程知松, 苗承鵬, 徐言東, 高 源

(1.北京科技大學(xué) 高效軋制與智能制造國家工程研究中心, 北京 100083;2.金川集團(tuán)鎳合金有限公司, 甘肅 金昌 737100)

0 前言

特種合金是指鈦基合金、鎳基合金、鈷基合金等具有高強(qiáng)度、耐腐蝕、耐高溫的特殊性能的合金材料,這種合金的長材常通過軋制得到。由于特種合金生產(chǎn)的批量一般較小,年用量也很少,與鋼鐵產(chǎn)品相比只是一個(gè)零頭。因此,特種合金及有色金屬軋機(jī)在建設(shè)規(guī)模和建設(shè)水平上均落后于鋼鐵軋機(jī)很多年。近幾年,隨著鋼鐵軋機(jī)發(fā)展日趨成熟,一部分技術(shù)已經(jīng)逐步移植到特種合金及有色金屬領(lǐng)域。本文主要針對(duì)特種合金長材軋機(jī)中的開坯軋機(jī)(也稱“粗軋機(jī)”)發(fā)展過程及新型開坯軋機(jī)設(shè)計(jì)選型做詳細(xì)分析。

1 開坯軋機(jī)兩種型式

特種合金一般通過真空感應(yīng)/自耗爐冶煉、電渣重熔冶煉得到電渣錠,早期的電渣錠重量只有1～3 t,經(jīng)過鍛造開坯后得到80～100 mm方坯,再經(jīng)過一架450三輥軋機(jī)開坯和后續(xù)300×5橫列式軋機(jī)軋制得到棒材或者線材產(chǎn)品。隨著冶煉技術(shù)的發(fā)展,目前的電渣錠重量能達(dá)到10噸甚至更大,這種大錠子經(jīng)過5 000噸快鍛機(jī)開坯后得到120～160 mm方坯,這就要求后面的棒線材軋機(jī)做的更大,二次開坯軋機(jī)需要做到650規(guī)格。

開坯軋機(jī)主要包括三輥往復(fù)軋制軋機(jī)和二輥可逆軋制軋機(jī)兩種型式。三輥開坯軋機(jī)的三個(gè)軋輥呈上、中、下布置,軋件在中下輥和中上輥之間穿梭往復(fù)軋制一定的道次,軋件從上軋制線落入下軋制線時(shí)需要翻鋼,在機(jī)前采用翻鋼滑板機(jī)械翻鋼,優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單,缺點(diǎn)是經(jīng)常翻鋼不到位,需要人工輔助,操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度大,特別是錠坯重量大的情況。軋件從下軋制線到上軋制線采用機(jī)后升降臺(tái)遞送。三輥軋機(jī)布置圖如圖1所示。

三輥軋機(jī)包含開口機(jī)架和閉口機(jī)架兩種型式。開口機(jī)架即連接前后牌坊的帽子和牌坊通過契鐵或者柱銷連接,換輥時(shí)先將契鐵或者柱銷拿下,將帽子吊走,軋輥連同軸承座從上面吊出,裝輥程序相反。這種軋機(jī)換輥非常費(fèi)時(shí),操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度大。閉口軋機(jī)即軋機(jī)牌坊上面是閉口的,三個(gè)軋輥連同軸承座通過下面的換輥小車由液壓缸驅(qū)動(dòng)從側(cè)邊拉出,換輥相對(duì)輕松一些,但是下面的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。在國內(nèi)大多使用開口軋機(jī),其最大缺點(diǎn)是剛度低且軋制產(chǎn)品精度差。閉口軋機(jī)雖然克服了這一缺點(diǎn),但三輥軋機(jī)都有下調(diào)整渦輪箱容易進(jìn)水繡死調(diào)不動(dòng)的問題。

三輥軋機(jī)由于軋件從上軋制線到下軋制線是從翻鋼滑板上滑落到機(jī)前輥道上的,對(duì)輥道沖擊大,不適合軋制大鋼坯或者鋼錠,也就是說三輥軋機(jī)沒必要做的太大,作為粗軋開坯,最大做到750規(guī)格。再大的坯或者錠可采用二輥可逆軋機(jī)軋制。三輥軋機(jī)操作需要人為因素太多,無法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化操作,將逐步被淘汰。

