轧辊热处理机床研制与应用

目 录
　  
　  
　  第一部分 前言及实施背景 5
　  1. 前言 5
　  2. 项目提出的背景 6
　  3. 项目提出的必要性 8
　  第二部分 成果内涵与创新特点 10
　  1. 小直径轧辊中频穿透淬火机床 10
　  2. 全数字控制轧辊一拖二双频自动淬火机床 13
　  第三部分 成果实施后的效果 16
　  第四部分 持续改进措施 19
　  
　  
　  第一部分 前言及实施背景
　  1. 前言
　  随着国内各大钢铁企业的产品制造链纷纷向冷轧生产线延伸，冷轧辊作为钢铁工业的大宗消耗性备件，需求量与日俱增，高端轧辊仍需要进口补充。究其原因，是因为加工工艺复杂，技术含量高，国内缺乏冷轧辊专用加工工艺装备所至，特别是冷轧辊热处理工艺和装备属于高技术和高附加值的产品，为了防止中国人成为市场竞争的对手，出再多的钱，国外也不卖给中国企业，例如，硅钢工作辊，就只卖轧辊，不卖轧辊加工设备。
　  我公司为了适应市场的需要，打破国外技术垄断，通过研究对冷轧辊的热处理加工工艺，自2004年起就开始研究冷轧辊热处理加工工艺，相继研制出了用于小直径轧辊中频淬火设备设备——中频淬火机床和对工作辊热处理设备——全数字控制“一拖二”轧辊双频自动淬火系统，解决了对新制冷轧辊和再修复冷轧辊进行热处理的瓶颈问题，获得多项国家专利证书，其中两项发明专利。与此同时，2010年“小直径轧辊中频穿透淬火工艺和装置”项目获得武汉市职工创新一等奖，湖北省科技创新“二等奖”。
　  我们作为武汉市的高新技术企业，十多年来专心研制轧辊热处理设备，我们在轧辊热处理方面获得的第一个实用新型专利是2000年，获的双频淬火方面的第一个实用新型专利是2009年，2010年我们在轧辊热处理方面获得了两项发明专利，在研制生产轧辊热处理设备方面积累了比较丰富的经验，特别是利用临近武钢，长期为武钢服务的机会，使我们有机会接触到很多国外进口先进技术和设备，我们研制的样机也能在武钢取得现场运行机会，不少产品由于效果不错，得到了用户好评，在市场上有较好的信誉度。为了适应钢铁企业对轧辊要求的不断提高，我们必须不断努力研究新问题，以跟随市场的发展，不断进步。
　  
　  2. 项目提出的背景
　  轧辊是钢材之母，我们作为一个钢材产量达到6.6亿吨的钢铁生产大国，按照吨钢消耗量约为1kg/t计算，其轧辊消耗量是非常大的。特别在过去的“十一五”期间，国内新建了大量轧钢生产线，文献['1']介绍金融危机前的2008年，轧辊供需紧张不仅冲击国内市场，而且波及到国际市场，具体表现为轧辊供货价格成倍上涨，交货期推后，某些进口辊的交货期甚至订到5年之后，下图是文献['1']中给出轧辊价格趋势图：
　  
　  
　  
　  
　  
　  
　  
　  图中还可知：金融危机后轧辊的价格降下来了，但是对国内轧辊企业带来的危机却没有消除，文献['2']报道：近年来蜂拥而上的轧辊企业有300多家，产能达70万吨，低端轧辊产能严重过剩，而国内高端冷轧锻钢轧辊产能十分欠缺，只有邢台轧辊等几家采用进口设备生产的轧辊企业能提供一部分高端轧辊，不足部分必须依靠进口来弥补，特别是随着轧机现代化、自动化、连续化、数控化程度的提高，对轧辊质量要求越来越高，宝钢由于采用高质量的轧辊生产，冷轧辊钢吨耗已经下降到0.2公斤以下，大大节约了钢铁生产成本。所以我国轧辊行业的设备升级势在必然。我们研制的轧辊双频淬火机床就是提高轧辊质量的关键设备。如果国内有20%的轧辊生产企业需要双频淬火机床，就需要60台，按照目前一台加工直径800㎜，重量15吨的轧辊双频设备售价500万估算，市场容量为3亿元。对于特殊大直径，超重量的大型锻钢辊感应热处理设备，价格将更高。
