轴承钢丝生产设备

　　摘　要：针对机械行业对轴承钢丝的要求，介绍轴承钢丝生产用新设备气体保护强对流罩式退火炉，盘卷抛丸清理机、联合拉拔机组及倒立式拉丝机各设备的功能。气体保护强对流罩式退火炉具有加热速度快，温度均匀，氧化和脱碳少的特点；用抛丸法去除氧化铁皮时间短，效率高，是取代酸洗的可靠方法；生产大规格轴承钢丝，联合拉拔机是比较理想的设备；大盘重高速冷镦机用轴承钢丝的生产，用倒立式拉丝机是比较合适的选择。
　　关键词：轴承钢丝；生产；设备；性能；特点
　　近年来轴承钢丝向高表面质量、大盘重、多品种的方向发展，用户对轴承钢丝性能均匀性的要求也越来越严格。为适应轴承钢丝生产企业提高生产效率和品位的要求，机械行业已开发一批新型钢丝生产设备。本文重点介绍几种轴承钢丝生产新设备。
　　1　气体保护强对流罩式退火炉
　　国内轴承钢丝生产企业普遍存在的问题是热处理炉容量小、炉温偏差大，造成成品钢丝性能波动大。奥地利艾伯纳（EBNER）和德国洛伊（LOI）公司开发的气体保护强对流罩式退火炉可作为轴承钢丝生产线改造首选炉型。装载量一般为24～40t，分燃气加热和电加热两种炉型。燃气加热炉选用天然气或煤气作燃料，炉子造价虽高，但运行成本低，在燃气充足条件下比较实用。电加热炉不受气源限制，无废气排放问题，造价略低于燃气炉。 
　　该种炉子的主要特性是采用风机使保护气体始终处于强对流状态，既提高了加热速率和温度均匀性，又消除和减缓氧化和脱碳，球化退火后的轴承钢丝呈银白色。
　　退火炉的结构如图1所示。罩式炉由加热罩、炉台总成、内罩、冷却罩和阀站5个部分组成，以电加热罩式炉为例，简要介绍炉子各部分的结构和功能。
　　（1）加热罩。加热罩用碳素钢板焊接成形，底部配有用陶瓷纤维制成的密封圈，用来与内罩下法兰端面压紧密封。炉衬底部由异型硬质硅酸铝耐火纤维砖砌筑而成。上部用金属紧固件固定硅酸铝纤维板，确保牢固不脱落。中部砌筑高铝质搁丝砖，以便装配加热元件。加热罩上部配有风机和可以控制流量和压力的空气管道，供加热时散压，冷却时通风用。
　　（2）炉台总成。炉台总成由炉台、高温循环风机，耐热钢分流器及耐热钢托料盘，液压卡紧油缸组成。
　　炉台底部用型钢和钢结构件焊接成形，上面固定耐热钢支撑件，用硅酸铝耐火纤维制品隔热保温；高热面用板和分流器均选用310S耐热钢板焊接成形；Z上面是耐热钢铸造或焊接成形的托料盘。
　　高温循环风机是炉台核心部件，要在密封的保护气氛中高速运转，要承受和加热温度相同的高温，转速高达1000r/min，风量达 10万m³/h ，对密封、冷却、耐热强度、动平衡精度要求极为苛刻。由于加热和冷却过程中气体比重变化较大，风机一般选配三速电机或变频电机。
　　炉台外围设有带水冷套的法兰盘，法兰盘的梯形槽内装配热硅橡胶密封环，用来与内罩密封配合。四周还装有8～12个液压卡紧气缸，可以将内罩紧紧的压封在炉台上。
　　（3）内罩。内罩用耐热钢板（310S或253MA）焊接成形，为增加内罩热交换面积，提高强度，罩体压制成波纹形。内罩底部焊有钢质法兰盘冷却水套，可与炉台实现密封配合。
