线材单一孔型系统的设计及减定径孔型的构成

刘洪涛，朱大可，肖士伟，谢红委

（山东钢铁集团永锋淄博有限公司，山东 淄博256400）

1　前言

当前线材生产已摒弃旧有的复二重生产方式，在向优质、高产和低消耗方向发展，质量上也在要求多种规格，精密公差，光洁表面，大单重，细晶粒度，少氧化铁皮，高拉拔性。为保证高速无扭线材的轧制精度和质量要求，必须设计与其相适应的孔型系统。目前，在45°无扭精轧机上常采用含减定径匹配的椭圆—圆—圆—圆孔型系统的单一孔型系统。单一孔型系统是指用一套孔型系统与减定径（或双模块）成品孔型相匹配，通过精轧机道次的增减替换来实现所有轧制规格共用的孔型系统。本研究对线材单一孔型系统的设计及减定径孔型的构成进行了探讨。

2　单一孔型系统的构成及特点

高速无扭线材轧机的孔型因轧机不同而不同。为了实现品种钢轧制规格范围大、道次多、单根、高速、无扭、恒微张力轧制的工艺特点，精轧机常采用椭圆—圆孔型系统。同时，为保证轧制精度和光洁表面的要求，成品采用减定径（或双模块）机组，用椭圆—圆—圆—圆孔型系统［1］。轧机组成可分为粗轧、中轧、预精轧机组、精轧机组和减定径（或双模块）机组。规格为Φ5～Φ25 mm盘圆，轧制规格范围大，道次从24～32个不等。普通孔型系统设计只能道次随规格大小由多向少递减，相应轧制速度也随传速比的增大而减小，由最大100 m/s到20 m/s，幅度较大。同时，进入精轧机的轧件尺寸也要随规格相应改变，所以精轧机孔型随规格必须按系列执行。规格更换必须按系列换辊，否则无法正常轧制生产，费时、费力，影响作业率（见图1）。

图1　高速无扭线材轧机原孔型系统

改进后的孔型系统见图2，可以看出，Φ5.5 mm、Φ7 mm、Φ8.5 mm、Φ9 mm规格为一个系列，Φ 6 mm、Φ7.5 mm、Φ12 mm规格为一个系列，Φ6.5 mm、Φ8 mm、Φ14 mm、Φ16 mm规格为一个系列。不同系列更换规格必须全部更换辊环。而采用带有减定径（或双模块）精轧机组的单一孔型系统，减定径（或双模块）精轧机组为成品孔型单独一套，轧制速度可按最高秒流量随规格固定，设为最大，其他孔型在预精轧和精轧机组中孔型共用，可随机组道次集传速比随意进行更换或参数调整。因此，采用单一孔型系统换辊方便，成品速度高，产量高，质量好。

图2　高速无扭线材轧机改进后的孔型系统

3　单一孔型系统轧制参数设计

3.1　设计原则

连轧机工作特点是必须遵循“秒流量”相等的原则，即：单位时间内经过任一截面的金属体积必须相等，其方程式如下：

式中：B、H、V分别为轧件的宽度、高度、水平速度，Q为轧件截面积。由式（1）、式（2）可得：

将式（5）代入式（4）再代入式（3）可得（忽略前滑）：

式中：D为轧件轧辊工作直径，D0为轧辊原始辊径，Qn为轧件面积，b为轧件宽度，s为辊缝。

3.2　轧制参数分配设计

由于精轧机中各道次的集传速比已固定。即：各道次集传速比l1、l2、l3……ln已知。精轧机各道次辊环速度公式为：

其中由于集传（1个增速箱转速）N1=N2，可得：

式中ω为本道次延伸系数。将式（8）、式（9）代入式（3）可得：

即：集传精轧机中每个道次延伸系数与相邻两机架辊箱速比（I）成正比与两孔型工作直径（D）成反比。45°无扭集传精轧机椭圆—圆孔型的各道次延伸系数ω=1.2～1.35。减定径（或双模块）椭圆—圆—圆—圆孔型延伸系数ω=1.01～1.15。

