一、研究的背景与问题

我国经济的高速发展带动了各行各业的蓬勃兴起，尤其是基础设施建设、房地产开发以及各类工厂建设等领域的发展，对小规格（Φ10-22mm）的螺纹钢的需求在螺纹钢产品中的占比高达约70%。然而，传统棒材生产工艺的诸多不足。

目前国内直条带肋钢筋棒材的生产工艺主要有3种：普棒切分轧制工艺、单高速棒材轧制工艺、双高速棒材轧制工艺。传统的棒材生产线主要依赖多线切分工艺或高速棒生产工艺来生产小规格螺纹钢。多线切分工艺虽然在提高产量方面有一定效果，但其弊端也显而易见：不同切分线之间的尺寸精度难以统一，控制冷却精度不高，负偏差难控制，导致产品综合质量不稳定，且生产过程中故障率高、能耗较高，难以降低合金含量，不符合当前绿色发展理念。而单高速棒生产工艺虽然具备成品高速轧制、产品精度高、控制冷却可调性强、产品性能稳定等优点，极大地提高了棒材生产线的生产率，提高了产品的质量，减轻了工人的劳动强度，同时减少了能源消耗，实现了集中化操作和节约化生产，但其单线生产的产量有限，最多年产量仅能达到80万吨，难以满足市场日益增长的需求。

此外，随着国家螺纹钢新国标的实施，对棒材生产提出了更为严格的标准和要求。原有的穿水冷却工艺因不符合新国标而被淘汰，钢铁企业亟需寻找新的生产工艺以满足市场需求和标准要求。正是在这样的背景下，双高速棒材生产工艺以其负差控制精准、热机轧制工艺领先、成品表面质量好等显著优势，逐渐受到业界的广泛关注。双高速棒材产能不仅能够超越普通切分棒材的产能，更适应新国标的要求，热机轧制效果显著，生产小规格螺纹钢具有速度高、产量大、负偏差控制好、表面质量好等多重优势。因此，研究和应用双高速棒材轧制技术，成为解决当前棒材生产问题、提升产品质量和生产效率的重要途径。

二、解决问题的思路与技术方案

1、工艺创新思路

普棒切分轧制工艺具有显著优势，它能够在一套轧机上同时轧制多根棒材，极大地提高了单位时间内的产量。但棒材的尺寸精度和表面质量控制难度较大，容易出现尺寸偏差和表面缺陷等问题，影响产品质量。

单高速棒材轧制工艺则侧重于轧制速度的提升，通过采用先进的设备和工艺技术，实现了棒材的高速轧制，不仅提高了生产效率，还能在一定程度上改善棒材的内部组织和性能。但单高速棒材轧制工艺无法像普棒切分轧制工艺那样同时轧制多根棒材，产量存在一定瓶颈。

双高速棒材轧制工艺巧妙地融合了两者的优点。它充分借鉴普棒多线切分轧制工艺，通过优化切分技术和设备，实现了双高速棒材的高效轧制，提高了产量。同时，双高速棒材轧制工艺注重对棒材质量的控制，借鉴单高速棒材轧制工艺中对轧制速度和变形均匀性的控制方法，采用先进的自动化控制系统和高精度的轧制设备，实现了对棒材尺寸精度和表面质量的精确控制。

在实际工艺设计中，双高速棒材轧制工艺通过合理布置轧机和优化轧制流程，实现了多线高速轧制与高质量控制的有机结合。在粗轧和中轧阶段，采用类似普棒多线切分轧制方式，提高生产效率。在精轧阶段，借鉴单高速棒材轧制工艺的高速轧制技术，通过高精度的轧机和先进的轧制工艺，对棒材进行精细轧制，确保棒材的尺寸精度和表面质量。

2、控轧控冷技术的创新

通过在双高速棒材不同工序间合理设置控冷工序，并精确控制相关参数，能够有效改善棒材的组织结构和性能，满足市场对棒材日益严苛的质量要求。

预精轧工序棒材内部的组织结构仍较为粗大且不均匀，通过在预精轧工序与精轧工序之间设置控冷工序，能够快速降低棒材的温度，抑制奥氏体晶粒的进一步长大。精轧后的棒材可能因轧制热效应而出现一定程度的不均匀，此时在精轧工序与减径工序之间进行精确控制冷却速度和温度，不仅能够进一步优化棒材的微观组织，促使棒材内部形成更加均匀、细小的奥氏体组织，还能改善棒材的表面质量，减少表面缺陷的产生，使棒材表面更加光滑、平整。轧后控冷工序的具体参数和控制方式需要根据棒材的材质、规格以及最终性能要求进行精确调整。

