特種合金長材開坯軋機的設計選型

程知松, 苗承鵬, 徐言東, 高 源

(1.北京科技大學 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。由于特種合金生產的批量一般較小,年用量也很少,與鋼鐵產品相比只是一個零頭。因此,特種合金及有色金屬軋機在建設規(guī)模和建設水平上均落后于鋼鐵軋機很多年。近幾年,隨著鋼鐵軋機發(fā)展日趨成熟,一部分技術已經(jīng)逐步移植到特種合金及有色金屬領域。本文主要針對特種合金長材軋機中的開坯軋機(也稱“粗軋機”)發(fā)展過程及新型開坯軋機設計選型做詳細分析。

1 開坯軋機兩種型式

特種合金一般通過真空感應/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450三輥軋機開坯和后續(xù)300×5橫列式軋機軋制得到棒材或者線材產品。隨著冶煉技術的發(fā)展,目前的電渣錠重量能達到10噸甚至更大,這種大錠子經(jīng)過5 000噸快鍛機開坯后得到120～160 mm方坯,這就要求后面的棒線材軋機做的更大,二次開坯軋機需要做到650規(guī)格。

開坯軋機主要包括三輥往復軋制軋機和二輥可逆軋制軋機兩種型式。三輥開坯軋機的三個軋輥呈上、中、下布置,軋件在中下輥和中上輥之間穿梭往復軋制一定的道次,軋件從上軋制線落入下軋制線時需要翻鋼,在機前采用翻鋼滑板機械翻鋼,優(yōu)點是結構簡單,缺點是經(jīng)常翻鋼不到位,需要人工輔助,操作人員勞動強度大,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后升降臺遞送。三輥軋機布置圖如圖1所示。

三輥軋機包含開口機架和閉口機架兩種型式。開口機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。這種軋機換輥非常費時,操作人員勞動強度大。閉口軋機即軋機牌坊上面是閉口的,三個軋輥連同軸承座通過下面的換輥小車由液壓缸驅動從側邊拉出,換輥相對輕松一些,但是下面的結構較復雜。在國內大多使用開口軋機,其最大缺點是剛度低且軋制產品精度差。閉口軋機雖然克服了這一缺點,但三輥軋機都有下調整渦輪箱容易進水繡死調不動的問題。

三輥軋機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前輥道上的,對輥道沖擊大,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軋制。三輥軋機操作需要人為因素太多,無法實現(xiàn)自動化、智能化操作,將逐步被淘汰。

二輥可逆軋機作為開坯機或者粗軋機已經(jīng)有很久的歷史,軋機規(guī)格為750～1 500,大型軋機兼顧板材開坯能力。這種軋機可以實現(xiàn)自動化和人工操作兩種模式,操作人員在操作室內即可完成,現(xiàn)場不需要人員留守,換輥采用小車將兩個軋輥輥系一起從牌坊中拉出。因此,操作人員勞動強度比三輥軋機小很多。

二輥可逆軋機采用閉口機架,由于孔型設計及壓下規(guī)程分配原因,通常在軋機頂部需要安裝壓下電機及傳動系統(tǒng),用于提升或者下降上輥調整輥縫,因此在頂部設置一個大平臺,整個機架顯得非常龐大。該軋機機列由主電機、齒輪箱(大型軋機無齒輪箱,采用兩臺電機分別驅動上下軋輥)、萬向接軸、軋機本體組成,軋機前后設置對中橫移裝置,翻鋼機通常布置在對中導板上。二輥可逆軋機機列布置圖如圖2所示、二輥可逆軋機前后平面布置圖如圖3所示。

