棒线材无头焊接轧制系统

洪荣勇

（福建省三钢（集团）有限责任公司 福建三明365000）

1 前言

棒线材生产工艺虽然已有上百年的历史，但是其在现代社会发展中仍占据着相当重要的位置。随着棒线材生产技术不断地发展，其生产工艺已经日趋完善。虽然轧制设备持续更新换代且已经广泛地使用短应力轧机［1］，但是轧制工艺大多数还是采用单坯机理进行轧制［2］。这就会导致轧制过程中出现：一是轧线堆钢现象，其需要一定时间进行堆钢清理，从而影响产能；二是由于轧制是一个间断的坯料进给过程，从而会对轧机造成重复的头尾冲击，降低了消耗件（轧辊，辊环，导向装置，剪刃）的使用寿命以及增大了机械设备（齿轮、轴承、联轴器）承受的应力，使得非计划维护所需的轧制停机时间明显增加；三是因为轧制的是间断坯料，需要去除坯料头尾，因此降低了材料收得率。基于这些情况，国内外学者进行了深入研究，开发出了无头焊接轧制系统进行生产工艺的更新换代，从而提高了产线产能与管理效率［3，4］。

无头焊接轧制（EndlessWelding Rolling，简称EWR）是在加热炉出口和第一架轧机之间将两根坯料头尾进行焊接，实现无间断地连续轧制。这个系统可以在完全自动化模式下运行，与上、下游设备同步，减少人为干预，因此能够使产能最大化，具有高度可重复性，极大地提高了整个工艺的效率［5］，同时生产方面节能减排效果显著［6］，有巨大的推广前景［7］。因此，本文针对EWR的工作时序、主要机械设备、坯料外形要求及其经济效益进行了重点概述。

2 EWR机械设备单元

2.1 工作时序

EWR主要的机械设备布置于加热炉出炉炉门至1＃轧机机列之间，EWR的区域布置如图1所示。由图1可知，EWR机械设备主要包括：高压除磷机、对焊机本体、升降辊道、去毛刺机，全长共38.29m。根据不同工厂的生产需求，EWR机械设备的布置可进行适当地调整规划。

图1 无头焊接轧制系统布置图

EWR工作周期如图2所示。焊接时，焊机启动后加速直至达到进入轧机第一根坯料的速度；当第一根坯料的尾部与下一根坯料的头部靠近时，夹具夹紧坯料；焊接开始和完成的整个周期内，都需将两根坯料压紧；夹具打开，焊机减速；焊机回到初始位置等待下一个焊接周期；单独的去毛刺站可去除焊接区域的所有毛刺，而不影响整个焊接系统的运行速度。

图2 坯料焊接工作时序图

2.2 机械设备

而减小轧件头尾部之间的温度差。

2.2.1 炉子出口辊道

炉子出口辊道为带保温罩的辊道，如图3所示，位于加热炉出口区。辊道台架为焊接钢结构，辊道安装在滚柱轴承上，内部采用水冷方式进行单独驱动。保温罩通过液压驱动开启与闭合，从

图3 加热炉出口辊道结构图

2.2.2 除鳞机

除磷机主要作用于红钢表面，去除其四周的氧化铁皮，轧制时防止氧化铁皮被带入造成成品表面形成凹凸痕迹。高压除鳞系统采用泵内卸荷方式，在不除磷可做到完全卸荷，节约电能。

2.2.3 升降辊道

升降辊道如图4所示，布置于沿焊机操作区域，用于焊接过程中方坯支撑及运输。辊道台架为焊接钢结构，支撑摆动辊；每一个辊子均为单一结构，铰链连接在框架上，支撑辊子自身平衡。辊子安装在滚柱轴承上进行单独驱动，通过焊机架上的凸轮进行下压，一旦从机架松开，靠反平衡作用即可实现自动上升。

图4 自动升降辊道结构图

2.2.4 方坯焊机系统

方坯焊机系统如图5所示，位于加热炉和第一架轧机之间，用于方坯焊接，主要由方坯焊机、轨道、焊机保护罩、焊机小车走道、焊机机架、水冷系统、收集框、去毛刺系统组成。

图5 方坯焊机系统结构图

方坯焊机用于焊接热态坯料及挤压控制，焊接过程中的参数由电气控制。控制元件安装在地面柜上，与焊机分离。车架为钢结构，用于在焊接过程中支撑和横移夹紧装置、挤压装置和导卫；同时装有减速箱和电动马达。机架在轨道上与坯料移动速度相同，移动速度由第一架轧机确定；异形钢轨组成的凸轮安装在机架上，焊接中压下摆动辊；移动通过齿条和齿轮系统完成。挤压装置的固定装置由夹钳装置、导卫、挤压缸及阀组成；挤压功能由焊接系统控制，配有两个伺服阀。

控制系统配有：全过程自动控制（驱动，焊接和处理），与现有控制系统相兼容，可人工控制；监视器和控制元件，能够显示、存储和测绘焊接过程。

焊机机架用于在不需要焊接或检修时，将坯料焊机移到离线位置。焊机结构架通过液压缸在基础轨道上实现横移动作。

去毛刺系统位于焊机出口处，用于清除焊接区域表面毛刺。

2.2.5 紧急收集台架

紧急收集台架位于轮式焊机旁，用于在紧急情况下，将方坯从升降辊道上推出。坯料通过由液压缸驱动的升降臂从辊道上实现移除，升降臂安装在基础架轨道支撑的小车上，小车横移运动由链子和带传动轴的齿轮马达传动。坯料在轨道上成排收集，轨道安装在基础架上，通过天车进行吊运。

2.2.6 夹送辊

夹送辊如图6所示，位于轧机处，主体为焊接机加工钢。水冷悬臂上装有辊子（采用集中干油润滑系统），上辊的开启与闭合由液压驱动，下辊由电机驱动。驱动单元安装在滚柱轴承上的齿轮箱内，齿轮用热处理的优质合金钢制成。

图6 夹送辊结构图

3 坯料外形尺寸要求

坯料良好的外形尺寸是确保焊接成功的前提条件之一，也是保证焊接区域质量符合要求的重要条件之一。坯料的外形尺寸要求如表1所示。

表1 坯料外形尺寸要求表

4 经济效益

无头焊接轧制系统将坯料进行头尾对接，实现产品无间断地生产。这就使得无头焊接轧制工艺具有提高市场占有率［8］、降低生产成本、便于工厂管理等优点。针对2020年度某120万吨棒材生产线测算所得的无头焊接轧制工艺经济效益如表2所示。

由表2可知，通过安装使用EWR进行棒材产品生产，可以节省生产成本1019.15万元，产量增加带来收益2229.05万元，年盈利额达到2500.45万元。由此可知，通过使用该系统可以大幅度的降低成本，提高企业的经济效益。

表2 无头焊接轧制工艺经济效益总结表

（续表）

5 结论

无头焊接轧制系统布置于加热炉出口至1＃轧机之间，前后通过辊道即可分别与加热炉和轧机对接起来，简单便捷，因此可使得多数传统棒线材的生产设备和技术得以更新换代。在符合坯料外形尺寸要求和全自动化情况下进行生产操作，通过结合无头焊接轧制系统进行生产工艺的优化，能够使传统生产工艺的产能得到显著提高，有利于提升工厂的自动化水平，可进一步改善企业的管理现状，提高企业的经济效益。