柯尊鳳

（中冶京誠(chéng)工程技術(shù)有限公司，北京 100176）

1 棒材發(fā)展趨勢(shì)分析

棒材產(chǎn)品主要有熱軋鋼筋和合金鋼棒材產(chǎn)品。熱軋鋼筋產(chǎn)品廣泛用于國(guó)家基礎(chǔ)設(shè)施、房屋、橋梁、道路及水利等建設(shè)領(lǐng)域，年消耗量約2億t，市場(chǎng)規(guī)模達(dá)萬(wàn)億元，市場(chǎng)需求旺盛。合金鋼棒材產(chǎn)品廣泛用于各制造領(lǐng)域，例如軸承鋼、齒輪鋼、工具鋼等。

近幾年，由于合金鋼生產(chǎn)線附加值較高，許多鋼企進(jìn)行結(jié)構(gòu)調(diào)整，由普鋼向優(yōu)特鋼轉(zhuǎn)型的需求旺盛。近年來(lái)，隨著國(guó)家陸續(xù)發(fā)布了鋼鐵企業(yè)節(jié)能、綠色、清潔生產(chǎn)等政策，頒布了相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)提高效率、降低消耗、提升品質(zhì)有了更嚴(yán)格的要求。

為了適應(yīng)鋼鐵行業(yè)節(jié)能、減排、環(huán)保的要求，鋼材的生產(chǎn)越來(lái)越重視先進(jìn)技術(shù)和裝備的使用。因此棒材生產(chǎn)的發(fā)展應(yīng)在滿足市場(chǎng)需求的同時(shí)，不但要關(guān)注節(jié)能和環(huán)保，而且要通過(guò)先進(jìn)的工藝、技術(shù)和裝備等手段，以期能夠進(jìn)一步降低生產(chǎn)成本，生產(chǎn)出高質(zhì)量、高附加值的產(chǎn)品。對(duì)于熱軋鋼筋，它的發(fā)展趨勢(shì)是高精度、高強(qiáng)度、低消耗、高作業(yè)率和高的成材率；對(duì)于合金鋼棒材，它的發(fā)展趨勢(shì)是柔性生產(chǎn)模式、高精度和高成材率。

2 高速棒材倍尺飛剪機(jī)技術(shù)創(chuàng)新

鋼筋的傳統(tǒng)生產(chǎn)方式主要采用多線切分軋制工藝，但在滿足產(chǎn)品尺寸精度，提高成材率、生產(chǎn)效率及降低合金消耗等方面存在不足。切分軋制工藝調(diào)整要求高、作業(yè)率低，成品線差大、尺寸精度低，軋件頭尾不齊、成材率低，多線控溫軋制難，合金消耗量大。以上這些問(wèn)題很難實(shí)現(xiàn)鋼筋高品質(zhì)、高效率、低消耗、低成本生產(chǎn)。

因此，亟需開(kāi)發(fā)具有生產(chǎn)效率高、產(chǎn)品精度高、綠色化生產(chǎn)的新型棒材工藝技術(shù)及裝備，滿足鋼企對(duì)熱軋鋼筋生產(chǎn)轉(zhuǎn)型的需求，提高鋼鐵工業(yè)整體技術(shù)水平。

基于上述情況，軋鋼工藝提出采用單線軋制，消除線差的影響，可有效減少軋件非定尺數(shù)量，滿足高精度、高成材率的要求，提高軋制速度與軋制靈活性，實(shí)現(xiàn)高作業(yè)率的需求。運(yùn)用鋼筋組織強(qiáng)化理論，提高控溫軋制水平，實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度和低資源消耗的要求。因此單線、高速軋制的柔性化高速棒材生產(chǎn)工藝、裝備和控制系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，也就是我們俗稱的高棒生產(chǎn)線。

