钢丝与钢丝制品厂设计(engineering design of steel wire and wire products plant)

以线材为原料、生产钢丝和进一步将钢丝加工成钢丝制品的工厂及配套设施的设计。在中国，冶金行业的钢丝与钢丝制品厂工程设计范围包括：钢丝绳厂、预应力钢丝厂、钢丝帘线厂、低碳钢丝(铁丝)厂和特殊钢丝厂设计等。其产品广泛应用于煤炭、冶金、石油、化工、交通、电力和建筑等行业。设计内容主要包括：确定设计规模和产品方案、选择工艺和设备、确定车间组成和布置、配置环保和安全设施等。

简史 古代人用锤锻和人力拉拔方法制作金属丝。圆棒材轧钢机发明后，开始用单卷筒拉丝机拉拔较长的低碳钢丝。19世纪中，英国人发明高碳钢棒材和丝的热处理工艺，该工艺包括材料的加热和冷却，使其易于拉拔，称为焙嫩(patenting)处理，当时在工业界产生很大影响，被世界各国广泛应用，生产出较高强度的制绳钢丝和弹簧钢丝。并在此基础上生产出各种结构的钢丝绳。19世纪后期出现了细丝连续拉丝机。20世纪初硬质合金模推广应用后，粗丝连续拉丝机诞生，拉丝范围扩大，拉丝速度提高。中国在20世纪30年代，只有少数生产铁丝、圆钉和钢丝绳的工厂。50年代开始发展钢丝与钢丝制品工业。1959年在湘潭钢铁公司设计建成第一个金属制品厂。60到70年代，上海、天津、贵州和西安等地相继设计建成一批工厂，规模和品种不断扩大，其中贵州钢绳厂是年产50000t的大型厂，生产直径1.8～106mm的钢丝绳。80年代，陆续设计和建成一批专业化工厂，其产品有石油钢丝绳，低松弛预应力钢丝和钢绞线，密封钢丝绳，二氧化碳气体保护焊丝，厚锌层镀锌钢丝，轮胎用胎圈钢丝和钢丝帘线等。

产品分类 用线材加工的产品很多，各国的分类不同。英、美等国将钢丝与钢丝制品归属于丝与丝制品范畴中。在日本，钢丝与钢丝制品属于钢铁二次制品，其中有普通钢线材制品(铁丝、圆钉和金属网等)；高碳钢线材制品(弹簧钢丝和钢丝绳等)；特殊钢线材制品(琴钢丝、混凝土用预应力钢丝和绞线、不锈钢丝等)。前苏联以黑色金属线材为主，包括小型轧材和带材作为原料所生产的各种工业用的制品总称为金属制品。其产品分为四类：金属丝与丝制品(铁丝、钢丝、合金钢丝、钢丝绳、金属网、钉和销等)；固定件(螺钉、螺母、铁路道钉和垫圈等)；冷轧钢带及其制品(钢带和各种发条用弹簧)；其他制品(爬行器、链条和电报键等)。

中国冶金行业的钢丝与钢丝制品一般分为三类(表1)。

设计规模和产品方案 中国冶金行业生产的钢丝和钢丝制品的主要品种、用途和执行标准见表2。随着国民经济的不断发展，产品品种和执行标准将不断发展和更新。

表1 钢丝与钢丝制品分类

 

表2 钢丝与钢丝制品主要品种用途和执行标准

 

工厂设计规模不宜太小，也不宜在小型工厂进行多品种生产，以免出现主要设备负荷率低、产品质量不易控制、能耗高等缺点。工厂规模常以产量来划分，但受产品类别的影响大。产品直径越小，工序越多，加工量就越大，每吨产量需要的设备、厂房和投资也相应增多。划分规模时要比较其加工量的大小。常见的各类工厂的设计规模见表3。

表3 各类工厂设计规模

 

车间组成与布置 各类工厂的生产车间组成如图。

 

钢丝与钢丝制品厂的车间组成图

钢丝与钢丝制品厂有综合性工厂和专业化工厂之分。由于专业化生产有利于提高产品质量，降低能耗和成本，应大力提倡。综合性工厂中专用产品的生产，也应设置专业化生产车间或生产线。

工厂要设计与之配套的机修、检验、供电、供水、锅炉房、空压站、供排酸、污水处理、仓库、运输以及办公室等公用和辅助设施，以形成综合生产能力。外部协作可能时，应将配套设施委托给专门的企业承担。

