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  • 產品名稱: 雙機架減定徑機
  • 產品編號: cp003

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一、概況
  線材是五大鋼材品種之一,其年產量約1億噸以上,約占全國鋼材的19%。全國共有近500條生產線,其中90%以上屬摩根三、五代水平,僅有寶鋼等幾家引進的生產線屬當代水平。因此眾多的三、五代水平的高線生產線的升級換代是當前我國線材行業面臨的主要挑戰和科技進步的主課題。
  國外解決這個難題的辦法是采用減定徑機組技術,這是美國摩根公司1995年研發的,簡稱“RSM”。目前全球已推廣了50余套。我國寶鋼的減定徑機組即是國內引進摩根RSM的第一套。
  但全國眾多的高線廠全部引進摩根RSM是不宜的,理由如下:
  1)高昂的建設費用和長期的備件供應壟斷,服務不及時;
  2)設備復雜,技術過剩,不適于我國眾多的高速線材生產線。
  因此,必須研發適合我國眾多線材廠實際情況的先進、實用技術,我們稱之為雙機架減定徑機技術,簡稱“MFM”。有了MFM成套技術,誰家敢用?

  第一家吃螃蟹的企業是這套技術推廣應用的關鍵。
  江蘇永鋼集團勇敢地擔當起這個風險,從2013年12月起到2015年12月兩年期間,有關單位攜手合作,終于在2015年12月8日,國產首創雙機架減定徑機組(MFM)一次性投產成功,收到了及其顯著的效果:
  1)軋制速度突破100m/s大關;
  2)尺寸精度、性能達到國際先進水平;
  3)僅2016年即增效益2888萬元,創匯1.3億元;
  實踐證明,我們研發的MFM技術不遜于美國摩根的RSM,但更簡便,適用于我國眾多的高線廠,投資僅為其1/3~1/5,且不受制于人。
  本項目的研發滿足了眾多高線廠更新換代的技術要求,解決了線材行業面臨挑戰的難題。

 

二、工藝布置及參數
  江蘇永鋼集團線材一分廠(原線材四廠)雙機架減定徑機組于2015年12月8日上線調試,其主要用于φ5.5、φ6.5、φ7、φ8規格盤條的生產。
1、工藝布置

 

圖1減定徑機組布置圖

 

圖2生產現場

 

 

 

1.1舊線:在精軋機后穿水冷卻設備中間,增加雙機架減定徑機組,可實現:
軋制保證速度:105m/s;
提高產量15%以上;
可在800℃以下軋制,實現形變誘導鐵素體相變,獲得超細晶粒鋼,減少能耗,降低軋制成本。投資少,回報率高,投資回收時間短。
1.2新線:8架精軋機(全部8”輥箱)和2架雙機架減定徑機組(新8”輥箱)可實現:
軋制力矩增大,減少輥箱數量和備機;
軋制保證速度:105m/s;
可降低軋制溫度100℃以上,獲得超細晶粒鋼減少能耗,降低軋制成本。

 

三、實施效果
  MFM減定徑機組上線使用后,不僅軋制速度有了明顯的提升,盤條組織、氧化鐵皮、表面紅銹等問題有較為明顯的改善,具體情況如下:
1.軋制速度的提高
MFM減定徑機組使用后,小規格產品軋制速度有了明顯提高,如表1所示。
表1成品軋制速度對比         

 

 


1.3變速箱兩檔變速,分別適應大、小兩種規格成品軋制要求。
2、雙機架減定徑組機組主要參數:
來料規格φ7~φ20.5mm:
來料溫度:≥750℃
成品規格:φ5.5~φ16mm
軋制鋼種:普碳鋼、優質碳素鋼、低合金鋼、焊條鋼、彈簧鋼、冷鐓鋼
設計速度:140m/s
出口速度:保證軋制速度105m/s
軋機形式:懸臂輥環式軋機
機架數量:2×230軋機
布置形式:頂交45°
輥環尺寸: φ228.3/φ205×72
輥環材質:碳化鎢
最大軋制力:330KN
震動值:≤4mm/s
噪音:≤85dB(1.5米)
電機型號:YBP710-4
電機功率:AC 2500kW
電機轉速:1000-1700r/min
電壓:690V

 

