優(yōu)特鋼線棒材減定徑技術(shù)的進步與展望

馬靳江　白亞斌　牛強　周民

0 引言

隨著我國由鋼鐵大國向鋼鐵強國的轉(zhuǎn)變，優(yōu)特鋼線棒材的市場需求及產(chǎn)量也得到明顯提高，至2022年底，工業(yè)線材產(chǎn)量達到約4 000萬t/a， 優(yōu)質(zhì)棒材產(chǎn)量也達到約8 000萬t/a， 高等級優(yōu)特鋼線棒材產(chǎn)量及質(zhì)量都得到了較快提升，逐步替代了大量的進口產(chǎn)品。線棒材減定徑機組是優(yōu)特鋼線棒材產(chǎn)線的最關(guān)鍵機組，它可實現(xiàn)對線棒材尺寸精度及表面質(zhì)量的控制，從而滿足高品質(zhì)線棒材的生產(chǎn)要求。過去，我國線棒材減定徑機組長期依賴進口歐美設(shè)備，投資高、備件昂貴、交貨期長，同時受國際局勢變化的影響較大。隨著近年我國冶金裝備技術(shù)的進步，線棒材減定徑技術(shù)也取得了快速進步。本文介紹了國內(nèi)外線材減定徑技術(shù)及棒材減定徑技術(shù)的應(yīng)用實踐及未來發(fā)展趨勢。

1 高速線材減定徑技術(shù)

對于優(yōu)特鋼線材的生產(chǎn)，在精軋機組后增設(shè)減定徑機組，即將傳統(tǒng)的10機架精軋機組改為8機架精軋機組+4機架減定徑機組，減少了精軋機組線材變形導(dǎo)致的急劇溫升，結(jié)合前后閉環(huán)水冷系統(tǒng)，可以控制軋件心表溫差；通過前2機架減徑機大壓下軋制，可以控制軋件心表組織均勻性；通過后2機架定徑機小壓下軋制，可以控制軋件尺寸精度，最終實現(xiàn)低溫高速控溫軋制，確保產(chǎn)品的力學(xué)性能及尺寸精度。基于此，摩根（普瑞特）、達涅利、西馬克各公司進行了線材減定徑機組的開發(fā)，并在大量生產(chǎn)線上得到應(yīng)用。近幾年，國內(nèi)的中冶賽迪、中冶京誠、哈飛、漢威廣園、中鋼設(shè)備等公司也相繼開展了該技術(shù)的研發(fā)及工程應(yīng)用。根據(jù)線材減定徑機組傳動形式的不同，主要可分為集中傳動式、雙模塊式（一拖二式）及獨立傳動式，各類機型的主要技術(shù)參數(shù)對比如表1所示。

1.1 集中傳動式線材減定徑機組

4機架集中傳動式線材減定徑機組RSM（Reducing and Sizing Mill），由摩根公司（現(xiàn)屬于普瑞特）于1993年開發(fā)成功，如圖1所示。其由4架V型頂交懸臂式軋機組成，前2架為減徑機，后2架為定徑機，4機架采用橢-圓-圓-圓孔型系統(tǒng)，通過前2架大壓下減徑及后2架小變形定徑，實現(xiàn)了高精度產(chǎn)品的生產(chǎn)。集中傳動式減定徑機組由1臺交流電機通過1套組合齒輪箱驅(qū)動2架φ230 mm減徑機和2架φ150 mm定徑機。其組合變速箱設(shè)有9個離合器，軋制不同規(guī)格線材產(chǎn)品時，變換9個離合器位置獲得不同的速度比，以滿足不同速度要求，再通過合理的孔型設(shè)計及輥縫設(shè)定，確保減定徑機組內(nèi)實現(xiàn)微張力軋制，從而實現(xiàn)高速線材高精度軋制。230型減徑機最大軋制力為330 kN，定徑機最大軋制力為130 kN，最大設(shè)計速度為140 m/s， 保證軋制速度為112～115 m/s。為滿足高速軋制要求，定徑機采用緊湊式設(shè)計，2架定徑機中心間距只有150 mm， 在2架定徑機間安裝很小的三角形靜態(tài)導(dǎo)衛(wèi)，既可減少堆鋼危險，又可避免因使用滾動導(dǎo)衛(wèi)造成導(dǎo)輥軸承損壞而導(dǎo)致的停機事故。為保證軋制精度，定徑機設(shè)有輥軸軸向調(diào)整機構(gòu)和液壓平衡裝置，可在線調(diào)整軋制線。國內(nèi)的寶鋼、武鋼、青鋼、杭鋼、安陽鋼鐵、貴鋼、永鋼、漢鋼、石橫特鋼等公司高速線材廠均采用了該技術(shù)。

