柯尊凤

（中冶京诚工程技术有限公司，北京 100176）

1 棒材发展趋势分析

棒材产品主要有热轧钢筋和合金钢棒材产品。热轧钢筋产品广泛用于国家基础设施、房屋、桥梁、道路及水利等建设领域，年消耗量约2亿t，市场规模达万亿元，市场需求旺盛。合金钢棒材产品广泛用于各制造领域，例如轴承钢、齿轮钢、工具钢等。

近几年，由于合金钢生产线附加值较高，许多钢企进行结构调整，由普钢向优特钢转型的需求旺盛。近年来，随着国家陆续发布了钢铁企业节能、绿色、清洁生产等政策，颁布了相关国家标准，对提高效率、降低消耗、提升品质有了更严格的要求。

为了适应钢铁行业节能、减排、环保的要求，钢材的生产越来越重视先进技术和装备的使用。因此棒材生产的发展应在满足市场需求的同时，不但要关注节能和环保，而且要通过先进的工艺、技术和装备等手段，以期能够进一步降低生产成本，生产出高质量、高附加值的产品。对于热轧钢筋，它的发展趋势是高精度、高强度、低消耗、高作业率和高的成材率；对于合金钢棒材，它的发展趋势是柔性生产模式、高精度和高成材率。

2 高速棒材倍尺飞剪机技术创新

钢筋的传统生产方式主要采用多线切分轧制工艺，但在满足产品尺寸精度，提高成材率、生产效率及降低合金消耗等方面存在不足。切分轧制工艺调整要求高、作业率低，成品线差大、尺寸精度低，轧件头尾不齐、成材率低，多线控温轧制难，合金消耗量大。以上这些问题很难实现钢筋高品质、高效率、低消耗、低成本生产。

因此，亟需开发具有生产效率高、产品精度高、绿色化生产的新型棒材工艺技术及装备，满足钢企对热轧钢筋生产转型的需求，提高钢铁工业整体技术水平。

基于上述情况，轧钢工艺提出采用单线轧制，消除线差的影响，可有效减少轧件非定尺数量，满足高精度、高成材率的要求，提高轧制速度与轧制灵活性，实现高作业率的需求。运用钢筋组织强化理论，提高控温轧制水平，实现高强度和低资源消耗的要求。因此单线、高速轧制的柔性化高速棒材生产工艺、装备和控制系统应运而生，也就是我们俗称的高棒生产线。

在高棒生产线中，高速倍尺飞剪尤为重要，它的稳定运行和倍尺精度，对生产线的作业率和成材率都起着至关重要的作用。因此中冶京诚工程技术有限公司研制出了世界最高45 m/s稳定运行的一整套高速上钢系统，其中就包含了高速倍尺飞剪，在已投产的新余高棒项目中，精轧机出口设定速度45 m/s，实际轧件速度高达47.2 m/s，成为高棒行业的新标杆。高速棒材倍尺飞剪的主要技术创新点有：

1）通过对高速棒材轧件倍尺运动规律的研究，开发了双伺服转辙器高速倍尺飞剪（如下页图1所示），解决了轧件倍尺弯尾问题，提高了高速上钢系统的稳定性。双伺服转辙器高速倍尺飞剪创造了Φ12mm螺纹钢稳定运行速度达45 m/s的世界纪录，大幅提高了生产效率（如下页图2所示）。

图1 双伺服转辙器高速倍尺飞剪结构

图2 高棒生产线轧件速度实测值

2）针对柔性化轧制智能控制要求高、高精度控制难度大等问题，结合机器视觉、人工智能、边缘计算、云计算等先进手段，开发了基于脉冲当量动态测量的倍尺剪切控制技术，倍尺精度小于±60 mm，成材率达98%以上。

3 13 MN冷剪机技术创新

目前，在国内以生产螺纹钢为主的生产线主要考虑剪切生产能力，剪切定尺材普遍采用冷飞剪和冷停剪，冷停剪的定尺精度高于冷飞剪，而日常维护成本低于冷飞剪，因此，近年来冷停剪受到更多螺纹钢生产用户的青睐；而以生产优质钢和合金钢为主的生产线则综合考虑小规格生产能力和大规格剪切断面质量两个因素，剪切定尺材通常采用2台砂轮锯和1台冷停剪组成“剪—锯组合”，既满足小规格剪切能力，又充分考虑了大规格剪切断面要求。

砂轮锯锯切质量非常好，但砂轮消耗快，生产成本过高，棒材生产厂并不十分愿意采用。现在冷停剪在剪切直径25 mm以上的圆钢时，采用带孔型的剪刃，可有效改善剪切断面质量。对于中小规格棒材生产线而言，采用大剪切力的停剪既能满足生产能力的需求，又能控制剪切断面质量，不失为低成本高收益的有效手段之一。因此这也成为了大吨位冷停剪占有市场的最大优势。