三、實施效果
  MFM減定徑機組上線使用后,不僅軋制速度有了明顯的提升,盤條組織、氧化鐵皮、表面紅銹等問題有較為明顯的改善,具體情況如下:
1.軋制速度的提高
MFM減定徑機組使用后,小規格產品軋制速度有了明顯提高,如表1所示。
表1成品軋制速度對比    

 

成品速度m/s

Ø5.5

Ø6.5

Ø7

Ø8

MFM機組使用前

85

85

85

64

MFM機組使用后

102

102

100

80

2.小時產量的提高
2.1φ5.5、φ6.5規格圓鋼小時產量提高使生產成本下降

表2使用MFM軋機前后的小時產量

規格(mm)

φ5.5

φ6.5

不使用MFM軋機的小時產量(t/h)

56

75

使用MFM軋機的小時產量(t/h)

60

83

產量提高比例(%)

7.1

10.7

噸鋼成本下降額(元/t)

2.5

11.3

由表1可以看出φ5.5mm、φ6.5mm的小時產鋼量分別提高7.1%、10.7%、。MFM軋機的使用電耗會有部分增加,但其他成本(如:人工成本、水耗、氣耗等)均沒有上升,結合產量提高,綜合的噸鋼成本較MFM項目之前是有所下降的,φ5.5mm、φ6.5mm的噸鋼成本分別下降2.5元/噸、11.3元/噸。
2.2螺紋鋼φ8 HRB400產量提高使生產成本下降
螺紋鋼φ8 HRB400產能提高見表3.

表3螺8產能提高以及成本下降額

 

核算項目

日產(噸)

估算年產能(噸)

軋制成本(元/噸)

合金成本(元/噸)

終軋速度65m/s

1650

594000

120.0

126.0

終軋速度80m/s

2100

756000

112.5

123.0

差額

+450

+162000

-7.5

-3.0

 

 

 

  螺紋鋼φ8HRB400成品速度達到80m/s時日產可以達到2100t/班,年產能提高約16.2萬噸。噸鋼軋制成本可下降7.5元/噸,合金成本可下降3.0元/噸,合計噸鋼成本下降10.5元/噸。
  在產量提高的同時,產品質量也有所提升。螺紋鋼φ8 HRB400從試產過程的檢驗結果來看晶粒度由原來的7-8級提高至9級,更細化的晶粒使鋼筋的組織更均勻,力學性能更穩定。


3產品質量的提高
3.1冷鐓鋼SWRCH22A魏氏組織的問題得到明顯改善
  魏氏組織與盤條的基體組織機械性能差異較大,在拉拔的過程中導致盤條變形不均勻,從而導致拉拔斷裂。MFM軋機使用前后冷鐓鋼SWRCH22A的魏氏組織情況有了明顯的改善,之前由于經常出現大級別魏氏組織導致客戶在拉拔的過程中斷絲。MFM軋機使用后到目前為止還未接到過類似的質量異議。
  分別取MFM軋機使用前后φ5.5,φ6.5規格SWRCH22A的成品各120個樣品,利用光學顯微鏡對試樣進行微觀組織觀察,進行魏氏組織評級,結果如表4及圖3所示。

 

表4 MFM軋機使用前后SWRCH22A的魏氏組織比例

魏氏組織級別

1級

2級

3級

4級

MFM軋機使用前比例%

70

15

5.8

5.0

4.2

MFM軋機使用后比例%

72

18.7

7.0

1.5

0.8

 

 MFM使用前

MFM使用后

圖3使用MFM軋機前后魏氏組織比例變化
  從表4和圖3中可以明顯看出使用迷你軋機之后3級、4級等大級別的魏氏組織比例明顯變少。
  過熱的中碳鋼和低碳鋼奧氏體組織晶粒尺寸較大,在較快的冷卻速度下容易產生魏氏組織。魏氏組織的機械性能較鋼筋基體差異較大,在后續客戶加工的過程中與基體的變形不一致容易形成加工缺陷。MFM軋機使用后軋件可以低溫進MFM軋機進行終軋,低溫終軋可以使奧氏體晶粒更細化,能有效抑制魏氏組織產生。
  魏氏組織形成原因為盤條在高溫狀態下奧氏體晶粒粗大,加上冷卻速度較快,在冷卻過程中鐵與碳原子來不及充分擴散,迫使鐵素體沿奧氏體晶粒的一定晶面析出。沒有MFM軋機時精軋機出成品,盤條終軋溫度高達1050℃左右,軋后需要強冷至900℃吐絲,再此過程中穿水量大,冷卻相當不均勻,鋼筋山彎(孔型寬度方向)處冷卻速度偏快,所以在盤條的基圓兩側形成魏氏組織。MFM軋機使用后軋件可以低溫進減定徑機組,終軋溫度可以低至930℃左右,軋后僅需要少部分穿水即可達到900℃的吐絲溫度,穿水前后溫差小,冷卻速度低,可以冷卻得更均勻,所以魏氏組織有所好轉。
 