1.2 雙模塊式線材減定徑機組

達涅利公司推出了雙模塊減定徑機組TMB （Twin Module Block），如圖2（a）所示。雙模塊減定徑機組將4道次集中傳動改為2個模塊分別傳動，每個模塊2道次。其核心技術(shù)是把2架V型輥箱合并為1個模塊，并采用橢圓-圓-橢圓-圓孔型系統(tǒng)。為滿足高速度、高精度的要求，雙模塊軋機被分為重型模塊和輕型模塊。前一個模塊為重型模塊，適宜重載，其輥箱與精軋機的輥箱完全一致且可以互換；后一個模塊為輕型模塊，適宜高速高精度，其輥箱與重型模塊的輥箱外形尺寸有所不同，不能互換使用。TMB機組由2個電機分別驅(qū)動2個變速箱，再由變速箱驅(qū)動2個模塊軋機，采用電氣聯(lián)鎖實現(xiàn)雙模塊軋機的軋制速度匹配。變速箱為單輸入軸雙輸出軸，在輸入軸和其中一根輸出軸上裝有離合器，通過離合器操作桿變換兩個不同的工作位置，得到不同的傳動比，TMB機組共分為64種檔位組合，可以滿足不同產(chǎn)品所需的軋制速度。變速箱雙輸出軸通過快速聯(lián)軸器直接與雙模塊錐箱的輸入軸聯(lián)接。國內(nèi)的新疆八鋼、鞍鋼、青鋼、興澄特鋼、攀長鋼、韶鋼等公司高線廠采用了該技術(shù)。

中冶賽迪基于獨立傳動理念開發(fā)了SRSCD線材減定徑機組，如圖2（b）所示，其減徑機與定徑機分別采用2個獨立模塊和2個單獨的變速箱傳動，實現(xiàn)了16種檔位組合以及0.102 3～0.516 3的速比調(diào)整范圍，可滿足φ4.5～φ26.0 mm范圍內(nèi)所有規(guī)格產(chǎn)品的軋制速度，軋制力以及軋機間穩(wěn)定微張力的要求，實現(xiàn)了高速線材產(chǎn)品的低溫大壓下及高速高精度軋制。基于靈活的設(shè)計，2架減徑模塊與2架定徑模塊可分別單獨使用或組合使用，滿足了不同產(chǎn)品的軋制需求。

基于獨立傳動設(shè)計理念，SRSCD減定徑機組變速箱速比檔位數(shù)量精簡，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單緊湊，并采用了底座回油的技術(shù)方案，使得變速箱整體剛度提升約50%，有利于保證高速運行時的穩(wěn)定性。減徑機變速箱與定徑機變速箱分別采用2臺伺服電機驅(qū)動換擋，換擋靈活，控制簡單可靠，主要技術(shù)特點如下：

