小型轧钢车间设计(design of light section mill)

以连续铸钢坯或轧制坯为原料，经加热、轧制、精整等工序，生产各类小型型钢钢材的型钢轧钢车间设计。在工业发达国家，小型钢材占全部热轧钢材的20％左右，主要用于建筑和机械制造行业。设计的原则和方法见轧钢厂设计。

简史 1761年英国建造了第一套小型横列式轧机1882年欧洲建设了第一套半连续式小型轧机。1945年以后冷轧带卷运送在全世界范围发展了连续式和半连续式小型轧机。

中国于1871年在福州船政局所属拉铁厂(轧钢厂)建设了第一套横列式小型轧机。20世纪50年代和60年代先后在石景山钢铁公司建设了一套普通碳素钢连续式小型轧机和在济南钢铁厂建设了一套可生产合金钢的半连续式小型轧机。80年代又在上海第五钢铁厂和安阳钢铁厂建设了半连续式小型轧机。90年代初在广州钢铁厂建设了平立交替布置的连续式小型轧机。

设计规模和产品方案 小型轧钢车间设计规模和产品方案与轧机的布置形式有关，小型轧钢车间的轧钢机布置形式有横列式、半连续式和全连续式等多种。(1)横列式。适合多品种小批量和合金钢材的轧制。(2)半连续式。适合规格范围宽、中等批量和合金钢材的轧制。(3)全连续式。轧制速度快，生产能力大，适合品种少、批量大的普通商品钢材的轧制。表1为代表性的小型轧钢车间的设计规模和产品方案。

工艺流程 根据生产的钢种、品种、规格和用户对产品性能的要求选择工艺流程。图1为连续式和半连续式小型轧钢车间工艺流程示意图。

图1   连续式和半连续式小型轧钢车间工艺流程示意图

根据提供的连铸坯和轧制坯的温度情况，钢坯可以冷坯装炉和热坯装炉。轧制螺纹钢和需要控制冷却的钢材，轧件出成品机架后，即进入穿水冷却装置，以提高其力学性能和工艺性能，穿水冷却工序多数放在飞剪分段前，也有放在飞剪分段后的。连轧后的轧件用飞剪分段，然后长尺冷却，长尺矫直，冷却后的成品用冷剪或冷锯切成定尺。有的优质合金钢材还需要有退火、矫直、喷丸(或酸洗)、探伤检测和精整修磨等工序。

工艺设备选型 根据产品方案和生产工艺的要求进行选择，主要设备有加热炉、轧机、切断设备、冷却设备和精整设备。

加热炉 有推钢式和步进式两种炉型，设计时可以根据生产条件的不同进行选用(见轧钢加热炉设计)。推钢式加热炉投资省，维护简单，适用于加热一般的钢种。步进式加热炉操作灵活，钢坯加热质量好，氧化脱碳少，适合加热高碳钢坯和合金钢坯。其中，组合式步进炉燃耗最低，且可在停轧时将高温段热钢坯退出炉外，有效地防止氧化脱碳；步进梁式炉钢坯在炉内四面受热、加热时间短、炉长可比组合式步进炉略短。

主轧机 主要包括轧辊直径和辊身长度的确定，以及机架型式和主电动机拖动型式的选择，轧机的辊径视轧机的用途不同而异。粗轧机轧辊直径根据原料截面尺寸咬入条件确定；成品轧机的轧辊直径按产品种类与规格确定；中轧机与预精轧机的轧辊直径按轧制顺序依次递减，级差为50～100mm。辊身长度取决于配孔方式和轧辊抗弯强度。粗轧机轧辊辊身较长，与辊径之比为1．5～3；精轧机尤其是成品机架轧辊辊身较短，以求刚性好轧制尺寸精确。悬臂式轧机辊环宽度按配置1～2个子L型设计。

机架结构型式要有足够强度、刚性和稳定性，要便于换辊，换轴承和操作调整。机架有普通高刚度闭口机架，预应力和短应力线机架、平立转换型机架和悬臂式紧凑型机架，各有所长。还有轧辊互呈120。布置的Y型机架，结构虽较复杂，但适合高精度定径轧制。比较理想的机架结构是刚性好(如预应力、短应力线轧机)而重量轻(悬臂式、紧凑型)、便于制造(如普通闭口机架)和适应多品种轧制(如平立转换型机架)，能提高轧制精度(如Y型轧机等)。

轧机的主电动机。横列式用交流电动机。轧合金钢或多品种钢材用直流电动机拖动。连续式小型轧机多采用直流电动机单独拖动，虽然投资多，供电和控制复杂，但能在较大范围和在轧制过程中调速，以达到微张力或恒张力连轧。

