適應棒材發(fā)展趨勢的剪機產品技術創(chuàng)新

柯尊鳳

（中冶京誠工程技術有限公司，北京 100176）

1 棒材發(fā)展趨勢分析

棒材產品主要有熱軋鋼筋和合金鋼棒材產品。熱軋鋼筋產品廣泛用于國家基礎設施、房屋、橋梁、道路及水利等建設領域，年消耗量約2億t，市場規(guī)模達萬億元，市場需求旺盛。合金鋼棒材產品廣泛用于各制造領域，例如軸承鋼、齒輪鋼、工具鋼等。

近幾年，由于合金鋼生產線附加值較高，許多鋼企進行結構調整，由普鋼向優(yōu)特鋼轉型的需求旺盛。近年來，隨著國家陸續(xù)發(fā)布了鋼鐵企業(yè)節(jié)能、綠色、清潔生產等政策，頒布了相關國家標準，對提高效率、降低消耗、提升品質有了更嚴格的要求。

為了適應鋼鐵行業(yè)節(jié)能、減排、環(huán)保的要求，鋼材的生產越來越重視先進技術和裝備的使用。因此棒材生產的發(fā)展應在滿足市場需求的同時，不但要關注節(jié)能和環(huán)保，而且要通過先進的工藝、技術和裝備等手段，以期能夠進一步降低生產成本，生產出高質量、高附加值的產品。對于熱軋鋼筋，它的發(fā)展趨勢是高精度、高強度、低消耗、高作業(yè)率和高的成材率；對于合金鋼棒材，它的發(fā)展趨勢是柔性生產模式、高精度和高成材率。

2 高速棒材倍尺飛剪機技術創(chuàng)新

鋼筋的傳統(tǒng)生產方式主要采用多線切分軋制工藝，但在滿足產品尺寸精度，提高成材率、生產效率及降低合金消耗等方面存在不足。切分軋制工藝調整要求高、作業(yè)率低，成品線差大、尺寸精度低，軋件頭尾不齊、成材率低，多線控溫軋制難，合金消耗量大。以上這些問題很難實現(xiàn)鋼筋高品質、高效率、低消耗、低成本生產。

因此，亟需開發(fā)具有生產效率高、產品精度高、綠色化生產的新型棒材工藝技術及裝備，滿足鋼企對熱軋鋼筋生產轉型的需求，提高鋼鐵工業(yè)整體技術水平。

基于上述情況，軋鋼工藝提出采用單線軋制，消除線差的影響，可有效減少軋件非定尺數(shù)量，滿足高精度、高成材率的要求，提高軋制速度與軋制靈活性，實現(xiàn)高作業(yè)率的需求。運用鋼筋組織強化理論，提高控溫軋制水平，實現(xiàn)高強度和低資源消耗的要求。因此單線、高速軋制的柔性化高速棒材生產工藝、裝備和控制系統(tǒng)應運而生，也就是我們俗稱的高棒生產線。

在高棒生產線中，高速倍尺飛剪尤為重要，它的穩(wěn)定運行和倍尺精度，對生產線的作業(yè)率和成材率都起著至關重要的作用。因此中冶京誠工程技術有限公司研制出了世界最高45 m/s穩(wěn)定運行的一整套高速上鋼系統(tǒng)，其中就包含了高速倍尺飛剪，在已投產的新余高棒項目中，精軋機出口設定速度45 m/s，實際軋件速度高達47.2 m/s，成為高棒行業(yè)的新標桿。高速棒材倍尺飛剪的主要技術創(chuàng)新點有：

1）通過對高速棒材軋件倍尺運動規(guī)律的研究，開發(fā)了雙伺服轉轍器高速倍尺飛剪（如下頁圖1所示），解決了軋件倍尺彎尾問題，提高了高速上鋼系統(tǒng)的穩(wěn)定性。雙伺服轉轍器高速倍尺飛剪創(chuàng)造了Φ12mm螺紋鋼穩(wěn)定運行速度達45 m/s的世界紀錄，大幅提高了生產效率（如下頁圖2所示）。

圖1 雙伺服轉轍器高速倍尺飛剪結構

圖2 高棒生產線軋件速度實測值

2）針對柔性化軋制智能控制要求高、高精度控制難度大等問題，結合機器視覺、人工智能、邊緣計算、云計算等先進手段，開發(fā)了基于脈沖當量動態(tài)測量的倍尺剪切控制技術，倍尺精度小于±60 mm，成材率達98%以上。

