优特钢线棒材减定径技术的进步与展望

马靳江　白亚斌　牛强　周民

0 引言

随着我国由钢铁大国向钢铁强国的转变，优特钢线棒材的市场需求及产量也得到明显提高，至2022年底，工业线材产量达到约4 000万t/a， 优质棒材产量也达到约8 000万t/a， 高等级优特钢线棒材产量及质量都得到了较快提升，逐步替代了大量的进口产品。线棒材减定径机组是优特钢线棒材产线的最关键机组，它可实现对线棒材尺寸精度及表面质量的控制，从而满足高品质线棒材的生产要求。过去，我国线棒材减定径机组长期依赖进口欧美设备，投资高、备件昂贵、交货期长，同时受国际局势变化的影响较大。随着近年我国冶金装备技术的进步，线棒材减定径技术也取得了快速进步。本文介绍了国内外线材减定径技术及棒材减定径技术的应用实践及未来发展趋势。

1 高速线材减定径技术

对于优特钢线材的生产，在精轧机组后增设减定径机组，即将传统的10机架精轧机组改为8机架精轧机组+4机架减定径机组，减少了精轧机组线材变形导致的急剧温升，结合前后闭环水冷系统，可以控制轧件心表温差；通过前2机架减径机大压下轧制，可以控制轧件心表组织均匀性；通过后2机架定径机小压下轧制，可以控制轧件尺寸精度，最终实现低温高速控温轧制，确保产品的力学性能及尺寸精度。基于此，摩根（普瑞特）、达涅利、西马克各公司进行了线材减定径机组的开发，并在大量生产线上得到应用。近几年，国内的中冶赛迪、中冶京诚、哈飞、汉威广园、中钢设备等公司也相继开展了该技术的研发及工程应用。根据线材减定径机组传动形式的不同，主要可分为集中传动式、双模块式（一拖二式）及独立传动式，各类机型的主要技术参数对比如表1所示。

1.1 集中传动式线材减定径机组

4机架集中传动式线材减定径机组RSM（Reducing and Sizing Mill），由摩根公司（现属于普瑞特）于1993年开发成功，如图1所示。其由4架V型顶交悬臂式轧机组成，前2架为减径机，后2架为定径机，4机架采用椭-圆-圆-圆孔型系统，通过前2架大压下减径及后2架小变形定径，实现了高精度产品的生产。集中传动式减定径机组由1台交流电机通过1套组合齿轮箱驱动2架φ230 mm减径机和2架φ150 mm定径机。其组合变速箱设有9个离合器，轧制不同规格线材产品时，变换9个离合器位置获得不同的速度比，以满足不同速度要求，再通过合理的孔型设计及辊缝设定，确保减定径机组内实现微张力轧制，从而实现高速线材高精度轧制。230型减径机最大轧制力为330 kN，定径机最大轧制力为130 kN，最大设计速度为140 m/s， 保证轧制速度为112～115 m/s。为满足高速轧制要求，定径机采用紧凑式设计，2架定径机中心间距只有150 mm， 在2架定径机间安装很小的三角形静态导卫，既可减少堆钢危险，又可避免因使用滚动导卫造成导辊轴承损坏而导致的停机事故。为保证轧制精度，定径机设有辊轴轴向调整机构和液压平衡装置，可在线调整轧制线。国内的宝钢、武钢、青钢、杭钢、安阳钢铁、贵钢、永钢、汉钢、石横特钢等公司高速线材厂均采用了该技术。

1.2 雙模块式线材减定径机组

达涅利公司推出了双模块减定径机组TMB （Twin Module Block），如图2（a）所示。双模块减定径机组将4道次集中传动改为2个模块分别传动，每个模块2道次。其核心技术是把2架V型辊箱合并为1个模块，并采用椭圆-圆-椭圆-圆孔型系统。为满足高速度、高精度的要求，双模块轧机被分为重型模块和轻型模块。前一个模块为重型模块，适宜重载，其辊箱与精轧机的辊箱完全一致且可以互换；后一个模块为轻型模块，适宜高速高精度，其辊箱与重型模块的辊箱外形尺寸有所不同，不能互换使用。TMB机组由2个电机分别驱动2个变速箱，再由变速箱驱动2个模块轧机，采用电气联锁实现双模块轧机的轧制速度匹配。变速箱为单输入轴双输出轴，在输入轴和其中一根输出轴上装有离合器，通过离合器操作杆变换两个不同的工作位置，得到不同的传动比，TMB机组共分为64种档位组合，可以满足不同产品所需的轧制速度。变速箱双输出轴通过快速联轴器直接与双模块锥箱的输入轴联接。国内的新疆八钢、鞍钢、青钢、兴澄特钢、攀长钢、韶钢等公司高线厂采用了该技术。