生产车间一般采用连续多跨的单层工业厂房，按工艺流程布置设备，减少货物交叉和往返运输。主厂房两侧不宣布置建筑物，使车间有较好的自然采光和通风。小型拉丝机和模具加工等轻型设备可布置在多层厂房内。有腐蚀性气体或有害气体溢出的建筑物，布置在常年最小风频风向的上风侧。麻芯和木轮为易燃品，其加工间布置在单独的建筑物内。厂外运输有公路和铁路两种，多数是公路运输。图1是某钢丝与钢丝制品厂的设计总平面图。

工艺选择 各类钢丝车间的生产工艺流程通常由酸洗(或机械除鳞)、拉丝、热处理和镀层工序组成。不同的产品，其工序顺序和组合不同。多工序串联的连续生产工艺日臻完善，提高了钢丝生产的自动化水平。各类钢丝制品车间通过捻制、编织、冲锻和焊接等工艺将钢丝制成各类制品(见钢丝绳厂设计、预应力钢丝厂设计、钢丝帘线厂设计、低碳钢丝(铁丝)厂设计和特殊钢丝厂设计)。

 

主要设备选择根据产品的技术要求，工艺流程、原料和燃料条件等，合理选择钢丝车间和钢丝制品车间的设备。

钢丝车间设备包括酸洗设备、机械除鳞设备、拉丝设备、热处理设备和金属镀层设备。

酸洗设备按工艺方法分为化学酸洗和电解酸洗两种。按设备型式有间歇式酸洗设备和连续式酸洗设备两类。间歇式酸洗设备由酸洗、清洗、涂层等槽和烘干装置组成。钢丝成盘浸入各槽的时间由人工控制，设备简单，造价低。新型的间歇式酸洗设备将各槽体和烘干装置密闭起来，组成隧道式酸洗线，由计算机进行程序控制，劳动生产率高，操作环境好，但投资高，适用于工艺相近的大型车间。连续酸洗设备是展开的钢丝经压辊浸入或经溢流槽水平地进入各槽连续进行处理的设备，其钢丝表面处理均匀，质量好。这种设备可与热处理或各种镀层设备串联，组成连续生产线。

机械除鳞设备 由机械除鳞机、后处理设备和收线机组成用以代替线材的酸洗。机械除鳞机有辊式和喷丸式两类，后处理设备为一种补充手段，根据线材条件可选择钢丝刷、蒸汽喷吹、压缩空气喷吹、涂层和烘干等。为保证拉拔对线材表面的要求还可采用机械除鳞和电解酸洗组合的方法。这些方法可与拉丝机串联组成连续生产线。

拉丝设备 由拉丝机和收线机组成。拉丝机分干式和湿式两类。干式有：单卷筒拉丝机和滑轮式、双卷筒式、活套式和直进式等连续式拉丝机。干式连续拉丝机由2～10个卷筒组成一列，实现钢丝连续拉拔。湿式有水箱式拉丝机。常用的干式连续拉丝机系列见表4。

表4 干式连续拉丝机系列(单位mm)

 

(1)单卷筒拉丝机。用于拉拔粗直径、异形断面或难变形钢丝，常用卷简直径为300～900mm。按卷筒布置形式有立式、卧式和倒立式。

(2)滑轮式拉丝机。拉拔时钢丝经过集线臂上的滑轮和上部放线滑轮改变方向后进入下一个卷筒，拉丝机工作原理见示意图2。其优点是：卷筒积线多，冷却条件.好，交流电机传动，设备结构简单，容易操作和维护，设备造价低。但钢丝易产生扭转，拉拔粗丝较困难，速度不能过高。新型的滑轮式拉丝机能在一定范围内无级调速，

 

图2 滑轮式拉丝机工作原理示意图

1-放线架；2-拉丝模；3-卷筒；4集线臂；5-上部放线滑轮

 