（1）2架減徑機和2架定徑機分別驅(qū)動，可滿足不同品種的軋制工藝需求；

（2）對高速區(qū)可實現(xiàn)8+4、8+2、10+4、10+2、6+4等軋機自由組合，可滿足不同產(chǎn)品對高速區(qū)軋制工藝的不同需求；

（3）各種介質(zhì)及電氣接頭采用快換連接，軋機更換方便快捷；

（4）雙電機驅(qū)動，離合器少、變速箱結(jié)構(gòu)簡單，控制簡單可靠；

（5）變速箱16種速比配合雙電機速度可調(diào)，可實現(xiàn)多種速比；

（6）定徑機機架間距小，緊湊式布置，采用滑動式導(dǎo)衛(wèi)；

（7）輥環(huán)更換時間短；

（8）輥環(huán)消耗減少（兩兩更換即可）；

（9）設(shè)備質(zhì)量輕，投資低，維護便捷。

中冶賽迪SRSCD線材減定徑機組的2架減徑機已應(yīng)用于寧夏建龍、寶武天鋼等生產(chǎn)線，2架定徑機已應(yīng)用于江蘇亞盛不銹鋼線材產(chǎn)線，而完整的雙模塊式4架減定徑機組應(yīng)用于臺灣燁興不銹鋼高線產(chǎn)線。另外，國內(nèi)中冶京誠、哈飛、漢威廣園等公司也相繼開展了雙模塊線材減定徑機組的開發(fā)，并得到了工程化應(yīng)用。

1.3 單獨傳動式線材減定徑機組

自2009年1月西馬克在巴西SINOBRAS投用了10架平立交替布置的獨立傳動線材精軋機以來，單獨傳動線材精軋機及減定徑技術(shù)得到了快速發(fā)展。西馬克推出了單獨傳動的柔性減定徑機組FRS （Flexible Reducing/Sizing）。一套FRS設(shè)備配備4個帶變速箱的機架，每個變速箱滿足相應(yīng)機架設(shè)置的速度范圍，取消了因改變機架之間壓下比而使用的減速機，并采用電子減速機使得FRS的電機相互調(diào)節(jié)控制，實現(xiàn)了機架間的控制與匹配。基于MEER-drive傳動技術(shù)的獨立傳動精軋機和減定徑在國外取得了一些應(yīng)用，速度突破了110 m/s， 且2014年在國內(nèi)福建吳航不銹鋼線材產(chǎn)線投用。除此之外，達涅利公司也推出了單獨傳動式線材減定徑機組，在云南仙福鋼鐵公司投用了3架單獨傳動線材減定徑機組，在青鋼、永鋒臨港、重鋼等投用了4架單獨傳動減定徑機組，如圖3（a）所示，穩(wěn)定軋制速度達到110 m/s以上。摩根公司在其已成熟應(yīng)用的一拖二的2架MINI精軋機基礎(chǔ)上推出并應(yīng)用了單獨傳動的2架MINI精軋機，亦可稱為單獨傳動的2架減徑機。

國內(nèi)中冶賽迪在雙模塊線材減定徑機組的基礎(chǔ)上，基于獨立傳動理念也開發(fā)了獨立傳動線材減定徑機組，如圖3（b）所示，其減徑機組經(jīng)聯(lián)合齒輪箱，由2臺1 500～2 500 kW的電機分別驅(qū)動，定徑機組則由1臺800～1 600 kW的電機集中傳動或2臺500～1 000 kW的電機單獨傳動，該獨立傳動式線材減定徑機組已經(jīng)成功應(yīng)用于四川盛泉等企業(yè)，軋制速度達110 m/s。

除此之外，國內(nèi)中冶京誠、哈飛、中鋼設(shè)備等公司也分別研制并應(yīng)用了獨立傳動式高速線材減定徑機組，這些高線軋機裝備技術(shù)的研發(fā)及應(yīng)用，極大促進了我國冶金行業(yè)高速軋制技術(shù)的

進步。

2 棒材減定徑技術(shù)

對于優(yōu)特鋼棒材生產(chǎn)，采用棒材減定徑技術(shù)，結(jié)合前后控制冷卻可實現(xiàn)熱機軋制和高精度軋制，從而提高棒材產(chǎn)品尺寸精度及通條均勻性，改善產(chǎn)品組織性能，降低后續(xù)加工及處理成本。對于建筑用棒材，采用棒材減徑技術(shù)可進行低溫大壓下軋制，實現(xiàn)高強度細晶粒鋼筋的低成本生產(chǎn)。棒材減定徑技術(shù)是適應(yīng)現(xiàn)在及將來高品質(zhì)棒材市場要求的解決方案，是使棒材生產(chǎn)企業(yè)長期保持產(chǎn)品競爭力的經(jīng)濟性解決方案。根據(jù)軋件變形方式的不同，棒材減定徑機組主要分為二輥減定徑機型、三輥減定徑機型及四輥減定徑機型，二輥及三輥減定徑機型的技術(shù)參數(shù)對比如表2所示。

