的棒材輪廓檢測儀的棒材大小徑數據。一旦檢測到與最佳公差的偏差，尺寸控制系統就會優化速度或調整每個機架的輥隙，直到達到理想的公差。這些功能通過全自動優化工藝參數，顯著改善軋制公差，并簡化操作。測量數據被收集并存儲在數據庫中以備將來使用。

KOCKS棒材減定徑在線快速調整分別是通過張力控制，輥隙調整，快速獲取操作過程數據，自動監控成品尺寸來實現。KOCKS棒材減定徑的孔型調整機構由徑向調整齒輪軸進行調整，帶動三個方向偏心套同步旋轉，使得孔型同時變大或變小，偏心套傳動軸裝配結構如圖1所示。

圖1 三個輸入驅動軸的機芯

SMS MEER棒材減定徑為機身帶液壓輥縫調節的四機架三輥棒材減定徑機組。具有實時帶載液壓輥縫調整能力，故而能夠對與理想設定值之間的偏差做出智能的反應。液壓小倉調節安裝于機座內。機座內裝有傳動裝置連接機構和孔型調整機構。圖2所示為SMS MEER棒材減定徑機芯。

圖2 SMS MEER棒材減定徑機芯

其他公司的減定徑機架的快速反應也是通過減少軋機的更換頻次，在線調整軋縫來縮短停機時間并減少備用機架準備的工作量，極短的導衛和機架更換時間，提高軋機利用率來實現。

由中重院開發的三輥棒材減定徑機芯的三個輥子能夠獨立軸向定位調節和徑向聯動調整。三個輥子夾角互成120°布置，且可以獨立傳動。機架布置形式為“Y”與倒“Y”交替布置，可實現無扭轉軋制，布置緊湊，節省空間。

棒材減定徑機架及孔型的調整：

(1)通過調整螺桿帶動所有三個偏心套筒同步旋轉，輥子軸可以在偏心套筒內旋轉。因此能夠實現三個輥子同步調整輥隙。徑向調整距離：±5 mm；

(2)通過螺紋套筒旋轉可實現軋輥的軸向調整。軸向調整距離：±0.5 mm；

(3)機架內設計了特殊的迷宮，微小的空氣壓力防止水和碎屑進到軸承里，保證了軸承的長期使用壽命。

圖3 中重院減定徑機架

4 高剛度機架及工藝可控性

高剛度機架有極小的牌坊彈跳，是實現精密定徑的前提。高剛度結構經歷了從分體機架向一體式可鍛鑄鐵牌坊的改進、以及組合式機架到預應力機架的發展。現有的高剛度減定徑主力機型采用的幾種方案：KOCKS與中重院的高剛度加強型整體可鍛鑄鐵牌坊；HPR棒材減定徑是通過液壓預應力實現高剛度；SMS MEER是通過自動計量控制(AGC)實時彌補彈跳來實現工藝可控。

KOCKS棒材減定徑通過高剛度加強型結構極大的減少了軋制時的彈跳，高剛度加強型機架牌坊來源于封閉式整體可鍛鑄鐵牌坊，其他部件如偏心套、傳動部件等分別于120°三個方向裝入，且軋輥通過液壓超高壓無鍵裝入傳動軸，從而在均勻變形的同時得以強制規圓與延伸，實現了工藝可控。

SMS MEER棒材減定徑的精密定徑由5組軋輥組成，每組有3個軋輥。軋輥可以通過液壓來調節，調節時允許負載，這一點是優于其他公司的同類產品，目前其他公司的減定徑機都不能帶載調整輥縫。載荷包括尺寸自動控制(AGC)和監視器控制，用安裝在精密定徑機后面的激光測量裝置來檢測產品的尺寸。還為工藝參數的設計提供工藝模型，最終實現了工藝可控。

HPR棒材減定徑的高剛度性能是由一臺精密壓下機構的立式機架和大剛度具有液壓預應力軋輥的水平機架，來實現工藝可控。

中重院的三輥棒材減定徑高度重視高剛度機架的實現方式。重點從機架框架和主軸的結構優化實現機組的高剛度與工藝可控，機架框架作為機架的核心部件，用于固定內部各零部件并傳遞軋制力，作為三輥棒材減定徑機芯系統最為重要的零件，控制好機架在最大受力情況下的變形，才可以最終保證系統整體的跳動量，保證輥環在軋制過程中的長期穩定性。中重院通過有限元分析不斷優化機架結構形式，在最大軋制力的情況下，框架最大的變形量是0.051 mm，實現了機架的高剛度，滿足軋制精度需要。總變形量如圖4所示。

圖4 總變形量

主軸的結構優化同樣是通過有限元靜力學分析，在軋制過程中，機架系統對各主要零部件的變形量有嚴格要求，任何一個零部件的變形量過大均會降低機架系統整體的軋制精度，從而影響整體軋制質量。作為聯接各軸向定位和徑向受力部件的主軸，軋制過程中其變形量的大小直接決定了整個系統的剛性和精度。由圖5可知，結合軋制工藝要求和現場實際經驗可知，通過結構優化將主軸位移偏移量控制在0.1 mm 以內。

圖5 X軸方向最大位移量

5 結論

隨著棒材生產的技術進步與市場環境的變化，由原來以基建為主的建筑用熱軋鋼筋因其生產技術難度低，進入門檻低，致使棒線材廠向優特鋼廠轉變動能進一步加大。但是，現有棒材廠的舊生產線的產品表面劃傷嚴重、橢圓度超標和頭尾出耳子現象嚴重，而且每次軋成品前要不斷的試軋才能出合格的產品造成浪費材料等現象。使得鋼廠對提高棒材減定徑裝備技術水平顯得尤為的迫切。未來棒材減定徑發展的方向主要有：

(1)在棒材減定徑機組前后分別布置在線測徑儀，加前饋和后饋，通過大數據計算實時帶鋼調整孔型及張力控制，及時的補償孔型磨損對產品精度的影響，從而提高產品的成材率和尺寸公差。

(2)由兩輥到三輥、四輥減定徑的發展，成型過程中寬展更小，尺寸更精準，意味著更新的成型工藝以及尺寸控制方法，未來更多全新孔型的出現將獲得更優的成品。

(3)由于機械結構限制，孔型的組合也是控制產品尺寸公差的重要手段。目前已有兩輥開坯，兩輥短應力軋機、三輥棒材減定徑、四輥棒材減定徑機型，而將上述軋機通過排列組合產生新孔型組合，必將出現新的更好的生產工藝。