各种轧机讲义

平面布置图一．无牌坊轧机上世纪中期，欧洲一些公司开始设计一种新型轧机，其目标是提高轧机的轧制能力和刚度，同时降低轧机的重量和尺寸，这种轧机就是无牌坊轧机，其结果就是这些年里无牌坊轧机几乎完全取代了老式牌坊轧机。这种轧机就是无牌坊轧机世界上已有近万套在使用。两种类型轧机机械上的主要区别在于：传统轧机的轧制力是由机架牌坊来承受，而新型无牌坊轧机的轧制力是由四个拉杆来承受的。这种新型配置使得无牌坊轧机的应力线分布在较短的长度内和较大的面积上，而传统轧机则是沿轧机牌坊分布的。此外，为了保证轴承座的刚度和从滚柱轴承到拉杆的短距离，使机架和轴承座的弯曲最小，对拉杆的位置进行了优化。无牌坊轧机的轧制负荷分布在滚柱轴承上较大的角度范围内（大于150°），比传统轧机的单位轧制负荷减少了一半，从而提高了轴承座中滚柱轴承的寿命。例如：1994年摩加沙玛开发出了第五代新型轧机，称为SHS，在如下方面进行了改进：高可靠性，部件优化和简化设计，以降低维护费用。高的轴向和径向刚性可实施低温轧制。由于及其有限的变形，即使在非常高的轧制负荷下，也可得到小公差的轧制产品。在轧线更换轧制单元和在辊间更换轧辊和导卫的时间都很短。机架设计概念（以SHS轧机为例）SHS轧机成功的关键点总结如下：1、机架拉杆和轴承座的设计靠近轴承座的大直径拉杆可达到有限的拉伸和低应力回线。如前所述，轧制负荷分布的角度增加，相应地降低了单位轧制压力的峰值，从而提高了轴承的寿命。由于避免边部载荷的集中，轴承寿命还可以进一步延长。由于在轴承座采用了内部浮动球面连接，轴承座免于承受轧辊的变形。（见图2和图3）。为了有最佳的轧制负载能力和轧辊应力分布，在设计上特别考虑了如下几个方面：轴承座的形状和拉杆的距离轴承宽度辊颈长度轴承座的角部半径这些都是借助有限元计算机计算系统进行设计的。2、机械平衡系统轴承座采用碟形弹簧机械式平衡系统。这个系统消除了拉杆和拉杆螺母间的所有间隙。轴向载荷分布由于采用新的轴承座框架设计，轴向载荷在机架两侧均匀分布，这样一来轴承座和拉杆都不承受轴向载荷。对称辊缝调整辊缝可以对称调整，也可以每个辊单侧调整，用于平行设定。轴向调整上辊可进行人工轴向调整，通过垫片调整双头轴套，以避免任何间隙。3、轧机应力线回路无牌坊轧机的应力线回路（见图8）和传统轧机相比，应力线回路线非常短。轧制力通过路径短，部件坚固无牌坊轧机的刚度/重量比更优，无牌坊轧机采用高刚度，而重量是传统轧机的2/3以下。传统轧机（左）和无牌坊轧机的轧制力回路4、轴承上轧制力的分布和传统轧机相比轧制载荷在轴承上分布在较大的角度范围（见图9），而不像传统轧机集中在轴承的几个滚柱上。单个轴承上载荷分布和力的强度见图10。图9轧制负荷在传统轧机（左）和无牌坊轧机（右）轴承上的有限元分析图10轧制负荷在传统轧机（左）和无牌坊轧机（右）轴承上的分布这意味着和传统轧机相比，无牌坊轧机滚柱轴承的寿命是传统轧机的4.8倍。为了适应辊身的弯曲，无牌坊轧机的设计考虑了轴承座在负载下的自由偏转。（参见图12）。传统轧机机架丝杠在轧辊弯曲时是阻碍轴承座自由偏转的。对应于销轴承支撑产生的摩擦力Rs（点A处的机架拉杆作用力乘以摩擦系数），力矩等于：M=RSh=aP11.轴承寿命对于无牌坊轧机，力臂“h”可以忽略不计，因而轴承内更多排的滚柱不会发生过载（图13)。根据光弹实验和应变释放，可以允许将轴承座的厚度设计成拉杆半径的1.9倍，结合拉杆的布置，轴承圆周上作用力的分布角度可达160°。5、导卫梁新的导卫梁设计消除了导卫在轧制过程中移动的可能性。导卫梁安装在轴承座框架上，带有滑座，在换槽时可以沿轧辊轴向平行移动。