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线材是五大钢材品种之一，其年产量约1亿吨以上，约占全国钢材的19%。全国共有近500条生产线，其中90%以上属摩根三、五代水平，仅有宝钢等几家引进的生产线属当代水平。因此众多的三、五代水平的高线生产线的升级换代是当前我国线材行业面临的主要挑战和科技进步的主课题。
国外解决这个难题的办法是采用减定径机组技术，这是美国摩根公司1995年研发的，简称“RSM”。目前全球已推广了50余套。我国宝钢的减定径机组即是国内引进摩根RSM的第一套。
但全国众多的高线厂全部引进摩根RSM是不宜的，理由如下：
1）高昂的建设费用和长期的备件供应垄断，服务不及时；
2）设备复杂，技术过剩，不适于我国众多的高速线材生产线。
因此，必须研发适合我国众多线材厂实际情况的先进、实用技术，我们称之为双机架减定径机技术，简称“MFM”。有了MFM成套技术，谁家敢用？
第一家吃螃蟹的企业是这套技术推广应用的关键。
江苏永钢集团勇敢地担当起这个风险，从2013年12月起到2015年12月两年期间，有关单位携手合作，终于在2015年12月8日，国产首创双机架减定径机组(MFM)一次性投产成功，收到了及其显著的效果：
1）轧制速度突破100m/s大关；
2）尺寸精度、性能达到国际先进水平；
3）仅2016年即增效益2888万元，创汇1.3亿元；
实践证明，我们研发的MFM技术不逊于美国摩根的RSM，但更简便，适用于我国众多的高线厂，投资仅为其1/3～1/5，且不受制于人。
本项目的研发满足了众多高线厂更新换代的技术要求，解决了线材行业面临挑战的难题。
二、工艺布置及参数
江苏永钢集团线材一分厂（原线材四厂）双机架减定径机组于2015年12月8日上线调试，其主要用于φ5.5、φ6.5、φ7、φ8规格盘条的生产。
1、工艺布置
图1减定径机组布置图
图2生产现场
1.1旧线：在精轧机后穿水冷却设备中间，增加双机架减定径机组，可实现：
轧制保证速度：105m/s；
提高产量15%以上；
可在800℃以下轧制，实现形变诱导铁素体相变，获得超细晶粒钢，减少能耗，降低轧制成本。投资少，回报率高，投资回收时间短。
1.2新线：8架精轧机（全部8”辊箱）和2架双机架减定径机组（新8”辊箱）可实现：
轧制力矩增大，减少辊箱数量和备机；
轧制保证速度：105m/s；
可降低轧制温度100℃以上，获得超细晶粒钢减少能耗，降低轧制成本。
三、实施效果
MFM减定径机组上线使用后，不仅轧制速度有了明显的提升，盘条组织、氧化铁皮、表面红锈等问题有较为明显的改善，具体情况如下：
1.轧制速度的提高
MFM减定径机组使用后，小规格产品轧制速度有了明显提高，如表1所示。
表1成品轧制速度对比
1.3变速箱两档变速，分别适应大、小两种规格成品轧制要求。
2、双机架减定径组机组主要参数：
来料规格φ7~φ20.5mm：
来料温度：≥750℃
成品规格：φ5.5~φ16mm
轧制钢种：普碳钢、优质碳素钢、低合金钢、焊条钢、弹簧钢、冷镦钢
设计速度：140m/s
出口速度：保证轧制速度105m/s
轧机形式：悬臂辊环式轧机
机架数量：2×230轧机
布置形式：顶交45°
辊环尺寸: φ228.3/φ205×72
辊环材质：碳化钨
最大轧制力：330KN
震动值：≤4mm/s
噪音：≤85dB（1.5米）
电机型号：YBP710-4
电机功率：AC 2500kW
电机转速：1000-1700r/min
电压：690V
三、实施效果
MFM减定径机组上线使用后，不仅轧制速度有了明显的提升，盘条组织、氧化铁皮、表面红锈等问题有较为明显的改善，具体情况如下：
1.轧制速度的提高
MFM减定径机组使用后，小规格产品轧制速度有了明显提高，如表1所示。
表1成品轧制速度对比
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成品速度m/s |
Ø5.5 |
Ø6.5 |
Ø7 |
Ø8 |
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MFM机组使用前 |
85 |
85 |
85 |
64 |
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MFM机组使用后 |
102 |
102 |
100 |
80 |
2.小时产量的提高
2.1φ5.5、φ6.5规格圆钢小时产量提高使生产成本下降
表2使用MFM轧机前后的小时产量
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规格（mm） |
φ5.5 |
φ6.5 |
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不使用MFM轧机的小时产量（t/h） |
56 |
75 |
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使用MFM轧机的小时产量（t/h） |
60 |
83 |
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产量提高比例（%） |
7.1 |
10.7 |
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吨钢成本下降额（元/t） |
2.5 |
11.3 |
由表1可以看出φ5.5mm、φ6.5mm的小时产钢量分别提高7.1%、10.7%、。MFM轧机的使用电耗会有部分增加，但其他成本（如：人工成本、水耗、气耗等）均没有上升，结合产量提高，综合的吨钢成本较MFM项目之前是有所下降的，φ5.5mm、φ6.5mm的吨钢成本分别下降2.5元/吨、11.3元/吨。
2.2螺纹钢φ8 HRB400产量提高使生产成本下降
螺纹钢φ8 HRB400产能提高见表3.