在高棒生產(chǎn)線中，高速倍尺飛剪尤為重要，它的穩(wěn)定運(yùn)行和倍尺精度，對(duì)生產(chǎn)線的作業(yè)率和成材率都起著至關(guān)重要的作用。因此中冶京誠(chéng)工程技術(shù)有限公司研制出了世界最高45 m/s穩(wěn)定運(yùn)行的一整套高速上鋼系統(tǒng)，其中就包含了高速倍尺飛剪，在已投產(chǎn)的新余高棒項(xiàng)目中，精軋機(jī)出口設(shè)定速度45 m/s，實(shí)際軋件速度高達(dá)47.2 m/s，成為高棒行業(yè)的新標(biāo)桿。高速棒材倍尺飛剪的主要技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)有：

1）通過(guò)對(duì)高速棒材軋件倍尺運(yùn)動(dòng)規(guī)律的研究，開(kāi)發(fā)了雙伺服轉(zhuǎn)轍器高速倍尺飛剪（如下頁(yè)圖1所示），解決了軋件倍尺彎尾問(wèn)題，提高了高速上鋼系統(tǒng)的穩(wěn)定性。雙伺服轉(zhuǎn)轍器高速倍尺飛剪創(chuàng)造了Φ12mm螺紋鋼穩(wěn)定運(yùn)行速度達(dá)45 m/s的世界紀(jì)錄，大幅提高了生產(chǎn)效率（如下頁(yè)圖2所示）。

圖1 雙伺服轉(zhuǎn)轍器高速倍尺飛剪結(jié)構(gòu)

圖2 高棒生產(chǎn)線軋件速度實(shí)測(cè)值

2）針對(duì)柔性化軋制智能控制要求高、高精度控制難度大等問(wèn)題，結(jié)合機(jī)器視覺(jué)、人工智能、邊緣計(jì)算、云計(jì)算等先進(jìn)手段，開(kāi)發(fā)了基于脈沖當(dāng)量動(dòng)態(tài)測(cè)量的倍尺剪切控制技術(shù)，倍尺精度小于±60 mm，成材率達(dá)98%以上。

3 13 MN冷剪機(jī)技術(shù)創(chuàng)新

目前，在國(guó)內(nèi)以生產(chǎn)螺紋鋼為主的生產(chǎn)線主要考慮剪切生產(chǎn)能力，剪切定尺材普遍采用冷飛剪和冷停剪，冷停剪的定尺精度高于冷飛剪，而日常維護(hù)成本低于冷飛剪，因此，近年來(lái)冷停剪受到更多螺紋鋼生產(chǎn)用戶的青睞；而以生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)鋼和合金鋼為主的生產(chǎn)線則綜合考慮小規(guī)格生產(chǎn)能力和大規(guī)格剪切斷面質(zhì)量?jī)蓚€(gè)因素，剪切定尺材通常采用2臺(tái)砂輪鋸和1臺(tái)冷停剪組成“剪—鋸組合”，既滿足小規(guī)格剪切能力，又充分考慮了大規(guī)格剪切斷面要求。

砂輪鋸鋸切質(zhì)量非常好，但砂輪消耗快，生產(chǎn)成本過(guò)高，棒材生產(chǎn)廠并不十分愿意采用?，F(xiàn)在冷停剪在剪切直徑25 mm以上的圓鋼時(shí)，采用帶孔型的剪刃，可有效改善剪切斷面質(zhì)量。對(duì)于中小規(guī)格棒材生產(chǎn)線而言，采用大剪切力的停剪既能滿足生產(chǎn)能力的需求，又能控制剪切斷面質(zhì)量，不失為低成本高收益的有效手段之一。因此這也成為了大噸位冷停剪占有市場(chǎng)的最大優(yōu)勢(shì)。

