本发明一般来说涉及到长形钢铁制品的轧制，特别涉及对于 棒材和钢条的连续热轧的改进了的方法。

在传统的线材轧机中，如图1所示，沿着轧制线设置有许多 轧机架S1-S27，用以接收来自高炉10或类似设备中的连续的 轧制钢坯。这些轧机架被设置成一系列的轧制组，其通常包括粗 轧组12，中间轧组14和精轧组16。粗轧组和中间轧组的轧钢机 架通常是单独驱动的，并且间隔设置有水平工作辊和垂直工作 辊，或者在某些情况下用可以调节的支架来达到只有水平工作辊 的结构或者只有垂直工作辊的结构。

精轧组16的轧机架通常彼此机械地连接到一个共同的驱动机 构上，这种安排被称之为一个“机组”(图1中用序号18表示)。 美国专利Nos.Re 28，107和4,537,055提供的机组的实例已被公 开并已广泛地应用于整个金属工业。轧机的轧制程序通常取决于 圆钢椭圆-圆形孔型次序，用设置在轧机架之间的导向装置将产 品沿着轧制线从一个机辊孔型导引到下一个轧辊孔型中。

上述类型的现代轧机必须能够满足不同的用户需要和越来越高 的要求，但对于能提供宽范围的各种产品尺寸并不重要。例如，线 材轧机理论上应当可以轧制出直径为3.5至25.5毫米的圆杆。

当将一种产品尺寸改变为另一种产品尺寸时，这种轧机必须停 机，以使操作人员有机会对轧制设备进行必要的调整。这样的调整 包括：更换工作辊和导向装置；使所选择的机架不能操作一将这些 机架从轧制线上拆除或拆下他们的工作辊(实际中通常称之为″空轧″)， 等。

这种停机的持续时间和频率对于整个轧机的使用会产生不良的 影响。例如，在图1中所示的传统轧机中，甚至于将原先轧制最小 直径尺寸为5.5mm的圆杆类产品改变为轧制另一种最小直径为6.0mm 的圆杆产品这样的相当普通的尺寸变化，也必须将中间轧组14的机 架S12到S19中的形成轧辊孔型的工作辊及机组18的S20到S27的机架 中的所有工作辊改变。此外，在机架S12至S29中的导向装置即使不 是所有的，也是大部分地需要改变。这些需要花费一个小时的时间 来完成，这对于生产时间及轧机所有者的利益来说都是巨大的损失。

由此，轧机的操作者不愿意频繁地改变产品的尺寸，而宁愿用 延长的时间来轧制同类的尺寸相同或相当接近的产品。这不仅增加 了产品的储存需要和设备的费用，也不能提供满足用户要求的灵活 性。需要储备大量的工作辊和导向装置更进一步加重了设备的费用。

还有对产品″尺寸″增加的需求，也即，最后轧成接近冷拨公差 数量级的特别紧的公差。这一公差通过精整轧制来得到，使产品可 以作为″轧制的″产品被使用，即，不需要进行额外的昂贵的机械加 工，如″去皮″或″拉削″加工。这样高精度公差的产品对于制造如轴 承罩，自动阀弹簧等产品是需要的。还有，取决于要加工的钢材 的类型和产品的最终应用，用户还可能进一步要求在A3的温度或接 近A3的温度(一种被分类为″热机械轧制(thermomechanical rollin g)″的工艺)下进行精轧。在再结晶温度以下轧制的形变钢材保持有 一种被压扁的或″扁平状的″细晶粒结构，该结构在缩短后续步骤所 要求的热处理时间，如缩短球化退火时间的同时，增加了拉伸强度。

在传统的精整轧制中，从精轧组18的最后一个机架轧制出的产 品将在所述的″精整″机架中进行进一步的精轧。该精整机架通过在 圆型一圆型孔型次序中施加相对小的压下量来达到所需的紧公差。 在精整工艺中，涉及到较大的直径的杆状产品的最新发展已由美国 专利No4,907,438号于1990年3月13日所公开，发明人为Sasaki 等。在这里，精整机架以机组的形式组合在小型轧机精轧区段的输 出端的下游位置上。精整机架具有固定的中间机架驱动速比和一适 于得到大约8.7-13.5％的相当小的压下量的圆型一圆型孔型顺序。 通过改变精整轧机的轧机架中的槽的结构和/或辊缝锁口，及在中 间轧制区段和/或精轧轧制区段中空轧通过所选出的上游轧机架， 在理论上可以生产出增大范围的成品尺寸，由此提高工作效率和轧 机利用率。