表3螺8产能提高以及成本下降额
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核算项目 |
日产（吨） |
估算年产能（吨） |
轧制成本（元/吨） |
合金成本（元/吨） |
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终轧速度65m/s |
1650 |
594000 |
120.0 |
126.0 |
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终轧速度80m/s |
2100 |
756000 |
112.5 |
123.0 |
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差额 |
+450 |
+162000 |
-7.5 |
-3.0 |
螺纹钢φ8HRB400成品速度达到80m/s时日产可以达到2100t/班，年产能提高约16.2万吨。吨钢轧制成本可下降7.5元/吨，合金成本可下降3.0元/吨，合计吨钢成本下降10.5元/吨。
在产量提高的同时，产品质量也有所提升。螺纹钢φ8 HRB400从试产过程的检验结果来看晶粒度由原来的7-8级提高至9级，更细化的晶粒使钢筋的组织更均匀，力学性能更稳定。
3产品质量的提高
3.1冷镦钢SWRCH22A魏氏组织的问题得到明显改善
魏氏组织与盘条的基体组织机械性能差异较大，在拉拔的过程中导致盘条变形不均匀，从而导致拉拔断裂。MFM轧机使用前后冷镦钢SWRCH22A的魏氏组织情况有了明显的改善，之前由于经常出现大级别魏氏组织导致客户在拉拔的过程中断丝。MFM轧机使用后到目前为止还未接到过类似的质量异议。
分别取MFM轧机使用前后φ5.5，φ6.5规格SWRCH22A的成品各120个样品，利用光学显微镜对试样进行微观组织观察，进行魏氏组织评级，结果如表4及图3所示。
表4 MFM轧机使用前后SWRCH22A的魏氏组织比例
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魏氏组织级别 |
无 |
1级 |
2级 |
3级 |
4级 |
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MFM轧机使用前比例% |
70 |
15 |
5.8 |
5.0 |
4.2 |
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MFM轧机使用后比例% |
72 |
18.7 |
7.0 |
1.5 |
0.8 |
MFM使用前
MFM使用后
图3使用MFM轧机前后魏氏组织比例变化
从表4和图3中可以明显看出使用迷你轧机之后3级、4级等大级别的魏氏组织比例明显变少。
过热的中碳钢和低碳钢奥氏体组织晶粒尺寸较大，在较快的冷却速度下容易产生魏氏组织。魏氏组织的机械性能较钢筋基体差异较大，在后续客户加工的过程中与基体的变形不一致容易形成加工缺陷。MFM轧机使用后轧件可以低温进MFM轧机进行终轧，低温终轧可以使奥氏体晶粒更细化，能有效抑制魏氏组织产生。
魏氏组织形成原因为盘条在高温状态下奥氏体晶粒粗大，加上冷却速度较快，在冷却过程中铁与碳原子来不及充分扩散，迫使铁素体沿奥氏体晶粒的一定晶面析出。没有MFM轧机时精轧机出成品，盘条终轧温度高达1050℃左右，轧后需要强冷至900℃吐丝，再此过程中穿水量大，冷却相当不均匀，钢筋山弯（孔型宽度方向）处冷却速度偏快，所以在盘条的基圆两侧形成魏氏组织。MFM轧机使用后轧件可以低温进减定径机组，终轧温度可以低至930℃左右，轧后仅需要少部分穿水即可达到900℃的吐丝温度，穿水前后温差小，冷却速度低，可以冷却得更均匀，所以魏氏组织有所好转。
3.2氧化铁皮结构
之前客户一直反映盘条氧化铁皮结构不好，表现的特点为薄、易碎、较粘、难以去除，机械剥壳后再经过酸洗都不易除尽，拉拔的过程中氧化铁皮容易割伤基体造成断丝，并且模具损耗大。
终轧温度、吐丝温度、风冷工艺等是影响盘条氧化铁皮厚度的主要因素，MFM轧机上线之后，轧制号钢、冷镦钢的轧件进MFM轧机终轧温度可以控制到860~900℃，吐丝温度910±15℃，可以很好的控制轧后冷却的量，冷却更均匀，使氧化铁皮的结构更致密、更完整。
致密完整的氧化铁皮结构更利于客户的机械剥壳，剥壳后盘条表面不残留氧化铁皮。MFM轧机上线后至今没有客户反馈氧化铁皮难以除尽的问题。
图4和图5为氧化铁皮结构对比图。
（a）MFM轧机使用前 （b）MFM轧机使用后 图4、冷镦钢氧化铁皮结构
（a）MFM轧机使用前 （b）MFM轧机使用后 图5中高碳钢氧化铁皮结构
3.3盘条表面红色浮锈的问题得到很好改善