　  自从上世纪70年代末国内引进轧辊双频淬火机床以来，我们从国外又陆续引进了几套，价格非常昂贵，2008年国内某钢厂进行技术改造的一台双频淬火机床，价格高达4000多万人民币，特别是当中国发展到目前阶段，国外为了保持自己的技术领先地位，已经不向中国用户提供轧辊生产所需要的工艺参数了，必须用户自己开发，如文献['3']介绍。
　  轧辊专用加工设备市场是一个特殊的市场，其技术含量高，但是市场容量较小，不适合大型企业大投入去搞，比较适合我们这类技术专一的小型企业生产，国际上也是如此，如比立时的应达分公司（原来属于O.S.B公司）也不大，但是业务面向全球，为全世界的轧辊制造企业提供产品，促进了世界轧钢产品质量提高，我们也希望做这类企业。
　  
　  3. 项目提出的必要性
　  上文在介绍项目的背景时我们也已经涉及了项目提出的必要性了，下面继续以我们所处的武钢为例，谈谈项目的必要性，众所周知，武钢是中国的硅钢生产基地，对于轧制硅钢片等板材的高档轧辊一直被国外专门的企业所垄断，如日本日立公司，专门提供硅钢森吉米尔轧机用的轧辊。我国某钢厂引进的森吉米尔轧机，对轧辊的使用一直依靠进口，上世纪80年代，即使进口一根重量仅30多公斤的小直径硅钢工作辊需要1000多美金。后来，由于我们研究其热处理方法和生产设备，实现了硅钢工作辊自行生产，使轧辊价格下降了一半，成了钢厂当年的增效项目。
　  我们研究的目标冷轧辊热处理工艺方法和生产制造相关专用设备，这对当前国家钢铁工业降成本，提高生产效率是非常有意义的，而且也是非常紧迫的一项工作，国外很多企业都紧盯中国这快“肥肉”，希望高价向中国出口设备大挣一把，我们希望用自己的行动打破他们的美梦。
　  在轧辊行业流传一句话“轧辊是钢材之母，轧辊精则钢材精，轧辊强则钢材强”轧辊的“精和强”，靠的轧辊加工的工艺装备“精和强”，当我们国力不强时，花高价可以买回这些轧辊的工艺装备，而当我们国力与别人相接近时，你出再高的价钱，别人也不会将先进的设备卖给你，要赶超世界先进水平必须靠自己努力创新，也希望得到国家大力支持
　  
　  第二部分 成果内涵与创新特点
　  对于冷轧辊的热处理由于冷轧辊的材质和要求不同，冷轧辊的热处理方法也不同，为此，根据我们对冷轧辊淬火加工方法的研究可分为轧制硅钢产品用的小直径轧辊中频穿透淬火方法和轧制一般冷轧板的全数字控制 “一拖二”轧辊双频淬火方法。现以小直径轧辊中频穿透淬火机床和全数字控制 “一拖二”轧辊双频淬火机床分别介绍其创新内涵简要特点。
　  
　  1. 小直径轧辊中频穿透淬火机床
　  
　  中频穿透淬火是在原有中频感应加热的设备基础上，配备一台新型的加热设备，淬火前先对工件进行整体预热，然后施以快速的中频感应加热并进行穿透淬火。该工艺特点是淬透深度大（达36mm以上），综合性能好，淬火过程易于采用全数字控制，参数能够进入数据库管理，使加工出的轧辊质量稳定，成本低，经济效果显著，又免除了盐炉淬火恶劣的环境和劳动条件。
　  硅钢轧机所用的轧辊是小型轧辊，常州采用的是传统的盐浴炉热处理技术，用3%硝酸酒精腐蚀显出粗大的针状马氏体组织，太原中频淬火轧辊硬度梯度太大，心部硬度不足，导致轧辊的整个强度下降，日立牌的轧辊硬度分布最均匀，采用何种方法至今难于知晓，武钢采用中频穿透ZT淬火轧辊具有较好的硬度分布。