然而，试验表明，这样的改进会由某些产品中的双晶微观组织 (a duplex microstructure)的发展而受到阻碍，在某些情况下这 种改进完全不能实现，而在双晶微观组织处，在产品整个横截面上 的晶粒大小变化高于大约2ASTM晶粒度(这种晶粒度是按照ASTME 112-84所测量的)。这种通常称之为″晶粒异常长大″的现象在中碳 钢和渗碳钢中特别明显。

一般认为，当产品进行后续的冷拔操作时，在产品横截面中晶 粒大小高于约2ASTM晶粒度的变化，可以引起产品破裂和表面撕 裂。这样的晶粒大小变化也会对退火性能产生不良影响，同样也不 利于冷变形加工。

现在可以确定，在一般的正常轧制中产生的最后的明显截面缩 小与在精整轧制中产生的轻微的截面缩小之间的时间间隔会导致这 种晶粒异常长大。

更特别的是，在粗轧组、中间轧组和精轧组中的轧机架中，产 品经受了一系列相当高水平的、断面缩小量约为15-30％的缩小。 每一次这样的截面缩小，都产生一个足以使细晶粒基本上均匀分布 的增加的能级。根据时间、温度和化学成分的不同，在每一次顺序 的断面减小之后，由变形所产生的内部能量就会立刻由于复原、再 结晶和晶粒长大而开始消耗。而在每一次相继的明显断面缩小时， 这种能够再次细化微观组织的增加了的内能状态又被重新建立起来。 因此，当产品由轧机进行加工时，快速地进行相当高水平的一系列 断面缩小，就能保持一种充分地均匀细粒化的微观组织。

然而，在最后的断面明显缩小之后，晶粒长大又会重新开始。 晶粒继续长大的程度直接取决于所轧制的钢的时间、温度和化学成 分。在随后的精整机架中所得到的相当小的断面缩小是不足以影响 产品的整个微观组织的，因为仅仅是产品表面的晶粒产生变形。

因此，除非在最后的明显断面缩小之后相当快地进行精整轧制， 否则，未减弱的晶粒长大与仅仅局部表面晶粒变形相联系，在精整 轧制中将会产生令人不能接受的双晶微观组织，使产品的整个横截面 上的晶粒大小发生相当大的变化。

这种现象进一步由图2A和2B示出。图2A的金相图(×150) 显示了1040号钢棒在12.5mm的截面处所选择的局部区域在精整 轧制前的均匀晶粒组织。图2B是同一棒件以同一放大倍数在经过 了两个圆型精整轧制孔型而缩小成7.6之后的金相图。所导致的双 晶微观组织是明显的。

一些人曾企图在精整轧机架的圆型孔型中用断面的较大缩小 来消除双晶微观组织。但这种实践所得出的更均匀的微观组织， 都是以较差的公差和明显地降低轧机在不改变轧辊槽、而轧制一 定尺寸范围产品的能力为代价的(实际中通常称之为“自由尺寸 轧制”)。

