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軋輥熱處理機床研制與應用

目 錄
　  
　  
　  第一部分 前言及實施背景 5
　  1. 前言 5
　  2. 項目提出的背景 6
　  3. 項目提出的必要性 8
　  第二部分 成果內涵與創新特點 10
　  1. 小直徑軋輥中頻穿透淬火機床 10
　  2. 全數字控制軋輥一拖二雙頻自動淬火機床 13
　  第三部分 成果實施后的效果 16
　  第四部分 持續改進措施 19
　  
　  
　  第一部分 前言及實施背景
　  1. 前言
　  隨著國內各大鋼鐵企業的產品制造鏈紛紛向冷軋生產線延伸，冷軋輥作為鋼鐵工業的大宗消耗性備件，需求量與日俱增，高端軋輥仍需要進口補充。究其原因，是因為加工工藝復雜，技術含量高，國內缺乏冷軋輥專用加工工藝裝備所至，特別是冷軋輥熱處理工藝和裝備屬于高技術和高附加值的產品，為了防止中國人成為市場競爭的對手，出再多的錢，國外也不賣給中國企業，例如，硅鋼工作輥，就只賣軋輥，不賣軋輥加工設備。
　  我公司為了適應市場的需要，打破國外技術壟斷，通過研究對冷軋輥的熱處理加工工藝，自2004年起就開始研究冷軋輥熱處理加工工藝，相繼研制出了用于小直徑軋輥中頻淬火設備設備——中頻淬火機床和對工作輥熱處理設備——全數字控制“一拖二”軋輥雙頻自動淬火系統，解決了對新制冷軋輥和再修復冷軋輥進行熱處理的瓶頸問題，獲得多項國家專利證書，其中兩項發明專利。與此同時，2010年“小直徑軋輥中頻穿透淬火工藝和裝置”項目獲得武漢市職工創新一等獎，湖北省科技創新“二等獎”。
　  我們作為武漢市的高新技術企業，十多年來專心研制軋輥熱處理設備，我們在軋輥熱處理方面獲得的第一個實用新型專利是2000年，獲的雙頻淬火方面的第一個實用新型專利是2009年，2010年我們在軋輥熱處理方面獲得了兩項發明專利，在研制生產軋輥熱處理設備方面積累了比較豐富的經驗，特別是利用臨近武鋼，長期為武鋼服務的機會，使我們有機會接觸到很多國外進口先進技術和設備，我們研制的樣機也能在武鋼取得現場運行機會，不少產品由于效果不錯，得到了用戶好評，在市場上有較好的信譽度。為了適應鋼鐵企業對軋輥要求的不斷提高，我們必須不斷努力研究新問題，以跟隨市場的發展，不斷進步。
　  
　  2. 項目提出的背景
　  軋輥是鋼材之母，我們作為一個鋼材產量達到6.6億噸的鋼鐵生產大國，按照噸鋼消耗量約為1kg/t計算，其軋輥消耗量是非常大的。特別在過去的“十一五”期間，國內新建了大量軋鋼生產線，文獻['1']介紹金融危機前的2008年，軋輥供需緊張不僅沖擊國內市場，而且波及到國際市場，具體表現為軋輥供貨價格成倍上漲，交貨期推后，某些進口輥的交貨期甚至訂到5年之后，下圖是文獻['1']中給出軋輥價格趨勢圖：
　  
　  
　  
　  
　  
　  
　  
　  圖中還可知：金融危機后軋輥的價格降下來了，但是對國內軋輥企業帶來的危機卻沒有消除，文獻['2']報道：近年來蜂擁而上的軋輥企業有300多家，產能達70萬噸，低端軋輥產能嚴重過剩，而國內高端冷軋鍛鋼軋輥產能十分欠缺，只有邢臺軋輥等幾家采用進口設備生產的軋輥企業能提供一部分高端軋輥，不足部分必須依靠進口來彌補，特別是隨著軋機現代化、自動化、連續化、數控化程度的提高，對軋輥質量要求越來越高，寶鋼由于采用高質量的軋輥生產，冷軋輥鋼噸耗已經下降到0.2公斤以下，大大節約了鋼鐵生產成本。所以我國軋輥行業的設備升級勢在必然。我們研制的軋輥雙頻淬火機床就是提高軋輥質量的關鍵設備。如果國內有20%的軋輥生產企業需要雙頻淬火機床，就需要60臺，按照目前一臺加工直徑800㎜，重量15噸的軋輥雙頻設備售價500萬估算，市場容量為3億元。對于特殊大直徑，超重量的大型鍛鋼輥感應熱處理設備，價格將更高。