中冶赛迪基于独立传动理念开发了SRSCD线材减定径机组，如图2（b）所示，其减径机与定径机分别采用2个独立模块和2个单独的变速箱传动，实现了16种档位组合以及0.102 3～0.516 3的速比调整范围，可满足φ4.5～φ26.0 mm范围内所有规格产品的轧制速度，轧制力以及轧机间稳定微张力的要求，实现了高速线材产品的低温大压下及高速高精度轧制。基于灵活的设计，2架减径模块与2架定径模块可分别单独使用或组合使用，满足了不同产品的轧制需求。

基于独立传动设计理念，SRSCD减定径机组变速箱速比档位数量精简，设备结构简单紧凑，并采用了底座回油的技术方案，使得变速箱整体刚度提升约50%，有利于保证高速运行时的稳定性。减径机变速箱与定径机变速箱分别采用2台伺服电机驱动换挡，换挡灵活，控制简单可靠，主要技术特点如下：

（1）2架减径机和2架定径机分别驱动，可满足不同品种的轧制工艺需求；

（2）对高速区可实现8+4、8+2、10+4、10+2、6+4等轧机自由组合，可满足不同产品对高速区轧制工艺的不同需求；

（3）各种介质及电气接头采用快换连接，轧机更换方便快捷；

（4）双电机驱动，离合器少、变速箱结构简单，控制简单可靠；

（5）变速箱16种速比配合双电机速度可调，可实现多种速比；

（6）定径机机架间距小，紧凑式布置，采用滑动式导卫；

（7）辊环更换时间短；

（8）辊环消耗减少（两两更换即可）；

（9）设备质量轻，投资低，维护便捷。

中冶赛迪SRSCD线材减定径机组的2架减径机已应用于宁夏建龙、宝武天钢等生产线，2架定径机已应用于江苏亚盛不锈钢线材产线，而完整的双模块式4架减定径机组应用于台湾烨兴不锈钢高线产线。另外，国内中冶京诚、哈飞、汉威广园等公司也相继开展了双模块线材减定径机组的开发，并得到了工程化应用。

1.3 单独传动式线材减定径机组

自2009年1月西马克在巴西SINOBRAS投用了10架平立交替布置的独立传动线材精轧机以来，单独传动线材精轧机及减定径技术得到了快速发展。西马克推出了单独传动的柔性减定径机组FRS （Flexible Reducing/Sizing）。一套FRS设备配备4个带变速箱的机架，每个变速箱满足相应机架设置的速度范围，取消了因改变机架之间压下比而使用的减速机，并采用电子减速机使得FRS的电机相互调节控制，实现了机架间的控制与匹配。基于MEER-drive传动技术的独立传动精轧机和减定径在国外取得了一些应用，速度突破了110 m/s， 且2014年在国内福建吴航不锈钢线材产线投用。除此之外，达涅利公司也推出了单独传动式线材减定径机组，在云南仙福钢铁公司投用了3架单独传动线材减定径机组，在青钢、永锋临港、重钢等投用了4架单独传动减定径机组，如图3（a）所示，稳定轧制速度达到110 m/s以上。摩根公司在其已成熟应用的一拖二的2架MINI精轧机基础上推出并应用了单独传动的2架MINI精轧机，亦可称为单独传动的2架减径机。

国内中冶赛迪在双模块线材减定径机组的基础上，基于独立传动理念也开发了独立传动线材减定径机组，如图3（b）所示，其减径机组经联合齿轮箱，由2台1 500～2 500 kW的电机分别驱动，定径机组则由1台800～1 600 kW的电机集中传动或2台500～1 000 kW的电机单独传动，该独立传动式线材减定径机组已经成功应用于四川盛泉等企业，轧制速度达110 m/s。

除此之外，国内中冶京诚、哈飞、中钢设备等公司也分别研制并应用了独立传动式高速线材减定径机组，这些高线轧机装备技术的研发及应用，极大促进了我国冶金行业高速轧制技术的

进步。

2 棒材减定径技术

对于优特钢棒材生产，采用棒材减定径技术，结合前后控制冷却可实现热机轧制和高精度轧制，从而提高棒材产品尺寸精度及通条均匀性，改善产品组织性能，降低后续加工及处理成本。对于建筑用棒材，采用棒材减径技术可进行低温大压下轧制，实现高强度细晶粒钢筋的低成本生产。棒材减定径技术是适应现在及将来高品质棒材市场要求的解决方案，是使棒材生产企业长期保持产品竞争力的经济性解决方案。根据轧件变形方式的不同，棒材减定径机组主要分为二辊减定径机型、三辊减定径机型及四辊减定径机型，二辊及三辊减定径机型的技术参数对比如表2所示。

