特殊钢孔型设计.docx

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特殊钢孔型设计

抚顺特殊钢公司合金钢连轧工艺及孔型设计

孙玉铁　张久强　马磊

摘　要：

概述了抚顺特殊钢公司的连轧合金钢产品品种结构，主导产品—优质碳素钢，齿轮钢，弹簧钢和轴承钢的轧制程序和产品的孔型设计。

关键词：

连轧工艺　孔型　合金钢棒材

AlloySteelContinuousRollingProcessandPassDesign

atFushunSpecialSteelCoLtd

SunYutie，ZhangJiuqiangandMaLei

（FushunSpecialSteelCoLtd,Fushun113001）

Abstract：

Thecontinuousrolledalloysteelproductstructure,mainproduct-qualitycabonstructuresteel,gearsteel,springsteelandbearingsteelrollingprogramdiagramandproductpassdesignarepresentedinthispaper.

MaterialIndex：

ContinuousRollingProcess,Pass,AlloySteelRod▲

　　抚顺特殊钢有限公司从意大利德兴（TECHINT）集团引进了24架POMINI“红圈”轧机组成的合金钢连轧生产线，它包括主轧线全套主体设备、工艺布局、合金钢产品生产工艺技术及其主导产品轧辊孔型设计。

这条合金钢连轧生产线，是我国特殊钢老厂改造的重点工程项目，与合金钢连铸相适应，轧制线实现了无扭、无（微）张力轧制，并具备了合金钢轧制过程中的控轧、控冷，达到了国际先进水平。

该生产线已投入生产运行近2年，提供给用户优质合金钢7个钢类30多个品种规格的钢材约20万t，已成为我国特殊钢老厂改造的样板工程项目。

　　这条合金钢全连轧生产线，为了适应抚顺特殊钢生产的产品品种，从特殊钢轧制的工艺学方面在选择工厂的设备装备、设备的工艺布局、监控及调控设备设施等与所采用的轧制工艺制度、程序、孔型系统的选择、轧制温度及轧制速度都是密切相关的。

由工艺学限制所完成的轧制工艺设计，既能保证轧制钢种的自身结构和特性，并能实现在轧制过程控制的条件下的转变，从而获得新的所需要的组织结构和性能。

充分体现了这条特殊钢连轧生产线的适应性、合理性、灵活性。

1　合金钢连轧生产工艺

1.1　初轧工艺

　　连轧工艺平面布置图见参考文献［1］。

200mm×200mm×5.0m的连铸坯、150mm×150mm×5.0m和120mm×120mm×5.0m的初轧坯与锻压坯在长28m、宽5.8m的步进梁式加热炉中加热，出炉按1m/s的速度向轧机送进。

坯料出炉通过180～200Pa工作压力的高压水除鳞设施

（2）后在保温辊道中以0.2m/s的入口速度送入粗轧机组（3），在6架R.R472H.S轧机中平立交替轧制。

　　200mm方或150mm方、120mm方坯料经6架轧机后分别轧出Φ100mm或Φ76.2mm的中间圆坯料送去中轧。

　　粗轧机组出口处设置1台剪切能力180t的摆式剪（4），随粗轧机末架的出口速度摆动剪切轧出的圆坯的头和尾或者在事故状态下碎断轧件。

　　轧件全长通过6架粗轧机组后即呈脱开连轧，再进入中轧机组，其目的是为了调整改变粗轧机组与中粗轧机组间的连轧常数，适应连轧过程中合理的出入口速度及一些特定的工艺参数的需要。

　　为了消除轧件在粗轧机组低的速度轧制所形成的温度降、头尾及表面温度梯度的影响，特别是对莱氏体组织的高速工具钢，或者是马氏体组织、奥氏体组织的不锈钢等在进入中轧之前要给予必要的补充加热，轧件通过2000kW的电感应加热炉（5），再进入中轧机。

