不銹鋼棒材減定徑機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)分析研究*

張麗英，張 蘊(yùn)，郭翰韜，李 樂，任章帥

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

0 引言

三輥減定徑機(jī)是KOCKS公司最早研制開發(fā)的,由于其具有眾多優(yōu)點(diǎn)，因此不僅在管材、線棒材上廣泛使用，在不銹鋼領(lǐng)域也同樣可以借鑒。某鋼廠新建一條生產(chǎn)線，年產(chǎn)量15萬噸，產(chǎn)品為Φ16 mm～Φ90 mm不銹鋼圓棒，根據(jù)原料鋼坯的工藝參數(shù)與技術(shù)要求制定生產(chǎn)工藝流程。此線的核心在棒材減定徑機(jī)組，減定徑工藝可以達(dá)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(jī)組關(guān)鍵技術(shù)展開分析研究。

1 不銹鋼棒材減定徑機(jī)組機(jī)型分析

1.1 Y型三輥棒材減定徑機(jī)和二輥軋機(jī)的對比分析

Y型三輥棒材減定徑機(jī)與二輥軋機(jī)都具有閉環(huán)控制與低溫軋制這個功能,最低軋制溫度達(dá)到800 ℃以下，可以滿足熱機(jī)軋制的基本要求，軋制件的力學(xué)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(jī)組比二輥軋機(jī)機(jī)械制造成本高,但其在工藝技術(shù)方面明顯優(yōu)于二輥軋機(jī)，操作成本大大降低,具體表現(xiàn)在以下方面：

(1)棒材斷面上均勻變形。三輥減定徑機(jī)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(yīng)力如圖1所示，三輥壓下孔型的有效應(yīng)力導(dǎo)致了棒材從表面至中心的整個斷面上的均勻變形。該特點(diǎn)對于熱機(jī)軋制及生產(chǎn)在整個棒材上晶粒尺寸均勻的產(chǎn)品是非常理想的。而二輥孔型導(dǎo)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(yīng)力分布

(2)寬展小、變形效率高、溫升低。二輥軋機(jī)和三輥軋機(jī)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(jī)架之間的張力等影響，這些參數(shù)的變化會給產(chǎn)品公差和軋件單位長度內(nèi)的體積帶來不利,與二輥軋機(jī)相比，三輥減定徑機(jī)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(jīng)濟(jì)效益，保證了更好更一致的產(chǎn)品公差。

圖2 二輥軋機(jī)與三輥軋機(jī)的寬展和變形效率

(3)實(shí)現(xiàn)自由尺寸軋制。三輥機(jī)組較二輥系統(tǒng)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。“自由定徑”軋制的調(diào)整范圍如圖3所示。采用三輥機(jī)組同一個孔型系統(tǒng)通過輥縫調(diào)整(最大為3 mm)可以軋制直徑的變化范圍為9%的各個規(guī)格的產(chǎn)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(guī)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(guī)格的產(chǎn)品時將導(dǎo)致孔型、軋輥、導(dǎo)衛(wèi)數(shù)量及更換作業(yè)量十分龐大。

圖3 “自由定徑”軋制的調(diào)整范圍

(4)對入口斷面波動的補(bǔ)償。由于顯著地降低了寬展的影響，三輥?zhàn)冃慰梢宰詣拥貙θ肟跀嗝娌▌舆M(jìn)行補(bǔ)償。通過對三輥機(jī)組中三道次軋制前的斷面波動與之后的斷面波動進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，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(jī)產(chǎn)品尺寸公差非常好的原因。而對于二輥軋機(jī)則需要頻繁地測量和調(diào)整以處理由于改變軋制參數(shù)(鋼種、溫度，入口斷面)導(dǎo)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(dǎo)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(zhì)量更好、孔型磨損更小且軋輥成本也更低(軋輥和導(dǎo)衛(wèi)費(fèi)用降低約30%)。

(6)輥環(huán)重量小，機(jī)加工簡單。

從上述描述可以得出這樣的結(jié)論:三輥減定徑機(jī)對于要求以盡可能低的成本生產(chǎn)高質(zhì)量產(chǎn)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(jī)組與傳統(tǒng)三輥軋機(jī)的對比分析