由于高強(qiáng)螺紋鋼筋的廣泛使用，和上述高棒生產(chǎn)線的大力推廣應(yīng)用。用于定尺剪切的冷剪機(jī)，在小時(shí)產(chǎn)量不變的情況下，國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的8.5 MN剪切力冷剪機(jī)，其剪切效率難以滿足正常的生產(chǎn)節(jié)奏。特別是在短定尺時(shí)，定尺冷剪成為軋線上的“瓶頸”。因此迫切需要研發(fā)出更大剪切力的定尺冷剪機(jī)。同時(shí)還需要解決現(xiàn)有冷剪存在的制動(dòng)器、離合器傳遞能力不足，剪刃更換裝置抗沖擊性差和剪刃側(cè)隙調(diào)整結(jié)構(gòu)不合理等諸多技術(shù)難題。

在上述背景下，中冶京誠(chéng)工程技術(shù)有限公司開(kāi)發(fā)出了具有國(guó)際先進(jìn)水平的國(guó)內(nèi)首套13 MN冷剪機(jī)，剪刃寬度1 700～2 100 mm，可根據(jù)用戶的需求訂制不同的剪刃寬度冷剪機(jī)。其主要技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)有：

1）研制出了用于大剪切力剪機(jī)的氣路增壓系統(tǒng)。由于國(guó)內(nèi)絕大部分生產(chǎn)線，車間的壓縮空氣出口壓力約為0.7 MPa，而到用戶點(diǎn)則衰減到0.4～0.5 MPa，這個(gè)壓力低于冷剪機(jī)離合器、制動(dòng)器氣囊的額定工作壓力0.7 MPa，導(dǎo)致在生產(chǎn)中，離合器和制動(dòng)器摩擦片打滑，磨損加劇，由于摩擦片中有一部分是膠木材質(zhì)，磨損嚴(yán)重時(shí)，產(chǎn)生大量的熱量，出現(xiàn)冒煙甚至著火的現(xiàn)象。根據(jù)這種情況，若將整個(gè)車間的空氣壓力提高，則生產(chǎn)線的安全性降低，若配置獨(dú)立的空壓站，則受到空間限制，也將使成本增加。因此在冷剪機(jī)的氣源管路上增設(shè)一套增壓裝置和蓄能器（如圖3所示），起到增壓和穩(wěn)壓的作用，保證了離合器和制動(dòng)器正常工作，延長(zhǎng)了摩擦片的使用壽命。這個(gè)增壓裝置可以廣泛應(yīng)用到需要局部增壓的設(shè)備，不需要將整個(gè)車間的系統(tǒng)壓力提高，也無(wú)需增加獨(dú)立的空壓站，既實(shí)用也節(jié)約了成本。

圖3 氣路增壓系統(tǒng)

2）開(kāi)發(fā)了多自由度剪刃更換裝置、自適應(yīng)剪刃側(cè)隙調(diào)整機(jī)構(gòu)，解決了相關(guān)部件使用壽命過(guò)短的難題，減少了備件的消耗，使用壽命提高1倍以上，減少停機(jī)時(shí)間，提高了冷剪機(jī)的作業(yè)率。

3）開(kāi)發(fā)了一種新型刀座鎖緊機(jī)構(gòu)，縮短了鎖緊機(jī)構(gòu)的更換時(shí)間。冷剪機(jī)的刀座碟簧鎖緊機(jī)構(gòu)，碟簧共計(jì)有一百多片，當(dāng)?shù)涉i緊力不夠時(shí)，需要及時(shí)更換，若沿用傳統(tǒng)的碟簧鎖緊機(jī)構(gòu)，則需維護(hù)人員在操作空間高度不足半米的環(huán)境下，更換碟簧。更換時(shí)間長(zhǎng)，勞動(dòng)強(qiáng)度大，降低了剪機(jī)的作業(yè)率。因此，提出了一種整體式的碟簧鎖緊機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)可離線組裝，在線整體更換，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了剪機(jī)作業(yè)率。