在传统的精整轧制机架中固定的传动速比也大大地限制了精 整轧制与其它操作的结合，如极大地限制了热机械轧制的可能 性。

本发明的主要目的是提供一种长形钢铁制品的连续热轧方 法，尤其是一种精整轧制尺寸范围大的产品的方法，同时避免导 致成品中双晶组织的晶粒异常长大。

本发明相应的目的是提供精轧与其它操作例如低温热机械轧 制，结合的能力，使产品尺寸范围再次扩大而在成品中不产生晶 粒异常长大。

本发明相关的一个目的是，当从轧制一种产品尺寸变到另一 种时，减小所要求的轧制程序和轧机操作的变化，从而增加轧机 的使用。

本发明通过利用位于轧机精轧机架下游的“后精轧”机组的轧 机架来达到这些和其它目的和优点。最好在轧机最后的精轧机架与后 精轧机组之间设置水箱或其它类似的冷却装置。后精轧机组至少包 括两个压缩机架，其后面设置有两个精整机架。最好，压缩机架具 有一椭圆一圆型孔型次序，精整机架具有园一园型孔型次序。由于 后精轧机组的轧机架彼此机械地相互连接到一个共同的驱动机构上， 因此在传动系统中的离合器或其它等效的装置可以在至少压缩机架 的中间传动速比之间，最好也在一些或所有的其它精整机架之间进 行变化。在精轧机架之前对所有的机架提供有一固定的轧制程序。 因此，精轧组提供了具有恒定横截面和形状的第一加工截面件。取 决于所需的最终产品的尺寸，该第一加工截面件通过精轧机组轧制 时，即可以是不经过精轧机架，也可以是经过一些或所有的精轧机 架。然后，该产品继续经过冷却水箱而到达作为第二加工截面件的 后精轧机组。后精轧机组中轧机架的中间传动速比被调整与第二加 工截面件的轧制相适应。在后精轧机组的最初的压缩机架上作用的 总减小量为大于14％，由此在产品中产生了足以使细晶粒均匀分布 的增加的能级。具有代表性的是，这样的初始缩小量的总和为大约 20-50％。在后精轧机组的最后的园一园型孔型次序中得到的相当 小的约为2-15％的缩小可以在最终产品中获得所需的精整紧公差。 作用在椭园一园型孔型次序上的较大缩小和在园一园型孔型次序中 精整轧制时所作用的较小缩小之间的时间间隔，使得整个产品横截 面的晶粒大小的变化不会大于2ASTM，在大多数情况下小于1ASTM 晶粒度。

图1示出了在传统的高速线材轧机中，通过一系列轧机架进行 轧制的产品的横截面变化示意图。

图2A和2B分别为精整轧制前和精整轧制后，晶粒异常长大的产 品晶粒组织金相图。

图3是图1中从参考线3-3开始的示意图，其显示了按照本发明 所轧制的产品的横截面的变化。

图4为当产品通过安装有按照本发明后精轧机组的图示轧机的 精轧端时的平均温度变化示意图。

图5是按照本发明的后精轧机组及其相关的驱动装置的平面图。

图6是后精轧机组的机架S28和S29的内部驱动装置的布置示意 图。

图7是后精轧机组的机架S28至S31的外部驱动装置的布置示意 图。

图8a和8b分别是在精整轧制前和精整轧制后在圆型/圆型轧辊 孔型中作用足以避免晶粒异常长大的足够大的压下量的产品晶粒组 织金相图。

参看图3和图4，本发明一般需要在传统的线材轧机设备中，将 后精轧机组20定位在机组18的下游处。后精轧机组至少包括两个压 下量小的机架S28，S29，该两个机架最好提供有一个椭圆一圆型孔 型顺序，紧接着设置有圆型一圆型孔型顺序的压下量小的另外的精 整机架S30，S31。

特别参见图4，可以看出，在机组18和20之间最好设置有一个 或多个水箱或其它类似的冷却装置19，在机组20和下游的吐丝机23 (laying head)之间另外设置有一个或多个水箱21。端架使棒材形 成一连串的环形件，其由冷却输送机25来接收，并在那里进行辅助的 可控冷却。图4中的曲线表明了所加工产品的平均温度的变化，这里 所用的″平均温度″这一概念指的是产品的表面与芯部之间的平均横 截面温度。

再看图5，可以看出，轧机架S28和S29可以包含在压缩轧机区 18a中，该压缩轧机区18a安装在轨道22上，可以借助于线性驱动器24 将其移入和移出轧制线。同样地，轧机架S30，S31可以包含在安装 于轨道22上的精整轧机区18b上，并可利用另一个线性驱动器24b来 移位。依次接续的轧机架S28-S31分别地设有一对带槽的工作辊28， 29，30，31。

从图6可以清楚地看出，轧机架S28的工作辊28是以悬臂的形式 安装在轧辊轴32的端部上的。轧辊轴32以其轴颈可转动地安装在轴 承34之间。在轧辊轴32上的齿轮36与中间驱动齿轮38相啮合，该中 间驱动齿轮也由可以旋转支承在轴承42之间的中间驱动轴40所带动， 其中一个中间驱动轴上附带有一个斜齿轮44，其与输入轴48上的斜 齿轮46相啮合。斜齿轮44，46与工作辊轴的偏斜相适应。尽管没有 说明，但也可以理解这些装置是用于调整工作辊之间的辊缝的。