降低轧辊换槽时的停机时间。6、即装即轧概念该系统的主要目标是最大限度提高生产时间，不仅降低机架更换时间，同时也要降低轧机开轧时间。由于采用离线更换轧制单元轧机更换时间降至最低。借助移动小车可在10分钟内同时更换几架轧机。此外，由于轧辊、导卫已经在辊间预先设定好了，因而无需在线进行调整，轧制单元在送往轧线是就位后就可以进行轧制了。7、辊间快换系统轧制单元放置在自动更换系统上进行换辊。轧制单元的每一侧有带拉杆的上、下轴承座和压下装置，把它们从磨损的轧辊上抽出，并将其放置到车好的辊子上。传统轧机和无牌坊轧机比较无牌坊轧机短受力回路和优化受力分布得到轧机的高刚度，从而生产高尺寸精度的轧件，并且轴承寿命长。传统轧机高刚度但受力回路长，轴承的工作角度小。无牌坊轧机相同刚度下，减轻了轧机重量，车间需要的吊车吨位也相应减轻。传统轧机轧钢车间的设备重量增加无牌坊轧机非常紧凑的设计节省了基础工作及厂房。此外轧线紧凑式布置将可以降低能源消耗。传统轧机非常笨重无牌坊轧机辊间换辊通过换辊机器人很快就可完成（大约18～20分钟，取决于机架规格）传统轧机人工在轧辊间换辊，时间长（1小时）无牌坊轧机轧辊和导卫可以在轧辊间预先设定好，轧制单元送往轧线就位即可轧制。由于不需要在线进行机架调整，从而提高了轧机利用率。传统轧机轧辊和导卫需要在轧线上设定。无牌坊轧机上辊轴向调整通过带转盘显示器的蜗轮蜗杆完成。传统轧机上辊轴向调整通过螺母进行，没有调整显示。无牌坊轧机通过液压马达两个轧辊同步对称自动调整。传统轧机只有上辊为自动调整，下辊通过垫片进行调整。无牌坊轧机对于水平、立式和平立可转换机架，轧制单元都是相同的。这样就可以降低备件的投资。传统轧机水平和立式机架是两种不同的轧制单元。无牌坊轧机轴承座机械平衡传统轧机轴承座液压平衡二、控轧、控冷1、线材精轧机上游水冷轧线上的中间水冷线包括在线材精轧机组上游布置有一个或多个水箱，按照钢种、规格和精轧速度使得轧件在精轧机入口侧冷却到所期望的最终的轧制温度以及均匀的轧件温度。冷的目的是避免轧件在线材精轧机组中高速轧制时的不可控温升。此外这也是正火轧制和热机轧制的基本前提条件（只有在没有冷却设备时才考虑采用其它的方法：例如降低出炉温度或降低轧制速度等）控制进入精轧机组的轧件温度被证明是控制在精轧机组中轧件温度最有效方法，同样对离开精轧机组的轧件温度也是一样的。每个水冷箱包括许多管状组件，当线材在通过这些组件时，环状喷嘴喷射高压水在径向方向上，线材快速被水包围，整个断面均匀地冷却。在水箱出口处装有水吹扫和压缩空气吹扫喷嘴，去除线材表面的残留水，避免出现过冷点。水箱后面有一个均温段，使线材在进入下一步冷却或轧制前进行温度均匀化。该区域的整个温度变化过程由HMI控制（通过一系列的高温计），并且存储有包括所有轧制参数和操作设定的轧制卡片，确保轧制工艺的完全重复性，没有人为干涉。这样，在轧制过程中最终产品质量都是稳定。2、线材精轧机组下游水冷精轧机组下游的水冷段用于将轧件冷却到所期望的吐丝温度。这是确保获得所需要的金相组织和氧化铁皮形态的先决条件。如果没有下游冷却的话，精轧机组上游冷却所获得的益处也会降低。通常冷却线由一系列的水箱组成，用于快速和均匀地将轧件冷却到所要求的吐丝温度。水冷线可分为两个基本部分：冷却水箱，用于冷却操作均温段，在进入下一步冷却（水冷或在散卷冷却辊式运输机上空冷）前，使线材表面到芯部的热梯度达到一致。水箱的设计除了冷却喷嘴和吹扫喷嘴设定外和精轧机组前的水箱是一样的，用于对轧件进行均匀的冷却和导向。喷嘴的数量、水压和水量取决于需要的轧制温度和吐丝温度的要求。