4 雙速比強(qiáng)力啟停式飛剪機(jī)技術(shù)創(chuàng)新

近幾年，高合金棒材年產(chǎn)量大約6 300萬(wàn)t，而且合金鋼的占比還在逐年提高。隨著市場(chǎng)需求量的增加，企業(yè)從生產(chǎn)合金鋼棒材中獲利頗多，對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)由普棒向優(yōu)特鋼轉(zhuǎn)型的需求也就越來(lái)越旺盛，同時(shí)為了提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，企業(yè)要求在采用連軋生產(chǎn)模式的前提下，單條生產(chǎn)線產(chǎn)品規(guī)格覆蓋范圍盡可能的寬范，要求成品尺寸由Φ40 mm～Φ170 mm不等。這就對(duì)新一代飛剪機(jī)提出了新的要求，具有更寬的剪切速度范圍（至少＞5倍速度范圍），同時(shí)具備更大的剪切力（以Φ170 mm，軸承鋼為例，剪切溫度約850℃，需要的剪切力＞3 MN），此外，由于軋件規(guī)格大，剪切精度和斷面質(zhì)量對(duì)成材率的影響更加顯著，這就需要飛剪具有更高的剪切精度和斷面質(zhì)量。同時(shí)企業(yè)對(duì)高效、低成本的追求需要進(jìn)一步提高剪機(jī)作業(yè)率。

在5年前，國(guó)內(nèi)剪切力＞3 MN飛剪機(jī)只能依賴進(jìn)口，國(guó)外3.3 MN飛剪機(jī)剪切速度0.40～0.65 m/s（高低速比1.6倍），無(wú)法滿足多規(guī)格產(chǎn)品柔性生產(chǎn)模式下的剪切需求。

為了適應(yīng)上述剪切需求，國(guó)外采取在同一工藝位置布置“一大一小”2臺(tái)曲柄飛剪的方案來(lái)滿足剪切力大、剪切速度范圍寬的剪切需求（如圖4所示）。1臺(tái)大剪切力飛剪剪切大規(guī)格低速軋件，1臺(tái)小剪切力飛剪剪切高速小規(guī)格軋件。這種布置形式存在的弊端有：第一，2臺(tái)飛剪使軋線加長(zhǎng)、不利于軋件的控溫軋制。第二，對(duì)于新建項(xiàng)目，2臺(tái)飛剪使設(shè)備投資加大，后期設(shè)備的運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本增高，第三，對(duì)于改造項(xiàng)目，老廠房場(chǎng)地受限，此種布置形式無(wú)法實(shí)施。因此需要研制1臺(tái)飛剪替代上述2臺(tái)飛剪機(jī)，既能剪切低速大規(guī)格軋件，也能剪切高速小規(guī)格軋件。

圖4“一大一小”2臺(tái)飛剪布置形式

在上述背景下，中冶京誠(chéng)工程技術(shù)有限公司開(kāi)發(fā)出了一種飛剪機(jī)，用1臺(tái)雙速比的曲柄飛剪機(jī)替代上述2臺(tái)單一速比的曲柄飛剪機(jī)。以此為基礎(chǔ)攻克了多個(gè)技術(shù)難題，提出了下列的技術(shù)創(chuàng)新。

4.1 將雙速比傳動(dòng)理論引入啟停式飛剪領(lǐng)域

開(kāi)發(fā)了“0側(cè)隙”雙速比傳動(dòng)系統(tǒng)，解決了單臺(tái)飛剪無(wú)法同時(shí)滿足“低速大斷面”和“高速小規(guī)格”剪切要求的業(yè)界難題，實(shí)現(xiàn)了單臺(tái)飛剪剪切速度范圍≥5倍的技術(shù)創(chuàng)新，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)外雙速比大剪切力飛剪機(jī)技術(shù)空白。

