多线切分轧制理论及孔型设计研究

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【摘要】本文介绍了国内切分轧制的应用现状，对切分轧制的理论进行了详实的阐述，分析了多线切分轧制技术的发展趋势，研究表明：多线切分轧制关键是切分时产生的拉力将轧件撕裂开。最后提出了孔型设计要点。

【关键词】切分轧制，孔型设计，导卫，理论

切分轧制思想可追溯到约150年前，早在1868年，英美就曾将其应用在小型轧机上将废钢轨切成头、腰和底，然后将切分后的轧件轧成型材和棒材，开创了该技术应用的先河，但其后发展缓慢。近年来，该技术发展迅速并日趋成熟，广泛地应用于棒材、线材、型材的热轧生产中、采用切分轧制技术能够有效地扩大坯料和产品规格范围，减少轧制道次，实现一火成材，目前已成为轧钢领域推行增产降耗的有效途径之一。作为金属材料加工的一项新技术，技术上也呈现出多样化，普遍代表着金属材料加工技术的一个重要发展方向。本文试图通过对该技术的深度剖析为钢铁企业提供参考。

1切分轧制技术应用现状

1.1国外发展简况

19世纪60年代，美国和英国首先提出该技术，20世纪20年代，美国西拉库兹厂首创孔型预切分压板压分法；但该技术的研究和应用始于40年代，50年代，前苏联在不对称异型轧机上采用孔型预切分和圆盘剪切分法对钢坯进行切分生产小型材和线材；70年代中后期切分轧制技术的研究和应用得到飞速发展，加拿大钢铁公司首先在小型轧机上进行了螺纹钢和圆钢的切分轧制；80年代，孔型切分法由瑞典皇家工学院和英国BS公司研究成功，该项技术用于将方坯切轧成中小型钢材和线材；90年代，日本的新日铁、德国的巴登公司等利用导卫箱内切分轮切分法实现棒材多线切分及大量投产，并进行技术输出。

1.2国内发展简况

国内切分轧制起步于50年代，鞍钢将其应用于将废钢轨沿纵向切分成头、腰、底作为生产型钢和棒材的原料。70年代后进入设备技术引进和技术消化改进大潮，我国的切分技术才开始开发。70年代末期，首钢引进加拿大孔型预切分——导轮切分法专利技术，对我国切分轧制的发展具有促进作用；80年代后，唐钢棒材厂从达涅利引进三线切分轧制技术；2000年，广钢棒材厂从德国巴登钢铁公司引进四线切分轧制技术。

国内一些高校和企业的专家学者在引进技术的同时对切分轧制理论做了非常有价值的探索和实验研究，为我国迅速掌握该项技术并自主创新提供了技术保证。80年代，首钢和昆钢在中轧前试用此项技术并获得初步成功。1983年，郑州孝义钢厂研制的孔型切分法首获成功， 其后推广应用中逐步形成具有我国特色的三步式（粗切分、预切分、切分）孔型切分新技术。80年代后，切分轧制技术有了迅猛发展，首钢（棒材、钢坯）、武钢（钢坯）、昆钢（线棒材）、郑州孝义钢厂（棒材、钢坯）、杭州钢厂（棒材）、无锡钢厂（线材）、南京轧钢总厂（线材）、九江钢厂（棒材）、襄樊钢铁厂（棒材）、柳州钢厂（线材）、莱钢（ 2.5号角钢）等单位都在积极地研究切轧新技术并成功地应用于生产实践。东北大学、鞍山钢铁学院、鞍钢钢铁研究所、河北联合大学马义德、武汉科技大学陈贻宏、安徽工业大学曹杰等从理论和试验方面进行了相关研究并取得可喜成果。

原料一般采用断面（150-170）mm×（150-170）mm方坯，长度（10000-12000）mm，单重约2000Kg左右的连铸坯；产品为Ф10-Ф50mm带肋钢筋和Ф16-Ф50mm直条光面圆钢；轧制工艺采用二线切分、三线切分、四线切分、五线切分甚至六线切分，目前国内前3种切分技术的应用相对成熟，五线切分轧制技术在少数钢厂得到应用，如，江西萍乡钢铁公司于2007年自主研发了Ф10mm螺纹钢切分轧制技术，达国际领先水平。极少数钢厂对6线切分轧制进行了试生产和研究，如宝钢集团所属新疆八钢棒材厂。

2切分轧制原理

所谓切分轧制技术是把加热后的坯料先轧制成扁坯，然后再利用孔型系统把扁坯加工成两个以上断面相同的并联件，之后在精轧道次上采用特殊的切分孔型或辅助切分手段， 沿纵向将并联轧件切分成两根或两根以上断面积相等或不等的独立轧件的轧制技术，它是一种材料加工新方法。要成功实现切分轧制需解决的关键技术是如何连续地将并联件切分开，切分孔型安排在什么位置。

通过对热轧状态下纵向切分轧件的手段进行研究发现：不论哪种切分方式，最终确定破坏并联轧件连接带的最佳方法是在连接带上建立足够的拉应力。目前采用拉应力破坏连接带的常用方式有辊切法和切分轮法。两法的轧辊孔型共同点是均带有切分楔，所不同的是，轮切法是将辊切轧制中只需轧辊切分的工序改为由轧辊和切分轮共同完成，增加了工艺设备的复杂程度，但减少了轧制道次数。