冷却控制取决于轧制工艺，即与轧件的精轧速度和直径有关。对于每一个轧制工艺，可以采用也可以通过用和不用各个单独的冷却段，以便获得性能均匀的产品。3、“温度闭环控制系统”"温度闭环控制系统”如下图所示：在“温度闭环控制系统”，HMI装置提供每个水箱的初始设定（机旁阀的开位置、流量调节阀的初始位置、水量和水压），并向专用微处理器传送所轧产品的操作信息（产品直径、轧制速度、出口温度）。所有这些参数作为特定轧制卡存储在HMI单元中。在轧制过程中，根据来料线材长度方向上的温度偏差，微处理器通过流量调节阀对冷却水进行连续调节。这将使离开水箱的轧件温度非常均匀，在从头到尾的整个长度方向上，与轧制卡上的设定温度的最大偏差在±10℃范围内。4、热机加工工艺介绍热机加工，特别是LTR－低温轧制工艺可以在提高产品质量的同时，由于减少了生产工序从而节约了大量的能源。利用轧制热进行冷却控制，可以完全或部分替代热处理。如淬火、正火、奥氏体稳定化退火或固溶等热处理。热机加工通常定义为将成形工艺和热处理在可控或特定的方式下组合起来的生艺。LTR–低温轧制热机加工领域最广泛使用的工艺就是LTR－低温轧制工艺，即按照正火轧制工艺或者是热机轧制工艺所对应的温度范围，在轧线的最后几个道次进行成形。仅仅通过在低温下进行轧制，就可以获得提高了工艺性能的优质产品。低温轧制的主要优点如下：和普通轧制相比提高了产品的机械性能，例如对于冷镦钢，降低了抗拉强度，提高了面缩率。对于碳钢，提高了抗拉强度。在保持高韧性的同时提高屈服强度（无需通过热处理或合金化）对于高碳合金钢降低轧件芯部的碳化物析出。提高低温韧性由于晶粒更均匀和细化，改善了金属的显微组织。对于冷镦钢提高了其冷镦性能根据钢种，对于传统的离线热处理带来有益的影响，如：无需离线热处理，比如正火，软化退火等。减少离线热处理的时间大大节约生产成本提高表面质量改善脱碳深度低温轧制通常在最后的2～5个道次进行，即按照部分再结晶和抑制再结晶所对应的温度范围在最后几个道次对轧件实施变形。一旦再结晶受到抑制，就会产生晶粒细化现象，从而提高产品的工艺性能能够实现这一工艺得益于沿轧线布置的一系列水箱，每个水箱后面都有均温段，由先进的工艺控制系统进行控制。对于大规格产品生产会空过上游的一些机架，这样就可以将低温轧制集中在最后的几个机架，并将水箱布置在更好的位置以获得合适的精轧温度。为了确保工艺参数的可重复性和产品质量，整个精轧区域的控制采用先进的自动化系统进行控制。三、高速减定径机组一个现代化轧机应在具有竞争力及盈利能力的状态下运行，这意味着以最低的转化成本生产出最高质量的产品。为实现这一目标，应当采用最先进的工艺技术并装备高技术的设备。这将允许如前所述获得高的生产能力以及最终产品严格的尺寸公差、最佳的表面状态以及适当的技术性能（机械性能及显微组织）。三辊技术可以理想的满足现代线棒材轧机的需要，也就是：•保证可靠并一致性的生产高质量的产品（公差，表面质量，机械性能性能）•具有很高的灵活性（在任何时间轧制任何钢种和规格）且显示出最高的运行经济性（最高的金属收得率，轧机利用率高，运行成本低）1、使用高速减定径机组应考虑了如下各个关键点：•工厂较高的生产能力•严格的线材产品尺寸公差•单一孔型系统轧制•以最低的生产成本获得良好且一致质量的最终产品，尽可能避免离线处理•机架和轧辊快速更换•突出的灵活性：以良好的公差在任何时间轧制任何规格、任何钢种的产品•较低的运行成本并极大的减少潜在的故障点•增加最终产品的销售可能性•较低的后续加工工序成本•所有成品规格的自由尺寸轧制：仅通过调整及可使用同一套孔型轧制出很宽范围内的成品规格•更好的响应市场状况及客户需求•更好的响应市场状况及客户需求，由于无需试轧并能够实质性的消除头尾超差，金属收得率得以提高•精确的平面布置设计，目的在于在降低整体投资的同时并不排除未来发展的可能性2、高速减定径机组的技术描述1）介绍及工艺描述在当前传统轧机上满足现今市场对于高速线材良好公差的要求，存在一定困难且以牺牲效率，特别是轧机作业时间和金属收得率偏低为代价。