图3 双卷筒式拉丝机工作原理示意图

l-放线架；2-拉丝模；3-拉拔卷筒；4-上卷筒；5-中间导轮；6-工字轮收线机

实现无扭转拉拔，扩大了生产范围。

(3)双卷筒拉丝机。由安装在同一轴上的拉拔卷筒和上卷筒组成，钢丝在拉拔卷筒上右旋向上缠绕，经中间导轮，在上卷筒左旋向上缠绕，再从切线方向引出，进入下一卷筒，钢丝不扭转，可不停车卸线。拉丝机的工作原理见示意图3。卷简有积线自动控制装置，冷却条件好，拉丝速度较高。因钢丝通过中间导轮产生反向弯曲。适用于拉拔中、小直径钢丝。

(4)活套式拉丝机钢丝拉拔后，经过一个活动张紧轮和导向轮形成的活套，进入下一个卷筒。直流电机传动，自动调速，带反拉力拉丝，适应产品范围较广，拉丝速度较高。由于钢丝通过活套，进线直径不宜过大。拉丝机工作原理见示意图4。

 

图4 活套式拉丝机工作原理示意图

1-放线架；2-拉丝模；3-卷筒；4-张紧轮；5-导向轮；6-工字轮收线机

 

图5 直进式拉丝机工作原理示意图

1-放线架；2-拉丝模；3-卷筒；4-工字轮收线机

(5)直进式拉丝机。钢丝拉拔后在卷筒上缠绕数圈后直接进入下一个卷筒，其间不经过滑轮或活套。为了增加积线量，卷筒略倾斜。直流电机传动，自动调速，带反拉力拉丝，适用于拉拔粗直径高强度钢丝，但设备造价较高。拉丝机工作原理见示意图5。

(6)组合式拉丝机。取各种型式拉丝机的优点组成较理想的拉丝机，常用的有两种：(1)由滑轮式和双卷筒式组成的积线式拉丝机，其造价低，用途比较广。(2)由滑轮式、活套式、双卷筒式组成的拉丝机可不停车上线和卸线，适用于各类钢丝高速连续拉拔，操作自动化水平高。这种组合式拉丝机工作原理见示意图6。

(7)水箱式拉丝机。拉丝时卷筒速度大于钢丝运行速度，两者之间产生滑动，通常在润滑液中拉拔。常用的成品卷简直径有350、250、200、150、100mm5种，拉拔10～22道次，成品钢丝直径0.1～0.9mm，拉丝机工作原理见示意图7。此外，还有采用大型塔轮的水箱式拉丝机生产直径1.0～2.0mm的制绳钢丝。

(8)收线机。有固定卷筒式、工字轮式和倒立式三种。固定卷筒式(俗称象鼻式)收线机带一个围绕卷筒旋转的拉丝模，钢丝随拉模缠绕在固定卷筒上，可不停车卸线，适用于各种半成品钢丝，卷简直径750～400mm，卷取钢丝直径5.0～1.8mm。工字轮收线机可与各种拉丝机匹配，卷取拉拔后的钢丝，最大工字轮直径可达1600mm，容量6t。倒立式收线机系将钢丝卸在与卷筒同步旋转的放线架上，可获得较大的线盘，适用于粗直径、异型断面和成品钢丝的收线。

热处理设备用于线材和钢丝的热处理，使其能顺利进行拉拔，或获得成品钢丝所要求的显微组织及力学性能。常用的热处理设备有铅淬火机组、退火炉和其他热处理炉等。

(1)铅淬火(焙墩)机组。由放线装置、加热炉、淬火炉和收线机组成，用于中、高碳钢丝的热处理。其加热炉的型式有马弗(马弗

 

图6 组合式拉丝机工作原理示意图

l-放线架；2-拉丝模；3-滑轮式卷筒；4-活套式卷筒；5-双卷筒式卷筒；6-工字轮收线机

 

图7 水箱式拉丝机工作原理示意图

1-放线架；2-拉丝模；3-塔轮式卷筒；4-成品卷筒；5-工字轮收线机

砖或马弗管)炉、明火炉、电接触(利用钢丝电阻导电加热炉)等。明火炉的加热速度快，热效率高，投资省，被广泛采用。其淬火炉常用铅浴炉，也有采用盐浴炉、沸腾粒子炉或沸水淬火炉，以避免铅污染造成的危害，以及可能对钢丝镀层质量产生的影响。半成品钢丝则用空气冷却或水套冷却装置。收线机有卧式、倒立式和工字轮式。