由于高强螺纹钢筋的广泛使用，和上述高棒生产线的大力推广应用。用于定尺剪切的冷剪机，在小时产量不变的情况下，国内现有的8.5 MN剪切力冷剪机，其剪切效率难以满足正常的生产节奏。特别是在短定尺时，定尺冷剪成为轧线上的“瓶颈”。因此迫切需要研发出更大剪切力的定尺冷剪机。同时还需要解决现有冷剪存在的制动器、离合器传递能力不足，剪刃更换装置抗冲击性差和剪刃侧隙调整结构不合理等诸多技术难题。

在上述背景下，中冶京诚工程技术有限公司开发出了具有国际先进水平的国内首套13 MN冷剪机，剪刃宽度1 700～2 100 mm，可根据用户的需求订制不同的剪刃宽度冷剪机。其主要技术创新点有：

1）研制出了用于大剪切力剪机的气路增压系统。由于国内绝大部分生产线，车间的压缩空气出口压力约为0.7 MPa，而到用户点则衰减到0.4～0.5 MPa，这个压力低于冷剪机离合器、制动器气囊的额定工作压力0.7 MPa，导致在生产中，离合器和制动器摩擦片打滑，磨损加剧，由于摩擦片中有一部分是胶木材质，磨损严重时，产生大量的热量，出现冒烟甚至着火的现象。根据这种情况，若将整个车间的空气压力提高，则生产线的安全性降低，若配置独立的空压站，则受到空间限制，也将使成本增加。因此在冷剪机的气源管路上增设一套增压装置和蓄能器（如图3所示），起到增压和稳压的作用，保证了离合器和制动器正常工作，延长了摩擦片的使用寿命。这个增压装置可以广泛应用到需要局部增压的设备，不需要将整个车间的系统压力提高，也无需增加独立的空压站，既实用也节约了成本。

图3 气路增压系统

2）开发了多自由度剪刃更换装置、自适应剪刃侧隙调整机构，解决了相关部件使用寿命过短的难题，减少了备件的消耗，使用寿命提高1倍以上，减少停机时间，提高了冷剪机的作业率。

3）开发了一种新型刀座锁紧机构，缩短了锁紧机构的更换时间。冷剪机的刀座碟簧锁紧机构，碟簧共计有一百多片，当碟簧锁紧力不够时，需要及时更换，若沿用传统的碟簧锁紧机构，则需维护人员在操作空间高度不足半米的环境下，更换碟簧。更换时间长，劳动强度大，降低了剪机的作业率。因此，提出了一种整体式的碟簧锁紧机构，该机构可离线组装，在线整体更换，降低了劳动强度，提高了剪机作业率。

4 双速比强力启停式飞剪机技术创新

近几年，高合金棒材年产量大约6 300万t，而且合金钢的占比还在逐年提高。随着市场需求量的增加，企业从生产合金钢棒材中获利颇多，对产品结构由普棒向优特钢转型的需求也就越来越旺盛，同时为了提高生产效率，降低生产成本，企业要求在采用连轧生产模式的前提下，单条生产线产品规格覆盖范围尽可能的宽范，要求成品尺寸由Φ40 mm～Φ170 mm不等。这就对新一代飞剪机提出了新的要求，具有更宽的剪切速度范围（至少＞5倍速度范围），同时具备更大的剪切力（以Φ170 mm，轴承钢为例，剪切温度约850℃，需要的剪切力＞3 MN），此外，由于轧件规格大，剪切精度和断面质量对成材率的影响更加显著，这就需要飞剪具有更高的剪切精度和断面质量。同时企业对高效、低成本的追求需要进一步提高剪机作业率。

在5年前，国内剪切力＞3 MN飞剪机只能依赖进口，国外3.3 MN飞剪机剪切速度0.40～0.65 m/s（高低速比1.6倍），无法满足多规格产品柔性生产模式下的剪切需求。

为了适应上述剪切需求，国外采取在同一工艺位置布置“一大一小”2台曲柄飞剪的方案来满足剪切力大、剪切速度范围宽的剪切需求（如图4所示）。1台大剪切力飞剪剪切大规格低速轧件，1台小剪切力飞剪剪切高速小规格轧件。这种布置形式存在的弊端有：第一，2台飞剪使轧线加长、不利于轧件的控温轧制。第二，对于新建项目，2台飞剪使设备投资加大，后期设备的运营维护成本增高，第三，对于改造项目，老厂房场地受限，此种布置形式无法实施。因此需要研制1台飞剪替代上述2台飞剪机，既能剪切低速大规格轧件，也能剪切高速小规格轧件。

图4“一大一小”2台飞剪布置形式

在上述背景下，中冶京诚工程技术有限公司开发出了一种飞剪机，用1台双速比的曲柄飞剪机替代上述2台单一速比的曲柄飞剪机。以此为基础攻克了多个技术难题，提出了下列的技术创新。

4.1 将双速比传动理论引入启停式飞剪领域

开发了“0侧隙”双速比传动系统，解决了单台飞剪无法同时满足“低速大断面”和“高速小规格”剪切要求的业界难题，实现了单台飞剪剪切速度范围≥5倍的技术创新，填补了国内外双速比大剪切力飞剪机技术空白。