　  通过大量的实践摸索使我们认识到：要保证这类轧辊的淬火质量，必须兼顾两点：1.保证高的加热速度；2.保证加热穿透。为解决这一矛盾，我们将整个加热过程分成两部分来完成，即低温(相变点以下)时的缓慢整体加热和高温时的快速表面加热。对此，低温采用电炉加热，高温采用感应设备加热，这种加热速度的快慢结合，不仅大大增加了淬透深度，并且保持了金属在相变点以上加热的高速度，淬火后得到非常细化的组织，轧辊性能十分优良。在技术上值得注意的是形状细长的小轧辊，由于其重量有限，热容量亦有限，热量的稍微散失都会引起预热温度的下降，只有把预热设备和中频感应器紧密地连在一起，才能保证辊面上的每一个点进入感应器的瞬间温度处于定值，这是和大、中型冷轧辊可以事先单独在炉子中预热(或用感应器多次反复加热)，然后再吊装到淬火机床上感应加热是有很大区别的。
　  主要技术特点和创新点:
　  首先是工艺创新：主要是针对森氏轧机的工作辊、一中间辊和二中间辊的热处理加工的特点进行研究：1.保证高的加热速度；2.保证加热穿透。为解决这一矛盾，我们将整个加热过程分成两部分来完成，即低温(相变点以下)时的缓慢整体加热和高温时的快速表面加热。对此，低温采用电炉加热，高温采用感应设备加热，这种速度上的快慢结合，不仅大大增加了淬透深度，并且保持了金属在相变点以上加热的高速度，淬火后得到非常细化的组织，轧辊性能十分优良。在技术上值得注意的是形状细长的小轧辊，由于其重量有限，热容量亦有限，热量的稍微散失都会引起预热温度的变化，只有将于预热设备和中频感应器紧密地连在一起，才能保证辊面上的每一个点进入感应器的瞬间温度处于定值，这是和大、中型冷轧辊可以事先单独在炉子中预热(或用感应器多次反复加热)，然后再吊装到淬火机床上感应加热是有很大区别的。
　  研制一套全数字控制的中频淬火机床和连续预热炉及辅助装置；可以实现小直径轧辊连续透热式淬火加工。电控设备是以工控机＋PLC为核心的全数字控制设备。它与当前轧辊使用的传统盐浴式淬火工艺相比，具有环保和节能的优点，特别是采用全数字控制的中频淬火机床和连续预热炉及辅助装置进行轧辊热处理，可以记录轧辊的加热过程参数和淬火温度参数，并对这些存入数据库进行管理，当轧辊出现问题后，可以追溯每根轧辊的加工过程参数，有利于工艺人员根据这些数据调整加工工艺，保证批量化生产的质量。
　  
　  
　  
　  2. 全数字控制轧辊一拖二双频自动淬火机床
　  全数字控制轧辊一拖二双频自动淬火机床是一种用于轧辊和大型轴类零件热处理加工的专用设备，主要用于轧辊生产厂新制冷轧辊淬火加工，也用于轧板生产厂进行轧辊重淬和改制辊淬火加工，还能用于各种大型轴类的表面淬火加工。
　  全数字控制的“一拖二”双频淬火机床是针对不同材质的轧辊，利用加载工频(50Hz)和中频(250Hz)两个感应圈的交变电流在其周围产生交变磁场，金属轧辊被这交变磁场的磁力线所切割，产生感应电动势，在轧辊表面的一薄层内形成封闭的电流回路。这涡流回路产生的感应热使轧辊表面加热，达到所需的淬火温度（相变温度以上）。用水作为淬火剂进行急剧冷却淬火，在轧辊表面形成一定厚度的马氏体组织和过渡组织，即形成一定厚度的淬硬层。因利用双频淬火，两个感应圈的频率不同，其感应热的透入深度也不同，因而经双频淬火后的淬硬层有较缓和的过渡区和均匀的残余应力分布。由于电磁感应圈的功率设定模型在轧辊表面淬火时尤为重要，它对保证淬火轧辊辊端不开裂和控制软带长度起着至关重要的作用，因此，有必要根据国内轧辊使用情况，研制出一种新型轧辊双频自动淬火方法，以保证轧辊淬火加工的质量。另外，双频淬火电源中的工频电源由特殊的感应调压变压器、平衡电抗器和特殊电压等级的电容器及可调电感器组成，设备费用高；中频电源容量大，起振频繁，控制技术复杂，如果能使这些淬火电源得到充分利用，则可以在提高产量的同时降低设备投资成本，所以有必要研究一拖二的技术，以实现一套双频淬火电源为两台淬火机床提供淬火加热电源的功能。
