横向布置轧机：钢铁生产与主要设备综述

横向布置轧机中的钢材轧制与主要设备

大部分钢材产品是通过连铸机浇铸的铸坯，经由一系列轧制和精整工序轧制而成。所谓单纯轧制，是指两个直径相等、轴线位于同一平面的辊子以相同转速反向旋转，被轧材料力学性能均匀，仅受辊子力作用的轧制过程。

轧制是最重要的金属成形工艺。超过95%的黑色和有色金属及合金通过轧制加工成可用形状。轧制金属的可用形状包括板、带、箔，以及轨道、型钢、槽钢、角钢、棒材、线材和无缝管等各种型材。常见的轧制工艺有热轧和冷轧两种。

热轧机的主要功能

热轧机的主要功能是将钢锭/钢坯/方坯/板坯（轧制坯料）加热至接近浸泡温度点，然后通过由电动机驱动的连续轧机机架将其轧制得更薄、更长。轧制坯料在加热炉中被加热至约1250°C，以固体/液体/气体燃料为主要能源。加热后的轧制坯料在粗轧机中经过多道次轧制，其尺寸减小、长度增加、形状改变。这一过程在中间轧机和精轧机中继续进行，每个轧机也要经过多道次。随着轧制进行，产品长度增加，材料尺寸减小，速度在每个机架后递增，最终速度最高。

热轧的优势

热轧是在材料再结晶温度以上进行的。其优势有二：一是高温下材料抗力降低，所需压缩力较小，可用容量较小的轧机机架；二是可在不产生应变硬化的情况下赋予材料大量塑性变形。应变硬化会使变形应力随变形增加而升高，导致材料变硬变脆，进而难以变形，超出极限会产生各种缺陷。

轧制过程概述

轧制过程通过一系列辊子对金属表面施加机械力，减小宽度和厚度以生产特定形状和尺寸。钢锭或连铸钢坯、方坯、板坯是热轧生产各种制成品形状的基本原料。许多产品是后续制造工序（如锻造、钣金加工、拉丝、挤压、机加工等）的起始材料。

轧制技术不仅是轧制理论，更是硬件技术（轧机、轧辊）、测量技术（观测轧制状态）、冶金软件技术（材料设计）、控制技术（高精度厚度和形状控制）、润滑技术（延长辊子寿命、降低轧制载荷）等的综合技术。最佳轧制技术不仅依赖轧制理论，还受相邻技术进步的推动。

扭矩与功率

扭矩和功率是轧制的两个重要组成部分。扭矩是使辊子产生旋转运动的力的度量，功率通过施加扭矩和工件张力传递给轧机。轧机中的功率主要消耗在四方面：(i) 使钢材变形所需的能量，(ii) 克服摩擦力所需的能量，(iii) 齿轮和传动系统的功率损失，(iv) 各电机的电气损耗。

道次分配

为从特定初始材料获得目标形状和厚度，必须确定道次分配（包括压下分配和道次数）。两种方法：一是查阅历史数据，二是利用轧制理论计算。第二种方法利用轧制载荷和扭矩在接近轧机极限处计算道次分配，并调整使最终道次轧制出的产品达到要求形状和尺寸。第一种方法在经验范围内有效，但对全新钢种、产品、规格无效。

轧制变形机理

轧制过程中，材料通过两个反向旋转的圆柱形辊子之间的间隙，受到高压应力而产生永久变形。辊子可以是平辊或槽辊，保持固定距离。辊子由电气传动系统（电机、齿轮箱、联轴节、联轴器）反向旋转。根据辊子旋转方向，材料从一端进入辊缝，从另一端以减小的横截面流出，辊缝面积小于材料横截面积。为获得最终形状，材料通常需通过多组旋转辊子，每道次通过不同辊缝，横截面逐渐减小。

