大規格優特鋼圓棒生產線工藝和裝備探討

彭定軍 康建軍

（中鋼設備有限公司 北京 100080）

1 引言

隨著國民經濟的不斷發展、世界制造業向中國的逐漸轉移，機械制造業中的軸類、齒輪類零件需求量劇增，而且隨著煉鋼和連鑄水平的提高，以軋代鍛的產品比例大大增加，從而對大規格優特鋼棒材的需求量逐漸增加［1］。目前國內已投產或在建的大規格圓棒生產線已近30條，使用原料以連鑄坯為主，受坯料規格的限制，各家產品規格略有不同，但產品規格范圍都比較寬；產品品種雖有所差別，但都以優特鋼為主。此外，圍繞著提高產品質量和降低生產成本，基本都采用連鑄坯熱裝熱送技術、蓄熱式加熱爐、開坯可逆軋制與連續軋制相結合的復合軋制等技術，國內部分生產廠家如表1所示。

從產品規格看，主要集中在Φ50-150mm和Φ80-300mm兩個區間，不同的廠家在此基礎上略有變動，但變化均不太大［2］。另外，經實地考察、理論歸納以及參與設計的RC大圓棒生產線總結來看，上述兩個區間所選擇的坯料型式和軋機配置不盡相同，但車間基本布置形式未發生本質變化。

RC大圓棒生產線工程，采用在主軋跨布置牌坊開坯軋機加無牌坊連軋機組的半連軋方式，軋線設計年產量100萬t，另離線設置兩條年產量分別50萬t及35萬t的精整線，主要鋼種為軸承鋼、齒輪鋼、合金結構鋼、管坯鋼、優碳鋼及錨鏈鋼等，面向汽車、石油、鍋爐及工程等行業。產品規格Ф45～220mm直條圓鋼棒材，定尺長度4～12m，捆重2000～5000kg（直條捆狀交貨），最大軋制速度-5m／s。由于產品規格Φ45～220mm橫跨兩個常用格區間，決定了粗軋中間坯斷面的需求數較多，進而決定了開坯系統所選的孔型數和粗軋輥輥身長度需求量較大，以下從工藝選擇和設備選型兩方面進行簡要的理論探討及實例介紹。

表1 國內部分優特鋼大圓棒企業情況

2 生產工藝選擇

2.1 開坯可逆軋制

開坯可逆軋制一般先經過平軋，然后借助機前或機后翻鋼裝置將軋件沿軸線旋轉90°后進行立軋，接著再平軋，即經過往復平立交替軋制得到不同斷面的方形或矩形中間坯。組合式配輥采用5-7個適合不同料型的箱型孔，按不同料型開孔型，初始設計前幾道次為自由寬展軋制，在推床的橫移定位作用下，軋件進行平移對孔，后幾道次一般在較小孔型中進行束縛寬展軋制。

開坯機特點之一是軋制能力較大，通過精確的孔型設計與合理配輥，可軋制出不同規格的中間坯，以適應不同成品圓鋼的入口料型，利用盡量少的連軋機組配置，生產出規格范圍盡量大的成品圓鋼；另一特點是大壓下量軋制，可有效地破碎粗晶組織和大顆粒夾雜，一定程度上整合軋件內部細小裂紋等內部缺陷，有效改善鋼材內部缺陷狀況。

從軋制角度講，保證產品的內在質量主要是保證產品的壓縮比。不同鋼種最低壓縮比的要求不同，選擇坯料時要考慮滿足壓縮比的要求。RC大圓棒生產線定位軸承鋼、齒輪用鋼等高附加值產品，工藝水平高而且覆蓋面廣，需采用高倍壓縮比來達到產品的使用性能，［3］所用坯料為廠區煉鋼連鑄車間提供的合格圓坯，坯料斷面Ф450mm，生產Ф110mm軸承鋼時壓縮比≥15（作為套圈使用時），生產Ф140mm齒輪鋼時壓縮比≥10。

2.2 連續軋制

保證連軋尺寸的精確性以料型控制優先，通常情況下中間料型要保證有充足的變形余量，充滿度在0.9～0.95間，而成品孔型需保證精確的尺寸，其充滿度在0.98～0.99左右，一般采用微張力動態控制，但軋件頭尾不參與動態控制，而處于自由軋制狀態，因此實際調整時應以尾部尺寸為依據，在更換品種規格、孔型、溫度變化和孔型磨損的情況下，及時根據軋件尾部尺寸，收放料型尺寸；調整的另一關鍵因素是根據料型，及時匹配速度調整，根據每道次料型的平均高度、工作轉速，按比例進行速度補償。