轧机架S29的工作辊29以类似的方式由标有″′″号的构件所驱 动。虽然图中没有显示，但也可以理解，精整轧机架S30和S31同样 地由类似的内部构件所构成，通过输入轴52，52′来驱动他们的工 作辊对30，31。

轧机架S28-S31彼此机械地连接，通过一系列的齿轮箱56-62 连接到一个共同的驱动电机54上。最好参见图7，齿轮箱60具有三 个平行的转轴64，66，68。转轴64支承着两个自由转动的齿轮G1， G2，它们由一大直径的中间轴段70所隔开。齿轮G1，G2的相对面在 72处凹进去，其提供有能与离合器C1的外齿有选择地进行啮合的内 齿。离合器C1用键、销或类似件(未示出)固定到可旋转的大直径轴 段70上，并可以借助于叉形件74或类似构件在两个可连接的位置之 间轴向移动，使其外齿与齿轮G1，G2中其中一个齿轮的内齿相啮合。

齿轮G1，G2具有与齿轮G3，G4相啮合的外齿，齿轮G3，G4用键 或其它方式固定在转轴66上，齿轮G3，G4也与在轴68上自由转动的 齿轮G5，G6相啮合。齿轮G5，G6也用一个加大直径的轴段相互隔开。 轴向可移动的离合器C2将轴68可旋转地与一个或另一个齿轮G5，G6 相连接。

轴64，68通过连轴器76而连接到轧机架S28，S29的输入轴48， 48′上，同样地，轴66也通过连轴器76连接到齿轮箱58的轴78上。

齿轮箱58包含的构件与齿轮箱60所包含的构件相同。因此，齿 轮箱58也具有平行的轴78，80和82。轴78和82分别带有轴向相互隔 开的且可自由旋转的齿轮G7，G8和G11，G12，这些齿轮与固定到转 轴80上的齿轮G9，G10啮合。离合器C3可以有选择地在轴78与齿轮 G7，G8的一个齿轮之间建立起一种驱动关系，离合器C4同样也可以 在轴82与齿轮G11，G12之间有选择地建立起一种驱动联接。

轴82通过联轴器76连接到齿轮箱62的轴84上。齿轮G13，G14固 定在转轴84上，并分别与在轴86上自由旋转的齿轮G15，G16相啮合。 齿轮G15，G16借助于可轴向移动的离合器C5有选择地与轴86相接合。 轴84，86通过联轴器76与轧机架S30，S31的输入轴52，52′相连接。

齿轮箱58的轴80通过联轴器76连接到齿轮箱56的轴88上。轴88 带有自由旋转的齿轮G17，G18，借助于轴向可移动的离合器C6可以使 齿轮G17，G18有选择地与轴88相接合。齿轮G17，G18与固定到转轴 90上的齿轮G19，G20相啮合，轴90通过联轴器76与电机54的输出轴 相连。

利用上述啮合和离合的关系，可以得出不同的驱动顺序和相应 的中间机架传动比，以便产品从机架S28到S31的轧辊孔型中获得较 大范围的减径。表1虽然是说明性的，但它并不表示各种可能驱动 顺序的全部情况。

                        表    I

                    离合器/齿轮啮合 驱动顺序     C1     C2     C3     C4     C5     A     G1     G6     G8     G11     G15     B     G2     G6     G8     G12     G15     C     G1     G5     G7     G11     G15     D     G2     G5     G7     G12     G16     E     G1     G6     G8     G11     G16     P     G2     G6     G8     G12     G16     G     G1     G5     G7     G11     G16     H     G2     G5     G7     G12     G15

假定给机组18的精轧机架提供的第一加工截面件直径为18.2mm， 进一步假定精轧机架S20-S27的轧制程序被设计成按表II所示的缩 小顺序来进行。

                      表    II   机架   缩小面积％     形状或直径(mm)   S20     23     椭园型   S21     16     14.6   S22     23     椭园型   S23     16     11.7   S24     23     椭园型   S25     19     9.5   S26     22     椭园型   S27     18     7.5

