钢厂棒材生产线设备及生产工艺研究

2021-01-21黄韶坚

设备管理与维修 2021年12期

黄韶坚

（宝武集团广东韶关钢铁有限公司，广东韶关 512123）

0 引言

某钢厂棒材生产线是2012 年投产的进口与国产组合式设备，设计产能60 万吨/年。后经过电控改造和冷床的裙板上钢系统等改造成为80 万吨/年的平台。而后设备故障高，电机、减速机等故障频发，而一台减速机故障处理时间10～32 h 不等，烧一台电机4～6 h。2016 开始完善设备点检定修制管理，对短板设备进行攻关、技术改进等措施使设备故障逐年降低，如2#、4#、6#、10#减速机扩容改造；12#、14#减速机二级轴齿轮轴径从160 mm改造为180 mm，轴与孔的配合也加大了0.02 mm 的过盈量，解决了每年都断一次轴的故障。成品机架减速机高速轴半年烧轴承的突出问题，从轴承的选型和定位方式的改进也解决了烧轴承的问题。设备故障时间从月均18.79 h 下降至目前的2.74 h，达到国内同类型产线的先进水平。本文以该棒材生产线为例，重点介绍该生产线的工艺艺术和装备特点。

1 原料及产品方案

（1）原料。合金钢对压缩比的要求比较高，为了提高成品钢材的性能，车间使用大断面钢坯作为合格坯料，规格为240 mm×240 mm×4～6 m，坯重为2064～2641 kg。坯料主要由热坯和冷坯组成，热坯通过提升机构直接运往加热炉内。

（2）产品方案。生产钢种有合金结构钢、弹簧钢、易切钢、优质碳结钢和不锈钢等，产品规格有直条圆钢20～80 mm、定尺长度4～11 m。

2 生产工艺

该生产线的工艺设计科学合理，能有效提高产品的质量，降低其运行成本。该钢厂棒材生产对加热质量提出了更高的要求，应把断面温差控制在15 ℃左右，热加工的范围相对较小，有些钢材热加工的温度波动应控制在70～100 ℃，在轧制过程中仍需中间加热[1]。不同钢种加热工艺存在很大差异性，需要使用专门的室式炉进行加热。在高温情况下，其变形抗力比较大，通常它的热强度约是普通钢的2～3 倍，可塑性相对较差，在轧制过程中的难度较高，有些钢种需要进行小变形轧制[2]。同时，各钢种之间的宽展系数浮动范围较大，轧制变形制度制定起来比较困难，难以进行孔型设计。产品通常应用于航空、航天等领域，这对成品性能、平直度及表面质量等的要求比较高，且应配备完整的热处理设备。坯料经由吊车上运至上料台架，并由步进机构送至炉前上料辊道，在这个过程中应进行自动测量称重，筛选出合格的坯料送至加热炉并予以精确定位[3]。加热后的钢坯经过高压水除磷后送往粗轧制组实施轧制，如钛合金、奥氏体不锈钢等无需除磷而直接送至粗轧机组实施轧制。然后经摆式飞剪切头尾后置于隧道炉内实施补热[4]。在有些产品的生产中，方坯应进行分段处理，长度约3～5 m，经收集台架收集后由跨车现运往钢坯跨，然后再运往精整跨。按照生产要求应进行加热处理，然后再进入连轧组进行轧制。轧件通过无扭转微张力轧制，先实施微张力轧制，后经无扭转无张力轧制，最后行无张力轧制，从而提高产品的精度[5]。按照相关要求实施时效处理，经过冷剪、砂轮锯进行定尺切断，定尺范围约在3～7 m。

主要工艺流程：冷坯上料→测长称重→加热→高压水除磷→脱头→二中轧→预水冷→精轧→切头尾→测径探伤→水冷→倍尺分段→冷床冷却→计数→称重挂牌→入库。

3 主要技术装备和特点

3.1 使用热送热装工艺

通过应用连铸坯，避免初轧开坯，能提高金属收得率10%左右，节能减耗约35%，还能减少铸坯的加热时间，将耗损降到最低，介于坯贮存中的生产费用。使用两座双蓄热式进梁加热炉，其生产能力为130 t/h 和150 t/h。双排布料，侧进侧出，燃料为高炉煤气。应用分散转向控制方式，炉顶隔断设置压下，炉底各段设置挡墙，降低高温炉间的辐射传热影响[6]。