3 13 MN冷剪機技術創(chuàng)新

目前，在國內以生產螺紋鋼為主的生產線主要考慮剪切生產能力，剪切定尺材普遍采用冷飛剪和冷停剪，冷停剪的定尺精度高于冷飛剪，而日常維護成本低于冷飛剪，因此，近年來冷停剪受到更多螺紋鋼生產用戶的青睞；而以生產優(yōu)質鋼和合金鋼為主的生產線則綜合考慮小規(guī)格生產能力和大規(guī)格剪切斷面質量兩個因素，剪切定尺材通常采用2臺砂輪鋸和1臺冷停剪組成“剪—鋸組合”，既滿足小規(guī)格剪切能力，又充分考慮了大規(guī)格剪切斷面要求。

砂輪鋸鋸切質量非常好，但砂輪消耗快，生產成本過高，棒材生產廠并不十分愿意采用?，F(xiàn)在冷停剪在剪切直徑25 mm以上的圓鋼時，采用帶孔型的剪刃，可有效改善剪切斷面質量。對于中小規(guī)格棒材生產線而言，采用大剪切力的停剪既能滿足生產能力的需求，又能控制剪切斷面質量，不失為低成本高收益的有效手段之一。因此這也成為了大噸位冷停剪占有市場的最大優(yōu)勢。

由于高強螺紋鋼筋的廣泛使用，和上述高棒生產線的大力推廣應用。用于定尺剪切的冷剪機，在小時產量不變的情況下，國內現(xiàn)有的8.5 MN剪切力冷剪機，其剪切效率難以滿足正常的生產節(jié)奏。特別是在短定尺時，定尺冷剪成為軋線上的“瓶頸”。因此迫切需要研發(fā)出更大剪切力的定尺冷剪機。同時還需要解決現(xiàn)有冷剪存在的制動器、離合器傳遞能力不足，剪刃更換裝置抗沖擊性差和剪刃側隙調整結構不合理等諸多技術難題。

在上述背景下，中冶京誠工程技術有限公司開發(fā)出了具有國際先進水平的國內首套13 MN冷剪機，剪刃寬度1 700～2 100 mm，可根據(jù)用戶的需求訂制不同的剪刃寬度冷剪機。其主要技術創(chuàng)新點有：

1）研制出了用于大剪切力剪機的氣路增壓系統(tǒng)。由于國內絕大部分生產線，車間的壓縮空氣出口壓力約為0.7 MPa，而到用戶點則衰減到0.4～0.5 MPa，這個壓力低于冷剪機離合器、制動器氣囊的額定工作壓力0.7 MPa，導致在生產中，離合器和制動器摩擦片打滑，磨損加劇，由于摩擦片中有一部分是膠木材質，磨損嚴重時，產生大量的熱量，出現(xiàn)冒煙甚至著火的現(xiàn)象。根據(jù)這種情況，若將整個車間的空氣壓力提高，則生產線的安全性降低，若配置獨立的空壓站，則受到空間限制，也將使成本增加。因此在冷剪機的氣源管路上增設一套增壓裝置和蓄能器（如圖3所示），起到增壓和穩(wěn)壓的作用，保證了離合器和制動器正常工作，延長了摩擦片的使用壽命。這個增壓裝置可以廣泛應用到需要局部增壓的設備，不需要將整個車間的系統(tǒng)壓力提高，也無需增加獨立的空壓站，既實用也節(jié)約了成本。

圖3 氣路增壓系統(tǒng)

2）開發(fā)了多自由度剪刃更換裝置、自適應剪刃側隙調整機構，解決了相關部件使用壽命過短的難題，減少了備件的消耗，使用壽命提高1倍以上，減少停機時間，提高了冷剪機的作業(yè)率。

3）開發(fā)了一種新型刀座鎖緊機構，縮短了鎖緊機構的更換時間。冷剪機的刀座碟簧鎖緊機構，碟簧共計有一百多片，當?shù)涉i緊力不夠時，需要及時更換，若沿用傳統(tǒng)的碟簧鎖緊機構，則需維護人員在操作空間高度不足半米的環(huán)境下，更換碟簧。更換時間長，勞動強度大，降低了剪機的作業(yè)率。因此，提出了一種整體式的碟簧鎖緊機構，該機構可離線組裝，在線整體更換，降低了勞動強度，提高了剪機作業(yè)率。