1-加热炉；2-粗轧机组6架；3-1#飞剪；4-中轧机组6架；5-2#飞剪；6-预精轧机组6架；7-水箱；8-3#飞剪；9-精轧模块轧机4架（A/B线）；10-水箱；11-倍尺剪；12-夹尾制动器；13-转毂式上钢装置；14-冷床。

图1高速棒材产线布置方案

3、高速棒材上钢系统的优化

高速棒材上钢系统作为双高速棒材轧制技术中的关键环节，其性能的优劣直接影响着整个轧制生产的效率、质量与稳定性。为满足现代钢铁生产对高速、高效、高精度的要求，对该系统中的多项关键技术进行了深度优化。

传统飞剪在剪切速度和精度上存在一定局限，难以适应双高速棒材轧制的高节奏生产。高速分断飞剪采用了先进的电气传动系统和高精度的控制系统，在棒材高速运行过程中实现快速、准确的分断。同时，采用了更先进的刀具材料和设计，提高了刀具的耐磨性和锋利度，确保剪切质量，减少毛刺和切口缺陷。

图2 高速分断飞剪

传统导槽在面对高速运行的棒材时，容易出现棒材跑偏、碰撞等问题，影响上钢的稳定性和精度。多通道导槽内部采用了特殊的耐磨涂层，减少棒材与导槽之间的摩擦，提高导槽的使用寿命。不同通道之间通过合理的过渡连接，确保棒材在传输过程中能够平稳地切换通道，避免碰撞和卡顿现象，使得棒材能够准确无误地进入后续的轧制工序。

图3 多通道导槽

传统的夹尾制动方式存在制动不及时、力度不均匀等问题。优化后的夹尾制动技术，采用了先进的传感器和智能控制系统，能够实时监测棒材的运动状态和尾部位置，快速、准确地夹住棒材尾部，并根据棒材的速度和重量自动调整夹力，确保夹力均匀且适中。同时，制动系统采用了高效的制动装置，能够在短时间内使棒材尾部停止运动，避免甩尾现象的发生，减少了因棒材尾部不稳定导致的设备损坏和生产事故，保障了生产的连续性和安全性。

图4 夹尾制动装置

普通棒材的上钢设备在效率和精度上难以满足双高速棒材轧制的需求。双通道四转毂上钢设备采用双通道设计，能够同时对两根棒材进行上钢操作，大大提高了上钢效率。同时，设备配备了高精度的定位系统，能够准确控制棒材的上钢位置和速度，提升了上钢的精度。

图5 双通道四转毂上钢设备

传统冷床在生产高速棒材时，存在冷却不均匀、棒材排列不整齐等问题。通过采用先进的冷却系统和自动控制系统，优化喷头布局和水流分配，实现对棒材的均匀冷却，避免因冷却不均匀导致棒材产生内应力和变形。自动控制系统则能够实时监测棒材在冷床上的位置和状态，通过控制冷床的运行速度和动作，实现棒材的自动排列和整理，提高了整个生产流程的效率和质量。

图6 双高速棒材冷床

4、柔性轧制实践

传统的棒材为了获得特定性能，往往需要大量使用合金元素，这不仅增加了生产成本，还受到合金原料供应的限制。而通过研究各种元素对棒材性能的影响，减少昂贵合金元素的使用量，同时根据不同规格调整轧制温度区间，柔性轧制得到理想的组织，弥补因合金元素减少可能带来的性能损失，使生产过程能够更加灵活地适应市场需求和各种生产条件的变化。

此外，灵活采用免加热直轧技术与加热炉轧制模式交替排产，在能源供应充足时，适当增加加热炉轧制模式的比例，以保证产品质量的稳定性；在能源紧张时期，充分发挥免加热直轧技术的优势，减少能源消耗，维持生产的连续性。这种灵活的排产方式大大减少了能源消耗，还缩短了生产流程，提高了生产效率。