　　导流桶是用耐热钢（304）焊接成形的波纹状圆桶，悬挂在罩体内部，起非常重要的导流作用。炉台风机产生的高压风在导流桶的引导下，沿内罩壁上行，然后折回，从钢丝料架中间穿过，返回风机进风口。钢丝在强热流中实现热处理，炉温的均匀性是一般退火炉无法比拟的。
　　（4）冷却罩。冷却罩用不锈钢板焊接成形，顶部两侧各装一台轴流电机，顶部配有喷水系统。热处理进入冷却阶段时，移开加热罩，扣上冷却罩，可以对炉料实施不同速度的快速冷却。
　　（5）阀站。阀站是将退火炉所用全部气体和液体阀门及压力和流量监测和调控系统装配在一个台架上，以利于操作及维护修理。
　　气体保护强对流罩式退火炉，可以根据资源和材料要求选用不同类型的保护气体，如纯氢、氨分解（气N₂+3H₂）、氮+ 氢（3％～4％）和氮+甲醇裂解气等。在资源条件允许情况下，应尽可能选用氢气作为保护气体，因为氢气分子小，渗透性强，排绕密集的细钢丝在氢气中退火，从里到外光亮如新，无粘结现象。氢气导热率高，传热快，能大幅度缩短热处理周期。图2显示42t罩式退火炉处理轴承钢丝成品时，使用H₂作保护气体的生产效率提高40％。
　　近期生产的退火炉充分运用现代技术，已经实现自动化、程序化控制，一个有48台炉的车间，只需要3～4名操作工。我国气体保护强对流罩式退火炉的生产近年来取得长足进步，上海、苏州等地已有多家电炉厂可以生产装炉量8～15t的气体保护强对流罩式退火炉。北京某公司已经试制出氮气保护电加热罩式退火炉，轴承钢丝的装炉量可达25t左右。
　　2　盘卷抛丸清理机
　　用酸洗法去除氧化皮几乎成为轴承钢丝表面处理的方法，但酸洗法也带来极大的危害，酸洗产生的废酸、冲洗水、有毒气体及重金属离子对环境造成无法根治的污染，并会严重损害操作人员的健康。酸洗不可避免地加大金属材料的消耗，操作不当会造成钢丝表面麻点，氢脆等缺陷，降低成材率。寻找一种有效的去除氧化皮方法，彻底抛弃酸洗法是钢丝生产技术发展的必然趋势。抛丸法则是一种高效的去除钢丝氧化皮的方法。该法去氧化皮时间短、效率高、能彻底去除钢丝氧化皮。线材和金属制品行业普遍认为抛丸法是能取代酸洗的可靠方法。 
　　线材和钢丝用抛丸清理机可分为展开式和整捆式两种。展开式是将线材或钢丝展开，单根或几根同时通过抛丸区，去除氧化皮。一般是一台拉拔机配置一台抛丸清理机，联合拉拔机组大多采用这种配置。钢丝一般需经多道次拉拔，抛丸后钢丝大多不经涂层处理直接拉拔，极易出现表面划伤。如果每台拉丝机组前都配上抛丸清理机，再加上涂层机组，设备投资加大。而且抛丸清理受Z大通过速度限制，整个机组工作效率很低。欧美地区为彻底解决环保问题，近年开发的线材盘卷抛丸清理机，很好地解决了展开式抛丸机工作效率低的问题，是轴承钢丝生产适用设备。
　　盘卷抛丸清理机由抛丸室、抛丸器、弹丸处理系统和除尘器组成。图3是加拿大BCP公司第3代盘卷抛丸清理机外形，表1为几种盘卷抛丸清理机的基本参数。可以说盘卷抛丸机已成为一项技术成熟、工作效率高、安全可靠的环保设备。
　　3　联合拉拔机组
　　轴承行业生产大规格滚动体时，希望选用尺寸精度较高的冷拉直条钢丝，采用传统的拉丝机与矫直机配合生产的直条钢丝，工艺流程长，直条钢丝表面的矫直螺旋纹或压疤也很难消除，此时联合拉拔机组就成为理想设备。