二輥可逆軋機(jī)作為開坯機(jī)或者粗軋機(jī)已經(jīng)有很久的歷史,軋機(jī)規(guī)格為750～1 500,大型軋機(jī)兼顧板材開坯能力。這種軋機(jī)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和人工操作兩種模式,操作人員在操作室內(nèi)即可完成,現(xiàn)場(chǎng)不需要人員留守,換輥采用小車將兩個(gè)軋輥輥系一起從牌坊中拉出。因此,操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度比三輥軋機(jī)小很多。

二輥可逆軋機(jī)采用閉口機(jī)架,由于孔型設(shè)計(jì)及壓下規(guī)程分配原因,通常在軋機(jī)頂部需要安裝壓下電機(jī)及傳動(dòng)系統(tǒng),用于提升或者下降上輥調(diào)整輥縫,因此在頂部設(shè)置一個(gè)大平臺(tái),整個(gè)機(jī)架顯得非常龐大。該軋機(jī)機(jī)列由主電機(jī)、齒輪箱(大型軋機(jī)無齒輪箱,采用兩臺(tái)電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)上下軋輥)、萬向接軸、軋機(jī)本體組成,軋機(jī)前后設(shè)置對(duì)中橫移裝置,翻鋼機(jī)通常布置在對(duì)中導(dǎo)板上。二輥可逆軋機(jī)機(jī)列布置圖如圖2所示、二輥可逆軋機(jī)前后平面布置圖如圖3所示。

1.換輥裝置 2.軋機(jī) 3.壓下裝置 4.萬向接軸 5.齒輪箱 6.電機(jī)圖2 二輥可逆軋機(jī)機(jī)列圖

1.機(jī)前輥道 2.操作室 3.翻鋼機(jī) 4.軋機(jī)機(jī)列 5.對(duì)中橫移裝置 6.機(jī)后輥道圖3 二輥可逆軋機(jī)區(qū)域平面布置

兩種軋機(jī)使用特點(diǎn)不同,長期共存于長材軋制行業(yè)。兩種軋機(jī)分界點(diǎn)應(yīng)該是750規(guī)格,表1為兩種軋機(jī)使用特點(diǎn)比較表。

表1 兩種軋機(jī)使用特點(diǎn)對(duì)比表

三輥軋機(jī)由于軋制節(jié)奏快,適合高產(chǎn)量的鋼鐵長材生產(chǎn)線,作為粗軋機(jī)使用。二輥可逆軋機(jī)軋制節(jié)奏慢,軋制精度高,適合對(duì)產(chǎn)量要求不高的特殊鋼/合金生產(chǎn),如不銹鋼、高溫合金、鎳合金、鈦合金等,作為粗軋機(jī)使用,更多作為大型坯、錠的開坯機(jī)使用。

2 特種合金使用的二輥可逆軋機(jī)設(shè)計(jì)選型

近幾年,隨著特種合金棒線材的坯料斷面逐步增加到150×150 mm～180×180 mm,一種二輥可逆移動(dòng)軋機(jī)取代老式的650三輥軋機(jī),正在被用戶接受。其最大優(yōu)點(diǎn)是軋件不橫移,機(jī)架橫移換下一道次孔型,避免了軋件表面劃傷。這種軋機(jī)從設(shè)備結(jié)構(gòu)、平面布置兩方面目前存在幾種型式,下文將分別說明。

2.1 軋機(jī)

軋機(jī)本體包括壓下裝置、上輥平衡裝置、牌坊、輥系、機(jī)架橫移機(jī)構(gòu)、軋輥軸向鎖緊機(jī)構(gòu)等組成。壓下裝置有兩種型式:一是電動(dòng)壓下,適合在軋制過程中快速調(diào)整輥縫情況;二是液壓馬達(dá)壓下,適合靜態(tài)設(shè)置輥縫情況。電動(dòng)壓下通常需要一個(gè)上平臺(tái),用于安裝和檢修壓下機(jī)構(gòu),如傳統(tǒng)的大型二輥可逆軋機(jī)(見圖2),國內(nèi)進(jìn)口的普瑞特軋機(jī)也是這種結(jié)構(gòu)。也有在牌坊上做支架安裝壓下電機(jī)的,如國內(nèi)某廠采用的達(dá)涅利牌坊軋機(jī),如圖4所示。液壓馬達(dá)壓下軋機(jī)結(jié)構(gòu)簡單,如圖5所示。有閉口軋機(jī)和短應(yīng)力線軋機(jī)兩種結(jié)構(gòu),如太鋼不銹鋼高線采用750二輥可逆移動(dòng)式短應(yīng)力線軋機(jī)。

圖4 無上平臺(tái)的電動(dòng)壓下軋機(jī)