2.1 三辊减定径机组

三辊棒材减定径机组是由考克斯公司率先研发成功，目前以考克斯的RSB（Reducing & Sizing Block）三辊棒材减定径机组（图4（a））及西马克的PSM（Precision Sizing mill）三辊棒材减定径机组为主。RSB三辊棒材减定径机组一般为4机架或5机架轧机紧凑布置，每架轧机分别由1 臺主电机及传动系统单独驱动，每架轧机均由3个辊环组成，呈120°均布，分别通过C型传动框进行连接，前后2机架辊环呈正Y与倒Y布置。各机架可以分别通过偏心套进行辊缝调整，还可以实现远程辊缝调整。

RSB三辊棒材减定径机组技术主要特点如下：

（1）轧制时轧件断面为三向压缩，变形均匀，产品力学性能均匀，尺寸精度高；

（2）可以实现更宽泛的“自由尺寸”轧制，轧制灵活性高；

（3）机架间距小，机架间无需配置活套，采用微张力轧制；

（4）采用在线换辊小车对机组进行整体快速换辊，线下进行换辊调整，换辊时间短。

西马克PSM三辊棒材减定径机组除了具有上述特点外，还可以通过液压控制实现实时带载调整辊缝的功能。在产品规格方面，考克斯500++三辊减定径机组的最大轧制成品棒材达φ160 mm， 已在国内的大冶特钢、石钢、莱钢等产线使用。国内易尚天交、中冶赛迪等已开发出三辊棒材减定径机组，其中易尚天交的ESTK三辊减定径机组如图4（b）所示。

2.2 二辊减定径机组

二辊棒材减定径机组以奥钢联波米尼的PSG（Precision Sizing Group）机组为代表，该机组由3架平-立-平交替布置的轧机组成，减定径机本体由2个闭环牌坊框架组合而成，预应力由轴承座和牌坊承受，而设备的其他零部件不承受预应力，每个机架由电机单独驱动。二辊减定径机组对轧件尺寸精度、变形效率方面的控制效果较三辊减定径机组要差些，但其设备结构简单、设备费用较低，与传统短应力轧机相比刚度更高，可满足大部分优质棒材生产的要求。相对三辊减定径机组仅适合于单根棒材轧制来说，二辊减定径机组可兼顾单根和多根棒材的轧制，且可轧制扁钢和带肋钢筋（空过定径机），配合前后控温装置，可实现圆钢、扁钢及带肋钢筋的热机轧制，该机型在国内外也得到较为广泛的应用，如国内的首钢棒材产线、石钢老区小棒产线、攀长钢棒材产线、青钢扁钢产线等。

摩根公司在1983年开发并应用了二辊棒材减定径机组，主要有3架棒材泰克森定径机BTM（Bar Tekisun Mill）和4架棒材减定径机BRSM（Bar Reducing and Sizing Mill），采用了紧凑式结构设计和整体快速更换技术。例如其3架BTM360的末架与前一架间的距离仅约376 mm， 以保证良好的定径轧制效果。因轧机间距非常紧凑，为了便于立式轧机的快速更换，部分产线的立式轧机采用了下传动方式，但此时位于地下或平台下的立式轧机传动机构维护检修不方便。这种二辊棒材减定径机组主要应用于国内外的一些大盘卷和优特钢小型棒材生产线上，如国内的沙钢（如图5）、南昌长力、山西新泰、浙江元立等大盘卷或小型棒材产线。

近几年，国内也开发并应用了二辊棒材减定径机组，如中冶赛迪的预应力式二辊棒材减定径机组在印度AARTI特殊钢棒材、永洋特钢中棒等产线实现了工程化应用，中冶华天的二辊棒材减定径机组也在马钢特钢小棒产线投用。

2.3 四辊减定径机组

四辊减定径机组最早由日本川崎开发，但由于技术成熟度不足，设备结构形式复杂，操作维护困难，其产品质量与三辊减定径产品质量相比，尺寸精度和力学性能并没有明显提高。因此在国内外并未得到快速发展和应用。

2001年邢钢二高线引进了奥钢联的PRS（Precise Rolling System）四辊精密轧机机组，采用该项技术，理论设计精度可以达到±0.1 mm， 椭圆度0.15 mm。这种四辊机架采用万能箱（4个成90°角布置的轧辊），轧辊之间加有预应力，形成一个闭合的孔型。