　  自從上世紀70年代末國內引進軋輥雙頻淬火機床以來，我們從國外又陸續引進了幾套，價格非常昂貴，2008年國內某鋼廠進行技術改造的一臺雙頻淬火機床，價格高達4000多萬人民幣，特別是當中國發展到目前階段，國外為了保持自己的技術領先地位，已經不向中國用戶提供軋輥生產所需要的工藝參數了，必須用戶自己開發，如文獻['3']介紹。
　  軋輥專用加工設備市場是一個特殊的市場，其技術含量高，但是市場容量較小，不適合大型企業大投入去搞，比較適合我們這類技術專一的小型企業生產，國際上也是如此，如比立時的應達分公司（原來屬于O.S.B公司）也不大，但是業務面向全球，為全世界的軋輥制造企業提供產品，促進了世界軋鋼產品質量提高，我們也希望做這類企業。
　  
　  3. 項目提出的必要性
　  上文在介紹項目的背景時我們也已經涉及了項目提出的必要性了，下面繼續以我們所處的武鋼為例，談談項目的必要性，眾所周知，武鋼是中國的硅鋼生產基地，對于軋制硅鋼片等板材的高檔軋輥一直被國外專門的企業所壟斷，如日本日立公司，專門提供硅鋼森吉米爾軋機用的軋輥。我國某鋼廠引進的森吉米爾軋機，對軋輥的使用一直依靠進口，上世紀80年代，即使進口一根重量僅30多公斤的小直徑硅鋼工作輥需要1000多美金。后來，由于我們研究其熱處理方法和生產設備，實現了硅鋼工作輥自行生產，使軋輥價格下降了一半，成了鋼廠當年的增效項目。
　  我們研究的目標冷軋輥熱處理工藝方法和生產制造相關專用設備，這對當前國家鋼鐵工業降成本，提高生產效率是非常有意義的，而且也是非常緊迫的一項工作，國外很多企業都緊盯中國這快“肥肉”，希望高價向中國出口設備大掙一把，我們希望用自己的行動打破他們的美夢。
　  在軋輥行業流傳一句話“軋輥是鋼材之母，軋輥精則鋼材精，軋輥強則鋼材強”軋輥的“精和強”，靠的軋輥加工的工藝裝備“精和強”，當我們國力不強時，花高價可以買回這些軋輥的工藝裝備，而當我們國力與別人相接近時，你出再高的價錢，別人也不會將先進的設備賣給你，要趕超世界先進水平必須靠自己努力創新，也希望得到國家大力支持
　  
　  第二部分 成果內涵與創新特點
　  對于冷軋輥的熱處理由于冷軋輥的材質和要求不同，冷軋輥的熱處理方法也不同，為此，根據我們對冷軋輥淬火加工方法的研究可分為軋制硅鋼產品用的小直徑軋輥中頻穿透淬火方法和軋制一般冷軋板的全數字控制 “一拖二”軋輥雙頻淬火方法。現以小直徑軋輥中頻穿透淬火機床和全數字控制 “一拖二”軋輥雙頻淬火機床分別介紹其創新內涵簡要特點。
　  
　  1. 小直徑軋輥中頻穿透淬火機床
　  
　  中頻穿透淬火是在原有中頻感應加熱的設備基礎上，配備一臺新型的加熱設備，淬火前先對工件進行整體預熱，然后施以快速的中頻感應加熱并進行穿透淬火。該工藝特點是淬透深度大（達36mm以上），綜合性能好，淬火過程易于采用全數字控制，參數能夠進入數據庫管理，使加工出的軋輥質量穩定，成本低，經濟效果顯著，又免除了鹽爐淬火惡劣的環境和勞動條件。
　  硅鋼軋機所用的軋輥是小型軋輥，常州采用的是傳統的鹽浴爐熱處理技術，用3%硝酸酒精腐蝕顯出粗大的針狀馬氏體組織，太原中頻淬火軋輥硬度梯度太大，心部硬度不足，導致軋輥的整個強度下降，日立牌的軋輥硬度分布最均勻，采用何種方法至今難于知曉，武鋼采用中頻穿透ZT淬火軋輥具有較好的硬度分布。