4 雙速比強力啟停式飛剪機技術創(chuàng)新

近幾年，高合金棒材年產量大約6 300萬t，而且合金鋼的占比還在逐年提高。隨著市場需求量的增加，企業(yè)從生產合金鋼棒材中獲利頗多，對產品結構由普棒向優(yōu)特鋼轉型的需求也就越來越旺盛，同時為了提高生產效率，降低生產成本，企業(yè)要求在采用連軋生產模式的前提下，單條生產線產品規(guī)格覆蓋范圍盡可能的寬范，要求成品尺寸由Φ40 mm～Φ170 mm不等。這就對新一代飛剪機提出了新的要求，具有更寬的剪切速度范圍（至少＞5倍速度范圍），同時具備更大的剪切力（以Φ170 mm，軸承鋼為例，剪切溫度約850℃，需要的剪切力＞3 MN），此外，由于軋件規(guī)格大，剪切精度和斷面質量對成材率的影響更加顯著，這就需要飛剪具有更高的剪切精度和斷面質量。同時企業(yè)對高效、低成本的追求需要進一步提高剪機作業(yè)率。

在5年前，國內剪切力＞3 MN飛剪機只能依賴進口，國外3.3 MN飛剪機剪切速度0.40～0.65 m/s（高低速比1.6倍），無法滿足多規(guī)格產品柔性生產模式下的剪切需求。

為了適應上述剪切需求，國外采取在同一工藝位置布置“一大一小”2臺曲柄飛剪的方案來滿足剪切力大、剪切速度范圍寬的剪切需求（如圖4所示）。1臺大剪切力飛剪剪切大規(guī)格低速軋件，1臺小剪切力飛剪剪切高速小規(guī)格軋件。這種布置形式存在的弊端有：第一，2臺飛剪使軋線加長、不利于軋件的控溫軋制。第二，對于新建項目，2臺飛剪使設備投資加大，后期設備的運營維護成本增高，第三，對于改造項目，老廠房場地受限，此種布置形式無法實施。因此需要研制1臺飛剪替代上述2臺飛剪機，既能剪切低速大規(guī)格軋件，也能剪切高速小規(guī)格軋件。

圖4“一大一小”2臺飛剪布置形式

在上述背景下，中冶京誠工程技術有限公司開發(fā)出了一種飛剪機，用1臺雙速比的曲柄飛剪機替代上述2臺單一速比的曲柄飛剪機。以此為基礎攻克了多個技術難題，提出了下列的技術創(chuàng)新。

4.1 將雙速比傳動理論引入啟停式飛剪領域

開發(fā)了“0側隙”雙速比傳動系統(tǒng)，解決了單臺飛剪無法同時滿足“低速大斷面”和“高速小規(guī)格”剪切要求的業(yè)界難題，實現(xiàn)了單臺飛剪剪切速度范圍≥5倍的技術創(chuàng)新，填補了國內外雙速比大剪切力飛剪機技術空白。

雙速比傳動由來已久，在軋機領域有所應用，但一直未在飛剪領域應用，其主要原因是由于飛剪的啟停工作制，傳動系統(tǒng)需要正反轉。在飛剪和電機間增加變速系統(tǒng)，將使傳動環(huán)節(jié)增多，系統(tǒng)側隙加大，而飛剪長期處于高溫環(huán)境，若側隙過小，齒輪易發(fā)生“咬死”現(xiàn)象，運轉不靈活。而側隙過大，則飛剪在啟停工作時振動大、抗沖擊性差，設備壽命短。此外側隙過大還會影響剪刃側隙，無法保證剪切斷面質量，當電機正反轉時還將影響剪刃的零位標定，影響剪切精度。因此，如何對各級傳動系統(tǒng)的側隙進行合理分配成為雙速比傳動能否在啟停式飛剪領域取得成功應用的關鍵。

中冶京誠工程技術有限公司在開發(fā)過程中，以齒輪最小側隙理論為基礎，根據(jù)高、低速不同，側隙分級控制，工作環(huán)境溫度不同，側隙分級控制，首創(chuàng)了“0側隙”雙速比傳動系統(tǒng)，與飛剪有機結合，提高了設備的抗沖擊性和剪切精度，延長設備壽命。此傳動理論的成功應用，開拓了一個啟停式飛剪傳動的新局面，對整個冶金行業(yè)的飛剪領域具有深遠的意義。

