尤 磊，計(jì) 江，蘇旭濤，錢(qián)廣闊，王悅晗

(1.中國(guó)重型機(jī)械研究院股份公司，陜西 西安 710032； 2.金屬擠壓與鍛造裝備技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安710032)

0 前言

單機(jī)架六輥可逆冷軋機(jī)組以其具有帶鋼品種及規(guī)格調(diào)整靈活、板形控制手段豐富的優(yōu)點(diǎn)在普碳鋼生產(chǎn)中得以廣泛應(yīng)用。在高強(qiáng)度不銹鋼、精密合金以及優(yōu)特鋼的冷軋生產(chǎn)過(guò)程中，由于軋制變形抗力較大，軋薄困難，常規(guī)軋制普碳鋼的六輥軋機(jī)通常工作輥直徑均大于200 mm以上，無(wú)法實(shí)現(xiàn)材料的軋薄。采用非常小直徑工作輥的二十輥軋機(jī)能夠滿(mǎn)足極薄料的軋制[2]，但二十輥由于其工作輥直徑非常小，導(dǎo)致軋制前滑區(qū)在整個(gè)軋制區(qū)域占比小，軋制時(shí)易打滑[3]，道次壓下率較小，不適合用于對(duì)產(chǎn)品需兼顧厚料和薄料的冷軋生產(chǎn)和批量生產(chǎn)的連軋機(jī)組中。例如使用工作輥直徑為44 mm的二十輥軋機(jī)對(duì)304進(jìn)行軋制，入口厚度2.1 mm，張應(yīng)力為屈服極限0.1～0.3倍。這種情況下保證軋制時(shí)不打滑的道次壓下量最大僅為0.3 mm左右[4-5]。

采用小輥徑六輥軋機(jī)，工作輥直徑為二十輥軋機(jī)的2～3倍，相對(duì)普通碳鋼六輥軋機(jī)工作輥直徑小50%～70%，因此避免了對(duì)厚料大壓下量軋制的打滑問(wèn)題，又滿(mǎn)足了對(duì)高變形抗力材料的軋薄問(wèn)題，即兼顧厚料和薄料的高效軋制。但六輥軋機(jī)工作輥直徑變小后，會(huì)導(dǎo)致如小輥徑帶來(lái)的軋機(jī)內(nèi)空間窄小，無(wú)法實(shí)現(xiàn)正負(fù)彎平滑過(guò)渡、潤(rùn)滑噴淋及除油無(wú)法兼顧、軋輥傳動(dòng)能力以及止推軸承承載能力不足等問(wèn)題。

國(guó)外具有代表性的小輥徑六輥軋機(jī)主要由德國(guó)西馬克以及意大利米諾等公司提供，國(guó)內(nèi)尚無(wú)關(guān)于小輥徑六輥軋機(jī)的可靠解決方案。為滿(mǎn)足高附加值產(chǎn)品的生產(chǎn)需求，針對(duì)小輥徑六輥軋機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)和難點(diǎn)，本文開(kāi)發(fā)了500 mm小輥徑六輥可逆冷軋機(jī)組，用于生產(chǎn)高強(qiáng)度不銹鋼、精密合金以及優(yōu)特鋼，年產(chǎn)量2萬(wàn)噸，產(chǎn)品的最薄成品厚度0.25 mm，厚度精度小于等于±3μm。

1 設(shè)備組成及生產(chǎn)工藝流程

1.1 機(jī)組設(shè)備組成

機(jī)組主要由上卷小車(chē)、開(kāi)卷機(jī)、矯直機(jī)、左卷取機(jī)、機(jī)前裝置、主軋機(jī)、機(jī)后裝置、右卷取機(jī)和卸卷小車(chē)，以及與之配套的液壓潤(rùn)滑系統(tǒng)、電氣傳動(dòng)及其自動(dòng)化系統(tǒng)組成。其中機(jī)組機(jī)械設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 機(jī)組機(jī)械設(shè)備簡(jiǎn)圖