雙速比傳動(dòng)由來(lái)已久，在軋機(jī)領(lǐng)域有所應(yīng)用，但一直未在飛剪領(lǐng)域應(yīng)用，其主要原因是由于飛剪的啟停工作制，傳動(dòng)系統(tǒng)需要正反轉(zhuǎn)。在飛剪和電機(jī)間增加變速系統(tǒng)，將使傳動(dòng)環(huán)節(jié)增多，系統(tǒng)側(cè)隙加大，而飛剪長(zhǎng)期處于高溫環(huán)境，若側(cè)隙過(guò)小，齒輪易發(fā)生“咬死”現(xiàn)象，運(yùn)轉(zhuǎn)不靈活。而側(cè)隙過(guò)大，則飛剪在啟停工作時(shí)振動(dòng)大、抗沖擊性差，設(shè)備壽命短。此外側(cè)隙過(guò)大還會(huì)影響剪刃側(cè)隙，無(wú)法保證剪切斷面質(zhì)量，當(dāng)電機(jī)正反轉(zhuǎn)時(shí)還將影響剪刃的零位標(biāo)定，影響剪切精度。因此，如何對(duì)各級(jí)傳動(dòng)系統(tǒng)的側(cè)隙進(jìn)行合理分配成為雙速比傳動(dòng)能否在啟停式飛剪領(lǐng)域取得成功應(yīng)用的關(guān)鍵。

中冶京誠(chéng)工程技術(shù)有限公司在開(kāi)發(fā)過(guò)程中，以齒輪最小側(cè)隙理論為基礎(chǔ)，根據(jù)高、低速不同，側(cè)隙分級(jí)控制，工作環(huán)境溫度不同，側(cè)隙分級(jí)控制，首創(chuàng)了“0側(cè)隙”雙速比傳動(dòng)系統(tǒng)，與飛剪有機(jī)結(jié)合，提高了設(shè)備的抗沖擊性和剪切精度，延長(zhǎng)設(shè)備壽命。此傳動(dòng)理論的成功應(yīng)用，開(kāi)拓了一個(gè)啟停式飛剪傳動(dòng)的新局面，對(duì)整個(gè)冶金行業(yè)的飛剪領(lǐng)域具有深遠(yuǎn)的意義。

齒輪最小側(cè)隙理論：

式中：a為齒輪副中心距，mm；a1，a2為齒輪、箱體材料的線膨脹系數(shù)，1/℃；△t1，△t2為齒輪、箱體工作時(shí)相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)溫度的溫差，℃；αn為法向壓力角。

4.2 開(kāi)發(fā)雙支撐整體緊湊型箱體結(jié)構(gòu)

開(kāi)發(fā)了雙支撐整體緊湊型箱體結(jié)構(gòu)，剛性高、抗沖擊性好（如圖5所示）。碟簧/斜楔鎖緊，液壓打開(kāi)的刀座鎖緊機(jī)構(gòu)，鎖緊力穩(wěn)定可靠，保證了剪切斷面質(zhì)量。剪刃更換裝置能夠?qū)崿F(xiàn)剪刃快速更換，新的剪刃和刀座固定在一起，可線外提前準(zhǔn)備，更換時(shí)整體替換舊剪刃和刀座，耗時(shí)約20 min，可顯著提高剪機(jī)作業(yè)率。

圖5 飛剪本體

4.3 提出一種脈沖當(dāng)量的測(cè)量方法

提出了一種脈沖當(dāng)量的測(cè)量方法，由剪刃閉合信號(hào)及熱金屬檢測(cè)器實(shí)測(cè)，通過(guò)精確測(cè)量脈沖當(dāng)量數(shù)來(lái)計(jì)算軋件長(zhǎng)度，使剪切精度得以提高。同時(shí)開(kāi)發(fā)一種抗干擾光電隔離脈沖分路裝置，解決了脈沖信號(hào)畸變、長(zhǎng)距離傳輸易受干擾問(wèn)題，提高了飛剪控制系統(tǒng)的抗干擾性和穩(wěn)定性。

傳統(tǒng)的軋件測(cè)量方法是通過(guò)輸入軋輥直徑后計(jì)算軋輥周長(zhǎng)從而計(jì)算出軋件長(zhǎng)度，而在實(shí)際生產(chǎn)中，軋輥的磨損會(huì)使軋輥直徑發(fā)生變化、工藝調(diào)整、鋼坯溫度的變化會(huì)使軋件滑動(dòng)率發(fā)生變化，使實(shí)際的軋件長(zhǎng)度和用傳統(tǒng)方法計(jì)算出來(lái)的軋件長(zhǎng)度不一致，導(dǎo)致飛剪的剪切精度低、成材率不高。