齒輪最小側隙理論：

式中：a為齒輪副中心距，mm；a1，a2為齒輪、箱體材料的線膨脹系數(shù)，1/℃；△t1，△t2為齒輪、箱體工作時相對于標準溫度的溫差，℃；αn為法向壓力角。

4.2 開發(fā)雙支撐整體緊湊型箱體結構

開發(fā)了雙支撐整體緊湊型箱體結構，剛性高、抗沖擊性好（如圖5所示）。碟簧/斜楔鎖緊，液壓打開的刀座鎖緊機構，鎖緊力穩(wěn)定可靠，保證了剪切斷面質量。剪刃更換裝置能夠實現(xiàn)剪刃快速更換，新的剪刃和刀座固定在一起，可線外提前準備，更換時整體替換舊剪刃和刀座，耗時約20 min，可顯著提高剪機作業(yè)率。

圖5 飛剪本體

4.3 提出一種脈沖當量的測量方法

提出了一種脈沖當量的測量方法，由剪刃閉合信號及熱金屬檢測器實測，通過精確測量脈沖當量數(shù)來計算軋件長度，使剪切精度得以提高。同時開發(fā)一種抗干擾光電隔離脈沖分路裝置，解決了脈沖信號畸變、長距離傳輸易受干擾問題，提高了飛剪控制系統(tǒng)的抗干擾性和穩(wěn)定性。

傳統(tǒng)的軋件測量方法是通過輸入軋輥直徑后計算軋輥周長從而計算出軋件長度，而在實際生產中，軋輥的磨損會使軋輥直徑發(fā)生變化、工藝調整、鋼坯溫度的變化會使軋件滑動率發(fā)生變化，使實際的軋件長度和用傳統(tǒng)方法計算出來的軋件長度不一致，導致飛剪的剪切精度低、成材率不高。

傳統(tǒng)方法：

式中：dW為成品軋機工作輥徑；i為成品軋機減速比；rpp為成品軋機電機編碼器每轉脈沖數(shù)；Lpp為脈沖當量。

同時，在軋鋼車間，調速傳動多，電纜敷設路徑復雜等諸多原因產生的干擾信號都直接導致編碼器計數(shù)的不準確，也會降低飛剪的剪切精度和定位精度。

通過采用中冶京誠工程技術有限公司開發(fā)的這種創(chuàng)新軋件長度測量方法和編碼器信號整形裝置，可使剪刃定位精度達±0.1°，剪切精度實際值可達±20 mm，提高成材率約0.1%（以年產100萬t合金鋼棒材為例，可使成材率提高1 000 t）。

基于雙速比傳動理論，中冶京誠工程技術有限公司開發(fā)了2.5 MN、3.3 MN、4.5 MN三種雙速比啟停式飛剪機系列，剪切代表速度0.40～2.95 m/s，這里的速度是指一個范圍，也就是高低速比。如果低速提高，高速也可再提高。目前已有成功應用的最低速在0.3 m/s（湘鋼、巨能），最高速在3.83 m/s（大冶和萊鋼）。自2015年9月大冶特鋼的雙速比強力啟停式飛剪取得成功應用后，此種機型受到廣大用戶的青睞，其中4.5 MN飛剪遠銷印度太陽旗鋼廠。

中冶京誠工程技術有限公司創(chuàng)新型飛剪，不僅填補了雙速比傳動在飛剪領域的技術空白，引領了飛剪由傳統(tǒng)的單速比傳動向多速比傳動的發(fā)展方向，而且為中國企業(yè)在合金鋼生產領域與國外同類知名公司的競爭中，提供了有利支撐，為“中國制造”走向海外市場，創(chuàng)造了有利條件。

5 結語

隨著節(jié)能環(huán)保理念的不斷深入，中國鋼鐵行業(yè)發(fā)展形勢迫切要求鋼鐵企業(yè)使用節(jié)能降耗新技術，在軋鋼領域主要可通過優(yōu)化工藝、設備改造和產品升級這三個關鍵環(huán)節(jié)來節(jié)能降耗，以不斷的技術創(chuàng)新來實現(xiàn)綠色軋鋼。中冶京誠工程技術有限公司作為“冶金建設國家隊”，理應當仁不讓肩負起這一歷史使命，努力進取，開拓創(chuàng)新，為廣大的鋼鐵企業(yè)提供更優(yōu)的生產工藝，更好的生產設備，更強的技術服務。國產化的設備，也將大大降低鋼鐵企業(yè)的運營成本，可極大程度的利用國內的社會資源。