連軋機組最好采用中低溫軋制，軋件由于變形過程中溫度較低，形變后回復速度較慢，使得積累變形量加大，提高了組織中的形核密度，同時終軋后的溫度也較低，使得相變過程較快，晶粒不易長大，故而晶粒度細化，內在質量得以明顯改善。

2.3 緩冷

對中碳以上含Ni、Cr的合金結構鋼、彈簧鋼、軸承鋼等特殊鋼種，當性能要求較高時，需要在鋸切后立即收集成捆并入坑緩冷，入坑溫度≥650℃。對于一般大棒材，都可在步進式冷床上空冷至400℃以上時，進行緩冷，以便避免和消除白點質量缺陷。另外，實踐證明部分鋼種可通過鋼材入坑緩冷消除和避免白點缺陷，以取代真空處理降低生產成本。

用于生產大棒的連鑄熱坯由于斷面較大，在冷卻過程中組織應變產生的應力也大，故對于裂紋敏感性強的鋼種，如不能直接熱裝，則最好進緩冷坑保溫，且至少要堆冷以防產生裂紋。RC大棒生產線爐區在熱坯不便直接裝爐的情況下，可將連鑄熱坯卸下堆放在坯料跨內，為防止個別敏感性鋼種在堆放冷卻過程中出現缺陷，臺架旁設有緩冷坑，每坑容量～150t。

2.4 軋機配置選擇

主軋線工藝流程基本上都是采用粗軋可逆開坯＋連軋的軋制工藝技術，雖然粗軋機規格、連軋機組規格及數量不盡相同，但遵循的工藝設計理念大體相同。RC大棒軋線由粗軋機1架、中軋機6架和精軋機6架，共13架軋機組成。粗軋機采用二輥可逆閉口牌坊軋機，操作靈活，調整方便；二輥可逆粗軋機主傳動電機采用大功率交流變頻調速電機直接通過齒輪箱傳動，連軋機主傳動電機全部采用國產交流變頻調速電機通過復合減速機傳動，維護量小，生產電耗低，在保證軋制能力情況下盡量降低投資。

2.5 裝爐方式及加熱制度

隨著煉鋼及連鑄技術的發展，絕大多數鋼種可實現熱裝熱送，如以前認為不適宜熱裝的彈簧鋼、軸承鋼、高含碳量等，通過生產實踐證明不但能熱裝，而且熱裝的效果比冷裝好，節約能源的同時，表面裂紋還大幅減少，究其原因是避免了冷裝熱應力和相變應力的疊加。此外，對于高碳鋼和高合金鋼，如果冷裝則需緩慢升溫，但總加熱時間過長勢必影響產能，因此成熟的工藝是彈簧鋼、軸承鋼及其它高碳鋼和合金鋼可最大限度地熱裝，與普通鋼種加熱的區別是爐頭溫度要較低，升溫的速度要較慢，高碳鋼在700℃以前要緩慢加熱，軸承鋼連鑄坯要進行高溫擴散加熱，使其枝狀晶內的碳化鉻均勻化。高溫擴散加熱不僅溫度高，而且時間長，才能使碳化鉻充分均勻化，此時加熱爐的小時產量至少降低50%，在加熱爐的設計中，必須充分考慮到生產軸承鋼的特殊需求。

RC大棒軋線通常情況下通過入爐輥道實現連鑄坯熱送熱裝，入爐輥道一側設鋼坯上料兼卸料臺架，另一側還設1座鋼坯保溫爐（預熱爐），當連鑄熱坯暫時有富余時，可將其從爐端托入到預熱爐內進行保溫緩沖，最晚在該爐次輸送結束前，將其托出隨該爐次進入加熱爐。在保溫爐中對坯料輸出時，上游連鑄坯可利用前述鋼坯上料兼卸料臺架卸下暫時堆放。一般冷坯裝爐時，上料臺架的步進機構將坯料單支放到入爐輥道，經輥道輸送到加熱爐實現冷坯裝爐；對于堆冷至室溫的個別敏感性鋼種的冷坯裝爐，如生產軸承鋼或彈簧鋼等鋼種時，為保證高溫擴散時間及小時產能要求，可將其吊至保溫爐（預熱爐）入爐輥道側的上料臺架，步進機構將坯料單支放到入爐輥道，經輥道輸送到保溫爐（預熱爐）實現冷坯裝爐，快速預熱到500～650℃后，單支坯料被托到加熱爐入爐輥道，經輥道輸送到加熱爐實現熱坯裝爐。