三、主要创新性成果

在双高速棒材轧制技术的研究与应用过程中，我们取得了一系列创新性成果，这些成果不仅提升了生产效率和产品质量，也为我国钢铁行业的技术进步做出了重要贡献。

1、开发了高效、低成本、高精度的轧制工艺

双高速棒材轧制工艺凭借其独特的技术优势，成功实现了高效、低成本、高精度的生产目标。与传统切分轧制工艺相比，其优势体现在多个关键指标上。

在吨钢成本方面，传统工艺在加热炉环节能源消耗较大，且设备维护成本较高，使得吨钢成本约为120元。而双高速棒材轧制工艺通过采用先进的节能技术、优化的轧制流程以及高效的设备配置，将吨钢成本降低至约95元，比传统切分轧制工艺降低了25元。

传统切分轧制工艺由于轧制精度有限、尺寸控制不稳定，成材率一般维持在97%左右。而双高速棒材轧制工艺通过先进的自动化控制系统和高精度的轧制设备，实现了对轧制过程的精确控制，减少了棒材的尺寸偏差，使得成材率提高到了98.5%以上。

传统切分轧制工艺在负偏差控制方面存在较大难度，负差利用率一般只有70%左右。而双高速棒材轧制工艺通过先进的测量和控制系统，能够实时监测和调整棒材的轧制尺寸，实现了高精度的负偏差控制，负差利用率提高到90%左右。

2、核心设备的创新开发

为实现双高速棒材轧制技术的高效、高质量生产目标，一系列核心设备被创新开发出来，这些设备的协同运作成为推动轧制技术进步的关键力量。

高速模块轧机将轧机整体分解为多个功能模块，每个模块都具有独立的功能和标准化接口，方便快速维修更换。高速模块轧机采用先进的传动系统和高精度的轧制力控制系统，根据棒材的材质、规格以及轧制工艺要求，实时监测和调整轧制力，保证棒材在轧制过程中的变形均匀，从而有效提高棒材的尺寸精度和表面质量。

柔性水冷系统通过先进的传感器和智能控制系统，能够实时监测棒材的温度、速度以及轧制工艺参数等信息，并根据这些信息自动调整冷却介质的流量、温度和喷射方式。

棒材高速上钢系统集成了高速分断飞剪技术、多通道导槽技术、夹尾制动技术、双通道四转毂上钢设备技术和高速冷床技术等多项先进技术，实现了在棒材高速运行状态下的快速、精准剪切，减少棒材传输过程中的跑偏和碰撞，避免甩尾等现象对设备和生产造成影响，大幅提高了上钢效率和精度。

3、技术指标的提升

在轧制速度方面，双高速棒材的最高轧制速度可达到45m/s，较传统棒材轧制速度提高了1倍以上，单位小时产量提高了30%以上。

产品规格范围方面，传统轧制受限于技术设备，一般最小只能轧12mm规格的直螺，难以满足多样化的市场需求。双高速棒材轧制技术，可轧制的棒材直径最小可达10mm左右，最大能达到 50mm，大大拓宽了产品的应用领域。

在尺寸精度控制上，传统轧制技术生产的棒材直径公差通常在 ±0.5mm 及以上，而双高速棒材轧制技术凭借先进的自动化控制系统、高精度的轧制设备以及创新的轧制工艺，能够将棒材的直径公差精确控制在±0.1mm以内。

在长度精度方面，通过高速分断飞剪技术等的应用，棒材的定尺精度得到了极大提高，长度偏差能够控制在极小范围内，有效减少了因尺寸偏差导致的废料产生，提高了成材率和生产效率。

表面质量精度上，传统轧制技术容易使棒材表面出现划痕、裂纹等缺陷，而双高速棒材轧制技术通过优化轧制工艺、改进冷却系统以及对设备的精细化调整，大大减少了棒材表面缺陷的产生，使棒材表面更加光滑、平整，提高了产品的外观质量和整体品质。

四、应用情况与效果

应用该技术后，生产指标得到了显著改善。在产量方面，通过高速棒材上钢系统的优化以及轧制速度的提升，日产量提升了30%以上。质量方面，成材率从之前的97%左右提高到了98.5%以上，尺寸精度控制在±0.1mm以内，表面质量也得到了大幅提升，产品的市场认可度明显提高。成本方面，主要得益于能源消耗的减少以及生产效率的提高，吨钢成本降低了约25元。此外，双高速棒材生产线的自动化水平高，减少了人工操作，降低了劳动强度，提高了生产安全性。

信息来源：广西柳州钢铁集团有限公司