3.2氧化鐵皮結構
  之前客戶一直反映盤條氧化鐵皮結構不好,表現的特點為薄、易碎、較粘、難以去除,機械剝殼后再經過酸洗都不易除盡,拉拔的過程中氧化鐵皮容易割傷基體造成斷絲,并且模具損耗大。
  終軋溫度、吐絲溫度、風冷工藝等是影響盤條氧化鐵皮厚度的主要因素,MFM軋機上線之后,軋制號鋼、冷鐓鋼的軋件進MFM軋機終軋溫度可以控制到860~900℃,吐絲溫度910±15℃,可以很好的控制軋后冷卻的量,冷卻更均勻,使氧化鐵皮的結構更致密、更完整。
  致密完整的氧化鐵皮結構更利于客戶的機械剝殼,剝殼后盤條表面不殘留氧化鐵皮。MFM軋機上線后至今沒有客戶反饋氧化鐵皮難以除盡的問題。

 

圖4和圖5為氧化鐵皮結構對比圖。

 

 (a)MFM軋機使用前        (b)MFM軋機使用后     圖4、冷鐓鋼氧化鐵皮結構

 

(a)MFM軋機使用前        (b)MFM軋機使用后    圖5中高碳鋼氧化鐵皮結構

 

 

 

3.3盤條表面紅色浮銹的問題得到很好改善
    之前生產冷鐓鋼和中高碳鋼吐絲溫度900℃左右時盤條表面紅色浮銹嚴重,影響盤條外觀質量。由于浮銹比較疏松,鋼筋在庫存里放置一段時間后盤條表面從浮銹處向基體內腐蝕。這樣的盤條到客戶手里經過剝殼酸洗后表面質量很差,影響拉拔。
盤條表面紅色浮銹的主要原因還是軋后需要的穿水流量大,水冷的溫差大,冷卻水中的雜質附在鋼筋表面影響鋼筋冷卻,并且造成鋼筋表面異常氧化,形成紅色的疏松的Fe2O3附在鋼筋表面。
  使用MFM軋機后,軋件可以低溫進MFM軋機進行終軋,軋后只要稍微穿水即可滿足吐絲溫度要求。穿水量小鋼筋表面形成的浮銹也少,盤條表面質量得到很好的改觀。


3.4冷鐓鋼的硬度明顯下降
  MFM軋機使用后可以實現低溫終軋并且低溫吐絲,配合軋后緩冷能很好的降低冷鐓鋼的硬度。取MFM軋機使用前后和線材五廠進口摩根4架減定徑機組生產的10B21成品檢測其硬度,發現其硬度較之前有明顯的下降。

表5MFM軋機使用前后10B21硬度對比

 

線四MFM軋機使用前

線四MFM軋機使用后

線五摩根六代減定徑機

硬度平均值

78.6

75.0

73.3

波動范圍

73.1-84.4

72.3-79.7

68.3-77.1

 硬度單位:HRB
3.5利用控軋控冷手段得到細晶強化的HRB400螺紋鋼盤條
  MFM軋機上線后試軋了部分螺8HRB400,通過低溫控軋配合軋后風冷的手段得到細晶強化的400MPa級鋼筋。不僅成品力學性能穩定而且軋制速度較之前有了很大的提高。

 

圖6 螺8HRB400抗拉強度柱狀圖

 

圖7屈服強度柱狀圖

 

  從圖6、圖7中可以明顯的看出MFM軋機生產的螺8HRB400的力學性能相當穩定,沒有低于國標要求的,并且屈服強度大多數穩定在430-445MPa之間,抗拉強度大多穩定在585-595MPa之間。

 

 

四、經濟效益

?