1.2　中轧工艺

　　初轧轧出的圆坯进入6架平-立布置的R.R455H.S中轧机组（6）。

从第10架轧出＞Φ63～75mm的成品材，从第12架轧出＞Φ50～60mm的成品材。

　　轧件自进入中轧机后至第24架精轧机轧出呈连轧状态，连轧机的连轧常数保持一致，轧件进入中轧机的入口速度要由轧件出第24架的出口速度来确定。

　　中轧机组末架出口后设置1台95t飞剪，用于切头、尾及事故状态下碎断轧件，并还具有将中轧轧出的Φ50～75mm的钢材分断成定倍尺的长度上冷床或装入缓冷箱的功能。

在中轧机入口前还设置有1台卡断剪，用于已进入中轧的轧件事故状态下的分断或阻挡轧件再进入中轧。

1.3　精轧工艺

　　中轧轧出的中间圆轧件进入精轧机组（7、8、9），三组各4架的R.R445H.S精轧机，前二组轧辊直径为420mm，末组为350mm，＜Φ50～12mm的圆钢分别从各立式精轧机中轧出。

　　第24架立式精轧机轧出最小尺寸Φ12mm钢材的出口速度确定为14m/s，这是从该生产线生产能力平衡并且为防止合金钢由于轧制速度过高，致使轧件温升过高出现芯部过热，芯熔的现象而确定之。

　　机架之间的活套设施，大于Φ35mm的棒材轧制可不用活套，而用微张力轧制，这样才能保证钢材通长尺寸的一致。

　　在三组精轧机组后分别设1台CSI50，CSI25及VMC50型飞剪用于切头分断或事故状态下的碎断轧件。

设置在24架后的VMC50型飞剪用于成品材上冷床的优化分段剪切和缓冷钢材切定尺。

该剪是组合型式，有两种工作方式，按剪切钢材尺寸大小和通过的速度分别采用曲柄式或者回转式状态工作，最短的剪切周期可达0.6s，在轧制速度为9m/s时可切为6m装入缓冷箱中的定尺材。

1.4　轧制工艺配套设施

　　在三组精轧机组后均设有控温轧制的穿水冷却段（10），用于完成对＜Φ30mm的非调质合金钢材的控温轧制。

　　VMC50型飞剪将轧材优化剪切成倍尺通过42m长带有制动护板的输送辊道送入78m×10m的齿条型冷床（12），短尾料被分离进入短尾收集槽（11）中。

通过VMC50型飞剪切成定尺的缓冷钢材，经过冷床前的输送辊道送到缓冷收集箱（18）。

　　所有轧材都可通过设在第24架轧机出口处的非接触式测径仪，测量并显示出成品轧材的尺寸精度及温度状态。

　　冷床上的定齿板和动齿板呈水平倾斜，传送轧件时转动轧件并变换接触点。

冷床上设有开起式保温罩，具有延迟冷却的功能。

长型材、倍尺材经650t冷剪（13）或Φ1250磨切锯（14），分别对不同组织性能不同切断温度要求的钢种进行定尺切断。

分断成定尺长度的钢材经过过渡台架及设在终端的计数器（15）、成型堆架机（16）、打捆机（17）并称重挂牌后进入最终的存放台架。

　　利用连轧生产线电气自动化控制系统，可快速安全地改变轧制程序，从而使轧机具有高度的灵活性。

精确的速度控制以及机架间微张力控制和最佳自动活套控制可使轧制产品尺寸保持精确性和一致性。

1.5　连轧品种结构

　　这条连轧生产线的主导产品是用200mm×200mm×5.0m的连铸坯轧制成Φ12～75mm棒材，钢种是优质碳素结构钢，合金结构钢其中大量的是汽车用齿轮钢，另有弹簧钢、轴承钢等部份产品占总产量的85%。

13～50mm方钢、六角钢及5×30mm～30×100mm的扁钢品种只占总产量的1.5%2.5%。

150mm×150mm×5.0m初轧坯轧制的滚珠轴承钢棒材及不锈钢棒材品种占其总量的10%～12.5%。

150mm×150mm×5.0m的锻压坯轧制的高速工具钢、合金工具钢的冷作模具钢，这些特种钢品种只占总量的0.5%～1%。

　　扁钢轧制产品尺寸规格百余种，可大致分为两个系列。

轧制厚5～25mm，宽30～60mm尺寸范围分别采用基本程序中的第14架Φ35.6mm圆钢，第12架Φ46.7mm圆钢，第10架Φ59mm圆钢前面各架次程序完全同圆钢系统；对于厚度大于20mm宽65～100mm的扁钢压下程序从粗轧开始完全不同于圆钢，要做这个系统内的压下程序和新的孔型系统图。

