轧机演变史：从手工轧制到智能制造的历史回顾

轧机历史发展

金属加工中，轧制是金属成形工艺：金属通过一对或多对轧辊减薄厚度、均匀厚度、赋予形状、赋予力学性能。轧制中工件在持续旋转轧辊间受压缩力变形。金属经旋转轧辊受力减薄。金属形状和内部组织均改变。轧制过程可比作擀面杖擀面。轧制是现代世界最重要制造工艺之一。今日绝大多数金属产品制造过程中都要经历轧制。

现代轧机全自动、高速、大产能，常含被轧材料冶金处理以达所需显微组织和力学性能。轧制工艺和轧机如此完美非单一发明所致，乃无数微小持续改进长期积累成果。

轧制起源与早期发展

轧制存在数百年。最早轧辊小型手动，用于压平金银制作首饰艺术品。中东和南亚公元前600年已有轧机。虽简陋但用同轧制基本原理。欧洲首个已知轧机设计1485年达·芬奇手笔。其图纸首次描述“使材料通过”两平行轴圆柱轧辊改变厚度可能性。也用于铅、锡等延性材料冷轧。此设计超前时代，不确定是否曾建成实体。

轧机动力源演变四阶段

1. 人力阶段：早期轧制动力小，手动轧辊压平金属做首饰艺术品。后期机器人转动连接轧辊可调十字架或曲柄。人力仅能轧制金银锡铅等软金属。
2. 水力阶段：利用河水流动能量提供免费动力，足轧铁等硬金属。水力缺陷：干旱寒冷减水流；水力轧辊仅单向运动。
3. 蒸汽动力阶段：1700s末瓦特发明蒸汽机后出现。蒸汽机创造物理动力替代人力/畜力。该时代轧机利用蒸汽机动力。1800s蒸汽机普遍驱动轧机，1800s末成最流行动力源。虽供电强但蒸汽机效率低。
4. 电力阶段：优势：发电可与轧机解耦，电力便利从远程发电机输送至直连轧机电机。电力驱动轧机1900年前后出现。电力至今仍是首选。

欧洲板材生产转折点

欧洲早期板铁生产靠锻造非轧机。轧机引入是板材生产真正转折。1600s轧机而非手动小轧辊已知投入运行，铁开始作为可轧金属引入。1501年前后有两轧机报道：一制均匀厚度金箔冲压硬币，二将成型板剪切成条。两者更多作“精整装置”而非减薄。

最早轧机为分条轧机，1590年引入。扁条钢通过轧辊成铁板，再经槽辊（分条机）轧成铁棒。1590年达·芬奇轧机实体化：两重圆筒压制不同金属改变厚度。首个确证工业工厂1615年产铅锡板。随后更多工厂建立，人力/水力驱动。

早期轧机也轧制黑板生产马口铁。马口铁：钢（早期铁）轧机轧制、酸洗除鳞、镀薄锡层。黑板曾单独或小批量生产，称“包轧机”。1670年前后首次尝试轧铁做马口铁。1697年John Hanbury少校Pontypool建厂轧“Pontypool板”即黑板。后复轧镀锡成马口铁。

1700s末首批热轧机出现，铁成更普及轧制材料。工业革命（~1760s-~1840s）创造前所未有铁需求。新技术炼铁最终炼钢，用于机械、铁路、轮船新产品。因铁素材获取可能性增加，钢冷轧同步开始。1682年英格兰Newcastle有规模冷轧机。几年后首次详细记录：威尔士工厂加工700mm长100mm宽棒料，得1500×700mm板材。此为轧制生产板材首个确证，水轮驱动。威尔士一直是欧洲薄板主要产地至1700s末。

当时已理解轧制极高产能满足巨大半成品需求（含金属板）。但轧机仍需大量人工。

产品尺寸随时间持续增大。1851年“英国大展览”展出长>6m、宽1m、厚11mm、重>500kg板材。

轧机进步顺应时代材料生产需求。1600年屋顶铅板需求大，此可能性开发；1700s末工业革命中叶需铁轨和钢半成品，轧机开发满足需求。19世纪初轧机结构基本成现代形态：坚固铸铁机架、两钢辊、丝杠调节辊距。

现代轧制奠基人——亨利·科特

现代轧制实践归功于英格兰汉普郡Fareham附近Funtley铁厂亨利·科特开创性努力。1783年科特获槽辊轧制铁棒专利。槽辊按所需尺寸开槽可轧圆、方、扁或其他截面。虽科特非首创槽辊，但他首次将当时已知各炼铁成形工艺优点结合。现代作者称他“现代轧制之父”。科特早期轧机起持续发展工艺和轧机规模。18世纪开始轧制圆、方、轨、双T梁等复杂截面。