型钢通常需多道次轧制，道次数由初始材料与成品横截面积之比决定。每道次横截面积减小，材料形状和尺寸逐渐接近目标截面。

轧机机架组成

整个安装在轴承上的辊子组件固定在轴承座（称辊箱）中，辊箱又固定在两个铸造机架（称机架）的间隙之间，配备辊缝调整装置和辊子驱动装置。整个装置称为轧机机架。一个或多个轧机机架与其他必要相关设备组合，从一种或同类输入材料获得成品，称为轧机。

横向布置轧机

广义上，轧机由一组轧机机架和一系列执行轧制和辅助操作的设备组成。加热后的钢材从加热炉输送到轧机进行各项操作：(i) 在轧机中轧制，(ii) 在机架间传输，(iii) 在某些轧机中翻转、扭转和剪切，(iv) 轧后输送，(v) 在冷却床上冷却，(vi) 切割、标记或打印，(vii) 修边、包装和输送到成品库。

因轧机机架排列方式称为横向布置轧机。在这类轧机中，机架中心线相互平行，被轧材料垂直于轧制方向移动。利用传输台和滑动台反转工件移动方向并将其从一组机架输送到另一组。横向轧机的一个特点是工件必须足够短，以便一件离开一个机架后另一件再传入。

横向轧机的机架呈分散布局。基于连轧概念，但机架间距离较远，工件必须离开一组辊子后才能进入下一组。此类轧机适用于因尺寸或形状不适合环形轧制的型钢轧制。

常用轧机机架类型

横向轧机常用两类机架：两辊机架和三辊机架，按辊子在机架中的排列方式分类。典型两辊机架由上下两个辊子组成；三辊机架由上、中、下三个辊子组成。两辊机架仅单向轧制，需反向轧制时机架须可逆；若不可逆则用跨越式两辊机架，轧件轧完一道次后跨过辊子顶部送回进料侧继续轧制。

三辊机架有上、中、下三个辊子。材料通过两个辊子单向进给，再通过另一对反向进给，中间辊子共用。三辊机架用于在不反转电机和齿轮旋转方向的情况下反转钢材轧制方向。一个辊缝（中下辊）单向进料，另一辊缝（上中辊）反向进料。将钢材从下辊缝高度移至上辊缝可用倾斜台，也可用升降台整体上下移动。

两辊机架中上辊或下辊或两辊均可驱动。三辊机架中一或两个辊子驱动，其余靠摩擦旋转。若两辊驱动，通常上下辊驱动，中间辊摩擦驱动。

横向轧机的工作特点

横向轧机中机架排列使工件同一时刻不在多个机架内。机架并排布置，工件横向移动至各机架辊缝。许多横向轧机双向轧制，每道次后改变轧制方向，对产品质量有积极影响。

每道次截面减小、长度增加，因此每个机架两侧都需有容纳最长钢件的设施。

单驱动横向轧机的最大压下量有限，尤其当轧机内同时轧制多件钢材时。因此入炉钢材尺寸通常较小。此外，两辊机架可设置使第一机架上辊高度对应第二机架下辊高度，依此类推，使钢件在机架线上往返交替加工。若同一横向组合中混用两辊和三辊机架，三辊机架中间辊对应相关两辊机架的驱动辊。

另一种布局是横向机架前设单机架粗轧机，仅进行奇数道次（如3-5道），然后钢材进入横向机架。此布局也可轧制较大截面的输入材料。

横向轧机像其他热轧机一样，在钢材再结晶温度以上轧制。轧制过程中变形晶粒再结晶，保持等轴组织，防止加工硬化。此类轧制产品力学性能方向性极小，变形残余应力低。

横向布局用于低产能轧机，主要因场地限制。横向布局限制了可轧制钢材产品的最大长度。

横向轧机通常为热轧机，轧制圆钢、螺纹钢、方钢、扁钢、型钢等型材产品，统称“大型材”或“长材”。轧机使用剪切机、修边机和工具。多数轧机为开放式列、两辊或三辊式。主电机与轧机机架的机械联接为V带轮式或减速齿轮式。系统配有飞轮装置以抵御载荷波动。