3 主要工藝設備選型

3.1 加熱爐

為保證鋼坯加熱均勻性，以連鑄坯為坯料的生產線一般采用步進梁式加熱爐，步進梁多為兩段式。根據優特鋼品種多、鑄坯規格大、加熱工藝差異大的特點，爐膛也進行分段設計，一般為加熱一段（或預熱段）、加熱二段、加熱三段、均熱段，其中加熱一段（或預熱段）為無燒嘴的不供熱段，其它三段為有燒嘴的供熱段。當來料為冷熱坯交換時，第一段步進梁可根據熱坯或冷坯獨立調整步進周期，以穩定加熱工藝操作。

RC大棒軋線設側進側出步進梁式加熱爐1座，爐膛有效寬度8.6m，額定加熱合金鋼能力～180t／h（冷裝），爐內單排布料，采用空氣／高爐煤氣雙蓄熱式加熱技術。爐體使用耐火澆注料整體澆注而成，設有輔助煙道系統，更好地適應合金鋼加熱的需要，加熱爐爐底水管冷卻方式采用汽化冷卻。鋼坯出爐溫度最高～1250℃，采用分段爐溫自動4段控制。由于采用蓄熱式燒嘴，因此全部是側燒嘴，交替燃燒使坯料沿爐寬方向溫度均勻，各段爐溫情況如表2。

表2 步進加熱爐各段溫度表

入爐輥道另一側設步進梁式保溫／預熱爐1座，用于鋼坯預熱或保溫，加熱溫度500℃～65 0℃，采用轉爐煤氣常規燒嘴加熱，爐膛有效寬度8.6m，額定加熱合金鋼能力180t／h（冷裝），支撐梁和立柱采用汽化冷卻。

3.2 高壓水除磷裝置

鋼坯出爐后，可逆軋機前可設置高壓水除鱗裝置，用于除去鋼坯加熱時表面產生的氧化鐵皮。連鑄坯在步進爐中產生的氧化鐵皮不是很厚，高壓水可除去部分氧化鐵皮，往復軋制并多次翻鋼后，破碎的氧化鐵皮可較好地脫落。大規格圓鋼或方坯對表面質量要求不同，因此是否設置高壓水除磷裝置，廠家有不同意見。例如SJZ大棒生產線在爐口和開坯脫頭后設除鱗裝置，XC和DL大棒生產線在開坯前設高壓水除鱗裝置，BG、DY、XT及HY大棒生產線則未設除鱗裝置。［1］

RC大棒軋線在爐口設置高壓水除鱗裝置1套，經噴嘴形成高速水射流沖擊鋼坯表面，高壓水工作壓力～23MPa，除去鋼坯表面的氧化鐵皮，保證產品表面質量，除鱗裝置主要由除鱗環、導向支架和擋水罩組成。除鱗環為環形高壓水管，內側四周設有高壓水噴嘴，噴嘴采用硬質合金材料，噴嘴與鋼坯之間按一定角度布置。

3.3 粗軋可逆軋機、中精軋機組

如表3所示，列舉了國內三家典型優特鋼大圓棒生產線粗軋二輥可逆開坯機的主要性能參數。

表3 國內部分二輥可逆開坯機性能參數

可逆開坯機多為上輥液壓平衡／電動壓下，由1臺大功率交-交變頻低速電機通過速比i＝1.0的齒輪機座傳動上下軋輥。有觀點認為，將傳動電機額定轉速提高，然后中間配置減速機的方式，可將電機采購費用降下來，但也有研究者從工藝、設備、電氣等進行綜合分析計算后認為，電機轉速提高，電機費用可部分降低，但控制系統費用提高、減速機設備費用提高、維護費用也增加，更主要的是速比i＞1.0的傳動系統正轉-反轉時的加速減速性能降低，這對頻繁正反轉的可逆式開坯機是不利的，不同于穩定軋制時間很長的可逆式帶鋼冷軋機。［1］

在大規格圓鋼的軋制中，由于規格大，無法設置活套，因此機架不一定平／立布置。有廠家提出機架立／平布置更好，因為從平輥出圓的精度比立輥要好。日本多家公司、我國的BG及XC采用了立／平布置，而達涅利和波米尼等歐洲公司、我國的HY及DL則采用平／立布置。［1］

