高速棒材生产线核心技术与装备的开发与应用
一、项目的背景与问题
螺纹钢产品是国家基础设施、铁路桥梁及水利等发展的重要需求，其生产技术及装备的先进性是长材轧钢发展水平的重要标志。我国每年螺纹钢需求约2亿吨以上，小规格（Ø10-Ø22mm）的用量在螺纹钢产品的占比约70%，以往小规格螺纹钢采用以低于18m/s速度、多线切分的普通棒轧制的方式生产。随着我国螺纹钢新国标（GB/T1499.2-2018）标准的执行及市场的需求，螺纹钢产品的质量要求提升，采取高速棒材生产工艺近几年开始被广泛使用，相比普通棒材具有成品单线高速轧制、产品精度及外观质量高等优点。
国内现有高速棒材生产线在采用常规轧制工艺时，一般采取精轧机组集中传动或者部分分散传动的方式。在实际生产Ø10-Ø22mm螺纹钢时，成品前需要6种以上的基本孔型，增加了规格更换的停机时间，使轧线作业率较低，只能达到88%-90%左右；此外，较多的孔型也增加了辊环及导卫等生产备件的成本。在生产过程中，轧机的弹跳及头尾料型不一致引起尺寸波动，也影响了产品尺寸精度和通条精度。
在高速棒材生产线上钢装备方面，倍尺控制精度偏低从而影响了产品的成材率；夹尾器夹紧采用气缸夹紧，夹紧力调整能力差，容易使轧件尾部产生比较严重的夹痕，影响产品质量；在冷床动作周期方面采用固定周期方式，在轧件倍尺优化时，无法补偿同的倍尺长度导致的周期变化，会出现轧件撞齿现象，影响运行的稳定性。
合金减量化生产方面，在满足新国标要求前提下，现有高速棒材生产线控轧控冷工艺不完善，轧件温度控制不精确，从而导致生产线不能有效的降低合金元素锰、钒的比例，增加了合金资源的消耗及生产成本。
根据轧钢生产工艺智能化发展成为技术发展的趋势，提升高速棒材生产线的智能水平已成为钢企迫切的需求。因此，系统的研究高速棒材生产线螺纹钢生产技术，解决现有高速棒材生产线中面临的产品精度低、生产灵活性不足、高速上钢稳定性差、成材率低及合金减量化生产问题及智能化的需求，研发柔性化45m/s高速棒材生产线的核心技术与装备，对提升高速棒材生产线技术水平，实现客户螺纹钢高质量、高效率、低成本、低消耗生产具有重要意义。
二、技术解决方案与主要内容
1、总体思路
（1）为了解决现有高速棒材生产线产品精度低、生产灵活性低及生产线智能化水平低等问题，应用柔性化及模块化轧制理论并开发高速高承载力的模块化轧机装备和动态补偿变延伸控制技术。
图1 项目总体研发思路
（2）为了解决高速上钢系统稳定性差的问题，系统的研究轧件倍尺、制动上钢的规律，建立高速上钢系统的动力学模型，研制实现高速上钢稳定性的关键装备及控制技术。
（3）为了攻克满足新国标要求的螺纹钢合金减量化生产难题，对轧制温度制度、相变制度、控轧控冷工艺技术进行研究，找出能够解决降低合金消耗的轧制生产工艺，根据高速棒材生产工艺的特点研究轧线研究提升智能化的措施，实现轧线智能化生产。
通过理论研究与技术攻关，打通了从工艺技术、核心装备、控制技术创新到成果市场转化的全套技术环节，全面解决了客户对螺纹钢高质量、高效率、低成本、低消耗生产及智能化的需求。
2、高速棒材柔性化及模块化轧制理念及模块化轧机装备的研发
根据高速棒材生产螺纹钢的特点，研发了较小螺纹钢（Ø10~Ø22mm）的全规格的单一孔型系统。此单一孔型系统全线孔型除K1，K2之外均为一种基本孔型，在产品规格切换是仅需要将K1，K2轧机的辊环进行更换，其余轧机空过或辊缝调整即可，此种方式具有很大灵活性及适应性，实现了轧线的柔性化灵活性生产。
图2 高棒单一孔型系统图
图3模块轧机传动箱及模块轧机机组
3、45m/s高速棒材生产线上钢系统设备的研制