接經濟效益                                    單位:萬元(人民幣)

項目總投資額:

1000

回收期 (月)

3

欄目
年份

新增產值

新增利稅

創收外匯

增收(節支)總額

2016

18730.076

3800.542

13111.05

2885.58

2015

0

0

0

0

2014

0

0

0

0

累計

0

0

0

0

 

各欄目的計算依據

直接經濟效益的計算依據:
1、Φ5.5、Φ6.5規格按照原年產量各18萬噸計算,每年成本下降產生的效益見表6。該成本中包含水電氣耗用以及人工成本。
表6使用MFM軋機后成本下降產生的效益核算


規格(mm)

Φ5.5

Φ6.5

核算原年產量(萬噸)

18

18

噸鋼成本降低(元/噸)

4.0

4.9

年效益(萬元)

18*4.0=72

18*4.9=88.2

合計(萬元)

72+88.2=160.2

2、Φ5.5、Φ6.5規格圓鋼增產產生相當大的效益,按照普通工業材平均價格3468元/噸,平均噸鋼利潤100元/噸,根據年增產量計算出來的年新增產值見表7。
表7MFM軋機生產5.5、6.5規格增產產生的效益

規格(mm)

Φ5.5

Φ6.5

合計

核算原年產量(萬噸)

18

18

36

產量提高比例%

11.1

15.3

/

年增產量(萬噸)

18*11.1%=1.998

18*15.3%=2.754

4.752

年新增產值(萬元)

1.998*3468=6929.064

2.754*3468=9550.872

16479.936

年新增利潤(萬元)

1.998*100=199.8

2.7544*100=275.44

475.24

3、部分高附加值產品的生產帶來更大的利潤,這部分產品的利潤達到平均300元/噸,將其他的低端產品置換出來,產生的利潤差約200元/噸。該部分的新增產值即為利潤差價,具體見表8。
表82016年高附加值產品產生的產值及利潤

 

產量(萬噸)

新增產值(萬元)

φ5.5mm SWRCH22A/B/Ti

0.5953

119.06

φ6.5mm SWRCH22A/B/Ti

5.9737

1194.74

φ5.5mm SWRH72A/B-82A/B

4.1591

831.82

φ6.5mm SWRH72A/B-82A/B

0.5226

104.52

合計

11.2507

2250.14

綜上所述,年新增產值=增產部分的產值16479.936萬元+高附加值產品產生的利潤差價2250.14萬元=18730.076萬元。新增利潤=增產部分的利潤475.24萬元+高附加值產品產生的利潤差價2250.14萬元=2725.38萬元。增值稅按照17%計算,所得稅按照25%計算,其他稅費按照1.7%計算,計算產生的新增稅收為1075.162萬元。故新增利稅=2725.38萬元+1075.162萬元=3800.542萬元。按照線材四分廠線材70%為出口材計算,創收外匯=新增產值18730.076*70%=13111.05萬元。增收總額=新增利潤2725.38萬元+成本下降額160.2萬元=2885.58萬元

 

 

五、創新點

1、技術路線和工藝的創新
  摩根減定徑機組RSM是四機架用一臺電壓3300V、功率4500KW的交流變頻電機驅動,傳動通過一套復雜的變速箱,有9個檔,多種變速以適應各種品種規格的要求。而我國眾多線材廠品種規格不多,用不了這么多變速。我們的雙機架減定徑機組是兩機架MFM,僅2個檔,完全滿足我國絕大部分線材廠的變速要求,主電機僅為一臺2500KW交流電機。采用這樣的簡便配置即可將我國眾多的三、五代水平的生產線提升到當代(六代)水平。圖8和圖9為摩根RSM與本項目MFM的傳動結構對比示意圖。

 

圖8RSM的傳動結構示意圖

 

圖9MFM的傳動結構示意圖

 