RC大棒軋線粗軋機選用閉口牌坊軋機、中精軋軋機選用高剛度無牌坊（短應力線）軋機。中精軋平-立交替布置，立輥軋機采用上傳動。粗軋可逆軋機采用Φ950mm規格，最大軋制速度～4.0m／s，軋機單獨傳動，主電機4500kW，粗中軋之間采用脫頭軋制；中軋機組采用Φ750mm×6規格，平-立交替布置，立輥軋機采用上傳動，每架軋機單獨傳動，主電機800～1100kW；精軋機組采用Φ550mm×6規格，平-立交替布置，立輥軋機采用上傳動，每架軋機單獨傳動，主傳動電機～1000kW。

3.4 液壓剪及飛剪

液壓剪位于連軋區域前，將可逆粗軋后中間坯料不規則的頭部剪掉，如果下游軋機出現故障，切頭剪可將粗軋后的軋件切成短尺甩出，便于回爐軋制。RC大棒軋線液壓剪采用固定、液壓下切式，最大剪切力10000 KN，最大剪切軋件斷面310mm×310mm，最小剪切長度90mm。

中軋機組后飛剪（1＃飛剪）用于剪切軋件的頭部，利于軋件進入精軋機組軋制，也可在此切尾、切倍尺，事故時用以碎斷。RC大棒軋線飛剪采用曲柄連桿、龍門式，啟停工作制。剪切軋件斷面小于Φ150mm，剪切溫度＞900°C，飛剪電機功率400KW×2臺、轉速410～820r／min、帶空水冷卻器風冷。當軋件規格大于Φ130mm時帶飛輪，當軋件規格小于Φ130mm時不帶飛輪。

精軋機組后飛剪（2＃飛剪）用于剪切軋件的頭部和尾部，并將棒材按倍尺長度分段剪切。RC大棒軋線飛剪采用曲柄連桿及回轉組合式，啟停工作制。剪切軋件斷面小于Φ100mm，剪切溫度＞900°C，飛剪電機功率418KW、轉速530～1000r／min、帶空水冷卻器風冷。當軋件規格大于Φ65mm時使用曲柄剪并帶飛輪，當軋件規格小于Φ65mm時使用回轉剪。

3.5 編組臺架

編組臺架位于倍尺飛剪后，將倍尺后的軋件橫移離開精軋中心線，在固定收集臺架上按頭尾順序進行排隊、成組，達到設定的根數后，再由移鋼小車全部托運到鋸切線上，由輸出輥道運送到熱鋸進行定位、鋸切。RC大棒軋線編組臺架采用橫移小車式，臺面寬度66m，長度4.5m（輸入輸出輥道中心線距離），移動棒材的重量10～20t，鏈式移鋼機速度0.2～0.6 m／s。

3.6 金屬熱鋸

大棒材生產線多用圓盤熱鋸進行定尺切割，因坯料長度和鋸切工藝設計的不同，各鋼廠鋸機數量各不相同，一般為3-5臺。例如，HY熱鋸區有3臺熱鋸，其中1＃和3＃為固定式，2＃為移動式，1＃鋸切頭切尾，3臺熱鋸與定尺機配合動作實現倍尺鋸切，鋸片規格Φ2000mm×12mm。作為大棒生產線，不同規格、不同合金含量的鋼種，因導熱系數不同、鋸切溫度不同，軋件冷熱態斷面收縮率和定尺收縮率不同，為確保產品的外形質量符合相應標準，需要技術人員在生產中不斷進行摸索和總結，制定出適合各生產線實際的熱態定尺補償值，以便正確指導操作人員在生產中的尺寸控制。

RC大棒軋線鋸切采用3臺金屬圓盤鋸，其中1＃和2＃為移動式，3＃為固定式，定尺長度4～12m，鋸切溫度700℃～1000℃，鋸切線速度108～120m／s，切頭長度≤200mm。鋸片規格Φ1800／1650mm×10mm，鼠牙型齒形。鋸切機構電機功率355kW，轉速1480r／min，進鋸總行程＞1500mm。

3.7 快過臺架

中碳以上的合金結構鋼，含Ni、Cr的合金結構鋼、彈簧鋼、軸承鋼等需要在鋸切后立即收集成捆，然后裝入緩冷坑中緩冷，入坑溫度≥650℃，緩冷時間視鋼種、規格而定，一般需要32～36小時。

快過臺架用于將定尺棒材從輸送輥道上成組托入、快速過跨橫移，盡量使棒材處于盡可能高的溫度（以保證后續緩冷入坑溫度）落入收集槽進行收集。RC大棒軋線快過臺架采用兩段傳送鏈組成的鏈式橫移式，輸送鏈采用非標耐高溫鏈，鏈條帶有托板，臺面寬度12.5m，長度15.8m（輸入輥道與收集槽中心線距離）。鏈式移送機1＃鏈速度0.1～0.4m／s，2＃鏈速度0.15～0.75m／s，傳動電機功率15kW，變頻調速。

