鞍鋼Φ6.5 mm線材柔性軋制生產(chǎn)技術(shù)研究與應(yīng)用

張歡，劉磊剛，尚俊男，安繪竹，李建龍，李凱

（1.鞍鋼股份有限公司線材廠，遼寧 鞍山 114042；2.鞍鋼集團(tuán)鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114009；3.鞍鋼股份有限公司制造管理部，遼寧 鞍山 114021）

鞍鋼股份有限公司線材廠 （以下簡(jiǎn)稱 “線材廠”）2#線于2010年投產(chǎn)，設(shè)計(jì)產(chǎn)能60萬(wàn)t，產(chǎn)品規(guī)格為Φ5.0～Φ25.0 mm，每月?lián)Q規(guī)格達(dá)40余次，受工藝路徑、生產(chǎn)組織、品種結(jié)構(gòu)和設(shè)備維修的影響，嚴(yán)重降低了軋機(jī)的有效作業(yè)率。因此有必要研究各規(guī)格產(chǎn)品的不同軋制工藝路徑，找出最佳工藝路徑和最優(yōu)的生產(chǎn)組織方式。從鞍鋼線材產(chǎn)品結(jié)構(gòu)比例來(lái)看，Φ6.5 mm規(guī)格占比大約35%，也是各高速線材廠都具有穩(wěn)定生產(chǎn)能力的規(guī)格，因此，本文對(duì)Φ6.5 mm產(chǎn)品規(guī)格工藝路徑進(jìn)行研究。

1 工藝設(shè)備概況

線材廠2#線有1座140 t/h步進(jìn)梁式加熱爐、32架軋機(jī)、卷心架集掛卷系統(tǒng)以及與之相配套的飛剪、夾送輥、吐絲機(jī)、PF線等。線材廠2#線工藝流程示意圖如圖1所示。

圖1 2#線工藝流程示意圖Fig.1 Schematic Diagram for Process Flow of Line 2#

32架軋機(jī)中，1架至精軋28架共用一套孔型，粗中軋和精軋孔型共用有助于提高作業(yè)效率。原設(shè)計(jì)中各規(guī)格產(chǎn)品都經(jīng)過(guò)雙模塊4架軋機(jī)生產(chǎn)，根據(jù)各規(guī)格減定徑延伸系數(shù)變化選擇不同的檔位組合。

各機(jī)架受孔型以及機(jī)械傳動(dòng)比限制，尺寸控制范圍具體如下：

（1）預(yù)精軋1組18#軋機(jī)的出鐵產(chǎn)品規(guī)格為Φ20.5～Φ22.0 mm；

（2）預(yù)精軋2組20#軋機(jī)的出鐵產(chǎn)品規(guī)格為Φ16.5～Φ17.3 mm；

（3）精軋28#軋機(jī)的出鐵產(chǎn)品規(guī)格為Φ6.6～Φ7.2 mm。

2 生產(chǎn)存在的問(wèn)題

（1）單線生產(chǎn)時(shí)，如果是某架軋機(jī)出現(xiàn)故障，整條線都得停產(chǎn)；

（2）換規(guī)格頻繁，生產(chǎn)組織效率低，如Φ5.5 mm換Φ6.5 mm需要換精軋全線軋輥；精軋至雙模塊導(dǎo)衛(wèi)備件由于Φ12 mm內(nèi)孔換為Φ18 mm內(nèi)孔，勞動(dòng)強(qiáng)度大，工作量大；

（3）軋制規(guī)格范圍廣，設(shè)計(jì)規(guī)格為Φ5.0～Φ25.0 mm，精軋產(chǎn)品有Φ5.5 mm、Φ6.5 mm、Φ7.0 mm系列，Φ8.0～Φ11.0 mm系列，雙模塊各規(guī)格都有不同的孔型系統(tǒng)，軋輥貯備量大；

（4）產(chǎn)線32架軋機(jī)裝機(jī)容量大，電耗大，浪費(fèi)多。其中，預(yù)精軋2個(gè)機(jī)組的額定功率為2 200 kW；精軋機(jī)組的額定功率為6 800 kW；雙模塊包含2個(gè)機(jī)組，分別由2臺(tái)電機(jī)帶動(dòng)，雙模塊1的額定功率為3 600 kW，雙模塊2的額定功率為1 200 kW。