  簡言之,RSM設備復雜,技術過剩且又高價壟斷,而本項目采取的技術路線是立足國情,先進、實用,便于大面積推廣。
  其次就工藝而言,本項目的難度超出新建項目。難就難在如何在現有精軋機組和吐絲機之間的有限距離內布置減定徑機組既要實現控制軋制,又要實現與精軋機組高速連軋,保持合理的堆拉關系,控制起來難度很大。
2、電控系統的創新
(1)突破常規,國內外首創在減定徑機上開發應用低壓變頻系統,替代國外壟斷的中壓變頻系統。采用AC690V低壓控制方案,電氣設備的投資成本約為國外中壓方案的1/2或更低,且性能相當,備件國產。
(2)結構簡單,維護方便,容易掌握。區別于國外的AC3300V中壓控制方案,本方案采用高性能復雜應用多機傳動、模塊化傳動裝置的低壓AC690V變頻器。而中壓變頻系統更為復雜,一旦出現故障,技術人員難以快速診斷故障原因,解決問題時間長且費用很高。
(3)電氣設備的供貨周期大大縮短。國內供貨周期約二至三個月,而進口設備,訂貨周期在半年以上。
(4)獨自研發的控制軟件包,很好地解決了與上游精軋機之間軋制速度的協調匹配,保證了自動軋制過程的速度給定和控制精度要求。 

 

 


3、機械設備的創新
(1)結構上采用單一增速機構,簡化了傳動結構,提高設備可靠性,簡化操作,便于維護使用。摩根設計的減定徑機是由一臺交流電機通過1套含有9個離合器的齒輪箱驅動2架230mm減徑機和2架150mm定徑機組成。達涅利的雙模塊減定徑機總體結構為4道次兩個模塊,由兩個電機分別驅動兩個變速箱,采用電氣連鎖實現速度匹配。摩根及達涅利的減定徑機傳動結構都相對復雜,特別是9檔離合結構利用率較低,同時達涅利的雙電機輸入依靠電氣連鎖來進行速度匹配的模式,對自動化控制精度及孔型工藝方案精度等要求較高。本項目采用的是一臺電機通過變速箱直連傳動箱的傳動結構,變速箱僅帶有一個離合裝置,將產品規格和軋制速度分為高低兩檔,完全可以滿足軋制工藝要求。本項目相對結構簡單實用,品種規格及軋制速度匹配簡單、合理,且可靠性高。
(2)傳動上,為了提高傳動的可靠性、穩定性及承載能力,創新的在高速傳動上采用了新的齒制。提高傳動的穩定性對于減少噪聲和振動、延長設備使用壽命,提高設備的性能有極重要的作用。為了滿足高速軋制要求,本項目的傳動箱采用了整體結構的緊湊式設計,傳動結構上采用了一對錐交角為45°的螺旋傘齒輪結構,本項中對高速齒輪多采用格里森齒制的傳統設計進行了突破,采用了一種新的高承載能力的齒制形式,保證了傳動結構的承載能力、運轉穩定性及整機設備的可靠性。
(3)高速輥軸軸串裝配結構,采用了自定心式裝配形式,極大的減小了因裝配及使用不當產生不平衡質量而引起的設備穩定性問題。本項目輥箱采用插入式結構,懸臂輥環,箱體內存有偏心套機構用來調整輥縫。偏心套內裝有油膜軸承與軋輥軸,在懸臂的軋輥軸端用錐套固定輥環。軋機在105m/s軋制時,軋輥軸轉速達9000r/min,高速軸的動平衡精度對設備運行穩定性有極大的影響,本項目高速輥軸軸串各件均采用了G1級的動平衡工藝,同時在軸串裝配結構上均采用了自定心式的裝配配合結構,不僅解決了動平衡穩定性問題,同時也簡化了拆裝操作,提高了使用維護效率。
(4)簡化孔型工藝,可直接調用原精軋機組成品孔型。本項目在孔型設計上采用了線材傳統的、共用性大的橢圓-圓孔型系統,由于本項目采用的是230mm輥箱,最大軋制力為330kN,具有較大的壓下率,軋件斷面可靈活地進行適量調整,從而大大簡化了粗軋、中軋、預精軋和精軋機組的孔型系統。同時本機組可直接調用精軋機組成品孔型,對其余精軋孔型進行架次微調就可進行生產,工藝成熟、入門簡單,投產快。

 

附圖1-6為MFM設備結構圖

 

附圖1MFM軋機外形圖

 附圖2傳動結構圖

 

附圖3增速箱結構圖

 

附圖4傳動箱結構圖

 

附圖5輥箱結構圖

 

附圖6高速軸串自定心結構圖

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