采用传统精轧机组的轧机尤其如此，这种情况下最终产品的公差和性能主要受到轧机精轧单元进料断面波动的影响。三辊高速减定径机组非常适合应用于上述轧机中，借助三辊技术特有的优势——变形过程中的宽展较低且变形效率很高，从而可以保证良好的公差以及较低的轧制温升，后者非常适合于热机械轧制工艺。一定公差范围内（自由尺寸轧制）的任何所需规格的成品尺寸轧制。2）基本配置：•每个机架具有自身经由单独电机和减速箱的驱动输入。•所有机架的轧辊及相应导卫的滚子均可以进行调整。•机架可以进行快速轧辊更换。•轧辊采用碳化钨辊环。•机架采用稀油润滑。•通过机架更换小车进行机架快速更换。•在标准车床或磨床上对辊环进行单独加工。.•单独传动和可调轧辊保证了最高的轧机灵活性。•高速减定径机组装备有轧辊和导卫调整的远程控制系统.•在轧辊间进行计算机辅助下的机架和导卫设置3、宽展和三辊技术的变形效率三辊技术的采用已经得到很好验证，其孔型形状由120°配置的轧辊所决定。与普通两辊孔型相比，三辊孔型在轧件内产生的应力导致更加有利的变形，见图3。孔型的形状和更为有利的应力降低了宽展，而提高了延伸。三辊孔型中宽展的降低相应的带来了变形所需能量的降低。轧件的周长从一个孔型到另一个孔型不断的降低（与二辊轧机中的椭圆/圆孔型相比）且横截面上的压下更加均匀。三辊孔型结合驱动装置的特殊布置几乎可以完全补偿不同材质宽展方面的差别。这意味着各种材质可以在同一个孔型序列中可以连续交替轧制而不会产生横截面波动。这种更为有利的变形状况的另一个优点在于孔型中的摩擦降低从而降低了轧辊的磨损。在各种条件（轧辊材质、压下量、轧件材质）相当的情况下三辊孔型的使用寿命可望为普通二辊孔型的两倍。三辊技术的一个独特之处在于仅仅通过调整即可采用同一孔型轧制及宽范围内的成品规格。这一公能带来如下改进：•与普通系统相比大大的降低了孔型和机架更换次数•轧辊和导卫库存大大减少•由于利用率的提高使得生产效率更高•轧机的变换更少从而轧制生产更加稳定二辊和三辊孔型特征的对比图4：二辊孔型与三辊孔型宽展的对比对二辊及三辊孔型宽展和变形效率方面的简单对比如图4所示。如同很容易从该对比中看出的那样，三辊孔型的宽展仅为二辊孔型宽展的20%。因此更多的能量作用于延伸过程进而三辊机组中的轧制温升与二辊轧机相比要低得多。正如图5中所示的那样，由于具有降低宽展的效果三辊技术可以自动补偿入口断面的波动。这已为对三辊机组中三道次轧制前的断面波动与之后的断面波动进行的比较所证实。这些波动被由11,1%降低至2,74%——这意味着对入口断面波动的补偿大于75%.随机自由轧制快速机架更换将进行“自由尺寸”范围之外规格变换所需的时间缩短至3-5分钟这使得从较小规格变换为较大规格或进行相反的变换成为可能，这被称之为“随机自由”轧制。这样可以避免不同规格生产周期较长，从而使得：•交货期最短•降低了产品的库存•轧制产品变得真正具有灵活性。自由尺寸轧制“自由尺寸”轧制，通过调整辊缝，简化了规格变换并将“自由尺寸”范围内规格变换所需时间降到了最低。相应的“自由尺寸”范围是直径的9%。与“自由尺寸”范围非常局限的二辊轧机相比，孔型或机架的更换大大降低。