之前生产冷镦钢和中高碳钢吐丝温度900℃左右时盘条表面红色浮锈严重，影响盘条外观质量。由于浮锈比较疏松，钢筋在库存里放置一段时间后盘条表面从浮锈处向基体内腐蚀。这样的盘条到客户手里经过剥壳酸洗后表面质量很差，影响拉拔。
盘条表面红色浮锈的主要原因还是轧后需要的穿水流量大，水冷的温差大，冷却水中的杂质附在钢筋表面影响钢筋冷却，并且造成钢筋表面异常氧化，形成红色的疏松的Fe2O3附在钢筋表面。
使用MFM轧机后，轧件可以低温进MFM轧机进行终轧，轧后只要稍微穿水即可满足吐丝温度要求。穿水量小钢筋表面形成的浮锈也少，盘条表面质量得到很好的改观。
3.4冷镦钢的硬度明显下降
MFM轧机使用后可以实现低温终轧并且低温吐丝，配合轧后缓冷能很好的降低冷镦钢的硬度。取MFM轧机使用前后和线材五厂进口摩根4架减定径机组生产的10B21成品检测其硬度，发现其硬度较之前有明显的下降。
表5MFM轧机使用前后10B21硬度对比
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线四MFM轧机使用前 |
线四MFM轧机使用后 |
线五摩根六代减定径机 |
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硬度平均值 |
78.6 |
75.0 |
73.3 |
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波动范围 |
73.1-84.4 |
72.3-79.7 |
68.3-77.1 |
硬度单位：HRB
3.5利用控轧控冷手段得到细晶强化的HRB400螺纹钢盘条
MFM轧机上线后试轧了部分螺8HRB400，通过低温控轧配合轧后风冷的手段得到细晶强化的400MPa级钢筋。不仅成品力学性能稳定而且轧制速度较之前有了很大的提高。
图6 螺8HRB400抗拉强度柱状图
图7屈服强度柱状图
从图6、图7中可以明显的看出MFM轧机生产的螺8HRB400的力学性能相当稳定，没有低于国标要求的，并且屈服强度大多数稳定在430-445MPa之间，抗拉强度大多稳定在585-595MPa之间。
四、经济效益
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接经济效益 单位：万元(人民币) |
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项目总投资额： |
1000 |
回收期 (月) |
3 |
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栏目 |
新增产值 |
新增利税 |
创收外汇 |
增收(节支)总额 |
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2016 |
18730.076 |
3800.542 |
13111.05 |
2885.58 |
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2015 |
0 |
0 |
0 |
0 |
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2014 |
0 |
0 |
0 |
0 |
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累计 |
0 |
0 |
0 |
0 |
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各栏目的计算依据 |
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直接经济效益的计算依据：
2、Φ5.5、Φ6.5规格圆钢增产产生相当大的效益，按照普通工业材平均价格3468元/吨，平均吨钢利润100元/吨，根据年增产量计算出来的年新增产值见表7。
3、部分高附加值产品的生产带来更大的利润，这部分产品的利润达到平均300元/吨，将其他的低端产品置换出来，产生的利润差约200元/吨。该部分的新增产值即为利润差价，具体见表8。
综上所述，年新增产值=增产部分的产值16479.936万元+高附加值产品产生的利润差价2250.14万元=18730.076万元。新增利润=增产部分的利润475.24万元+高附加值产品产生的利润差价2250.14万元=2725.38万元。增值税按照17%计算，所得税按照25%计算，其他税费按照1.7%计算，计算产生的新增税收为1075.162万元。故新增利税=2725.38万元+1075.162万元=3800.542万元。按照线材四分厂线材70%为出口材计算，创收外汇=新增产值18730.076*70%=13111.05万元。增收总额=新增利润2725.38万元+成本下降额160.2万元=2885.58万元 |