　  通過大量的實踐摸索使我們認識到：要保證這類軋輥的淬火質量，必須兼顧兩點：1.保證高的加熱速度；2.保證加熱穿透。為解決這一矛盾，我們將整個加熱過程分成兩部分來完成，即低溫(相變點以下)時的緩慢整體加熱和高溫時的快速表面加熱。對此，低溫采用電爐加熱，高溫采用感應設備加熱，這種加熱速度的快慢結合，不僅大大增加了淬透深度，并且保持了金屬在相變點以上加熱的高速度，淬火后得到非常細化的組織，軋輥性能十分優良。在技術上值得注意的是形狀細長的小軋輥，由于其重量有限，熱容量亦有限，熱量的稍微散失都會引起預熱溫度的下降，只有把預熱設備和中頻感應器緊密地連在一起，才能保證輥面上的每一個點進入感應器的瞬間溫度處于定值，這是和大、中型冷軋輥可以事先單獨在爐子中預熱(或用感應器多次反復加熱)，然后再吊裝到淬火機床上感應加熱是有很大區別的。
　  主要技術特點和創新點:
　  首先是工藝創新：主要是針對森氏軋機的工作輥、一中間輥和二中間輥的熱處理加工的特點進行研究：1.保證高的加熱速度；2.保證加熱穿透。為解決這一矛盾，我們將整個加熱過程分成兩部分來完成，即低溫(相變點以下)時的緩慢整體加熱和高溫時的快速表面加熱。對此，低溫采用電爐加熱，高溫采用感應設備加熱，這種速度上的快慢結合，不僅大大增加了淬透深度，并且保持了金屬在相變點以上加熱的高速度，淬火后得到非常細化的組織，軋輥性能十分優良。在技術上值得注意的是形狀細長的小軋輥，由于其重量有限，熱容量亦有限，熱量的稍微散失都會引起預熱溫度的變化，只有將于預熱設備和中頻感應器緊密地連在一起，才能保證輥面上的每一個點進入感應器的瞬間溫度處于定值，這是和大、中型冷軋輥可以事先單獨在爐子中預熱(或用感應器多次反復加熱)，然后再吊裝到淬火機床上感應加熱是有很大區別的。
　  研制一套全數字控制的中頻淬火機床和連續預熱爐及輔助裝置；可以實現小直徑軋輥連續透熱式淬火加工。電控設備是以工控機＋PLC為核心的全數字控制設備。它與當前軋輥使用的傳統鹽浴式淬火工藝相比，具有環保和節能的優點，特別是采用全數字控制的中頻淬火機床和連續預熱爐及輔助裝置進行軋輥熱處理，可以記錄軋輥的加熱過程參數和淬火溫度參數，并對這些存入數據庫進行管理，當軋輥出現問題后，可以追溯每根軋輥的加工過程參數，有利于工藝人員根據這些數據調整加工工藝，保證批量化生產的質量。
　  
　  
　  
　  2. 全數字控制軋輥一拖二雙頻自動淬火機床
　  全數字控制軋輥一拖二雙頻自動淬火機床是一種用于軋輥和大型軸類零件熱處理加工的專用設備，主要用于軋輥生產廠新制冷軋輥淬火加工，也用于軋板生產廠進行軋輥重淬和改制輥淬火加工，還能用于各種大型軸類的表面淬火加工。
　  全數字控制的“一拖二”雙頻淬火機床是針對不同材質的軋輥，利用加載工頻(50Hz)和中頻(250Hz)兩個感應圈的交變電流在其周圍產生交變磁場，金屬軋輥被這交變磁場的磁力線所切割，產生感應電動勢，在軋輥表面的一薄層內形成封閉的電流回路。這渦流回路產生的感應熱使軋輥表面加熱，達到所需的淬火溫度（相變溫度以上）。用水作為淬火劑進行急劇冷卻淬火，在軋輥表面形成一定厚度的馬氏體組織和過渡組織，即形成一定厚度的淬硬層。因利用雙頻淬火，兩個感應圈的頻率不同，其感應熱的透入深度也不同，因而經雙頻淬火后的淬硬層有較緩和的過渡區和均勻的殘余應力分布。由于電磁感應圈的功率設定模型在軋輥表面淬火時尤為重要，它對保證淬火軋輥輥端不開裂和控制軟帶長度起著至關重要的作用，因此，有必要根據國內軋輥使用情況，研制出一種新型軋輥雙頻自動淬火方法，以保證軋輥淬火加工的質量。另外，雙頻淬火電源中的工頻電源由特殊的感應調壓變壓器、平衡電抗器和特殊電壓等級的電容器及可調電感器組成，設備費用高；中頻電源容量大，起振頻繁，控制技術復雜，如果能使這些淬火電源得到充分利用，則可以在提高產量的同時降低設備投資成本，所以有必要研究一拖二的技術，以實現一套雙頻淬火電源為兩臺淬火機床提供淬火加熱電源的功能。