2.1 三輥減定徑機組

三輥棒材減定徑機組是由考克斯公司率先研發(fā)成功，目前以考克斯的RSB（Reducing & Sizing Block）三輥棒材減定徑機組（圖4（a））及西馬克的PSM（Precision Sizing mill）三輥棒材減定徑機組為主。RSB三輥棒材減定徑機組一般為4機架或5機架軋機緊湊布置，每架軋機分別由1 臺主電機及傳動系統(tǒng)單獨驅(qū)動，每架軋機均由3個輥環(huán)組成，呈120°均布，分別通過C型傳動框進行連接，前后2機架輥環(huán)呈正Y與倒Y布置。各機架可以分別通過偏心套進行輥縫調(diào)整，還可以實現(xiàn)遠程輥縫調(diào)整。

RSB三輥棒材減定徑機組技術(shù)主要特點如下：

（1）軋制時軋件斷面為三向壓縮，變形均勻，產(chǎn)品力學(xué)性能均勻，尺寸精度高；

（2）可以實現(xiàn)更寬泛的“自由尺寸”軋制，軋制靈活性高；

（3）機架間距小，機架間無需配置活套，采用微張力軋制；

（4）采用在線換輥小車對機組進行整體快速換輥，線下進行換輥調(diào)整，換輥時間短。

西馬克PSM三輥棒材減定徑機組除了具有上述特點外，還可以通過液壓控制實現(xiàn)實時帶載調(diào)整輥縫的功能。在產(chǎn)品規(guī)格方面，考克斯500++三輥減定徑機組的最大軋制成品棒材達φ160 mm， 已在國內(nèi)的大冶特鋼、石鋼、萊鋼等產(chǎn)線使用。國內(nèi)易尚天交、中冶賽迪等已開發(fā)出三輥棒材減定徑機組，其中易尚天交的ESTK三輥減定徑機組如圖4（b）所示。

2.2 二輥減定徑機組

二輥棒材減定徑機組以奧鋼聯(lián)波米尼的PSG（Precision Sizing Group）機組為代表，該機組由3架平-立-平交替布置的軋機組成，減定徑機本體由2個閉環(huán)牌坊框架組合而成，預(yù)應(yīng)力由軸承座和牌坊承受，而設(shè)備的其他零部件不承受預(yù)應(yīng)力，每個機架由電機單獨驅(qū)動。二輥減定徑機組對軋件尺寸精度、變形效率方面的控制效果較三輥減定徑機組要差些，但其設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)備費用較低，與傳統(tǒng)短應(yīng)力軋機相比剛度更高，可滿足大部分優(yōu)質(zhì)棒材生產(chǎn)的要求。相對三輥減定徑機組僅適合于單根棒材軋制來說，二輥減定徑機組可兼顧單根和多根棒材的軋制，且可軋制扁鋼和帶肋鋼筋（空過定徑機），配合前后控溫裝置，可實現(xiàn)圓鋼、扁鋼及帶肋鋼筋的熱機軋制，該機型在國內(nèi)外也得到較為廣泛的應(yīng)用，如國內(nèi)的首鋼棒材產(chǎn)線、石鋼老區(qū)小棒產(chǎn)線、攀長鋼棒材產(chǎn)線、青鋼扁鋼產(chǎn)線等。

摩根公司在1983年開發(fā)并應(yīng)用了二輥棒材減定徑機組，主要有3架棒材泰克森定徑機BTM（Bar Tekisun Mill）和4架棒材減定徑機BRSM（Bar Reducing and Sizing Mill），采用了緊湊式結(jié)構(gòu)設(shè)計和整體快速更換技術(shù)。例如其3架BTM360的末架與前一架間的距離僅約376 mm， 以保證良好的定徑軋制效果。因軋機間距非常緊湊，為了便于立式軋機的快速更換，部分產(chǎn)線的立式軋機采用了下傳動方式，但此時位于地下或平臺下的立式軋機傳動機構(gòu)維護檢修不方便。這種二輥棒材減定徑機組主要應(yīng)用于國內(nèi)外的一些大盤卷和優(yōu)特鋼小型棒材生產(chǎn)線上，如國內(nèi)的沙鋼（如圖5）、南昌長力、山西新泰、浙江元立等大盤卷或小型棒材產(chǎn)線。