3 Φ6.5 mm線材柔性軋制可行性研究

柔性軋制技術(shù)是指能夠使軋制過(guò)程具有較大靈活性和適應(yīng)性的軋制技術(shù)，本文主要是通過(guò)挪軋機(jī)采用不同的工藝路徑實(shí)現(xiàn)線材柔性軋制。初始Φ6.5 mm設(shè)計(jì)工藝路徑為粗中軋 （1#～14#）、預(yù)精軋 1 組（15#～18#）、預(yù)精軋 2 組（19#～20#）、精軋機(jī)組（21#～26#）、雙模塊 1（29#～30#）和雙模塊 2（31#～32#），精軋 27#和 28#空過(guò)，一共 30道次。

3.1 軋機(jī)布置優(yōu)化可行性

單線生產(chǎn)的問(wèn)題是某架軋機(jī)出現(xiàn)故障，整條線都得停產(chǎn)，線材廠2#線高速段由1臺(tái)電機(jī)單獨(dú)傳動(dòng)機(jī)組包括預(yù)精軋2組 （2架）、精軋機(jī)組（8架）、雙模塊 1（2 架）、雙模塊 2（2 架）。 因此，存在甩機(jī)組（挪軋機(jī)）的可行性，研究各規(guī)格柔性軋制技術(shù)非常重要。

3.2 傳動(dòng)比和延伸系數(shù)對(duì)比分析

預(yù)精軋和精軋各架次傳動(dòng)比見(jiàn)表1，其中19#和20#機(jī)械延伸系數(shù)為1.260，27#和28#機(jī)械延伸系數(shù)為1.248，雙模塊機(jī)組的各架次傳動(dòng)比見(jiàn)表2，其中，雙模塊1AH～DH檔位延伸系數(shù)為1.154～1.302。

表1 預(yù)精軋和精軋機(jī)組各架次傳動(dòng)比Table 1 Transmission Ratios for Each Stand of Pre-finishing and Finishing Mill Units

表2 減定徑（雙模塊機(jī)組）傳動(dòng)比組合Table 2 Combination of Transmission Ratios for Tube-sizing and Tube-reducing （Double-module Mill Unit）

綜上軋機(jī)布置和傳動(dòng)比對(duì)比，通過(guò)挪架次可以實(shí)現(xiàn)軋機(jī)空過(guò)，存在兩種空過(guò)軋機(jī)的方案，表3為三種工藝具體方案：

表3 Φ6.5 mm規(guī)格三種不同的工藝路線表Table 3 Table for Three Different Process Routes of Producing Products with Specification of Φ6.5 mm

（1）方案一：雙模塊1空過(guò)，將29#和 30#挪至精軋27#和28#。

（2）方案二：預(yù)精軋2組空過(guò)，將19#和20#挪至精軋，精軋各架依次向后挪。

4 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)Φ6.5 mm規(guī)格三種不同的路線表設(shè)定工藝參數(shù)和選定備品備件，具體情況見(jiàn)表4，內(nèi)容包括鐵型高度設(shè)定、速度參數(shù)設(shè)定及備品尺寸選擇等，并進(jìn)行質(zhì)量穩(wěn)定性和生產(chǎn)穩(wěn)定性方面數(shù)據(jù)搜集。

表4 不同工藝路線的導(dǎo)衛(wèi)安裝具體要求Table 4 Specific Requirements for Guide Installation for Different Process Routes

4.1 鐵型高度設(shè)計(jì)

綜合考慮挪機(jī)架后傳動(dòng)比變化，軋制穩(wěn)定性以及成品尺寸精度控制要求，不同工藝路徑各架次鐵型高度見(jiàn)表5。

表5 不同工藝路徑各架次鐵型高度Table 5 Swage Height for Each Stand by Different Process Routes mm