1.2 生產(chǎn)工藝流程

該機(jī)組滿(mǎn)足厚料開(kāi)坯以及成品軋薄的要求。原料從開(kāi)卷機(jī)開(kāi)卷后，由矯直機(jī)對(duì)帶頭帶尾進(jìn)行矯平，并穿帶至右卷取機(jī)上卷取，通過(guò)擺動(dòng)壓輥將帶材以固定包角和標(biāo)高固定在機(jī)前轉(zhuǎn)向輥上，六輥軋機(jī)進(jìn)行可逆軋制，達(dá)到需要的產(chǎn)品厚度精度，改善帶鋼的板形，軋制完成后根據(jù)軋制方向的設(shè)計(jì)，可在任一卷取機(jī)上卸卷。厚料軋制時(shí)，機(jī)組可在鋼卷頭尾兩端無(wú)焊接引帶情況下，將帶頭帶尾全部進(jìn)行軋制，從而避免纏繞在卷取機(jī)上的頭尾部分得不到壓下，被切掉成為廢品。具有對(duì)于來(lái)料為薄料(≤1.5 mm)，左、右卷取機(jī)設(shè)計(jì)二級(jí)漲縮卷筒結(jié)構(gòu)，卷筒外徑可以漲大超過(guò)鋼卷內(nèi)徑，利用卷取機(jī)開(kāi)卷，縮短開(kāi)卷與卷取卷筒的距離，提高成材率。卷取機(jī)開(kāi)卷時(shí)，能夠同時(shí)具有上、下開(kāi)卷的功能，方便穿帶操作。

2 機(jī)組主要技術(shù)參數(shù)

2.1 原料及成品規(guī)格

處理鋼種包括精密合金有鎳基精密合金、FeCoV合金、M72合金，優(yōu)特鋼有50#、65Mn與SK5，以及高強(qiáng)度不銹鋼等。

原料帶鋼厚度 1.0～5.0 mm

帶鋼寬度 200～450 mm

鋼卷內(nèi)徑 508 mm

鋼卷外徑 800～1 800 mm

鋼卷重量 Max.7 t

成品帶鋼厚度 0.25～2.0 mm

2.2 機(jī)組主要技術(shù)參數(shù)

根據(jù)用戶(hù)的原料和成品規(guī)格要求，經(jīng)過(guò)計(jì)算、比較和反復(fù)論證，最終確定機(jī)組的主要技術(shù)參數(shù)，UCM六輥軋機(jī)工作輥直徑φ130～φ145 mm，中間輥直徑φ230～φ260 mm，支承輥直徑φ520～φ560 mm，工作輥輥身長(zhǎng)度500 mm，中間輥傳動(dòng)傳動(dòng)方式，最大軋制力4 000 kN，最大軋制力矩16 kN·m，軋制速度0～100～200 m/min, 工作輥彎輥力±55 kN(正負(fù)平滑過(guò)渡), 中間輥彎輥力+130/-70 kN, 中間輥竄輥行程±50 mm, 卷取張力3～90 kN, 卷筒直徑φ498～φ514 mm (正圓508 mm)。

3 機(jī)組創(chuàng)新技術(shù)

為了實(shí)現(xiàn)小輥徑六輥軋機(jī)對(duì)高變形抗力材料兼顧厚料及薄料的軋制，使產(chǎn)品獲得良好的板厚精度、板形精度及表面質(zhì)量，成功研制開(kāi)發(fā)了多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

3.1 正負(fù)彎平滑過(guò)渡板形控制技術(shù)

傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)都是通過(guò)E型缸塊實(shí)現(xiàn)正負(fù)彎輥且平滑過(guò)渡。E型缸塊高度方向占用空間十分大，因此大直徑工作輥可以按照E型缸塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。但采用小直徑工作輥，對(duì)應(yīng)薄軸承座，導(dǎo)致軋機(jī)E型缸塊高度方向減??； E型缸塊中彎輥缸的行程是由軋輥磨削量和換輥時(shí)軋輥間距決定的，小直徑工作輥行程并沒(méi)有減小，小直徑軋機(jī)窗口空間無(wú)法擺下兩個(gè)正彎缸活塞以及E型缸塊。因此以往小輥徑六輥軋機(jī)不具有平滑過(guò)渡正負(fù)彎輥功能[6]。