切断设备 半成品或中间轧件的切断以及直径40mm以下圆钢和螺纹钢等成品钢材的切断用剪机，异型钢材直径不小于40mm的成品棒材则用锯机切断。

剪机按用途分为热剪、飞剪和冷剪三类：(1)热剪。用于对静止的轧件切头、切尾和分段剪切、小型轧机选用开口式速度快的热剪机。(2)飞剪。用于对运动中的轧件进行切头、切尾、分段和事故碎断剪切。安装在粗、中轧机组后面的飞剪，用启停工作制的曲柄连杆式和转鼓式飞剪，以适应剪切断面较大的轧件，此种飞剪也具有事故碎断剪切功能。安装在冷床入口前的成品飞剪，功能更齐全，可切头，可用计算机控制，实现最佳分段剪切，甚至可以切定尺。由于被剪切的轧件速度快，温度低(穿水冷却后)，有时要多支剪切(切分轧制时)，所需的剪切力很大且剪切次数频繁，所以设计成大转鼓式或曲柄兼转鼓式，以适应小规格快速剪切和大规格慢速剪切的要求。(3)冷剪。用于对冷却后的棒材进行定尺剪断(剪小规格棒材用平刀刃或双斜剪刃，剪30mm以上棒材用槽刀刃)，因剪力大，常用闭口式结构。

锯机按用途不同分为热锯和冷锯，热锯用于轧件冷却(含缓冷)前进行倍尺(定尺)预锯切。冷锯则用于长_尺冷却、长尺矫直后的轧件进行成品定尺和最佳锯切，冷锯更适用于连续式小型轧钢车间生产异型钢材的锯切。

冷却设备 主要有普姬棒材冷床、螺纹钢的穿水冷却装置。

(1)穿水冷却装置。穿水冷却又名钢芯回火余热处理，螺纹钢从成品机架轧出便趁热穿水冷却，使轧件表面激冷而淬火硬化，紧接水冷段后面是空冷回火段，利用钢芯潜热向表层扩散，将硬化过的表面层回火软化，从而提高钢筋的力学性能和工艺性能。穿水冷却装置由带喷水嘴的管筒和带逆向喷水嘴和喷风嘴的管路组成，全套装在可横移的小车上，不用时即可退离作业线。

(2)冷床。冷床型式有步进齿条式、斜辊式、往复拨爪式、链式、跳齿式和摇摆齿条式6种。步进齿条式，适合轧件线性尺寸小于50mm的棒材冷却，其特点是冷却均匀、冷后钢材平直、表面擦伤少，虽然机构复杂、设备较重，但仍广泛使用。斜辊式，适合产品品种与规格较多的场合，其特点是床面利用系数高、维修工作量小，但设备较重，冷却细长轧件时偶有弯曲缠绕现象。往复拨爪式和链式，适合于截面尺寸较大的棒材和异型钢材的冷却，其特点是结构简单、重量轻，但床面利用系数低、钢材冷却质量稍差。跳齿式和摇摆齿条式，适合细长棒材的冷却，其特点是结构简单、容易制造。

现代小型轧机一般采用步进齿条式冷床，它的综合性能好，易维修，且对轧件有良好矫直作用。冷床系统内的设备除床体以外，还设置有快速制动跳钢装置和电磁制动裙板、带矫直板的可双槽冷却棒材的齿条、齐头辊道和平移下料排钢机等。

精整设备 包括矫直、堆垛、打捆、轻轨加工以及合金钢材的检测和处理设备。

(1)矫直机。小型轧钢车间常用的矫直机有7～13辊平辊矫直机和斜辊矫直机两类。一般小圆钢螺纹钢均不需矫直；异型钢材选用平辊矫直机矫直；合金钢材热处理后，如产生弯曲除用平辊矫直机矫直外，尚可用斜辊矫直机矫直。根据产品范围选用一种或几种不同规格的矫直机。矫直小规格材用辊数多、辊距小的矫直机，矫直较大规格材则用辊数少、辊距大的矫直机，若二者兼顾可选用变节距矫直机。

(2)堆垛和打捆设备。扁钢和异型钢材打捆前要堆垛整齐，扁钢可用落垛机堆垛，而异型钢材则多用正反扣即结网式堆垛机码垛，以保证堆垛密实不易松散。打捆机可分为用钢线打捆和用钢带打捆两类，用钢带打捆不易损伤钢材表面，但价格较高。每捆钢材重1～5t，至少需捆扎两处，故打捆机头必须配置两个以上。

(3)合金钢材的检测和处理设备。根据交货要求，若钢材表面不许有裂纹、脱碳，内部不许有分层夹杂等，应对钢材进行探伤检测。最常用的设备有超声波探伤仪，涡流探伤和磁粉探伤装置。为便于探伤检测，要用抛丸机或磨料水射流装置清除钢材表面的氧化铁皮。探伤检测后，视缺陷的种类，或用剥皮机将钢材全面扒皮，或用砂轮机将钢材局部或全面清理，或用锯切设备切去端头和钢材内部有缺陷的区段。

车间组成和平面布置 小型轧钢车间一般由原料跨间、加热跨间、主轧跨间、精整成品跨间、电气室和轧辊间五部分组成。主轧跨间内以及非主轧跨间的轧线设备大多安装在高架平台上，以利维护检修和在平台下设置管线和液压润滑站等。

平面布置要紧凑、工艺流程要顺畅和有发展余地，具体布置见图2和图3。

消耗指标各类小型轧机每吨普通棒材成品的主要消耗指标见表2。

发展趋势 采用低温加热、低温轧制、高精度轧制以及轧后控冷工艺，使产品表面光洁、尺寸精确、平直，工艺和力学性能俱佳；采用平立可自动转换机架、上冷床时的快速制动装置和异型钢材多根矫直机，研制和使用自动计数装置、堆垛打捆自动化装置，以节省人力。