(2)退火炉。包括展开式连续退火炉、周期式退火炉和辊底式连续退火炉等。展开式连续退火炉有两种：晦暗退火时，其炉型与铅淬火机组加热炉基本相同。光亮退火时，采用通保护气体的管式马弗炉。周期式炉有罩式炉、井式炉和辊底式炉等。这些炉子均有良好的密封性能和循环风机，可控制热处理的气氛。由于真空退火获得无脱碳无氧化的光亮表面，双真空井式和罩式炉在高表面质量产品中得到应用。辊底式周期炉和辊底式连续炉的装卸料、加热、冷却和炉气控制均由计算机程序控制，自动化操作水平高。

(3)其他热处理设备。淬火回火弹簧钢丝和针布钢丝采用由连续加热炉、油淬火槽、铅回火槽组成的淬火回火机组。为提高胎圈钢丝、预应力钢丝的弹性极限和伸长率，采用铅浴炉、感应加热炉或明火炉进行消除应力处理。在消除应力热处理过程中同时产生塑性伸长的稳定化机组用于低松弛预应力钢丝和钢绞线的成品热处理。

金属镀层设备有热浸镀和电化学镀两种。热浸镀可获得锌、铝、锡和锌-铝-稀土合金等镀层。镀层机组由放线装置、热处理炉、酸洗槽、冲洗槽、溶剂槽、烘干炉、熔融金属炉、引出装置和收线机等组成。钢丝热镀铝和锡较少使用，热镀锌容易操作、成本较低，被广泛应用。热镀锌的熔融金属槽可采用侧加热的钢制槽或采用上加热和工频感应加热的由耐火材料捣制的陶瓷锅。厚锌层钢丝则采用双锌锅或气体擦拭法生产。气体擦拭镀锌是在钢丝出锌槽后穿过一个上、下端打开的盒子，盒内盛有经筛选的砾石或类似的球状擦拭材料，盒下端插入熔锌槽内，盒上端为一窄缝，便于引出钢丝和排出气体，盒内充满含少量硫化氢的非氧化气体。在此条件下热镀锌，钢丝运行速度快，获得均匀、平整的厚锌层。

在金属离子溶液中沉积镀层的方法有化学镀和电镀两种。化学镀常用于二氧化碳气体保护焊丝的镀铜和胎圈钢丝的镀青铜。镀青铜机组由放线装置、热处理炉、酸槽、镀槽、中和槽、烘干炉和收线机等组成。电镀常用于各种钢丝的镀锌、胎圈钢丝镀铜和钢丝帘线用钢丝镀黄铜。电镀机组包括放线装置，热处理炉，电解酸洗、电解碱洗、冲洗和电镀槽，烘干炉，收线机等。钢丝帘线用氰化法或热扩散法镀黄铜，多数用热扩散法。

钢丝制品车间设备因产品不同，种类较多(见钢丝绳厂设计、预应力钢丝厂设计、钢丝帘线厂设计、低碳钢丝(铁丝)厂设计和特殊钢丝厂设计)。

环保安全钢丝生产的酸洗、铅淬火、热浸镀、电镀等工序溢出有害气体，排出含酸和重金属离子的污水等。设计要注意良好的通风和污水处理设施，做好废酸液和铅、锌等废渣的综合利用，变害为利，确保环境不受污染。捻股、成绳、制钉和织网等工序产生较高噪音，设计尽可能选用低噪音设备，并区别情况采取适当的吸音和隔音措施。

设计应重视操作安全，运转设备要配备保护罩、安全围栏和完善的电气连锁装置。酸洗槽高出地面，用管道供酸。设备周围留有场地和通道，方便操作和维修，堆放原料和半成品等。

发展趋势现代化钢丝生产要求选用盘重大，尺寸精度高，化学成份波动小，有害物质含量低的优质线材。并要求线材轧制时，根据钢种采用不同的控制冷却方法，获得铅淬火或软化退火的组织，从而取消拉拔前的热处理工序，降低能耗。轮胎钢丝帘线和阀门弹簧钢丝等产品选用高纯洁钢轧制的线材，提高产品使用寿命。钢丝生产向多工序连续生产发展，设计包括热处理，表面处理、镀层、拉拔和卸线等工序组成的由计算机进行程序控制的高生产率连续机组。拉丝机配备有卷简高效冷却系统，通过在线测温和测径仪，自动控制钢丝质量。双捻机在钢丝绳生产中将扩大使用范围。