3.3　变形系数

45°无扭集传精轧机采用椭圆—圆孔型系统，宽展系数圆孔型β=0.3～0.4，椭圆孔型β=0.6～0.7。采用Z.乌萨托夫斯基公式（β=η-W）［2］。

圆孔面积：

椭圆孔面积：

式中：α=2arcsin（b/2R），R=［（h-s）2+Bk2］/4（h-s），h为椭圆轧件高度，R为椭圆弧半径，α为弦长为b的椭圆弧所对应的中心角，Bk为椭圆孔型宽度。

4　轧制程序表编制

轧制程序表是保证连轧生产顺行必须编制的参数依据。包括轧制速度、集传电机转速、辊环转速、辊环工作直径、辊缝、各道次延伸系数、轧件断面尺寸（断面积、轧件宽、轧件高）。

按成品最终轧制速度和道次速比确定辊环和电机转速，再依据已知的各辊箱速比和成品断面按公式（10）确定各道次孔型的延伸系数，相应可知每道次轧件断面积。再按公式（11）和（12），推算轧件断面尺寸。由公式（5）确定辊环工作直径和辊缝。编制完毕后延伸系数、工作直径、辊缝和速比再用公式（10）、（5）、（11）、（12）进行校核。若差别较大则通过调整工作直径、改变轧件面积的方法修正计算。如改变原始辊径或辊缝值可调整工作辊径，对孔型轧件局部尺寸增减可改变轧件断面积。

5　减定径孔型的构成

减定径（或双模块）采用椭圆—圆—圆—圆孔型。4个道次为一个整体集传机组（双模块是椭圆—圆两道次为集传模块，圆—圆两道次为另一集传模块）。每个道次对应增速机有不同档位，每个档位有不同速比，采用离合挂档（或液压自动挂档）。所以每道次的延伸系数也随规格档位的不同而不相同。圆孔型延伸系数ω=1.01～1.15，椭孔型延伸系数ω=1.01～1.15。设计计算轧制参数遵循上述编制轧制程序表和校验的方法。

1）椭圆孔型构成。椭圆孔型构成见图3，与普通椭圆孔型构成相同［2］。

图3　椭圆孔型结构

2）圆—圆—圆孔型构成（逆轧方向为k1、k2、k3，见图4）。为保证成品表面光洁、椭圆度（±0.10 mm）和表面细晶粒组织，3个道次孔型每道次必须有一定压下量和相应延伸系数。3个孔型压下量主要是控制在辊缝处对角的更替轧制。因此，圆孔槽底宽度应比普通圆孔稍大（橄榄圆形状）。开口角随规格不同3个孔型也不相同，一般α=94°～130°。其中k1、k3见图4a，k2见图4b。

图4　圆—圆—圆孔型结构

图4中α1=105°～118°；α2=α1-（5°～10°）；α3=α1-（2°～3°）。s为辊缝，s1=s3=1～1.4 mm，s2=1.5～3 mm。H为圆轧件孔型构成高度，H1=H0-（1.007～1.02 mm）；H2=H1-（0.1～0.3 mm）；H3=H1-（0.2～0.5 mm）。R’为圆扩张角半径，k1、k3两孔型，R’在开口角切线圆边线上且必须R’=H；k2孔型R’在开口角切线圆边外延长线上，R’用作图法求得或按下式计算：

图5　Φ6.5 mm减定径孔型结构

k1、k3孔型用作图法，校验公式为Bk1=（1.052～1.085）H；k2孔型，Bk2=Bk1+（0.2～0.8）［3］。

其中Φ6.5 mm盘圆的减定径椭圆—圆—圆—圆孔型结构见图5。

6　结语

通过几个月的生产证明，所生产规格的产品轧制工艺过程稳定，中间道次断面尺寸控制较好，盘圆成品尺寸精度达到了±0.10 mm，椭圆度≯0.12 mm。对165 mm×165 mm和150 mm×150 mm两种坯料均进行了轧制，试轧了典型产品，效果较好。