本文研發(fā)了適用于小輥徑六輥軋機(jī)的彎輥缸結(jié)構(gòu)。工作輥彎輥缸T型頭與軸承座T型槽配合實(shí)現(xiàn)彎輥。每個(gè)軸承座對(duì)應(yīng)三組T型頭?；钊麠U伸出為正彎，縮回為負(fù)彎，如圖2所示。三個(gè)活塞桿a、b、c中，a與c為一組，b為一組，兩組出力方向始終相反：當(dāng)a與c向外伸出的力大于b向回拉的力時(shí)，a、b、c三個(gè)缸的合力為正彎力；反之，為負(fù)彎力。當(dāng)合力為零時(shí)，各個(gè)缸均出力，工作輥軸承座承受的彎輥力方向可控，可實(shí)現(xiàn)正彎和負(fù)彎平滑切換。該技術(shù)與中間輥正負(fù)彎輥、中間輥竄輥以及壓下調(diào)偏等手段結(jié)合使用，有效改善了來(lái)料中浪、邊浪、復(fù)合浪等板形缺陷。

圖2 正負(fù)彎輥平滑過(guò)渡結(jié)構(gòu)

3.2 工藝潤(rùn)滑噴淋及擋油技術(shù)

對(duì)于單向軋機(jī)如鋁軋機(jī)以及連軋機(jī)，通常是在入口設(shè)置噴淋梁用于冷卻和潤(rùn)滑，出口設(shè)置擋油導(dǎo)板用于擋油，以保證軋機(jī)出口的軋制油落在帶材表面非常少。但如果對(duì)于可逆軋機(jī)，帶材入口和出口均要設(shè)置噴淋梁和擋油導(dǎo)板。這兩個(gè)部件同時(shí)要布置在機(jī)架的入口和出口，并且常規(guī)六輥軋機(jī)上中間輥與上工作輥均有自己的換輥軌道，這些裝置無(wú)法全部布置在小輥徑六輥軋機(jī)狹小的空間內(nèi)，而且換輥時(shí)候軸承座不能與噴淋梁和擋油導(dǎo)板干涉。因此常規(guī)小直徑六輥軋機(jī)通常在軋機(jī)內(nèi)噴淋，在軋機(jī)外進(jìn)行除油，但是油的粘附性以及油膜表面張力很強(qiáng)，一旦油滴在帶材上后很難除去[7]。

為解決該問(wèn)題，本文研發(fā)了將噴淋梁固定在防纏伸縮擋板，如圖3所示。當(dāng)從左向右方向軋制時(shí)，左右防纏伸縮擋板均伸出，左噴淋梁電磁閥打開(kāi)，右噴淋梁電磁閥關(guān)閉。左噴淋梁設(shè)置上下兩排噴嘴，隨著防纏擋板伸出的噴淋梁能夠接近軋輥和輥縫，噴出軋制油有效的潤(rùn)滑冷卻軋輥和輥縫軋制變形區(qū)。軋輥將帶材軋制減薄后，輥縫出口區(qū)域帶材表面沒(méi)有殘油。為避免軋制油飛濺在出口帶材表面，帶位移傳感器油缸帶動(dòng)右防纏伸縮擋板伸出，將防纏擋板頭部與軋輥距離貼得很近，防纏擋板把出口帶材整個(gè)上表面都覆蓋，這樣飛濺的軋制油滴落在防纏伸縮擋板表面，并從兩側(cè)導(dǎo)流，最終保證不會(huì)落在出口帶材上表面。從右向左軋制時(shí)，右噴淋梁電磁閥打開(kāi)，左噴淋梁電磁閥關(guān)閉。