轧制5～6mm×30、40mm扁钢用第14架轧出的Φ35.6、Φ38.6mm圆钢，轧5×60mm扁钢用第12架轧出的Φ49.6mm圆钢。

平轧孔中开始最大相对压下量Δh/H=30%，轧到中间时为24%，最终为13.5%。

立轧机给的最大相对压下量Δh/H=7%,最小为2%。

1.6　连轧程序编制

　　编制连轧机的轧制程序，首先设计的是主导产品的轧制程序（图1）。

适合不同坯料尺寸及不同钢种的喂入，并能产出绝大部分的产品，编制同一套压下程序，设计共用同一套孔型系统这是连轧机程序设计必须优先考虑的。

在图1中可见：

粗轧机组中合理的孔型设计允许200mm方、150mm方、120mm方3种坯型共同，200mm方坯料轧制最小尺寸Φ12mm棒材是基本程序，当用150mm方、120mm方坯料轧制时可通过第1、2架进入第3架，前后都不改变200mm方轧制时任何给定的程序。

如果只轧制150mm方、120mm方两种坯型，可将第3～8架孔型改布置在第1～6架上，空第7、8架，从第9架开始后面的各程序都相同。

这样可大量减少孔型的数量及所有轧辊的套数，从而降低生产成本缩短生产周期。

图1　圆钢轧制程序示意图

Fig.1　Rollingprogramdiagramforroundsteelproducts

　　为了获得全部产品规格要从基本程序中设计分离出其它产品的程序。

轧制Φ40mm以下棒材、方钢、六角钢及5～20mm×30～60mm的扁钢前12架都不需要更换轧辊改变基本程序。

当轧制多种钢种或特殊钢种时，一般在加热炉中混合参差装炉，不同钢种有不同的轧制特点但不需要重新设定程序或更换机组轧辊孔型。

为了获得Φ12～Φ75mm在标准范围内的35个尺寸棒材产品、保证产品尺寸公差的精度等级，从第16架之后分离设定了Φ14mm、Φ15mm、Φ16mm的分支压下程序。

这些分离设定的压下程序，各架次产品规格的延伸系数分配比基本程序有所降低，但各新的程序延伸系数的分配更加均匀合理，相互之间的波动也很小，这样更换品种规格时，轧制程序数字无大的变化，程序控制、活套高度的计算机控制系统都不发生大的变化，若是有些变化计算机在自动修正范围之内很快的修正。

　　轧制方钢和六角钢的压下程序与相适应尺寸的圆钢相接应。

六角钢只是改变最终两架道次孔型结构形式，前面各道次是圆钢的轧制程序。

例如：

从24架次轧出13mm、14mm、15mm、16mm4个尺寸六角钢，就分别用22架轧出的Φ16.2mm、Φ17.2mm、Φ19.2mm、Φ20.2mm4个尺寸的圆钢。

从第18架轧出25mm、28mm、30mm3个尺寸六角钢就分别用第16架轧出的Φ30.4mm、Φ34.4mm、Φ38mm的圆钢。

为了获得角部符合标准要求的方钢，方钢的压下程序最后面的4道次或6道次要改变孔型结构形式，最终的4～6个孔为菱-方孔型构成。

例如：

从第24架轧制12mm方钢，要用第20架轧出的Φ19.5mm圆钢；从第24架轧制14mm、15mm方钢用第18架轧出的Φ27.5mm圆钢，18架到24架有6个道次的菱-方孔型。

从第24架轧制16m方钢用第18架轧出的Φ30.3mm圆钢，18架到24架的6个道次菱-方孔型中从第22架轧出的也是19mm的成品方钢。

　　在轧制程序中，粗轧机入口速度0.2m/s、第24架终轧的出口速度14m/s及由此推导到中轧机的入口速度0.28m/s，这是编制设计各架次秒流量的基础数据，用此数据编制设计基本轧制程序各架次及其分离轧制程序各产品规格各架次的轧制程序中的参数，得出各产品的完整的轧制程序图表，输入轧制程序操作的计算机中。