2.1辊切法切分原理。辊切法切分轧件的原理如图1所示，切分连接带的应力是这样产生的：由于孔型倾斜α角布置，轧辊切分轧件的边部连接带A时，在B—B截面上有下压力ΔDgu，这样上轧辊的圆周速度略小于下轧辊的圆周速度，产生一个向上的力。反之，在C—C截面上有上压力ΔDgb，产生一个向下的力。此两个力形成的力偶产生一个作用在轧件上的旋转力，故进入切分轧辊的轧件能够完全分开，且轧件脱离孔型后有一定角度的扭转。力的大小由孔型倾斜的角度决定，因此采用辊切法进行多线切分轧制时，不同切分规格的切分孔型设计成不同的倾斜角度， 以产生使轧件分开的足够旋转力。辊切法因切分轧辊孔型的特殊性，在切分规格的应用方面范围窄，孔型楔边磨损快， 更换时间长， 轧件控制困难，因此应用受限。

2.2切分轮法切分原理

切分轮切分轧件的充要条件如式1所示：

∑Fσ≥S·σb （1）

式中，∑Fσ ——各横向水平分拉力之和，S ——连接带的微小面积，σb ——金属强度极限

由1式可知，切分轧制稳定生产的条件是：孔型或者辅助装置要产生足够大的横向张力来撕开并联轧件上薄且窄的连接带。拉应力对连接带进行破坏包括三个阶段：首先，随着变形区的充满，轧制力的水平分力增大，轧件顶部单面承受压力；接着，压力增大到极限后，并联轧件的连接带上产生金属的塑性流动，并联轧件分离后横向移动，直至连接带完全破坏，形成分离开的独立轧件。由轮切分的原理看，切分后的轧件要分离势必使轧件发生弯曲，故切分后的轧件需控制其走向。

以两线切分轧制为例（两线以上切分是两线切分的组合），切分时轧件连接带所取单元体受力状态如图2所示。切分过程中，切分轮的上下楔角基本不会使轧件产生塑性变形。中间连接体处在X 轴上受拉应力、Y 轴与Z 轴上受压应力的三向应力状态，极易满足切分充要条件公式（1）的要求完成切分目的。另外，轧制稳定后，轧制剩余摩擦力产生，两切分轮外缘对中间连接体造成的作用力也将更大、更稳定，会使Z方向的力增大。随着后续道次顺利咬入，连轧状态建立后，前推后拉，切分效果会更好。

3切分工艺及孔型设计

3.1工艺选择

两线切分（简称一切二）和三线切分（简称一切三）轧制是切分的基本单元，多线切分由2、3线切分进行组合。2线切分需要1对切分轮中间切，轧件向两侧弯曲；3线切分需要2对切分轮从两侧进行切，中间轧件未发生弯曲；4线切分可采用的组合是1个一切三和1个一切二、或者是3个一切二，前者先完成2对切分轮对中间2个并联件和两侧轧件的切分，然后需要1对切分轮完成中间并联件的切分，后者先切出左右2个并联件，然后分别对2个并联件进行2切分；5线切分可采用的组合是2个一切三、或者1个一切三和2个一切二，前者先完成2对切分轮对3个并联件和两侧轧件的切分，然后需要2对切分轮完成中间件的三切分，后者先用2对切分轮完成中间轧件和2侧2个并联件的切分，然后进行两侧轧件的二切分；6线切分可采用2个一切三和1个一切二或者1个一切三和3个一切二，前者常用2对切分轮先对4个并联件和2两侧轧件切分，然后用2对切分轮对并联件切分出中间2个并联件和两侧轧件，最后进行二切分。各种组合方式见表1，典型多线切分轧制的切分顺序见图3所示。

一般地，对于不同规格的棒材采用不同的切分轧制工艺，Ф12-14mm采用四线切分轧制，Ф16mm采用三线切分轧制，Ф18-22mm采用两切分轧制。小于Ф10mm的钢筋采用五切分轧制或者六切分轧制。

3.2孔型设计

3.2.1辊切法。切分轧辊的孔型设计较为独特， 以四切分孔为例，其示意图如图4所示， 闭口型的四个相连孔型倾斜布置， 带有楔形棱边， 使轧件通过楔形棱边时被切成分离的单根。

3.2.2切分导卫法。与普通型钢孔型系统相同，切分轧制孔型系统包括延伸孔型系统和精轧孔型系统，不同的是精轧孔型系统中包括预切分、切分孔型即所谓的狗骨型孔型系统。按照生产线简化的原则，孔型设计时将切分孔型尽量放在最后，这样切分完的轧件占用的生产线最短，一般地，K1孔为圆孔型，K2孔为椭圆孔型，K3孔为切分孔型，K4孔为预切分孔型（有的K5孔也为预切分孔型，此时其他孔型后延），K5孔为立辊上的立箱孔型，K6孔以前为延伸孔型，最核心的部分是切分道次的K3孔和切分导卫的配合。以5切分孔型为例见图5所示。

精轧孔型设计要点：

1、K6孔为延伸孔的最后一个孔，采用平辊可利用大压下量轧制，延伸系数范围可取1.25—1.35。

2、K5孔，根据经验取侧壁斜度为12%，该道次延伸系数可取1.0—1.1。

3、K4孔，该道次延伸系数可取1.25—1.33。设计时中间线比两侧线面积略大，一般在2%—3%之间。预切分楔间距一般为6—8mm，预切分楔角度一般设计为77—88°，圆角半径一般为1.5—1.8mm。

4、K3孔，该道次延伸系数在1.10—1.23。切分楔的设计同样是关键问题。两个切分楔间距一般为0.5—1.0mm，预切分楔角度一般设计为45—55°，圆角半径一般为0.5—1.2mm。

5、K2孔采用平椭圆孔作为成品前孔。

6、K1孔为刻有横肋和标识的成品孔。

4结语

切分轧制作为材料加工的一种新技术，能够很好的发挥节能增效的作用，因此备受企业关注。该技术的理论研究和切分设备远滞后于应用，因此，理论和设备的研究将会有广阔的空间，它的进步完善将会对应用起到推动作用。

参考文献：

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