圖3 工藝潤(rùn)滑噴淋梁及防纏擋板簡(jiǎn)圖

上中間輥與上工作輥均不設(shè)置換輥軌道，換輥時(shí)噴淋梁和防纏伸縮擋板縮回，利用下工作輥將上中間輥和上工作輥背出，這種做法有兩點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：首先、給噴淋梁和防纏伸縮導(dǎo)板在與水平30°夾角方向運(yùn)動(dòng)時(shí)騰出空間；第二，不設(shè)置帶面高度以上的換輥軌道可以避免軋制油軋制時(shí)產(chǎn)生的煙霧在換輥軌道上預(yù)冷凝結(jié)，從而滴落在帶材表面。因此，采用本文新研發(fā)的小輥徑六輥軋機(jī)在保證軋制冷卻潤(rùn)滑效果的同時(shí)，取得了良好的除油效果。

3.3 高可靠性小輥徑輥系結(jié)構(gòu)

六輥軋機(jī)減小了工作輥直徑，能夠減小最小可軋厚度，但對(duì)于難變形材料，小直徑工作輥能夠承受的扭矩十分有限無(wú)法滿(mǎn)足軋制需要，中間輥直徑大，因此采用中間輥傳動(dòng)方式，但會(huì)導(dǎo)致兩個(gè)問(wèn)題：首先，中間輥在傳遞軋制力矩的同時(shí)，中間輥與工作輥之間摩擦?xí)构ぷ鬏伿艿剿阶鲇昧?，水平力較大時(shí)造成工作輥輥頸處斷裂。第二，工作輥直徑變小，止推軸承變小，在軸向力作用下導(dǎo)致止推軸承燒損[8]。

為解決問(wèn)題，本文開(kāi)發(fā)了高可靠性小輥徑輥系結(jié)構(gòu)，如圖4所示，工作輥徑向軸承采用無(wú)內(nèi)圈軸承，徑向軸承滾動(dòng)體直接在工作輥輥徑表面滾動(dòng)，同時(shí)控制軸承座壁厚，無(wú)內(nèi)圈徑向軸承選用滾針軸承，這種軸承滾動(dòng)體尺寸非常小，這樣能夠最大化的增加工作輥輥頸處的直徑。圓形截面抗彎模量與直徑3次方成正比，因此增大工作輥輥頸處直徑可以有效提高輥頸的抗彎能力。

圖4 小輥徑工作輥輥系裝配簡(jiǎn)圖

關(guān)于軸向力作用下導(dǎo)致止推軸承燒損問(wèn)題，為減小工作輥軸向力，開(kāi)發(fā)了整體式彎輥缸塊，將工作輥和中間輥彎輥缸塊作為一個(gè)整體零件進(jìn)行加工、檢查以及裝配，改善工作輥與中間輥平行度，該技術(shù)可以有效避免中間輥軸承座、工作輥軸承座與彎輥缸塊的交叉。當(dāng)軋制力作用在輥系上，支承輥與中間輥交叉產(chǎn)生的軸向力由支承輥和中間輥軸承分別承受，工作輥與中間輥平行，因此軸向力不會(huì)傳遞給工作輥，從源頭上控制了作用在工作輥上的軸向力。

4 結(jié)語(yǔ)

截止目前，現(xiàn)場(chǎng)機(jī)組單道次最大壓下量0.8 mm，最薄成品厚度0.25 mm，厚度精度不大于0.003 mm，平直度每米浪高不超過(guò)6 mm，帶鋼表面殘油不超過(guò)120 mg/m2，保證了產(chǎn)品的性能。小輥徑六輥軋機(jī)新研發(fā)的技術(shù)已全部獲得自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，機(jī)組的研發(fā)及應(yīng)用，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)關(guān)于該領(lǐng)域研究的空白，滿(mǎn)足了用戶(hù)的高端需求，該機(jī)型已經(jīng)成功的推廣應(yīng)用于國(guó)產(chǎn)首套寬幅銅帶六輥精軋機(jī)組中，適應(yīng)了銅帶生產(chǎn)工藝對(duì)軋機(jī)軋薄能力及板形控制能力的苛刻要求。鑒于新研發(fā)的小輥徑六輥軋機(jī)工作輥輥徑大小適中，并且對(duì)薄規(guī)格硬料能夠高可靠性的軋制，該主機(jī)同樣適用于大批量生產(chǎn)高變形抗力材料的冷連軋生產(chǎn)線中，其市場(chǎng)應(yīng)用前景廣闊。