Y型三輥棒材減定徑機(jī)組與傳統(tǒng)三輥軋機(jī)的共同點(diǎn)是單線、軋制無扭、小間隔機(jī)架、機(jī)架之間無活套、縱向張力小(也稱微張控制)、設(shè)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(xù)進(jìn)行十道次軋制,軋件頭部都不會產(chǎn)生劈頭；成品軋件尺寸公差范圍小，表面質(zhì)量好；采用快速更換機(jī)架的緊湊機(jī)組，線上換輥停車時間短。與傳統(tǒng)三輥軋機(jī)相比，此Y型三輥棒材減定徑機(jī)組的特點(diǎn)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(jī)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(jī)架間互呈180°布置構(gòu)建出一個無扭軋制機(jī)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(chǔ)。

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

圖4 傳動軸

(3)此棒材減定徑機(jī)組由于每個機(jī)架由一個主電機(jī)和驅(qū)動系統(tǒng)驅(qū)動,因此可以分別設(shè)置和調(diào)整每個機(jī)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(jìn)行多次重車)。

(4)此棒材減定徑機(jī)組具有機(jī)架快速更換系統(tǒng)，如圖5所示，機(jī)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(tǒng)(圖中未示出),先將裝有舊機(jī)架的更換小車3移到臨時存儲區(qū),隨后移到專用軋輥間,而裝有另一種規(guī)格范圍的新機(jī)架的更換小車4被移到機(jī)組前方；然后軋制線上被推上的新機(jī)架繼續(xù)軋件，更換小車3和更換小車4開到等待位。更換機(jī)架一次大約需要3 min～5 min,不受吊車能否使用的限制。

1-機(jī)架；2-支撐架；3，4-更換小車

1.3 小結(jié)

通過以上的分析，結(jié)合用戶給定的技術(shù)與質(zhì)量要求，考慮市場需求與經(jīng)濟(jì)性，選用Y型三輥減定徑機(jī)。此機(jī)組能按最嚴(yán)格的公差要求在很短時間內(nèi)軋制任何想要的批量、想要的規(guī)格，即實(shí)現(xiàn)“隨機(jī)自由”軋制或“即時生產(chǎn)”軋制。

2 棒材減定徑機(jī)組孔型設(shè)計分析

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

(1)在粗軋、中軋中應(yīng)用單一孔型。原來使用的孔型系統(tǒng)是經(jīng)典的"橢圓形孔-圓形孔",然而三輥孔型序列可以把不連續(xù)的圓形孔連接起來,實(shí)現(xiàn)了粗軋、中軋單一孔型。而且三輥減定徑機(jī)占地面積小,使得軋機(jī)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(diào)整輥縫在同一個孔型中軋制眾多的斷面和規(guī)格成為可能，從而減少了更換孔型/軋輥的次數(shù)及軋制所要求產(chǎn)品組合需要的軋輥和孔型的數(shù)量。這一點(diǎn)與調(diào)整可能性很受局限的兩輥技術(shù)相比非常有利。

圖6 三輥橢圓孔型進(jìn)行孔型調(diào)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(jié)構(gòu)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(yōu)點(diǎn))。精軋孔型(成品前孔和成品孔)槽底部的擴(kuò)張角為30°,三個軋槽圍成的孔型幾乎是圓形的(任何成品規(guī)格必須確保有兩個或更多個精加工孔型)。

(4)棒材減定徑機(jī)組主要是對圓形進(jìn)料進(jìn)行減定徑，此時該機(jī)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(jī)軋制狀態(tài)下,無論是減徑還是定徑,都是為了滿足再結(jié)晶對變形量的要求,總變形率提高到20%～50%。因此,由于設(shè)備性能的限制,每個規(guī)格區(qū)間的最大總變形率隨成品直徑的增加而減小。在每個規(guī)格組距中,每個道次的最大變形率是在機(jī)架2,其次是機(jī)架3、機(jī)架1和機(jī)架4最小。

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

3 減定徑機(jī)組最終成品精度

使用該生產(chǎn)線最終成品精度與國標(biāo)GB/T702—2008對照結(jié)果如表1所示。

表1 最終成品精度 mm

4 結(jié)語

(1)不銹鋼棒材三輥減定徑機(jī)具有機(jī)械性能好、產(chǎn)品尺寸精度和表面質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)，使得前期加工成本與后期處理成本降低。該機(jī)能夠軋制各種金屬,自由規(guī)格軋制且無時長限制,是棒材精軋機(jī)的理想選擇,且易于操作、靈活性更大,經(jīng)濟(jì)性得到較大期望值。

(2)棒材減定徑機(jī)組孔型結(jié)構(gòu)設(shè)計使該生產(chǎn)線能夠進(jìn)行大范圍的產(chǎn)品尺寸調(diào)節(jié),并且從棒材的唯一的入口橫截面可以生產(chǎn)出大范圍的成品棒材尺寸。