三辊机组所需的仅仅来自单一孔型序列数目大大减少的进料规格导致：•上游轧机的更换更少从而轧机利用率进一步提高•运行成本进一步降低自由尺寸轧制范围内的尺寸公差四、辊式散卷冷却运输机技术经过控温轧制的轧件将在辊式冷却运输机上进行进一步的冷却。散卷冷却运输机有高度的灵活性，可以对所有钢种产品进行不同方式的冷却。其目标是在同圈和同卷上获得均匀一致的冷却速率，以获得所需要的机械性能和工艺性能。散卷冷却运输机下图所示散卷冷却运输机设计为可进行缓冷和快冷。图11:辊式运输机示意图辊式运输机设计为多段式，每段单独变速控制（级联控制）带有：一系列的风机，用于快冷一系列的保温罩，用于缓冷。辊式运输机的长度主要取决于轧机的产量和产品大纲。通常可以根据下列公式来计算配有风机的辊道长度：配有风机的辊道长度=(温降/冷却速率)x运输机速度温降=卷曲温度和相变结束温度之差冷却速率=平均冷却速率（采用风机时辊式运输机设计可实现的速率）快冷模式辊式运输机上快冷模式最重要的是获得均匀的冷却速率，使得尽可能多的获得高强度的细化的层状珠光体组织，比如高碳钢，在同圈上线材的芯部和边部以及轧件全长上都要这样。因此沿着整个运输设备长度方向布置一系列的强力离心风机，用于来完成产品的相变。根据产品大纲，辊式运输机的第一部分（对于相变也是最重要的部分）也可以配备有强力风机，使得在高产量依然能够确保最佳的产品质量。在强力离心风机的后面，还配备有第二部分的一系列离心风机，用于将盘卷冷却到集卷温度。图12:带有保温罩和风机的辊式运输机3-D视图可实现的冷却速率范围从12°C/s到高于24°C/s（贯穿吐丝温度到相变完成温度区域）取决于如下几个因素：气流速度设备设计轧制速度运输机速度线圈在运输机上的堆积密度线材直径吐丝温度此外需要调整风机在运输机的辊道边缘和中心部分气流的分布，以便同圈和同卷线材获得均匀一致的冷却速率。这是为了使风量的分布与线材沿运输机宽度上的分布相适应。为了使气流沿运输辊道宽度方向的分配量不同，辊台下面的每个风机风室都安装了V形闸板，以使大多数气流流向运输辊道的两侧而不是中心。缓冷模式缓冷适用于那些含有合金元素导致相变延迟的钢种，或者是需要高韧性低强度的那些钢种。象Cr,Ni,Mo,和Mn元素都会导致相变时间的延长，尤其是这些元素组合在一起时。该方式的目标是在奥氏体到铁素体的整个相变温度范围内保持非常低的冷却速度（0.3℃/图15:带保温罩的辊式运输机视图为了实现该目标，就需要把运输辊道降低到非常低的速度，使上面堆积密实的线圈，增加热质量效应，降低冷却速度。为了实现上述目标，运输辊道还配备有保温罩。保温罩闭合的数量取决于相应的冷却工艺。配有保温罩的运输辊道长度由下列公式计算得出：配备有保温罩的长度=(退火时间)X(运输辊道的平均速度)退火时间=轧件在罩内完成在线退火所花费的时间运输辊道平均速度=指为了达到恰当的冷却速度的辊道的线速度。在辊式运输机的最后一段增加了两个风机，其原因在于：:获得较低的集卷温度避免在集卷和将来的运输过程中线圈的变形和表面损坏。为了防止氧化铁皮从FeO变成Fe3O4，对下一步拉拔操作产生负面影响一些冷却和工艺技术需要将冷却工艺组合起来，例如：同钢种，不同规格用户的特殊技术要求氧化铁皮形态的要求上游工序的热机加工辊式运输机的设定辊式运输机的设定取决于钢种、线材直径和所要求的产品机械和性能，根据生产的钢种来设定用于快冷的风机和用于缓冷的保温罩，以获得所需要的冷却速率。因此线材在辊式运输机上的布圈速度可以通过改变辊道的速度而变化，按照要求的冷却模式设定线圈堆放的密度，或者是拉开线圈的距离。所有的参数设定都来自于二级自动化系统的HMI设定的冷却参数，冷却参数是与生产的钢种和直径相关联的。