主要设备

加热炉

加热炉是热能主要消耗设备，其运行特性对整个轧机工艺至关重要。加热炉配备燃烧设备（燃烧器、余热回收系统）和装卸系统（推钢机、抽料机等）。典型加热炉设预热段、加热段、均热段，逐步升高并维持轧制坯料所需温度分布。

加热炉分类方式多样：按加热方式分燃烧式（煤/油/气燃烧）和电热式；按蓄热方式分蓄热式和回收式（回收式更常用）；按装料方式分批式和连续式。批式炉中材料在炉底固定位置直到加热到轧制温度；连续式炉中材料随炉内移动逐渐加热。

连续式加热炉按钢材在加热段移动方式分类：推钢式、回转炉底式、步进梁式、步进炉底式、辊底式最常用。多数轧机配备连续式加热炉。

连续式炉中材料从进料端进入，经炉内移动，从出料端排出。炉长方向存在温度梯度，材料与燃烧气体一般逆向流动。按温度梯度分为预热段、加热段、均热段（图1）。

图1 三段式推钢型连续加热炉

连续式加热炉进一步按：(i) 加热段数（1-5段，顶部或顶底燃烧），(ii) 材料移动方式（推钢、步进梁、步进炉底、回转炉底、辊底），(iii) 蓄热方式（蓄热式或回收式）分类。

推钢式加热炉在横向轧机中最常用。冷钢材由进料侧推钢机推进。此类炉设计用于加热钢锭/小方坯或小型方坯。推钢炉炉底一般较短且纵向向出料端倾斜，便于钢材通过。目前推钢炉炉底可达30米。冷钢材由进料端推钢机推动，每推进一根冷料，出料端即排出一根热料，经端部门落入辊道送轧机，或由侧门经机械方式推入轧机辊道，或由端部门经机械抽料机抽出。

为提高炉子产量，通过改变炉型从单区变为多区、在多处设置燃烧器（前燃、侧燃、底燃、顶燃）引入额外燃烧区。双燃烧区炉比单区炉温度梯度控制更好，设均热区前燃、加热区顶侧燃。加热重型材料时可采用3-5个燃烧区提高温度和产能，通常设两三个加热区，每区装燃烧器，使预热段末端温度更高、预热段缩短、高温区总长增加，加热更强化。

推钢炉优点：(i) 单位投资产量高，(ii) 炉底面积利用率高、单位空间产量高，(iii) 装卸方便，(iv) 温度逐渐升高允许装入各种冷料，(v) 各温度段加热速率控制性好。缺点：(i) 限制装料截面（接触面须为方形以防炉内堆积），(ii) 对小批量或薄规格轧件高效加热缺乏灵活性，(iii) 水冷滑轨维护较难，且用水冷滑轨时轧件厚度限制在300-350mm。

轧机设备

横向轧机由多种设备组成，共同高效完成轧制。部分设备是轧制必需，部分为提高产能和效率的附加设备。主要设备如下。

机架

机架是轧机最重要的结构之一，支撑整个轧机组件。机架固定辊箱组件、调整机构等，保持相对位置，其结构和尺寸须考虑相关部件尺寸。轧制力通过调整机构螺母完全传递给机架。机架要求高刚性、足够强度承受载荷、结构简单、生产成本低。粗轧机用整体铸造简单形式（矩形截面）机架，称“封闭式”机架。部分机架顶部可拆卸以便拆装辊子（特别是列式轧机），称“开放式”机架（顶梁用螺栓连接立柱），用于换辊频繁场合。

轧机轴承

辊子载荷传递给轴承及其组件（辊箱）。轧机轴承分三类：

1. 滑动轴承：分金属衬套和非金属衬套。金属衬套摩擦系数高、寿命较低，用于高温高压无法用其他轴承处。非金属衬套具滑动轴承优点外，成本低、适应变速甚至反转、摩擦系数极低，是低产能横向轧机最常用轴承。
2. 流体动压轴承：完全包裹辊颈，轴承面由油膜分离。高速时摩擦系数低、寿命长、占用空间小，广泛用于非可逆机架替代抗摩擦轴承。但限于速度较高且恒定的场合，如大压下量的板材轧机、线材轧机。
3. 抗摩擦轴承：含所有滚动接触轴承，但轧机仅用圆锥滚子轴承（多列）。优点是摩擦低、能在低速下工作。