2　主导产品轧制程序的孔型设计

2.1　粗轧孔型设计

　　POMINI公司的设计者提供给这条合金钢连轧生产线的轧辊孔型设计，采用了合适的孔型系统，既适应各种合金钢种的轧制又便于坯料尺寸变换的顺利通过。

设计中采用合适的咬入角、延伸系数、圆角半径、椭圆度等参数，以保证难变形的莱氏体组织的高速工具钢也能顺利的轧制。

　　从200mm×200mm方坯轧制Φ12mm圆钢主导产品基本轧制程序的孔型设计，粗轧机组中采用箱形孔→箱方孔→双半径变形椭圆孔→扩张开口圆孔的孔型系统；在中精轧机组中全部采用圆→椭圆→圆的孔型系统。

该孔型系统共用性广、变形均匀，平立交替轧制全过程中轧件无扭转。

中精轧应用的椭圆→圆孔型系统在所有孔型系统中是没有缺点的一种，轧件在两种孔型中的变形分布均匀又没有尖锐的顶角，从而获得良好的轧材表面质量和好的机械性能。

　　在200mm×200mm方坯轧制Φ12mm圆钢延伸系数分布曲线［1］中看出：

在粗轧机组中钢坯是在温度高的状态进入粗轧机轧制，由于是自然咬入状态没有夹送辊的作用，咬入角不得超过25.8°，第1架不能给较大的压下量，不可有大的延伸。

当轧件在1、2架轧制进入3、4架时所形成的自然推力，3、4架中不再受咬入角的限制，因而就可给予大的压下量，产生较大的延伸变形，最大的延伸系数是第4架的1.44，粗轧终了轧出圆坯的延伸系数是1.246，在粗轧区中总延伸系数是5.21，平均延伸系数是1.32；中轧区中最大的是第7架延伸系数1.371，中轧完了第12架延伸系数是1.221，中轧区中的总延伸是4.58，平均延伸系数是1.289；精轧区中1组精轧开始延伸系数1.38，第16架的延伸系数是1.227，该组中的平均延伸系数1.296，与中轧区的平均延伸系数相近似，各架中的延伸系数与中轧机组架次几乎相同；精轧区2、3组中总延伸5.23，平均延伸系数1.229，最大是17架的延伸系数1.331，最终也是最小的延伸系数是1.121。

在椭圆孔型中的延伸系数都要大于在圆孔型中的延伸系数，全过程中的平均延伸系数是1.276，这是合金钢在连轧过程中轧制延伸系数的最佳选择。

分离出的其它各个轧制程序的延伸系数都要小于这个基本程序的延伸系数。

根据延伸系数的分配关系确定各轧制程序中的孔型结构尺寸。

　　200mm×200mm方坯轧制Φ12mm圆基本轧制程序粗轧6架孔型结构形式如图2所示。

图2　粗轧6架孔型结构

Fig.2　H1-V6roughrollinggroovediagrammaticsketch

　　200mm×200mm方坯进入第1孔能自然顺利的咬入，是按允许咬入角给定第1孔的压下量。

实际1H孔中压下量Δh1是42.6mm,实际的最大咬入角是24.4°，比允许的最大咬入角要小。

延伸系数最大的4V孔，实际压下量是59.75mm，该孔型咬入角范围是26.26～28°。

在2V孔的压下量Δh2是65.38mm，最大咬入角达29.92°，轧件能顺利的咬入是轧件出第1孔的推力的帮助。

用150mm×150mm、120mm×120mm方坯轧制时，钢坯通过1H、2V孔进入3H孔中进行轧制，注意的是初轧坯或锻压坯坯型尺寸与3H孔的对应关系，坯型的圆角尺寸与3H孔的圆角的对应关系：