通过HMI可以看到如下各项：用于冷却工艺控制的高温计的读数运输辊道的每段单独传动的设定速度每段运输辊道的提速百分比，级联控制需要使用的保温罩的数量和位置需要使用的风机的数量和位置正在使用的每台风机的鼓风功率（％）五、在线探伤用以检测热轧线、棒材。为图像技术下的非接触式检测系统。该系统（HotEye™系统）可提供热轧线、棒材表面质量状态的实时反馈。该系统将由下列部件组成，作为在线检测系统的基本构成。运算单元：将安装于空调室内做数据处理，每一台检测单元需配置一台运算单元。检测单元：安装于高线位于摩根减定径机出口的位置以检测线材。检测单元：安装于小棒材线KOCKS轧机出口的位置以检测棒材。冷却单元：安装于检测单元附近以提供冷/暖气予在线检测单元，每一台检测单元需配置一台冷却单元。SQL数据库伺服器：安装于系统的运算单元机柜内以储存由系统所产生的检测数据。1.1.系统概要HotEye™系统为一在线系统，可与轧钢产线控制系统相连，自动对条钢表面摄像及检测。HotEye™系统可检测各式表面缺陷，如裂缝、辊裂痕及其他横向和纵向表面缺陷。条钢全长无间断的检测。系统将自动对每一表面缺陷建立记录。记录中包括缺陷种类、大小、严重度、位置，并可保存一张缺陷照片。由于影像数量庞大，所以，只有带有表面瑕疵的照片部分会被保留下来。无瑕疵的部分，照片会被及时消除。包括图片在内的所有数据将储存在一数据库中，可从任何具有数据库连接访问功能的计算机读取显示。当出现一根低质量的盘元（此盘元或条钢的表面质量评分超出阀值）时，产生报警1.2.工作范围HotEye™RSB系统OGTRSB901用于线材检测时，有如下参数和特性：线材尺寸范围： 4.5mm至线材移动速度： 最高达115m线材温度： 低于1,250线材经过时间： 最高为每盘250秒（从前端到尾端）线材间距（盘元到盘元间）： 大于4秒线材形状： 仅限圆形钢种限制： 无1.3.检测能力ShapeofLdefectWShapeofLdefectWL宽度（W）： >=25微米深度： >宽度长度（L）： >20实际最小长度可在系统中设定。OGT建议，在高速时，应适当加大最小长度设定，以增加检测率。例如，速度为80m/s时，使用>50mm以上的设定。ShapeofShapeofTdefectWL（2）横向（T）缺陷宽度（W）： >=0.5深度： >宽度长度（L）： >2mm（速度为10m >7mm（速度为80m/s（3）其他要求必须有表面开口存在。α下图中角度“”必须小于或等于45度。α深度（d）大于宽度（w），如下图所示。depth(d)vs.width(w)depth(d)vs.width(w)dw系统在任何有“表面平滑度”被破坏处，均有检测能力，底部形状不限尖状，可为U形。例如，系统可检测到条钢表面的一条辊缝造成的棱线。系统可经由其中的检测参数设定，加强其敏锐度。故，α＞45°或者d≤W也可检测。但是，依我们的经验，α＞60°时，信噪比会急速降低。d≤W的情况下，会以两边的棱线为检测标的物。（4）检测率检测率应达到95%以上。（5）检测范围系统可检测整根条钢，理论上无盲点。现实情况下，由于头端和尾端具有极大的活动自由度，线材/棒材的某些部分有可能会因大幅振动而有较差的检测效果。1.4.表面缺陷检测仪器（1）HotEye™RSB检测单元RSB系统的检测单元由4组摄相装置、照明及聚焦机制组成。检测单元中的每一组摄像装置参数如下，（a）快门速度：可高达每秒40,000次曝光（条钢速度为100m/s时）（b）CCD面积：线材系统21mmx0