轧辊

轧辊是轧机主要且昂贵的消耗品，也是最关键部件。金属工件变形直接由轧辊完成。轧制应力首先作用于轧辊，再传递给轧机其他部件。因此轧辊必须比被加工金属更硬、更抗变形。

型材在槽辊间轧制。槽由辊车加工，配对辊子的槽形成道次，钢材通过道次获得目标截面。成形前钢材需经多道次。道次分：(i) 粗轧道次/破碎道次，(ii) 预成型道次，(iii) 精轧道次。粗轧道次减小截面积，预成型道次使截面逐渐接近最终形状，精轧道次赋予最终截面。

轧辊性能取决于材料和服役载荷。轧辊设计受轧制载荷、辊子强度、可用扭矩限制。轧辊材料须能承受使轧件塑性变形而自身不塑性变形的载荷。

轧辊材质选择考虑韧性、抗热裂、抗冲击、耐磨等。选择依据生产需求、初始成本、特定质量要求等。与轧辊制造商紧密合作以满足要求。轧辊分四类：

• 钢辊：碳含量0.2%-0.3%。分铸钢辊和锻钢辊，可砂型铸造或金属型铸造。关键用途铸钢辊辊身金属型铸造、其余砂型铸造。部分钢辊高合金含量。
• 铁辊：碳含量2.5%-3.5%。分灰铁辊和合金铁辊。常用：(i) 明冷铁辊，(ii) 不明冷铁辊，(iii) 球墨铸铁辊，(iv) 双液辊。
• 碳化钨辊：粉末冶金烧结制造，通常做成小直径环套在钢芯上，用于线材轧机精轧机架。
• 复合辊：由芯轴和收缩套装的环形或套筒件组成。外层磨损可更换外层继续使用芯轴。

传动装置

轧机由电力驱动，电机与辊子间需合适传动系统。传动装置含：(i) 足够容量的电动机，(ii) 传动带，(iii) 飞轮，(iv) 齿轮组，(v) 小齿轮架，(vi) 联轴器。部分轧机用连接轴联接电机和齿轮箱（两端联轴器）。齿轮箱将电机转速降至辊子转速。功率经小齿轮箱分配到多根轴（视驱动辊子数而定）。横向轧机通常用交流电机，因无需调速。

飞轮

飞轮是具有显著转动惯量的机械装置，用作旋转能量储存。飞轮抵抗转速变化，平稳轴旋转。在能量供应大于需求时储存能量，需求大于供应时释放。储存动能依赖质量转动惯量和转速。

主轴

主轴连接原动机与小齿轮，可为万向节型，短联或长联（带中间轴承），视电机布局而定。短联可用标准弹性联轴器。主轴连接两辊机架底部小齿轮，三辊机架中部小齿轮。

小齿轮

小齿轮是分配传动功率给2或3个辊子、使相邻辊子反向旋转的齿轮。早期用直齿或分面交错直齿，现用双螺旋齿。斜齿轮传动平滑，齿始终部分接触，功率传递连续。

联轴节（万向节）

联轴节连接小齿轮与轧机辊子（非直驱时）。直驱时联轴节直连电机。联轴节用铸钢或锻钢，两端装摇臂（类似辊子端部）或万向联轴器，视轧机类型而定。

减速齿轮箱/减速器

电机转速高于辊子所需转速时用减速齿轮箱。按所需减速比可用1、2或3级减速器。

导卫

导卫辅助轧件进出辊缝。按位置称入口导卫或出口导卫，固定在平行于辊子、跨跨机架的托架或压杆上。固定导卫无运动部件，通常用铸铁制造，防止划伤轧件。最简单形式为两个铸件夹紧成喇叭口箱体。辊式导卫为克服划伤而开发，尤其用作入口导卫，包含一个或多对按轧件形状成型的空转辊子。