　  该设备综合利用先进的数字控制技术与先进的轧辊双频感应淬火技术：在数字控制平台上，将国内轧辊淬火工艺专家长期摸索出了一套适合国情的双频淬火工艺方法（简称“六级功率进和六级功率退”淬火法）集成其中，能够较好的解决轧辊端面软带的加工问题，在辊面加工过程中采用功率给定模型跟踪+ PID温度闭环控制模式，使加工出的辊面硬度均匀，可与进口轧辊质量相媲美；轧辊在自动淬火加工过程中的各种工艺技术参数，可以通过智能数字仪表进行实时显示，并通过数据线上传给工控机（IPC）进行记录和图形显示；系统采用全中文显示的人机控制界面，方便中国操作人员进行各种现场指令输入和操作，能够打印生产报表和查询轧辊加热历史曲线图，对工艺参数实施效果进行追踪和完善修改，实现对产品质量的数据化管理。
　  本该项目的关键技术包括以下几个方面：
　  1、“六级功率进和六级功率退” 双频淬火工艺技术
　  2、大型轧辊双频淬火机床的整体设计和生产制造技术
　  3、大功率双频感应淬火电源及器件的设计和生产制造技术
　  4、可视性全数字电气控制系统和数据管理系统的设计和生产制造技术。
　  主要技术特点和创新点:
　  1. 首创了综合利用先进的数字控制技术与先进的轧辊双频感应淬火技术的技术平台，在这个平台上集成了国内轧辊淬火工艺专家长期摸索出了一套适合国情的双频淬火工艺方法（简称“六级功率进和六级功率退”淬火法），使整个双频淬火加工过程的各种关键工艺数据以可视化技术客观、真实地展示在操作者眼前，便于员工操作和控制，填补了国内空白。
　  2.设备的机床结构设计采用方钢等新型材料制作，结构稳定；采用轧辊自动定心旋转技术，减少了轧辊在加热过程中的摆动；轧辊下降和旋转驱动采用全数字控制的交流伺服电机和变频调速技术，有助于提高轧辊淬火加工质量。
　  3.系统所采用的大功率双频感应淬火电源全部实现了国产化生产，关键的电气部件自行研制生产，降低了生产成本，保证了产品质量。电气控制采用工控机+可编程控制器（下简称IPC+PLC）的控制结构，主站和分站之间采用总线连接，减少了电缆布线和线间干扰，控制软件可以根据不同用户的需要升级和更新，适合产品特性化生产。
　  4.系统采用计算机数据库编程技术，利用全中文人机控制界面，对加工过程中的工艺参数进行自动记录和数据管理，能够打印生产报表和查询轧辊加热历史曲线图，实现了对产品质量的全数字化管理。
　  该项目正处在样机试用阶段，两台样机分别在武钢轧辊厂和江苏宜兴永昌轧辊公司运行，生产出了合格的冷轧辊产品，证明了本发明的实用性和先进性。
　  第三部分 成果实施后的效果
　  轧辊热处理工艺技术一直是公司近年来所研究和开发的课题。并将所研制的成果转化为企业产品。公司按照用户的要求，有针对地进行不断优化和改进，目前公司已完成了武钢公司的五台中频淬火机床和一台全数字控制一拖二双频淬火机床，为江苏共昌某钢厂生产的双频淬火机床，以及一大批设备关键备品备件和辅助设备及产品。使该创新技术成果能够及时转化为企业产品，为企业创造一定的经济效益和社会效益。
　  对于成果实施后的效果可从以下几个方面了解：
　  首先，从技术上讲，该成果研制成功后，不仅可对新制轧辊进行热处理加工，更多的是对于废旧冷轧辊可以再制造使用，如轧辊经过多次磨削后，可以继续进行加热淬火处理，从而避免用过的冷轧辊当废钢回炉，实现资源再利用，大大节约使用和生产制造厂家的生产成本，减少碳排放，也是当前两型社会所提倡的，具有非常巨大的社会环境效益。