1.換輥裝置 2.軋機 3.壓下裝置 4.萬向接軸 5.齒輪箱 6.電機圖2 二輥可逆軋機機列圖

1.機前輥道 2.操作室 3.翻鋼機 4.軋機機列 5.對中橫移裝置 6.機后輥道圖3 二輥可逆軋機區(qū)域平面布置

兩種軋機使用特點不同,長期共存于長材軋制行業(yè)。兩種軋機分界點應該是750規(guī)格,表1為兩種軋機使用特點比較表。

表1 兩種軋機使用特點對比表

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

2 特種合金使用的二輥可逆軋機設計選型

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,一種二輥可逆移動軋機取代老式的650三輥軋機,正在被用戶接受。其最大優(yōu)點是軋件不橫移,機架橫移換下一道次孔型,避免了軋件表面劃傷。這種軋機從設備結構、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

軋機本體包括壓下裝置、上輥平衡裝置、牌坊、輥系、機架橫移機構、軋輥軸向鎖緊機構等組成。壓下裝置有兩種型式:一是電動壓下,適合在軋制過程中快速調整輥縫情況;二是液壓馬達壓下,適合靜態(tài)設置輥縫情況。電動壓下通常需要一個上平臺,用于安裝和檢修壓下機構,如傳統(tǒng)的大型二輥可逆軋機(見圖2),國內進口的普瑞特軋機也是這種結構。也有在牌坊上做支架安裝壓下電機的,如國內某廠采用的達涅利牌坊軋機,如圖4所示。液壓馬達壓下軋機結構簡單,如圖5所示。有閉口軋機和短應力線軋機兩種結構,如太鋼不銹鋼高線采用750二輥可逆移動式短應力線軋機。

圖4 無上平臺的電動壓下軋機

圖5 液壓馬達壓下的閉口軋機

移動式軋機不能做的太大,因為可移動的機架重量太大,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換輥位置將輥系從牌坊內拉出,其結構有兩種:一是液壓馬達驅動鏈條牽引輥系,也可根據(jù)用戶要求換成電機驅動;二是液壓缸直接牽引輥系。結構圖如圖6所示。

圖6 換輥小車結構圖

2.3 翻鋼機布置

翻鋼機的結構為一對夾送輥,由液壓馬達驅動輸送軋件,夾送輥開合夾持動作由液壓缸執(zhí)行,翻轉動作由升降液壓缸和旋轉液壓馬達配合完成,根據(jù)工藝要求可將軋件夾持翻轉45°、90°,再結合對中裝置、喂鋼輥將軋件送入軋機。

翻鋼機布置有靠近軋機和遠離軋機兩種型式,其布置圖如圖7所示。

1.對中裝置 2.翻鋼機 3.軋機圖7 翻鋼機布置圖

2.4 應用場合比較

以上從軋機本體壓下裝置、換輥小車及翻鋼機三個方面分別描述了存在的不同結構型式,各有優(yōu)缺點,用戶可根據(jù)需要進行選擇組合。二輥可逆移動軋機幾種結構優(yōu)缺點對比如表2所示。

表2 二輥可逆移動軋機幾種結構對比表

3 二輥可逆移動軋機自動化功能

二輥可逆軋機由于采用了翻鋼機能夠準確地將軋件翻轉到任意角度,滿足軋制孔型配置要求。因此,這種軋機可以完全排除現(xiàn)場人工操作,采用半自動或者全自動操作。半自動模式下軋機可逆操作由人工在操作臺上完成,速度設定、輥縫調整均為自動完成。全自動模式下不需要人工操作,全部按程序自動運行。全自動功能主要有以下幾方面:(1)輥縫設定(按軋制程序表執(zhí)行);(2)輥縫調整(由磁尺或者絕對值編碼器進行APC控制,軋輥軸向鎖緊液壓缸協(xié)同動作);(3)可逆軋制(交流電機或者直流電機傳動);(4)升速、降速(加速度設定及速度曲線設定);(5)軋機橫移(由磁尺進行APC控制,機架鎖緊液壓缸協(xié)同動作);(6)前后翻鋼動作(按軋制程序表執(zhí)行);(7)前后對中動作;(8)前后輥道動作及速度聯(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)人工干預及事故報警功能。

4 結束語

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

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

(3)二輥可逆移動式軋機應根據(jù)工藝要求及場地情況進行結構設計和布置。