3.2 脱头轧制

粗轧和中轧组间应用跟踪式的方法，粗轧组能对速度进行单独调节，保证高速轧制，从而满足不同钢种对轧制温度的要求。因产品方案设计的复杂性，应结合车间钢种、坯料及产品规格等，选择适合产品设计的半连轧生产工艺，也就是粗轧是可逆轧制，中精轧使用连续轧制。这能有效控制轧件温度、表面质量及机械性能等，其在技术层面比较合理。同时，粗轧组的入口咬入速度应为0.2 m/s 左右，确保符合棒材生产的工艺要求[7]。加热炉主要应用步进梁加热炉，其平均加热能力为20 t/h，因考虑供坯长度和加热能力，使用单排布料方式，操作比较方便，加热效果较好，确保钢坯粗轧温度符合设计要求[8]。粗中扎设计隧道式加热炉，能保证轧件的补热均温，降低轧件的头尾温差，有助于保证产品性能的均匀性。主轧线配备有两座步进室式加热炉，能满足二火成材中间坯的加热要求。

3.3 使用高刚度全线无扭微张力轧制技术

多相变的钢铁材料，其工艺过程、相变组织比较复杂，传统上通常应用试错法进行开发，设计精度比较差。所以，因此需要开展钢铁材料的集成设计[9]。在这个过程中应使用第一性原理，并和晶体塑性、相场模型等结合起来，借助热力学与相变动力学计算，探究组织演化规律，以此制定相关定量计算模型。为满足汽车、机械等制造行业对产品质量的要求，并降低机件的弹跳，粗、中、精轧应使用高刚度的无牌坊短应力线轧机。22 架轧机实施（750×6+550×6+450×6+350×4）mm 立交替布置，粗轧机组使用微张力进行控制，中轧精轧机组实施无张力轧制，从而提高轧件尺寸的精度和通条的稳定性。

3.4 高精度轧制技术

精轧机组通过安装370 式三辊式减径定径机，轧件变形时能承受三向压应力，取得良好的纵向延伸，这时的受力状态比较好，能制成高精度的棒材，将实际公差控制在DIN 标准的25%以内，这能真正实现低温温控轧制，最大限度提高产品的机械性能，同时能缩短孔型调整和轧辊的更换时间，提高轧机的制作效果，节约生产成本[10]。

3.5 在线控温轧制

为实施低温控制轧制，合理控制机组的轧件温度，在精轧入口设置预水冷装置。正火处理时，钢要加热到稍高于AC3 转变点的温度，在此温度下短时间停留，然后在静止空气中冷却，所以奥氏体化的钢是细晶粒的和未硬化的。为了在正火轧制时保持相应的奥氏体状态，已变形的奥氏体需进行晶粒细化再结晶。为此必须针对要轧制钢的再结晶特性来确定终轧温度。正火轧制实际是通过更准确的控温轧制（含终轧变形量）来获得正火热处理的组织、性能效果。在精轧机组后设计水冷段，水冷管为套管型式，水压为0.6 MPa，对轧件的冷却速度进行控制，并对轧件进行在线热处理，结合产品的化学成本，使用不同的控制冷却工艺，确保钢材的形变强化与相变强化等的有机结合，从而提高其强韧性，以此提高其综合力学性能。

3.6 飞剪和冷床

在轧线设置5 台飞剪，其中有4 台应用启停工作制，主要是在正常连轧过程中的事故碎段和切头尾；另外1 台应用连续工作制，主要在倍尺分段和优化剪切中应用。冷床主要是以步进梁偏心齿条式为主，尺寸为12.5 m×108 m，齿条倾斜布置且齿距约130 mm。

3.7 高效定尺剪切方案

通过使用砂轮锯、冷停剪组合的方式，能满足各种规格产品的生产要求，并提高了钢材端头的质量。1300 t 冷剪的宽度约1500 mm，主要在中小规格棒材的生产中应用。18 mm 以上使用孔型剪刃，以此提高剪切断面的质量。两台砂轮锯的锯切能力约1300 mm2/s，通常适用于锯切较大的规格产品。

3.8 精整-矫直探伤作业线

为了满足用户对产品的要求，车间内设置有连续精整线，针对1490 mm 热处理后的棒材实施抛丸矫直探伤。

3.9 在线测径和涡流探伤

涡流指的是当金属导体处在变化着的磁场中或在磁场中运动时，由于电磁感应作用而在金属导体内产生的旋涡状流动电流。由于涡流检测的基本原理是电磁感应，涡流检测只适用于能产生涡流的导电材料。涡流检测线圈激励后所形成的电磁场实质是一种电磁波，具有波动性和粒子性，所以检测时传感器不需要接触工件，也不必在线圈与试件之间填充耦合剂，因此检测速度较快，对管、棒材的探伤每分钟可检查几十米，对丝、线材的探伤每分钟可达几百米甚至上千米，因此，易于实现自动化检测。通过设置动态在线测径和涡流探伤装置，实时监测棒材的尺寸精度和表面情况，并予以及时调整，能有效提高产品的质量及成材率。