傳統(tǒng)方法：

式中：dW為成品軋機(jī)工作輥徑；i為成品軋機(jī)減速比；rpp為成品軋機(jī)電機(jī)編碼器每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)；Lpp為脈沖當(dāng)量。

同時(shí)，在軋鋼車間，調(diào)速傳動(dòng)多，電纜敷設(shè)路徑復(fù)雜等諸多原因產(chǎn)生的干擾信號(hào)都直接導(dǎo)致編碼器計(jì)數(shù)的不準(zhǔn)確，也會(huì)降低飛剪的剪切精度和定位精度。

通過(guò)采用中冶京誠(chéng)工程技術(shù)有限公司開(kāi)發(fā)的這種創(chuàng)新軋件長(zhǎng)度測(cè)量方法和編碼器信號(hào)整形裝置，可使剪刃定位精度達(dá)±0.1°，剪切精度實(shí)際值可達(dá)±20 mm，提高成材率約0.1%（以年產(chǎn)100萬(wàn)t合金鋼棒材為例，可使成材率提高1 000 t）。

基于雙速比傳動(dòng)理論，中冶京誠(chéng)工程技術(shù)有限公司開(kāi)發(fā)了2.5 MN、3.3 MN、4.5 MN三種雙速比啟停式飛剪機(jī)系列，剪切代表速度0.40～2.95 m/s，這里的速度是指一個(gè)范圍，也就是高低速比。如果低速提高，高速也可再提高。目前已有成功應(yīng)用的最低速在0.3 m/s（湘鋼、巨能），最高速在3.83 m/s（大冶和萊鋼）。自2015年9月大冶特鋼的雙速比強(qiáng)力啟停式飛剪取得成功應(yīng)用后，此種機(jī)型受到廣大用戶的青睞，其中4.5 MN飛剪遠(yuǎn)銷印度太陽(yáng)旗鋼廠。

中冶京誠(chéng)工程技術(shù)有限公司創(chuàng)新型飛剪，不僅填補(bǔ)了雙速比傳動(dòng)在飛剪領(lǐng)域的技術(shù)空白，引領(lǐng)了飛剪由傳統(tǒng)的單速比傳動(dòng)向多速比傳動(dòng)的發(fā)展方向，而且為中國(guó)企業(yè)在合金鋼生產(chǎn)領(lǐng)域與國(guó)外同類知名公司的競(jìng)爭(zhēng)中，提供了有利支撐，為“中國(guó)制造”走向海外市場(chǎng)，創(chuàng)造了有利條件。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著節(jié)能環(huán)保理念的不斷深入，中國(guó)鋼鐵行業(yè)發(fā)展形勢(shì)迫切要求鋼鐵企業(yè)使用節(jié)能降耗新技術(shù)，在軋鋼領(lǐng)域主要可通過(guò)優(yōu)化工藝、設(shè)備改造和產(chǎn)品升級(jí)這三個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)來(lái)節(jié)能降耗，以不斷的技術(shù)創(chuàng)新來(lái)實(shí)現(xiàn)綠色軋鋼。中冶京誠(chéng)工程技術(shù)有限公司作為“冶金建設(shè)國(guó)家隊(duì)”，理應(yīng)當(dāng)仁不讓肩負(fù)起這一歷史使命，努力進(jìn)取，開(kāi)拓創(chuàng)新，為廣大的鋼鐵企業(yè)提供更優(yōu)的生產(chǎn)工藝，更好的生產(chǎn)設(shè)備，更強(qiáng)的技術(shù)服務(wù)。國(guó)產(chǎn)化的設(shè)備，也將大大降低鋼鐵企業(yè)的運(yùn)營(yíng)成本，可極大程度的利用國(guó)內(nèi)的社會(huì)資源。