4.2 速度因子設(shè)定

控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)機(jī)組首架軋機(jī)參與計(jì)算，作為調(diào)整速度因子的依據(jù)。針對(duì)三種不同的工藝路徑首先確保18#出鐵產(chǎn)品尺寸一定，根據(jù)秒流量相等原理[1]，速度比或者截面積比作為設(shè)定的理論速度因子，考慮軋件前滑的影響，不同工藝路徑速度因子初始設(shè)定見(jiàn)表6，試軋后可根據(jù)實(shí)際控制狀態(tài)進(jìn)行微量調(diào)整。

表6 不同工藝路徑速度因子初始設(shè)定Table 6 Initial Setting for Velocity Factors for Different Process Routes

預(yù)精軋空過(guò)，18架出鐵到精軋張力釋放的距離增加，精軋21#壓下量減少，精軋的速度因子會(huì)有所降低；雙模塊1空過(guò)，精軋28#出鐵相比26#出鐵速度摩擦系數(shù)增加，前滑值增加，鐵型高度小，軋制速度越快，摩擦系數(shù)越高[2]；同樣方案二采用精軋28#出鐵經(jīng)雙模塊軋制方式同樣會(huì)增加雙模塊1的速度因子。

4.3 空過(guò)導(dǎo)衛(wèi)設(shè)計(jì)

空過(guò)機(jī)組首先設(shè)計(jì)空過(guò)導(dǎo)衛(wèi)，考慮軋制線標(biāo)高以及導(dǎo)衛(wèi)備件的緊固方式，預(yù)精軋空過(guò)已經(jīng)有原始設(shè)計(jì)，預(yù)精軋空過(guò)帽頭及導(dǎo)衛(wèi)實(shí)物圖見(jiàn)圖2，其中包括組塊軸帽頭、墊片和空過(guò)導(dǎo)衛(wèi)。雙模塊1空過(guò)方式需要重新設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)時(shí)考慮防止密封進(jìn)水，安裝空過(guò)導(dǎo)衛(wèi)的間距，安裝導(dǎo)衛(wèi)復(fù)雜性等對(duì)軋制穩(wěn)定性非常關(guān)鍵。 TMB1（29#、30#）空過(guò)導(dǎo)衛(wèi)實(shí)物圖見(jiàn)圖3。

圖2 預(yù)精軋空過(guò)帽頭及導(dǎo)衛(wèi)實(shí)物圖Fig.2 Pictures of Shallow Pass Dome Cap in Pre-finishing and Guide

圖3 TMB1（29#、30#）空過(guò)導(dǎo)衛(wèi)實(shí)物圖Fig.3 Pictures of Shallow Pass Guide for TMB1 （29#、30#）

5 生產(chǎn)實(shí)踐

根據(jù)上述設(shè)計(jì)的兩種方案，對(duì)鐵型參數(shù)、速度參數(shù)以及備件使用情況進(jìn)行生產(chǎn)實(shí)踐跟蹤，不斷摸索優(yōu)化工藝，評(píng)價(jià)不同工藝路徑的產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性和生產(chǎn)穩(wěn)定性。

5.1 產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性

質(zhì)量指標(biāo)主要包括產(chǎn)品尺寸精度、頭尾修剪量以及表面質(zhì)量等，兩種方案尺寸精度實(shí)際控制情況對(duì)比見(jiàn)表7。按照GB/T14981-2009標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，C級(jí)精度的尺寸偏差為±0.15 mm，不圓度≤0.24 mm，因此，方案一明顯優(yōu)于方案二；同等速度條件下，壓下量越大軋槽磨損越大[3]，需及時(shí)進(jìn)行補(bǔ)償調(diào)整。此外，從生產(chǎn)實(shí)踐中也可以看出方案一軋槽磨損要優(yōu)于其他兩種工藝，且補(bǔ)償調(diào)整空間大一些。

表7 兩種方案尺寸精度實(shí)際控制情況對(duì)比Table 7 Comparison of Actual Control of Dimensional Accuracy for Two Kinds of Schemes

關(guān)于軋件頭部斷水長(zhǎng)度控制方面，精軋8架軋機(jī)連軋軋制溫升必然高于6架，而且方案二預(yù)精軋空過(guò)，入精軋溫度高于正常約20℃，因此方案二的頭部斷水最長(zhǎng)，控制難度也最大。