双速比传动由来已久，在轧机领域有所应用，但一直未在飞剪领域应用，其主要原因是由于飞剪的启停工作制，传动系统需要正反转。在飞剪和电机间增加变速系统，将使传动环节增多，系统侧隙加大，而飞剪长期处于高温环境，若侧隙过小，齿轮易发生“咬死”现象，运转不灵活。而侧隙过大，则飞剪在启停工作时振动大、抗冲击性差，设备寿命短。此外侧隙过大还会影响剪刃侧隙，无法保证剪切断面质量，当电机正反转时还将影响剪刃的零位标定，影响剪切精度。因此，如何对各级传动系统的侧隙进行合理分配成为双速比传动能否在启停式飞剪领域取得成功应用的关键。

中冶京诚工程技术有限公司在开发过程中，以齿轮最小侧隙理论为基础，根据高、低速不同，侧隙分级控制，工作环境温度不同，侧隙分级控制，首创了“0侧隙”双速比传动系统，与飞剪有机结合，提高了设备的抗冲击性和剪切精度，延长设备寿命。此传动理论的成功应用，开拓了一个启停式飞剪传动的新局面，对整个冶金行业的飞剪领域具有深远的意义。

齿轮最小侧隙理论：

式中：a为齿轮副中心距，mm；a1，a2为齿轮、箱体材料的线膨胀系数，1/℃；△t1，△t2为齿轮、箱体工作时相对于标准温度的温差，℃；αn为法向压力角。

4.2 开发双支撑整体紧凑型箱体结构

开发了双支撑整体紧凑型箱体结构，刚性高、抗冲击性好（如图5所示）。碟簧/斜楔锁紧，液压打开的刀座锁紧机构，锁紧力稳定可靠，保证了剪切断面质量。剪刃更换装置能够实现剪刃快速更换，新的剪刃和刀座固定在一起，可线外提前准备，更换时整体替换旧剪刃和刀座，耗时约20 min，可显著提高剪机作业率。

图5 飞剪本体

4.3 提出一种脉冲当量的测量方法

提出了一种脉冲当量的测量方法，由剪刃闭合信号及热金属检测器实测，通过精确测量脉冲当量数来计算轧件长度，使剪切精度得以提高。同时开发一种抗干扰光电隔离脉冲分路装置，解决了脉冲信号畸变、长距离传输易受干扰问题，提高了飞剪控制系统的抗干扰性和稳定性。

传统的轧件测量方法是通过输入轧辊直径后计算轧辊周长从而计算出轧件长度，而在实际生产中，轧辊的磨损会使轧辊直径发生变化、工艺调整、钢坯温度的变化会使轧件滑动率发生变化，使实际的轧件长度和用传统方法计算出来的轧件长度不一致，导致飞剪的剪切精度低、成材率不高。

传统方法：

式中：dW为成品轧机工作辊径；i为成品轧机减速比；rpp为成品轧机电机编码器每转脉冲数；Lpp为脉冲当量。

同时，在轧钢车间，调速传动多，电缆敷设路径复杂等诸多原因产生的干扰信号都直接导致编码器计数的不准确，也会降低飞剪的剪切精度和定位精度。

通过采用中冶京诚工程技术有限公司开发的这种创新轧件长度测量方法和编码器信号整形装置，可使剪刃定位精度达±0.1°，剪切精度实际值可达±20 mm，提高成材率约0.1%（以年产100万t合金钢棒材为例，可使成材率提高1 000 t）。

基于双速比传动理论，中冶京诚工程技术有限公司开发了2.5 MN、3.3 MN、4.5 MN三种双速比启停式飞剪机系列，剪切代表速度0.40～2.95 m/s，这里的速度是指一个范围，也就是高低速比。如果低速提高，高速也可再提高。目前已有成功应用的最低速在0.3 m/s（湘钢、巨能），最高速在3.83 m/s（大冶和莱钢）。自2015年9月大冶特钢的双速比强力启停式飞剪取得成功应用后，此种机型受到广大用户的青睐，其中4.5 MN飞剪远销印度太阳旗钢厂。

中冶京诚工程技术有限公司创新型飞剪，不仅填补了双速比传动在飞剪领域的技术空白，引领了飞剪由传统的单速比传动向多速比传动的发展方向，而且为中国企业在合金钢生产领域与国外同类知名公司的竞争中，提供了有利支撑，为“中国制造”走向海外市场，创造了有利条件。

5 结语

随着节能环保理念的不断深入，中国钢铁行业发展形势迫切要求钢铁企业使用节能降耗新技术，在轧钢领域主要可通过优化工艺、设备改造和产品升级这三个关键环节来节能降耗，以不断的技术创新来实现绿色轧钢。中冶京诚工程技术有限公司作为“冶金建设国家队”，理应当仁不让肩负起这一历史使命，努力进取，开拓创新，为广大的钢铁企业提供更优的生产工艺，更好的生产设备，更强的技术服务。国产化的设备，也将大大降低钢铁企业的运营成本，可极大程度的利用国内的社会资源。