圖5 液壓馬達(dá)壓下的閉口軋機(jī)

移動(dòng)式軋機(jī)不能做的太大,因?yàn)榭梢苿?dòng)的機(jī)架重量太大,通常最大做到750規(guī)格,也能滿足特種合金長材軋制需要。

2.2 換輥小車

換輥小車的作用是在軋機(jī)換輥位置將輥系從牌坊內(nèi)拉出,其結(jié)構(gòu)有兩種:一是液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)鏈條牽引輥系,也可根據(jù)用戶要求換成電機(jī)驅(qū)動(dòng);二是液壓缸直接牽引輥系。結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。

圖6 換輥小車結(jié)構(gòu)圖

2.3 翻鋼機(jī)布置

翻鋼機(jī)的結(jié)構(gòu)為一對(duì)夾送輥,由液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)輸送軋件,夾送輥開合夾持動(dòng)作由液壓缸執(zhí)行,翻轉(zhuǎn)動(dòng)作由升降液壓缸和旋轉(zhuǎn)液壓馬達(dá)配合完成,根據(jù)工藝要求可將軋件夾持翻轉(zhuǎn)45°、90°,再結(jié)合對(duì)中裝置、喂鋼輥將軋件送入軋機(jī)。

翻鋼機(jī)布置有靠近軋機(jī)和遠(yuǎn)離軋機(jī)兩種型式,其布置圖如圖7所示。

1.對(duì)中裝置 2.翻鋼機(jī) 3.軋機(jī)圖7 翻鋼機(jī)布置圖

2.4 應(yīng)用場(chǎng)合比較

以上從軋機(jī)本體壓下裝置、換輥小車及翻鋼機(jī)三個(gè)方面分別描述了存在的不同結(jié)構(gòu)型式,各有優(yōu)缺點(diǎn),用戶可根據(jù)需要進(jìn)行選擇組合。二輥可逆移動(dòng)軋機(jī)幾種結(jié)構(gòu)優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比如表2所示。

表2 二輥可逆移動(dòng)軋機(jī)幾種結(jié)構(gòu)對(duì)比表

3 二輥可逆移動(dòng)軋機(jī)自動(dòng)化功能

二輥可逆軋機(jī)由于采用了翻鋼機(jī)能夠準(zhǔn)確地將軋件翻轉(zhuǎn)到任意角度,滿足軋制孔型配置要求。因此,這種軋機(jī)可以完全排除現(xiàn)場(chǎng)人工操作,采用半自動(dòng)或者全自動(dòng)操作。半自動(dòng)模式下軋機(jī)可逆操作由人工在操作臺(tái)上完成,速度設(shè)定、輥縫調(diào)整均為自動(dòng)完成。全自動(dòng)模式下不需要人工操作,全部按程序自動(dòng)運(yùn)行。全自動(dòng)功能主要有以下幾方面:(1)輥縫設(shè)定(按軋制程序表執(zhí)行);(2)輥縫調(diào)整(由磁尺或者絕對(duì)值編碼器進(jìn)行APC控制,軋輥軸向鎖緊液壓缸協(xié)同動(dòng)作);(3)可逆軋制(交流電機(jī)或者直流電機(jī)傳動(dòng));(4)升速、降速(加速度設(shè)定及速度曲線設(shè)定);(5)軋機(jī)橫移(由磁尺進(jìn)行APC控制,機(jī)架鎖緊液壓缸協(xié)同動(dòng)作);(6)前后翻鋼動(dòng)作(按軋制程序表執(zhí)行);(7)前后對(duì)中動(dòng)作;(8)前后輥道動(dòng)作及速度聯(lián)鎖控制;(9)軋件跟蹤(接受上一道工序來料信息,軋完傳遞給下一道工序);(10)人工干預(yù)及事故報(bào)警功能。

4 結(jié)束語

(1)二輥可逆軋機(jī)由于軋制精度高,操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度低,更適合不追求高產(chǎn)量的特種合金行業(yè)。

(2)在特種合金長材生產(chǎn)線上,二輥可逆移動(dòng)式軋機(jī)正逐步替代老式的三輥軋機(jī),該軋機(jī)可實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)、全自動(dòng)操作,便于軋線互聯(lián)互通,符合當(dāng)前國家提倡的智能制造產(chǎn)業(yè)政策。

(3)二輥可逆移動(dòng)式軋機(jī)應(yīng)根據(jù)工藝要求及場(chǎng)地情況進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和布置。