本课题所研发的高速棒材上钢系统设备，能够把Ø10mm-Ø22mm规格的棒材在最大45m/s的终轧速度下完成倍尺剪切、夹尾制动、并安全、准确的输送至冷床，高速上钢系统设备主要包括夹送辊、高速倍尺飞剪、夹尾器及转毂上钢装置等组成。
图4 高速上钢系统设备现场照片
4、合金减量化高棒控轧控冷技术的开发
根据轧线产量规模不同，高速棒材有单高速棒材和双高速棒材两种，但无论采用哪种高棒棒材生产线型式，最终成品都从辊环式精轧机组（2-4架）轧出，精轧机组布置型式有“4+2”布置和“4+4”布置两种型式。下图以双高速棒材为例，介绍高速棒材控轧控冷工艺布置方案。
图5 双高速棒材生产线控轧控冷设备布置示意图
为保证高速棒材采用控轧控冷技术，在精轧机组I前后和精轧机组Ⅱ后面布置有若干水箱（2-3个），以满足轧件在精轧机组实现780-830℃两相区低温精轧，轧后采用分级控冷控制轧后的冷却速度和轧件上冷床温度。
图6 测试后轧件宏观金相照片
5、高速棒材生产线电气控制系统的开发
高速棒材生产线控制系统的核心部分在高速区，高速区主要分为模块化轧机、高速飞剪、高速卸钢区及水冷温度闭环这几个部分，本项目针对现有高速棒材高速区控制存在的问题，对电气控制系统进行了系统的研究，开发了以下几方面的控制系统。
（1）高速模块轧机动态补偿变延伸控制系统
（2）高速棒材水冷温度闭环控制系统
（3）脉冲当量动态测量倍尺飞剪控制系统
（4）棒材制动微夹痕制动控制系统
（5）自适应周期转毂上钢控制系统
（6）高速棒材智能化生产线系统
图7 模块化轧机高动态补偿变延伸控制系统
图8 高速棒材温度闭环控制示意
三、主要创新性成果
本项目基于先进的轧制理念，率先开发出柔性化45m/s高速棒材工艺、装备和控制成套技术，形成了四项创新成果：
1、创新提出了高速棒材柔性化、模块化轧制理念，国际首创了单一孔型高速棒材轧制技术，研制出高速高承载力模块化轧机核心装备，实现了将传统的多规格产品使用多套孔型轧制方式，转变为仅用一套孔型生产的新模式，使生产作业率提高，尺寸精度提高，解决了产品精度低、灵活性不足的问题，降低了生产成本。
2、系统研究了轧件倍尺、制动上钢的规律，建立了高速上钢系统动力学模型，研制出以双伺服转辙器高速倍尺飞剪、智能夹尾器及伺服转毂为核心的一整套高速上钢装备，使高速上钢系统的稳定运行速度达45m/s，大幅提高了生产效率。
3、针对新国标螺纹钢合金减量化生产的难题，创新提出低温精轧和轧后分级水冷的控轧控冷工艺，开发了热轧钢筋组织性能预报模型及智能水冷控温系统，实现了热轧钢筋的低锰无钒生产，有效降低了资源的消耗。
4、针对柔性化轧制智能控制要求高、转毂上钢稳定性低、轧件夹痕严等问题，结合机器视觉、人工智能、边缘计算、云计算等先进手段，开发了以动态补偿变延伸、自适应转毂上钢、基于脉冲当量动态测量的倍尺剪切和微夹痕制动为核心的一整套高速棒材智能化控制技术，使轧线运行稳定性提高，倍尺精度高，成材率达高，提升了高速棒材智能化控制水平。
该成果申请专利22项，出版专著1项。经中国金属学会科技成果评价达国际先进水平，其中单一孔型柔性轧制技术达到国际领先水平。本技术具有生产灵活性高、速度快、作业率及成材率高、合金消耗低和智能化程度高的特点，改变了小规格螺纹钢的生产方式，推动了长材领域螺纹钢棒材生产工艺技术的进步。
四、应用情况与效果
本项目研发的45m/s高速棒材线上钢装备及控制系统的开发成功，改变了目前国内技术缺乏竞争力、主要靠引进的现状，打破了国外公司在高速棒材核心装备及技术领域的壁垒，降低了生产线建设投资。高速棒材生产线核心技术与装备在2018年首次整线应用于山西晋城福盛钢铁有限公司，生产线采用高速轧制及降锰生产工艺，智能化水平高，产品质量满足国标要求，技术指标达到了国内领先水平，为客户创造了显著的经济效益。