通过从表I中所选择的驱动顺序，及将产品经过机组18的精轧 机架而提供到具有不同的第二加工截面尺寸的后精轧机组20中，和 /或不经过机组18的精轧机架而供到后精轧机组20中，可以得到例 如表III中所列出的断面减小量及不同类型的成品尺寸。

                  表    III

               断面缩小百分比  给进  机架  给进截  面的直  径(mm)   S28  S29   S30   S31  驱动  顺序 成品截面 的直径(mm)   S27   7.5   24.3   21.4   17.0   12.3  22.6  18.9  13.8  9.1   5.9   6.0   7.1   4.0   2.6   2.8   3.5   1.8     A     B     C     D     5.5     5.74     6.0     6.5   S25   9.5   24.2   21.1   12.3   22.6   18.9   9.1   5.7   2.1   7.6   1.9   0.5   3.8     A     F     H     7.0     7.5     8.0   S23   11.7   24.2   21.1   17.2   12.3   22.6   18.9   13.8   9.1   7.2   5.7   5.8   5.9   3.1   1.9   2.0   2.6     A     B     C     H     8.5     9.0     9.5     10.0   S21   14.6   24.2   24.2   21.1   17.2   22.6   22.6   18.9   13.8   8.2   2.5   2.3   3.9   4.0   0.8   0.75   1.5     A     E     F     G     10.5     11.0     11.5     12.0   12.3   9.1   5.8   2.4     H     12.5   S19   18.2   25.3   24.2   21.1   17.9   17.2   12.3   22.6   22.6   18.9   14.1   13.8   9.1   8.1   4.5   5.7   7.1   3.8   2.1   3.8   1.8   1.9   3.1   1.0   2.1     A     A     B     C     G     H     13.0     13.5     14.0     14.5     15.0     15.5

从表III中可以看出，在精整机架S30，S31的园型一园型孔型 次序中综合的总的断面减小量通常是小的，在大多数情况下低于14％， 可以认为这是建立可以接受的均匀晶粒组织的最低值。

                        表    IV 

           由表III中得到的断面缩小百分比的比较   S28   S29   S30     S31   C+D   B+C+D   A+B+C+D     A     B     C     D    E     F     G   D/F   E/G   A/G   E/F    24.3   22.6   5.9     2.6   8.5   31.0   55.40   .08   0.15   .44   .27    21.4   18.9   6.0     2.8   8.8   27.70   49.10   .10   0.18   .44   .32    17.0   13.8   7.1     3.5   10.6   24.40   41.40   .14   0.26   .41   .43    12.3   9.1   4.0     1.8   5.8   14.90   27.20   .12   0.21   .45   .39    24.2   22.6   5.7     1.9   7.6   30.20   54.40   .06   0.14   .44   .25    21.1   18.9   2.1     0.5   2.6   21.50   42.60   .02   0.06   .50   .12    12.3   9.1   7.6     3.8   11.4   20.50   32.80   .19   0.35   .38   .56    24.2   22.6   7.2     3.1   10.3   32.90   57.10   .09   0.18   .42   .31    21.1   18.9   5.7     1.9   7.6   26.50   47.60   .07   0.16   .44   .29    17.2   13.8   5.8     2.0   7.8   21.60   38.80   .09   0.20   .44   .36    12.3   9.1   5.9     2.6   8.5   17.60   29.90   .15   0.28   .41   .48    24.2   22.6   8.2     4.0   12.2   34.80   59.00   .11   0.21   .41   .35    24.2   22.6   2.5     0.8   3.3   25.90   50.10   .03   0.07   .48   .13    21.1   18.9   2.3     0.75   3.05   21.95   43.05   .03   0.07   .49   .14    17.2   13.8   3.9     1.5   5.4   19.20   36.40   .08   0.15   .47   .28    12.3   9.1   5.8     2.4.   8.2   17.30   29.60   .14   0.28   .42   .47    25.3   22.6   8.1     3.8   11.9   34.50   59.80   .11   0.20   .42   .34    24.2   22.6   4.5     1.8   6.3   28.90   53.10   .06   0.12   .46   .22    21.1   18.9   5.7     1.9   7.6   26.50   47.60   .07   0.16   .44   .29    17.9   14.1   7.1     3.1   10.2   24.30   42.20   .13   0.24   .42   .42    17.2   13.8   3.8     1.0   4.8   18.60   35.80   .05   0.13   .48   .26    12.3   9.1   7.1     2.1   9.2   18.30   30.60   .11   0.30   .40   .50