　  該設備綜合利用先進的數字控制技術與先進的軋輥雙頻感應淬火技術：在數字控制平臺上，將國內軋輥淬火工藝專家長期摸索出了一套適合國情的雙頻淬火工藝方法（簡稱“六級功率進和六級功率退”淬火法）集成其中，能夠較好的解決軋輥端面軟帶的加工問題，在輥面加工過程中采用功率給定模型跟蹤+ PID溫度閉環控制模式，使加工出的輥面硬度均勻，可與進口軋輥質量相媲美；軋輥在自動淬火加工過程中的各種工藝技術參數，可以通過智能數字儀表進行實時顯示，并通過數據線上傳給工控機（IPC）進行記錄和圖形顯示；系統采用全中文顯示的人機控制界面，方便中國操作人員進行各種現場指令輸入和操作，能夠打印生產報表和查詢軋輥加熱歷史曲線圖，對工藝參數實施效果進行追蹤和完善修改，實現對產品質量的數據化管理。
　  本該項目的關鍵技術包括以下幾個方面：
　  1、“六級功率進和六級功率退” 雙頻淬火工藝技術
　  2、大型軋輥雙頻淬火機床的整體設計和生產制造技術
　  3、大功率雙頻感應淬火電源及器件的設計和生產制造技術
　  4、可視性全數字電氣控制系統和數據管理系統的設計和生產制造技術。
　  主要技術特點和創新點:
　  1. 首創了綜合利用先進的數字控制技術與先進的軋輥雙頻感應淬火技術的技術平臺，在這個平臺上集成了國內軋輥淬火工藝專家長期摸索出了一套適合國情的雙頻淬火工藝方法（簡稱“六級功率進和六級功率退”淬火法），使整個雙頻淬火加工過程的各種關鍵工藝數據以可視化技術客觀、真實地展示在操作者眼前，便于員工操作和控制，填補了國內空白。
　  2.設備的機床結構設計采用方鋼等新型材料制作，結構穩定；采用軋輥自動定心旋轉技術，減少了軋輥在加熱過程中的擺動；軋輥下降和旋轉驅動采用全數字控制的交流伺服電機和變頻調速技術，有助于提高軋輥淬火加工質量。
　  3.系統所采用的大功率雙頻感應淬火電源全部實現了國產化生產，關鍵的電氣部件自行研制生產，降低了生產成本，保證了產品質量。電氣控制采用工控機+可編程控制器（下簡稱IPC+PLC）的控制結構，主站和分站之間采用總線連接，減少了電纜布線和線間干擾，控制軟件可以根據不同用戶的需要升級和更新，適合產品特性化生產。
　  4.系統采用計算機數據庫編程技術，利用全中文人機控制界面，對加工過程中的工藝參數進行自動記錄和數據管理，能夠打印生產報表和查詢軋輥加熱歷史曲線圖，實現了對產品質量的全數字化管理。
　  該項目正處在樣機試用階段，兩臺樣機分別在武鋼軋輥廠和江蘇宜興永昌軋輥公司運行，生產出了合格的冷軋輥產品，證明了本發明的實用性和先進性。
　  第三部分 成果實施后的效果
　  軋輥熱處理工藝技術一直是公司近年來所研究和開發的課題。并將所研制的成果轉化為企業產品。公司按照用戶的要求，有針對地進行不斷優化和改進，目前公司已完成了武鋼公司的五臺中頻淬火機床和一臺全數字控制一拖二雙頻淬火機床，為江蘇共昌某鋼廠生產的雙頻淬火機床，以及一大批設備關鍵備品備件和輔助設備及產品。使該創新技術成果能夠及時轉化為企業產品，為企業創造一定的經濟效益和社會效益。
　  對于成果實施后的效果可從以下幾個方面了解：
　  首先，從技術上講，該成果研制成功后，不僅可對新制軋輥進行熱處理加工，更多的是對于廢舊冷軋輥可以再制造使用，如軋輥經過多次磨削后，可以繼續進行加熱淬火處理，從而避免用過的冷軋輥當廢鋼回爐，實現資源再利用，大大節約使用和生產制造廠家的生產成本，減少碳排放，也是當前兩型社會所提倡的，具有非常巨大的社會環境效益。