　  其次，作为工艺和装备使用单位而言，采用双频淬火加工主要采用的能源是电，用电来感应加热可以提高产品质量，同时比传统的辐射加热效率高，节省能源。淬火需要的冷却介质为普通的水，在本项目中水资源采用循环利用模式，可以反复使用，对环境没有污染。与此同时，每台设备每年可为使用单位创造巨大的经济效益，仅以双频淬火机床为例，一个年产185万吨冷轧板的车间综合轧辊消耗量1公斤／吨，轧辊单重按5～6吨计算，每年轧辊消耗为：185万吨×l／5600=330支／年，轧轧辊材质为Cr2，每年轧辊需重淬次数为1.6次／支，则每年需要重淬的轧辊数量为；330×1.6=528支／年，根据该部门综合统计测算，每根轧辊通过再制造可以节省1.25万元/支，528支可节省660万元。按国内1.6亿吨冷轧带钢产量估算，可节省5.8亿元。按照每吨进口轧辊价值7千美金，国内生产16万吨冷轧辊，可节约外汇11.2亿美元。
　  其三、作为设备研发和制造单位而言：该装置生产属于高新技术产业，设备制作所需的钢材、零配件及电工元器件都不多，主要产品附加值在技术方面，对于设备生产厂家，主要是采购、加工和组装，没有污染排放，对周遍的环境没有污染影响。能源主要是电能，用于加工生产和设备模拟调试用。作为制造单位而言目前，公司每年设计生产轧辊热处理设备和与之相应的辅助产品占全年销售收入的20%～30%，一旦建成专业化轧辊热处理设备的专业化生产车间，每年可生产7-8套轧辊淬火设备及相关的辅助专用设备，可新增销售收入8000万元，利税新增1200万元。预计未来几年，随着企业规模化不断扩大，企业将形成专业化生产，生产该类产品将占公司销售收入的60%以上，实现销售收入达1.4亿元。会效益和经济效益相当可观。
　  其四，是企业今后创新发展的技术积累。我们作为武汉市的高新技术企业，十多年来专心研制轧辊热处理设备，我们在轧辊热处理方面获得的第一个适用新型专利是2000年，获的双频淬火方面的第一个适用新型专利是2009年，2010年我们在轧辊热处理方面获得了两项发明专利，在研制生产轧辊热处理设备方面积累了比较丰富的经验，特别是利用临近武钢，长期为武钢服务的机会，使我们有机会接触到很多国外进口先进技术和设备，我们研制的样机也能在武钢取得现场运行机会，不少产品由于效果不错，得到了用户好评，在市场上有较好的信誉度。为了适应钢铁企业对轧辊要求的不断提高，我们必须不断努力研究新问题，以跟随市场的发展，不断进步。
　  第四部分 持续改进措施
　  轧辊热处理机床研究的研制与应用，对于公司来说在近两年在成果向产品转化的过程中给企业带来持续改进的要求：
　  首先，市场要求需要持续改进，由于公司生产的淬火机床设备仅限于小直径轧辊和工作辊，前期已开发针对硅钢生产线的小直径轧辊的中频穿透淬火设备和处理冷轧工作辊的双频淬火设备，并获得发明专利和实用新型专利。就今后的市场而言，还需用于轧辊热处理的多种轧辊热处理需求，逐步解决各类轧辊的热处理工艺研究，并形成规模化的集设计、生产、加工、销售轧辊淬火设备的专业设计、生产基地。
　  其次，对有产品的优化，特别是针对用户的需求，在现有的产品性能情况下进行优化，譬如计算机控制界面，人机操作优化，产品数据的存储等，使之更方便于操作者操作。对主要备品备件标准化，系列化，便于用户根据不同轧辊直径选用与之相应的淬火圈，提高轧辊热处理的范围质量。
　  其三、加大对市场的深入调查和了解，积极为用户考虑，生产质优价廉、用户满意的轧辊热处理设备，利用本企业的自身优势让该设备不断走向全国市场。