5.2 生產(chǎn)穩(wěn)定性

生產(chǎn)穩(wěn)定性主要考慮堆鋼風(fēng)險(xiǎn)以及備件磨損，由于精軋和雙模塊1以及雙模塊1和雙模塊2之間沒(méi)有活套，主要通過(guò)扭矩或手動(dòng)測(cè)試方式控制張力，機(jī)組間存在一定微張力，因此張力釋放主要在雙模塊和吐絲機(jī)之間，備件磨損較大，更換頻次高；方案一空過(guò)TMB1，精軋和模塊2之間張力控制單一，因此方案一磨損方面要優(yōu)于原設(shè)計(jì)和方案二。

方案二預(yù)精軋空過(guò)，預(yù)精軋19#和20#變形轉(zhuǎn)移到精軋21#和22#，中間有兩個(gè)水箱冷卻，入精軋溫度要格外控制，避免由于溫度低造成組塊軸承受力過(guò)大，此外精軋8架連軋軋件溫升大前滑大；方案一采用空過(guò)TMB1，TMB2變形量小，咬入和張力狀態(tài)控制非常關(guān)鍵，此外導(dǎo)衛(wèi)裝置間間距大存在軋制不穩(wěn)定；方案二需要考慮精軋至模塊的張力，根據(jù)鋼質(zhì)變化做出更精細(xì)調(diào)整。

6 不同工藝路徑優(yōu)劣性對(duì)比

方案一和方案二與原設(shè)計(jì)工藝路徑最大的變化在于精軋，精軋多2架軋機(jī)，8架軋機(jī)連軋。方案一可消除原始工藝中精軋和雙模塊之間張力狀態(tài)變化影響；方案二同時(shí)預(yù)精軋變?yōu)?8#出鐵，可以更好監(jiān)控出鐵狀態(tài)。

將方案一和方案二與原設(shè)計(jì)工藝路徑從軋制穩(wěn)定性，成材率控制，電能損耗等方面進(jìn)行對(duì)比，三種不同的工藝路徑優(yōu)劣性見(jiàn)表8。

表8 三種不同的工藝路徑優(yōu)劣性Table 8 Advantages and Disadvantages of Three Kinds of Different Process Routes

每種工藝路徑都有存在必要性，在常規(guī)生產(chǎn)方面，從節(jié)能、質(zhì)量以及生產(chǎn)穩(wěn)定性方面方案一要優(yōu)于原設(shè)計(jì)和方案二；在生產(chǎn)組織方面，近一年品種比例中，其中Φ5.5 mm規(guī)格產(chǎn)品比例大約30%，Φ6.5 mm規(guī)格大約35%，Φ7.0 mm規(guī)格為1%，Φ8.0～Φ11.0 mm規(guī)格接近10%，方案一更換Φ5.5 mm規(guī)格更為便捷，比原設(shè)計(jì)尾部修剪量少5環(huán)，有利于提高成材率，降低成本。方案二更換Φ7.0～Φ11.0 mm更為便捷；而Φ6.5 mm規(guī)格生產(chǎn)量小，且后續(xù)更換Φ7.0～Φ11.0 mm規(guī)格時(shí)可以選擇原設(shè)計(jì)，方案二在預(yù)精軋故障時(shí)可以選擇使用。

7 結(jié)論

（1）通過(guò)理論計(jì)算以及生產(chǎn)實(shí)踐，Φ6.5 mm規(guī)格已具備多種軋機(jī)空過(guò)方式的生產(chǎn)模式，原設(shè)計(jì)精軋6架+TMB1+TMB2，方案一精軋8架+TMB2（空過(guò)TMB1），方案二，預(yù)精軋空過(guò)+精軋 8架+TMB1+TMB2。

（2）綜合對(duì)比來(lái)看，方案一精軋8架+TMB2（空過(guò)TMB1）是目前的最佳工藝，不但可以優(yōu)化生產(chǎn)組織，還降低電能損耗；原設(shè)計(jì)可根據(jù)生產(chǎn)組織適當(dāng)選擇，方案二可在設(shè)備檢修或故障下選擇。

（3）采用方案一可節(jié)能約2 100 kW/h，成品尾部修剪量減少5環(huán)，并且能夠有效提高更換產(chǎn)品規(guī)格的效率，降低軋輥備輥的庫(kù)存量。