近幾年，國內(nèi)也開發(fā)并應(yīng)用了二輥棒材減定徑機組，如中冶賽迪的預(yù)應(yīng)力式二輥棒材減定徑機組在印度AARTI特殊鋼棒材、永洋特鋼中棒等產(chǎn)線實現(xiàn)了工程化應(yīng)用，中冶華天的二輥棒材減定徑機組也在馬鋼特鋼小棒產(chǎn)線投用。

2.3 四輥減定徑機組

四輥減定徑機組最早由日本川崎開發(fā)，但由于技術(shù)成熟度不足，設(shè)備結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，操作維護困難，其產(chǎn)品質(zhì)量與三輥減定徑產(chǎn)品質(zhì)量相比，尺寸精度和力學(xué)性能并沒有明顯提高。因此在國內(nèi)外并未得到快速發(fā)展和應(yīng)用。

2001年邢鋼二高線引進了奧鋼聯(lián)的PRS（Precise Rolling System）四輥精密軋機機組，采用該項技術(shù)，理論設(shè)計精度可以達到±0.1 mm， 橢圓度0.15 mm。這種四輥機架采用萬能箱（4個成90°角布置的軋輥），軋輥之間加有預(yù)應(yīng)力，形成一個閉合的孔型。

近幾年，達涅利公司在三輥減定徑機組基礎(chǔ)上，結(jié)合二輥減定徑機組軋件變形特點，開發(fā)出四輥減定徑技術(shù)，該技術(shù)由減徑和高精定徑模塊DSD（Draw Sizing Danieli）組成，前2個道次由高速二輥機架組成（平、立交替布置），用于減徑軋制；后2個道次由四輥機架組成（為+、×形式布置），用于定徑軋制。二輥軋機設(shè)計考慮相對較少的來料規(guī)格，且確保大壓下量；四輥軋機設(shè)計考慮高精度軋制，與二輥減定徑和三輥減定徑技術(shù)相比，具有更高的自由定徑能力和更均勻的軋制力分布，在高精定徑狀態(tài)下產(chǎn)品尺寸公差的一致性更好，產(chǎn)品公差可達到1/6～1/8 DIN，可滿足更高精度、高附加值熱軋棒材產(chǎn)品的生產(chǎn)，該機型已在國內(nèi)的山東巨能特鋼公司棒材產(chǎn)線應(yīng)用。

3 線棒材減定徑技術(shù)發(fā)展趨勢展望

3.1 高速化

隨著鋼鐵企業(yè)用戶對產(chǎn)線生產(chǎn)效率要求的不斷提高，線棒材減定徑機組向高速化的方向發(fā)展。在高速線材減定徑方面，達涅利的高速線材減定徑機組在中天南通高線軋制φ8 mm帶肋鋼筋的速度達到了119.8 m/s， 創(chuàng)造了國內(nèi)軋制帶肋鋼筋盤條速度的新紀錄。在棒材減定徑方面，西馬克及考克斯均已開發(fā)出最高軋制速度達42 m/s、成品規(guī)格φ10～φ50 mm的高速三輥減定徑機組，采用這種機型可兼顧生產(chǎn)中大規(guī)格線材、大盤卷及優(yōu)特鋼中小規(guī)格棒材，在保證產(chǎn)量的情況下滿足了下游用戶對全規(guī)格優(yōu)質(zhì)盤卷的性能及尺寸精度要求。其中，西馬克的全新高速三輥PSM機組于2022年在中天鋼鐵公司八軋五高線投用，取得了不錯的效果。在以上方面，國內(nèi)自主化的線棒材減定徑技術(shù)與其還存在一些差距，特別是在高速三輥減定徑機組方面還需要加快研究開發(fā)。