目前國內大棒生產線多不能實現鋼材的全自動機械化快速高溫收集和快速傳輸，基本靠人工收集及倒運，容易造成棒材的表面缺陷及彎曲變形，這是大棒生產線需要繼續改進的一項技術。

3.8 齒條式步進冷床

優質碳素結構鋼、低合金結構鋼一般在步進式冷床上冷卻。齒條式步進冷床用于將需要空冷的直條圓鋼棒材在冷床上進行冷卻和橫移，棒材每向前步進一個周期可轉動一定的角度，從而使棒材保持較高的平直度，減少后部離線精整的矯直工作量。

RC大棒軋線冷床采用齒條步進式，臺面寬度12.5m，長度29.5m（輸入輸出輥道中心線距離），動靜齒節距260mm，凸輪偏心距110mm，靜齒條及動齒條間距1200mm，齒條厚度30mm，冷床傳動主電機AC132kW×2。冷床入口段約4m長區域設置矯直格柵，防止偏小規格的高溫棒材出現彎曲。由于RC大棒軋線產品規格差距較大，為使冷床的動作節奏與軋線生產合理匹配，大中小規格棒材在冷床上冷卻時每個齒內放置的支數可靈活調整。

3.9 熱處理及精整

合金鋼棒材需要進行熱處理和精整，熱處理和精整線可以設在軋線車間內，也可在車間外另設場地。近年的設計多在大規格圓鋼冷床后設若干車底式退火爐，用于對高合金鋼、軸承鋼等高附加值產品，出坑后吊運到退火臺車上進行退火處理，以滿足產品的性能和組織要求，此爐型加熱的均勻性不如輥底式熱處理爐，但靠近冷床區域進行退火材的熱裝，節能效果顯著。［1］

RC大棒軋線熱處理設置了3座車底式退火爐，環境溫度冷裝，～900℃出爐，爐內層排布料，每座裝爐量約200t，每座退火年處理能力約10萬t。爐膛長度方向分3個區，采用沖量式燃燒器，充分利用煙氣余熱，提高加熱的熱效率，煙氣經換熱器、煙道送入煙囪，排入大氣。另外，由于本生產線鋼種復雜且檔次較高，故所有冷床下線、緩冷及退火后的棒材均需進行矯直、矯直→倒棱或矯直→倒棱→探傷處理，部分成品還需全扒皮，故離線設置了2條精整線、2套多磨頭砂輪自動扒皮修磨機及1套改尺帶鋸設備：1）一條精整線配備多輥矯直機及砂輪倒棱機，用于Φ80-220mm棒材的精整；2）另一條精整線配備通過式拋丸機、多輥矯直機、砂輪倒棱機、表面及內部聯合探傷機，用于Φ45-150mm棒材的精整；3）多磨頭砂輪扒皮機用于對需要全修磨的成品進行全扒皮，一次扒皮量通過調節磨頭數量調整；4）對于有局部表面缺陷的棒材，采用人工修磨的方法處理。對于有局部內部缺陷的棒材，采用改尺帶鋸鋸切改尺的方法處理使棒材規格尺寸變化的方法。

4 結束語

RC大棒軋線工程采用國內工程總承包，大部分設備由國內設計和供貨，僅點菜式引進關鍵設備和少量配套件。車間生產工藝和裝備成熟可靠，達到國內領先、國際先進水平，目前該工程已經順利投產，正在達產中。其主要特點如下：

1）采用Φ450mm大斷面圓坯，最小成品規格Φ45mm，產品壓縮比大、組織均勻；

2）產品規格Φ45-220mm范圍大，生產線具有廣泛的適用性；

3）主軋線采用Φ950粗軋二輥可逆式軋機、Φ750／55 0中精軋連軋的半連續軋制技術，可靈活適應多品種、多規格的生產要求；

4）在國內首次使用引進大規格＋輥矯直機進行成品矯直，產量高、運行費用低；

5）采用最先進的表面和內部聯合探傷技術，提高關鍵設備動作可靠性。

［1］李新林，彭兆豐.我國長材軋制技術與裝備的發展［J］.軋鋼，2011（5）：33-40

［2］徐旭東，滕濤.關于大棒材粗軋開坯軋制工藝的研究［C］.第八屆（2011）中國鋼鐵年會論文集.北京：冶金工業出版社，2011

［3］徐旭東.大棒生產工藝研究［C］.第5屆中國金屬學會青年學術年會論文集.北京：中國金屬學會，2010：134～135