　  其次，作為工藝和裝備使用單位而言，采用雙頻淬火加工主要采用的能源是電，用電來感應加熱可以提高產品質量，同時比傳統的輻射加熱效率高，節省能源。淬火需要的冷卻介質為普通的水，在本項目中水資源采用循環利用模式，可以反復使用，對環境沒有污染。與此同時，每臺設備每年可為使用單位創造巨大的經濟效益，僅以雙頻淬火機床為例，一個年產185萬噸冷軋板的車間綜合軋輥消耗量1公斤／噸，軋輥單重按5～6噸計算，每年軋輥消耗為：185萬噸×l／5600=330支／年，軋軋輥材質為Cr2，每年軋輥需重淬次數為1.6次／支，則每年需要重淬的軋輥數量為；330×1.6=528支／年，根據該部門綜合統計測算，每根軋輥通過再制造可以節省1.25萬元/支，528支可節省660萬元。按國內1.6億噸冷軋帶鋼產量估算，可節省5.8億元。按照每噸進口軋輥價值7千美金，國內生產16萬噸冷軋輥，可節約外匯11.2億美元。
　  其三、作為設備研發和制造單位而言：該裝置生產屬于高新技術產業，設備制作所需的鋼材、零配件及電工元器件都不多，主要產品附加值在技術方面，對于設備生產廠家，主要是采購、加工和組裝，沒有污染排放，對周遍的環境沒有污染影響。能源主要是電能，用于加工生產和設備模擬調試用。作為制造單位而言目前，公司每年設計生產軋輥熱處理設備和與之相應的輔助產品占全年銷售收入的20%～30%，一旦建成專業化軋輥熱處理設備的專業化生產車間，每年可生產7-8套軋輥淬火設備及相關的輔助專用設備，可新增銷售收入8000萬元，利稅新增1200萬元。預計未來幾年，隨著企業規模化不斷擴大，企業將形成專業化生產，生產該類產品將占公司銷售收入的60%以上，實現銷售收入達1.4億元。會效益和經濟效益相當可觀。
　  其四，是企業今后創新發展的技術積累。我們作為武漢市的高新技術企業，十多年來專心研制軋輥熱處理設備，我們在軋輥熱處理方面獲得的第一個適用新型專利是2000年，獲的雙頻淬火方面的第一個適用新型專利是2009年，2010年我們在軋輥熱處理方面獲得了兩項發明專利，在研制生產軋輥熱處理設備方面積累了比較豐富的經驗，特別是利用臨近武鋼，長期為武鋼服務的機會，使我們有機會接觸到很多國外進口先進技術和設備，我們研制的樣機也能在武鋼取得現場運行機會，不少產品由于效果不錯，得到了用戶好評，在市場上有較好的信譽度。為了適應鋼鐵企業對軋輥要求的不斷提高，我們必須不斷努力研究新問題，以跟隨市場的發展，不斷進步。
　  第四部分 持續改進措施
　  軋輥熱處理機床研究的研制與應用，對于公司來說在近兩年在成果向產品轉化的過程中給企業帶來持續改進的要求：
　  首先，市場要求需要持續改進，由于公司生產的淬火機床設備僅限于小直徑軋輥和工作輥，前期已開發針對硅鋼生產線的小直徑軋輥的中頻穿透淬火設備和處理冷軋工作輥的雙頻淬火設備，并獲得發明專利和實用新型專利。就今后的市場而言，還需用于軋輥熱處理的多種軋輥熱處理需求，逐步解決各類軋輥的熱處理工藝研究，并形成規模化的集設計、生產、加工、銷售軋輥淬火設備的專業設計、生產基地。
　  其次，對有產品的優化，特別是針對用戶的需求，在現有的產品性能情況下進行優化，譬如計算機控制界面，人機操作優化，產品數據的存儲等，使之更方便于操作者操作。對主要備品備件標準化，系列化，便于用戶根據不同軋輥直徑選用與之相應的淬火圈，提高軋輥熱處理的范圍質量。
　  其三、加大對市場的深入調查和了解，積極為用戶考慮，生產質優價廉、用戶滿意的軋輥熱處理設備，利用本企業的自身優勢讓該設備不斷走向全國市場。