3.2 高精度化

隨著下游用戶對線棒材產(chǎn)品尺寸精度要求的不斷提高，減定徑技術(shù)向著高精度化方向發(fā)展。在線材減定徑方面，普瑞特和達涅利線材減定徑機組所生產(chǎn)的線材產(chǎn)品尺寸精度最高已達±0.05 mm， 而采用了中冶賽迪150定徑機組的江蘇亞盛公司不銹鋼線材產(chǎn)品尺寸精度也已達±0.05 mm， 且長期穩(wěn)定生產(chǎn)時的線材尺寸精度可保持在±0.07 mm左右。對于棒材產(chǎn)品而言，通過棒材減定徑機組的軋制，棒材產(chǎn)品尺寸精度已由二輥減定徑機組的1/4 DIN、三輥減定徑機組的1/5～1/6 DIN提高到四輥減定徑機組的1/6～1/8 DIN。

線棒材產(chǎn)品尺寸精度的提高，給下游客戶的精整、熱處理、機加工等工序提供了良好原材料，大幅促進了高端制造業(yè)的發(fā)展。同時，下游用戶對線棒材尺寸精度要求的不斷提高也促進了線棒材減定徑技術(shù)的迭代升級。目前，國產(chǎn)線棒材減定徑機組生產(chǎn)的產(chǎn)品尺寸精度已與進口設(shè)備十分接近，但結(jié)構(gòu)形式依然沒有根本性的革新，在后續(xù)的進步中需繼續(xù)深入研究減定徑的基本工藝原理及其機械結(jié)構(gòu)，結(jié)合智能化、數(shù)字化等方面的多學(xué)科知識，進行跨學(xué)科創(chuàng)新融合開發(fā)，實現(xiàn)超越。

3.3 智能化

優(yōu)特鋼線棒材生產(chǎn)除了追求高速化、高精度化之外，其追求的關(guān)鍵目標其實是不斷提升產(chǎn)品質(zhì)量及其穩(wěn)定性。隨著下游用戶對優(yōu)特鋼線棒材熱軋產(chǎn)品尺寸精度、組織性能需求的進一步提升，以及信息技術(shù)的快速進步，智能化是線棒材減定徑技術(shù)的重要發(fā)展方向，主要體現(xiàn)在兩大方面：一是實現(xiàn)在線智能監(jiān)測及其控制，如線材減定徑的油膜軸承溫度檢測、振動檢測、故障診斷、輥縫帶載及離線自動調(diào)整、微張力檢測及其控制優(yōu)化等，近年高速軋制設(shè)備基本都標配了在線智能監(jiān)測系統(tǒng)；二是開發(fā)配套減定徑技術(shù)的智能專家系統(tǒng)，把全線關(guān)鍵工藝參數(shù)等聚焦到線棒材軋線最核心的減定徑區(qū)，圍繞減定徑區(qū)的軋制溫度、軋制速度、變形制度等形成一套能自學(xué)習(xí)和自適應(yīng)調(diào)節(jié)的系統(tǒng)，為保證產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性、新產(chǎn)品開發(fā)的高效性等提供支撐，實現(xiàn)全無人智能生產(chǎn)，如中冶賽迪和寶鋼股份高線聯(lián)合開發(fā)的線材減定徑專用軋制計算系統(tǒng)，為提高寶鋼股份高線減定徑生產(chǎn)工藝穩(wěn)定性提供了良好的技術(shù)手段。

4 結(jié)語

優(yōu)質(zhì)的軋制裝備主要圍繞提高鋼材品質(zhì)、提高生產(chǎn)效率、提高智能化、提高裝備穩(wěn)定性、延長消耗件使用壽命等方面進行革新進步，對于優(yōu)特鋼線棒材產(chǎn)線而言，絕大部分軋制裝備已實現(xiàn)了我國自主設(shè)計制造，絕大部分技術(shù)指標也達到了與進口設(shè)備相當?shù)乃剑貏e是近幾年在線棒材減定徑裝備技術(shù)的國產(chǎn)化和自主化方面取得了很大進步，但在設(shè)備穩(wěn)定性、裝備創(chuàng)新性、最高穩(wěn)定運行指標方面還存在差距，因此需要加快推進關(guān)鍵裝備技術(shù)的自主化，盡快實現(xiàn)比肩世界一流水平。

本文摘自《軋鋼》2023年第40卷第2期