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五、创新点
1、技术路线和工艺的创新
摩根减定径机组RSM是四机架用一台电压3300V、功率4500KW的交流变频电机驱动，传动通过一套复杂的变速箱，有9个档，多种变速以适应各种品种规格的要求。而我国众多线材厂品种规格不多，用不了这么多变速。我们的双机架减定径机组是两机架MFM，仅2个档，完全满足我国绝大部分线材厂的变速要求，主电机仅为一台2500KW交流电机。采用这样的简便配置即可将我国众多的三、五代水平的生产线提升到当代（六代）水平。图8和图9为摩根RSM与本项目MFM的传动结构对比示意图。
图8RSM的传动结构示意图
图9MFM的传动结构示意图
简言之，RSM设备复杂，技术过剩且又高价垄断，而本项目采取的技术路线是立足国情，先进、实用，便于大面积推广。
其次就工艺而言，本项目的难度超出新建项目。难就难在如何在现有精轧机组和吐丝机之间的有限距离内布置减定径机组既要实现控制轧制，又要实现与精轧机组高速连轧，保持合理的堆拉关系，控制起来难度很大。
2、电控系统的创新
（1）突破常规，在减定径机上开发应用低压变频系统，替代国外垄断的中压变频系统。采用AC690V低压控制方案，电气设备的投资成本约为国外中压方案的1/2或更低，且性能相当，备件国产。
（2）结构简单，维护方便，容易掌握。区别于国外的AC3300V中压控制方案，本方案采用高性能复杂应用多机传动、模块化传动装置的低压AC690V变频器。而中压变频系统更为复杂，一旦出现故障，技术人员难以快速诊断故障原因，解决问题时间长且费用很高。
（3）电气设备的供货周期大大缩短。国内供货周期约二至三个月，而进口设备，订货周期在半年以上。
（4）独自研发的控制软件包，很好地解决了与上游精轧机之间轧制速度的协调匹配，保证了自动轧制过程的速度给定和控制精度要求。
3、机械设备的创新
（1）结构上采用单一增速机构，简化了传动结构，提高设备可靠性，简化操作，便于维护使用。摩根设计的减定径机是由一台交流电机通过1套含有9个离合器的齿轮箱驱动2架230mm减径机和2架150mm定径机组成。达涅利的双模块减定径机总体结构为4道次两个模块，由两个电机分别驱动两个变速箱，采用电气连锁实现速度匹配。摩根及达涅利的减定径机传动结构都相对复杂，特别是9档离合结构利用率较低，同时达涅利的双电机输入依靠电气连锁来进行速度匹配的模式，对自动化控制精度及孔型工艺方案精度等要求较高。本项目采用的是一台电机通过变速箱直连传动箱的传动结构，变速箱仅带有一个离合装置，将产品规格和轧制速度分为高低两档，完全可以满足轧制工艺要求。本项目相对结构简单实用，品种规格及轧制速度匹配简单、合理，且可靠性高。
（2）传动上，为了提高传动的可靠性、稳定性及承载能力，创新的在高速传动上采用了新的齿制。提高传动的稳定性对于减少噪声和振动、延长设备使用寿命，提高设备的性能有极重要的作用。为了满足高速轧制要求，本项目的传动箱采用了整体结构的紧凑式设计，传动结构上采用了一对锥交角为45°的螺旋伞齿轮结构，本项中对高速齿轮多采用格里森齿制的传统设计进行了突破，采用了一种新的高承载能力的齿制形式，保证了传动结构的承载能力、运转稳定性及整机设备的可靠性。
（3）高速辊轴轴串装配结构，采用了自定心式装配形式，极大的减小了因装配及使用不当产生不平衡质量而引起的设备稳定性问题。本项目辊箱采用插入式结构，悬臂辊环，箱体内存有偏心套机构用来调整辊缝。偏心套内装有油膜轴承与轧辊轴，在悬臂的轧辊轴端用锥套固定辊环。轧机在105m/s轧制时，轧辊轴转速达9000r/min，高速轴的动平衡精度对设备运行稳定性有极大的影响，本项目高速辊轴轴串各件均采用了G1级的动平衡工艺，同时在轴串装配结构上均采用了自定心式的装配配合结构，不仅解决了动平衡稳定性问题，同时也简化了拆装操作，提高了使用维护效率。
（4）简化孔型工艺，可直接调用原精轧机组成品孔型。本项目在孔型设计上采用了线材传统的、共用性大的椭圆-圆孔型系统，由于本项目采用的是230mm辊箱，最大轧制力为330kN，具有较大的压下率，轧件断面可灵活地进行适量调整，从而大大简化了粗轧、中轧、预精轧和精轧机组的孔型系统。同时本机组可直接调用精轧机组成品孔型，对其余精轧孔型进行架次微调就可进行生产，工艺成熟、入门简单，投产快。
附图1-6为MFM设备结构图
附图1MFM轧机外形图
附图2传动结构图
附图3增速箱结构图
附图4传动箱结构图
附图5辊箱结构图
附图6高速轴串自定心结构图