新设计使轧机日产量比锻锤高15倍。科特发明使Funtley小厂年产>10000吨棒材（周产200吨）。此后轧机产量攀升，仅美国1890年轧制量（除平轧产品）约500万吨铁钢（周10万吨），1899年超800万吨（周16.7万吨），每磅均经类似Funtley小厂首用槽辊。

美国轧机发展里程碑

1810年美国Brandywine铁厂钉子厂建立运营轧机。因生产高需求高品质锅炉板成功。1867年George Fritz任宾州Johnson Cambria铁公司总工程师，发明初轧机：钢锭轧制替代锻造断面压缩。

科特用普通两辊轧机。其后修改层出不穷，衍生各类型：熟悉的可逆式、三辊轧机，由文明进步无数变化组合需求演化，追求更大更好更长更强。Fritz1871年建首台标准三辊轧机。此脱离旧制大增产量。三辊配置中间辊直径小得多以减所需功率并允许双向轧制无需反转电机。四辊配置（达·芬奇已假想）两外辊支撑两内辊轧板引入。更多辊轧机（甚至20辊）也开发轧制用。

轧制工艺另一改进：轧辊添加机械装置。早期轧件用钩钳人工送料。许多发明家寻求机械自动化但未实际建成。1884年驱动辊道引入纽约Troy Albany和Rensselaer铁钢公司轨梁轧机精轧辊前。效果极佳，粗轧辊前也装自动装置。

1766年Richard Ford获英格兰串列轧机专利。串列轧机：金属依次通过多机架轧制。Ford串列轧机用于线材热轧。

连轧机演变

轧机进一步演变：连轧机及其庞大辅助设备家族发展。像所有发明，有小起步。法国有尝试足迹。首个记录专利和首次实用连轧机似为美国J.E. Serrell 1842-43年，但限用于铅管铜轧制。另一美国人Henry B. Comer 1859年获连轧机专利但未建成。各方面考量，首台连轧机功劳归英国曼彻斯特George Bedson：投入铁钢轧制服务、成功结合核心要素、获得广泛应用。

顾名思义连续作用于金属。轧辊紧密串列，金属经导卫直接道次间传递无人工干预。无中断、无接料/绕绕、从粗轧咬入到精轧排出连续前行。每对轧辊经精心齿轮传动按各道次减量调速配合相应伸长。此机特有现象须对抗，但为巨大长度、重量、速度打开大门。当时欧洲比利时/绕绕系统轧50磅坯料，美国普通二辊/三辊轧15磅。Bedson机即处理70-80磅坯料，迅速增至常规300磅坯料。Bedson发明连轧机中单坯轧出281磅、530码线盘。

美国首台Bedson设计建造1869年春投运连轧机见图1。16机架串列，轧1 1/8英寸、70-80磅坯料。平面恒定角度连轧仅扁平化质量。获伸长需压缩平面随轴线角度变化，如铁匠铁砧角间旋转金属。Bedson机通过将每对轧辊（万能轧机方式）相对前一道次放置90°实现。完美达成但轧机养护管理极麻烦：需地面上一套齿轮系统、地下坑一套。接触轧辊更换调整严重受阻。1878年次连轧机设计所有轧辊水平面、所有齿轮单平面、关键压缩平面变化由扭转导卫实现：金属道次间传输旋转90°，此装置获此类轧机普遍采用。

图1 Bedson连轧机

无法追溯每分钟发展。新事物不断遇惊喜须克服。调节成连轧机不可分特征。精确匹配对应轧辊速度和道次困难。无此匹配二者必居一：送入道次快于接收能力产生侧向绕绕；或慢于接收能力产生拉伸。两者中后者较优，因绕绕导卫干扰缓解。拉伸累积效应，对轧机操作员安全构成严重危险。但拉伸对热金属要求超许多普通铁材承受能力，因其低抗拉强度和缺乏均匀性。故原装连轧机轧普通铁等级大幅受限。1877年Washburn & Moen公司建次轧机为适配比利时系统三辊轧机。但Bessemer和开放炉钢改进带来更高抗拉强度和均匀性，最终使连轧机良好适配产品问世。