近几年，达涅利公司在三辊减定径机组基础上，结合二辊减定径机组轧件变形特点，开发出四辊减定径技术，该技术由减径和高精定径模块DSD（Draw Sizing Danieli）组成，前2个道次由高速二辊机架组成（平、立交替布置），用于减径轧制；后2个道次由四辊机架组成（为+、×形式布置），用于定径轧制。二辊轧机设计考虑相对较少的来料规格，且确保大压下量；四辊轧机设计考虑高精度轧制，与二辊减定径和三辊减定径技术相比，具有更高的自由定径能力和更均匀的轧制力分布，在高精定径状态下产品尺寸公差的一致性更好，产品公差可达到1/6～1/8 DIN，可满足更高精度、高附加值热轧棒材产品的生产，该机型已在国内的山东巨能特钢公司棒材产线应用。

3 线棒材减定径技术发展趋势展望

3.1 高速化

随着钢铁企业用户对产线生产效率要求的不断提高，线棒材减定径机组向高速化的方向发展。在高速线材减定径方面，达涅利的高速线材减定径机组在中天南通高线轧制φ8 mm带肋钢筋的速度达到了119.8 m/s， 创造了国内轧制带肋钢筋盘条速度的新纪录。在棒材减定径方面，西马克及考克斯均已开发出最高轧制速度达42 m/s、成品规格φ10～φ50 mm的高速三辊减定径机组，采用这种机型可兼顾生产中大规格线材、大盘卷及优特钢中小规格棒材，在保证产量的情况下满足了下游用户对全规格优质盘卷的性能及尺寸精度要求。其中，西马克的全新高速三辊PSM机组于2022年在中天钢铁公司八轧五高线投用，取得了不错的效果。在以上方面，国内自主化的线棒材减定径技术与其还存在一些差距，特别是在高速三辊减定径机组方面还需要加快研究开发。

3.2 高精度化

随着下游用户对线棒材产品尺寸精度要求的不断提高，减定径技术向着高精度化方向发展。在线材减定径方面，普瑞特和达涅利线材减定径机组所生产的线材产品尺寸精度最高已达±0.05 mm， 而采用了中冶赛迪150定径机组的江苏亚盛公司不锈钢线材产品尺寸精度也已达±0.05 mm， 且长期稳定生产时的线材尺寸精度可保持在±0.07 mm左右。对于棒材产品而言，通过棒材减定径机组的轧制，棒材产品尺寸精度已由二辊减定径机组的1/4 DIN、三辊减定径机组的1/5～1/6 DIN提高到四辊减定径机组的1/6～1/8 DIN。

线棒材产品尺寸精度的提高，给下游客户的精整、热处理、机加工等工序提供了良好原材料，大幅促进了高端制造业的发展。同时，下游用户对线棒材尺寸精度要求的不断提高也促进了线棒材减定径技术的迭代升级。目前，国产线棒材减定径机组生产的产品尺寸精度已与进口设备十分接近，但结构形式依然没有根本性的革新，在后续的进步中需继续深入研究减定径的基本工艺原理及其机械结构，结合智能化、数字化等方面的多学科知识，进行跨学科创新融合开发，实现超越。

3.3 智能化

优特钢线棒材生产除了追求高速化、高精度化之外，其追求的关键目标其实是不断提升产品质量及其稳定性。随着下游用户对优特钢线棒材热轧产品尺寸精度、组织性能需求的进一步提升，以及信息技术的快速进步，智能化是线棒材减定径技术的重要发展方向，主要体现在两大方面：一是实现在线智能监测及其控制，如线材减定径的油膜轴承温度检测、振动检测、故障诊断、辊缝带载及离线自动调整、微张力检测及其控制优化等，近年高速轧制设备基本都标配了在线智能监测系统；二是开发配套减定径技术的智能专家系统，把全线关键工艺参数等聚焦到线棒材轧线最核心的减定径区，围绕减定径区的轧制温度、轧制速度、变形制度等形成一套能自学习和自适应调节的系统，为保证产品质量稳定性、新产品开发的高效性等提供支撑，实现全无人智能生产，如中冶賽迪和宝钢股份高线联合开发的线材减定径专用轧制计算系统，为提高宝钢股份高线减定径生产工艺稳定性提供了良好的技术手段。

4 结语

优质的轧制装备主要围绕提高钢材品质、提高生产效率、提高智能化、提高装备稳定性、延长消耗件使用寿命等方面进行革新进步，对于优特钢线棒材产线而言，绝大部分轧制装备已实现了我国自主设计制造，绝大部分技术指标也达到了与进口设备相当的水平，特别是近几年在线棒材减定径装备技术的国产化和自主化方面取得了很大进步，但在设备稳定性、装备创新性、最高稳定运行指标方面还存在差距，因此需要加快推进关键装备技术的自主化，尽快实现比肩世界一流水平。

本文摘自《轧钢》2023年第40卷第2期