3H孔的圆角尺寸要小于或等于坯型圆角，该孔的侧壁斜度值不应超过30%，辊缝取30mm为好，这样轧件在粗轧机组中轧制稳定性会更好。

保持轧件在有弧底的方孔型4V进入5H的双半径的变形椭圆孔型中变形的均匀和稳定的轧制，防止在椭圆孔中的轧件出现有负展宽的双凹变形，给钢材表面造成折褶的不良影响。

2.2　中、精轧孔型设计

　　中、精轧机组中的孔型结构形式如图3。

图3　中、精轧机组孔型结构

Fig.3　Intermediateandfinishinggroovediagrammaticsketch

　　中、精轧区段均是椭圆-圆的孔型系统，用延伸系数分配曲线的关系确定各中间圆的尺寸，再用两中间圆的尺寸确定其两圆孔中间的椭圆孔型尺寸。

　　中、精轧的4个区段由于轧制尺寸不同，延伸系数也不同，构成椭圆孔尺寸的系数也有变化。

从椭圆孔型系数曲线图中可查出各区段椭圆孔型的构成尺寸（图4）。

图4　中、精轧椭圆孔型设计数据曲线图

Fig.4　Designeddatacurvesforintermediateandfinishingovalgrooves

　　中间圆孔型的构成也不同于成品圆孔型（如图5）。

应用扩张开口的中间圆孔、防止操作中不慎出现的咬边折叠废品。

图5　中、精轧中间圆孔型

Fig.5　Roundgroovediagramforintermediateandfinishingrolling

　　合金钢在连轧过程中采用椭圆-圆孔型系统，轧件在椭圆孔型的宽展与轧制普通钢时不同，（不同组织的钢种宽展系数不同），因此对计算椭圆孔型宽展系数的应用，要考虑能满足轧制所有的合金钢种。

因而对POMINI提供的孔型系统，现场使用时局部的给予修正，取得了比较好的结果。

　　从中轧区段第12架或第10架轧出Φ50～60mm圆或Φ62～75mm圆的延伸系数要小于基本程序的延伸系数，为了保证成品圆尺寸的精度，轧制大于Φ62mm的圆成品前，采用了双半径的椭圆孔型。

　　中轧机组中椭圆孔型构成尺寸：

H1=0.866～0.92d1

B1=1.22～1.30D1

　　精轧机组中椭圆孔型构成尺寸：

Hn=0.74～0.86dn

Bn=1.22～1.5Dn

　　精轧中各成品圆孔型的构成形式，POMINI提供的孔型没有被我们采用，因为它不能满足轧制各种合金钢钢种产品尺寸精度在标准公差范围的需要。

　　POMINI提供成品圆孔型结构形式如图6。

图6　POMINI提供的成品圆孔型结构

Fig.6　FinishingproductroundgroovestructurepreparedbyPOMINI

　　图6中d1、d2、S、LC的计算公式如下：

　　轧制各类合金钢圆钢成品孔型，要满足轧制各种合金钢种的需要，不同组织的合金钢在孔型中宽展值各有所异并都大于普通钢，热膨胀或收缩系数也都比普钢大，并且在后部工序的精整退火修磨过程中都要有工艺损耗，还要保证用户加工用途的需要，因此成品孔型设计都要采用全部的正公差值。

我们的习惯作法是如图7。

图7　抚钢中、精轧成品孔型结构

Fig.7　RoundgroovemodifiedforintermediateandfinishingproductatFushunSpecial

　　图7中d、LC、R′的计算公式如下：

　　图6和图7的公式中：

dn——圆钢公称直径；TP、Tm——标准允许的正、负偏差绝对值；G——辊缝；LC——槽口宽度。

3　结语

　　这条合金钢连轧生产线，在生产运行2年中，对Pomini所提供的孔型系统不断的完善并在实践中不断的局部修正，使这条合金钢连轧生产线产品品种在逐步的扩大，产品的质量更进一步适应我国市场发展的需要。

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作者简介：

孙玉铁，男，62岁，高级工程师。

1957年毕业于鞍山钢铁学院轧钢专业。

从事合金钢轧制工艺研究及孔型设计，曾在国家级刊物上发表多篇论文。

　　　　　张久强，男，30岁，工程师。

1993年毕业于鞍山钢铁学院金属压力加工专业。

作者单位：

孙玉铁（抚顺特殊钢有限公司，抚顺113001）

　　　　　张久强（抚顺特殊钢有限公司，抚顺113001）

　　　　　马磊（抚顺特殊钢有限公司，抚顺113001）

参考文献：

［1］孙玉铁.抚顺特殊钢公司合金钢连轧生产线.特殊钢，1998，19

（2）：

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