成品重量增加截面减小导致三辊轧机蛇行绕绕双侧连续/同步轧制实践。区别于“往复”轧制。此法每道次金属自由离开轧辊。欧洲推定首用比利时，故“比利时”解作绕绕轧机。此类轧机使欧洲厂商一度轧30-50磅坯料，而“往复”三辊轧机仅15-20磅。此类连轧机平面图图2。粗轧二辊轧机处理4英寸坯料减至1 1/8英寸。此尺寸进绕绕/比利时轧机轧至普通线材。多轧机用此系统轧线材和型材。

图2 比利时线材轧机

联合连轧-比利时轧机（图3）为巩固两类轧机优势努力。1881年Washburn and Moen公司投运此类轧机。连轧段~100磅坯料从1 3/16英寸粗轧至3/8英寸，比利时段从3/8英寸精轧至普通线材。此类首台。主要优势：轧普通铁同比利时/绕绕系统同等好且省工。随坯料尺寸重量增加轧机附属设备增长，但交付端需新方案随之而来。15-20磅坯料/线盘跃升至70-80磅强迫“扩张政策”。轧机本身有未开发产能，限制在加热和收卷两个附属功能，两者快速有趣增长。

图3 联合连轧比利时轧机

美国轧机格局变革

1880s-1890s两大发展改变美国轧机国家格局：

1. 钢需求增长超铁。钢因强度高于铁受青睐
2. 宽板偏好兴起，减少容器铆接接缝。铆钉成锅炉船舶弱点、失效源。企业采用大轧机轧宽板减少铆接缝

1882年Worth Brothers公司Coatesville运营90英寸轧机大增竞争。随后三十年Worth Brothers和Lukens铁钢公司竞逐最宽轧机。1890年Lukens投产120英寸板材轧机，1896年Worth Brothers投产132英寸。1900年Lukens投产134英寸、1903年140英寸。1903年Worth Brothers投产152英寸。1915年Midvale钢军火公司收购Worth Brothers竞争结束。1918年Lukens投运世界最大板材轧机。

Lukens原计划建180英寸三辊轧机，仅够称世界最宽轧机。但无轧辊厂商能造所需尺寸重量轧辊。转而与匹兹堡United Engineering & Foundry（UE&F）合作。Lukens和UE&F工程师合作制造204英寸宽四辊轧机。1918年5月22日首轧，1919年扩至206英寸。保持世界最大板材轧机头衔超四十年。轧辊：工作辊直径34英寸（各3吨）、支撑辊50英寸（各60吨）。轧制≤90000磅钢锭、≤192英寸宽板。周产能≤4000吨。动力：20000马力双串列复式蒸汽机。机架钢制四件分体、高>42英尺，用传送台减少人工。

此期间用岩盐和麻袋抛掷钢锭表面除鳞随轧辊通过。

型钢轧制里程碑

首条轨梁轧机1820年John Birkenshaw在英格兰Northumberland Bedlington铁厂建立，产鱼腹型锻铁轨长15-18英尺。1853年引入三辊轧机轧重型材。

1849年Alphonse Halbou T（Forges de la Providence公司）获单块钢轧制工字梁方法专利。Bethlehem Steel为20世纪中叶美国桥梁摩天大楼工程各截面轧制型钢领先供应商。

热带钢轧机发展

热带钢轧机20世纪上半叶开发。热带钢轧机是钢轧制重大创新，首座1923年肯塔基Ashland建立。提供连续工艺，省去包轧机中板材翻面复轧。终端用断头剪切割或卷成卷。早期热带钢轧机不产适合马口铁带钢，1929年冷轧开始用于进一步减薄。英国首座热带钢轧机1938年Ebbw Vale投产，年产20万吨。1961年早期热带钢轧机升级或被半连续/连续大产能热带钢轧机替代，产能40-300万吨/年。

1950s连铸商业化后，板坯轧机和初轧机逐渐退出轧机舞台。现板坯、方坯、小方坯连铸后轧制成品（图4）。1989年10月薄板铸轧工艺商业化，甚至省去热带钢轧机粗轧列。

图4 轧机产品

轧机持续发展且仍在继续。现代轧机为大产能高速连轧机。可轧制更重更大尺寸材料。可轧制更薄截面。现代轧机不仅轧制还通过在线热处理实现被轧材料冶金功能。现代轧机全自动。高生产率高得材率。运行人力减少。轧制产品尺寸公差更好。但值得提及：现存轧制非单一发明家功劳，乃无数微小持续改进成果导致成金属加工最用轧制工艺。目前工业用金属~90%迟早经历轧制过程。