折返器

折返器接收从一机架出来的工件，自动将其绕180°导入相邻机架。由槽形槽道组成，引导轧件前端绕180°或S形路径（正向折返器）。轧件前端由后续轧件推着绕过折返器，直到被下一机架咬入。相邻机架速度匹配通常使后一机架略慢于平衡速度，导致回路增大。折返槽道设计允许此情况下轧件踢到平台上。

辊道

辊道由一系列辊子组成，由公共驱动经线轴和伞齿轮驱动，或各自独立电机驱动。改进设计中伞齿轮被直齿轮取代。辊道将待轧材料送入辊缝并从辊缝接收，工作条件严苛：机械冲击、重复短时工况、动态瞬态（加速减速）。辊道连接大中型轧机分离的机架，大多数轧机需辊道将轧件输送至轧机机架和从轧机机架输出。

倾斜台/升降台

大型三辊机架中，轧件需从中下辊中心线机械提升至中上辊中心线。为此，机架一侧或两侧的台可设计为可倾斜。

剪切机

轧机用多种剪切机。大型液压或电动剪切机（上切或下切刀片）用于切除大型材分离变形端部或将大型材切成短段重新轧制。摆式剪切机刀架呈摆动状，用于切割运动轧件（如进入下一机架的变形尾部）。飞剪切割运动轧件，指轧件以出口速度被分切成多段。切头剪也称废钢剪。轧机中切头剪设在折返机组前，除去粗轧后轧件变形或开裂的前端。通常切除头部，也可连续运动切成短段以便前端在下游发生粘连时清理。

断料剪通常配合自动折返器，气动操作，夹闭后保持直到复位。用于取折返轧件尾部试样或防止剩余轧件喂入下游造成粘连。

主电机与辅助传动

轧制是连续过程，主机架驱动电机承受高应力。任何非计划停机或设备故障导致巨大能源、产量、时间损失。因此主辅设备传动系统是关键公用设施，须定期运维。此类驱动称一级辅助传动。二级辅助传动用于风机（炉燃烧系统）、冷却水泵、润滑系统等电机。多机架连续热轧机中，电机功率和转速须按轧制计划选定。

轧机电机大致分交流(AC)和直流(DC)两类。恒速单向运行机架用交流电机；变速可逆驱动用直流电机。交流电机分：(i) 同步，(ii) 鼠笼，(iii) 绕线转子。直流电机分：(i) 分励，(ii) 串励，(iii) 复励。各类电机特性适合特定应用。

冷却床

冷却床位于轧机末端，支撑并让最后一机架轧出的热轧产品冷却。冷却床自然冷却材料并横向输送至出料端。人工冷却床有坡度，靠重力滑动前进。机械冷却床为耙式。大产能轧机最常用步进式冷却床。冷却床上钢材全长须同时冷却，否则产生内应力。若部分钢材持续接触金属支撑，其冷却速率与暴露环境空气部分不同。步进式冷却床由动静止轨组成，多次抬起、横移、放下产品，使接触点不断变化，全长同速冷却。钢材“步行”至床端落入辊道。步进式冷却床呈锯齿状，故称耙式。冷却方坯时，步进翻转式冷却床持续旋转方坯，使接触点不断变化，防止冷却中变形。冷却床可用链式传输横移。冷却床尺寸按产品在特定周期内冷却设定。

集中稀油润滑系统

大型轧机安装集中稀油润滑系统，实现齿轮箱、小齿轮箱等齿轮自动润滑。润滑油经滤清、冷却后在闭环中循环。

冷却水系统

冷却水系统冷却轧机机架辊子、轴承等。水经净化、冷却至环境温度后在闭环循环。热机械处理(TMT)用水通常另设冷却系统。

电源、配电、仪表与控制系统

轧机电力供配电系统主要含变压器、断路器、高压电容器组、控制柜。用于精轧机交流电机调速的变压变频(VVVF)驱动是最新发展。基于PC(可编程控制器)或PLC(可编程逻辑控制器)的仪表控制系统配合阀执行机构，实现轧机自动化、前后端剪切、TMT水冷系统、飞剪等自动化。