然而，在这之前是在椭圆-圆型孔型次序中进行了大约20-50％ 的大的断面减小，这并不考虑为达到逐渐增大的最终产品尺寸而空 轧通过的精轧机组18的轧机架的数量。

根据表IV中的断面缩小的比较，可以看出，在机架S30，S31(E 列)的圆-圆型孔型中得到了相当小的，总和为3-12％的断面减小 量。如此小的断面减小量最适合精确地精整轧制，也加宽了不改变 轧辊和/或槽形结构而精整轧制的产品的范围。

在机架S30，S31中所得到的小的断面减小其本身并不足以建立 起能避免导致双晶微观组织发展的晶粒异常长大的内部能级。而且， 能级并不仅仅由预轧机架S28，S29(A列和B列)的椭园—园型孔型中 所产生的足够大的断面减小量而建立。

为了保证达到本发明的目的，将大约14％的最小总压下量作为 轧机架S29，S30，S31的逐渐减小的压下量，在机架S31中的压下量 小于总压下量(表IV中D/F列)的约20％。

很典型的是，最后三个轧机架的总压下量(产品的断面减小量) 范围为大约14％-35％(F列)，在轧机架S30，S31中所产生的压下量 小于该后三个机架总压下量的50％(E/F列)。在第一机架S28的椭圆型 孔型中所得到的断面减小量明显地加入到机组的总能力中，将四个 机架系列的总断面减小量提高到了大约30-60％(G列)。在这里，在 椭圆孔型中的断面减小量占总断面减小量(A/G列)的至少约40％，最 后两个机架的断面减小量小于总断面减小量(E/G列)的约35％。

因此，可以看出，在轧机架S28和S29的椭圆——圆型孔型次序 中及在轧机架S30和S31的圆—圆型孔型顺序中产生的综合的断面缩 小会在产品中产些足以增加基本上使细晶粒均匀分布的能级。这 种作用进一步由在棒材进入到后精轧机组20之前，用水箱19予以 降温来加强。在轧机架S28，S29中较大的断面缩小与在轧机架S30 ，S31中精整轧制的较小量的断面缩小之间的时间间隔是很短的。 例如，在表III所示的产品尺寸范围和断面缩小顺序中，在轧机架S29 和S30之间轧制的时间间隔大约为5～25毫秒，而通过最后三个机架 S29～S31的轧制时间不超过约10.4～16.0毫秒。因此，在产生晶粒 异常长大之前进行精整轧制是非常有效的，从而也使最终的产品具 有相当均匀的细晶粒微观组织，即，产品横截面的晶粒大小变化不 大于2ASTM。

图8A和8B显示了连同有精整轧制操作的较大截面减小的优点。 图8A的金相图(X150)显示了钢号为1035，横截面直径为11.0mm的棒 件在所选定的位置精整轧制之前的晶粒组织。图8B是同一产品同 样放大倍数的金相图，其显示了该产品在一个两孔型顺序中以大约 16.6％的较大缩小水平精整轧制之后的晶粒组织。

轧机架S28和S29的椭圆—圆型孔型次序既适合于普通温度的 轧制，也适合于热机械轧制，从而可以精整轧制出该两种类型的产 品。

表III中所列出的最终产品的尺寸范围不是全部的。因此，利用 空轧通过机架再返回到中间机组14，或再次调整轧制程序，以使产 品以较小的断面进入到精轧组16，可以使最终产品的尺寸范围扩大 到从3.5mm的较小尺寸，到25.5mm或更大的较大尺寸。同样，在机架 S28和S29中的椭圆—圆型孔型中产生的断面减小可以扩展到16～ 50％的范围。

虽然所显示的后精轧机组20具有带悬臂的工作轧辊，但也可以 理解，跨式安装的轧辊也能使用。