　　联合拉拔机组一般以大盘卷线材为原料，既可以生产直条冷拉棒， 又可以生产成盘钢丝。国内习惯以拉拔力吨位来区别联合拉拔机，不同吨位的联合拉拔机生产能力见表2。
　　联合拉拔机组是多种设备的组合，可根据生产质量档次不同，选择不同档次的组合件，设备价格差距很大。Z基本组件有轧尖机、拉拔机、矫直机和切断机。可供选配的组件有开卷机、车头机、压力推头机、单线抛丸机、涂层干燥装置、精矫机、压光机、盘卷机、探伤装置、倒棱机、自动分选机等。 
　　制造联合拉拔组的著名企业有德国的舒马克（(Schumag）、意大利的达涅利（Danieli），日本的宫崎以及中国的上海新亚冶金设备公司等，以舒马克的IB型联合拉拔机组为例，并以设备布置顺序，介绍联合拉拔机组的部件及其功能。
　　（1）可翻转放线盘：有两个工作位置，一个盘处于工作状态时，另一个盘可翻转装线材。 
　　（2）开卷机械手：装在一个旋转臂上，可将线材头部矫直抻开。
　　（3）横向移动喂料机：将线材送进矫直机。
　　（4）轧尖机：将线材头部轧细或车细，以便于穿模。
　　（5）卧式破鳞矫直机：预矫直，除鳞。 
　　（6）立式预矫直机：提高线材直度。 
　　注：（1）型号为IB、ID、IID开头的产地为舒马克； 
　　　　（2）以CDM开头的产地为达涅利；
　　　　（3）以LLJZ开头的产地为上海新亚。
　　（7）机械除鳞机：一般选用单线抛丸机除鳞。
　　（8）压力推头机：将大规格线材（直径大于12mm）对着模具施加推力，挤出细头，便于拉拔机夹头拉拔。线材较细时刚性不够，只能轧尖或车头。
　　（9）拉拔机：使用双凸轮液压夹紧装置，能精确控制夹制力，磨损少、操作可靠、维修方便、拉拔速度高，并带有模具自动调整和承受推头的装置。
　　（10）立辊矫直机：不同型号矫直机有7，9或11个矫直辊。
　　（11）表面无损探伤仪：带有数字显示器，能连续和自动显示表面质量数据，并能人为界定过程缺陷数值，保证成品符合要求。 
　　（12）卧式矫直机：不同型号矫直机有7，9或11个矫直辊。
　　（13）飞剪：快速切断。
　　（14）盘卷机：实现从盘卷到盘卷拉拔，或为第二次拉拔备料。
　　（15）多管消音导向装置：根据成品规格的导管，将直条钢丝导向矫直压光机。
　　（16）辊矫直压光机：精矫直、压光。
　　（17）双向分选台：承接直条钢丝，并按探伤结果进行分选。
　　（18）齐面倒棱机：对合格钢丝端面进行倒棱和平整处理。
　　（19）成品台架：收集成品。
　　（20）自动称重料框。
　　（21）废品收集台架。
　　联合拉拔机组大都采用硬质合金模具，选用油料润滑剂拉拔，其润滑效果远不如干式拉拔，道次减面率一般不超过25％，拉拔速度仅为干式拉拔的一半，但油拉钢丝不需要涂层，成品经压光处理后表面光亮照人，是干式拉拔无法比拟的。
　　联合拉拔机组大多经一道次拉拔直接出直条成品，如要经多道次拉拔必须配备盘卷机，或先在拉丝机上拉拔，Z后一道次再上联合拉拔机组。
　　4　倒立式拉丝机
　　高速冷镦机希望使用大盘重轴承钢丝，立式或卧式拉丝机一卷钢丝重量一般为200～300kg，无法满足要求。象鼻子收线机只适用直径小于6mm钢丝，工字轮收线也不能适应轴承行业要求，倒立式收线几乎是生产大盘重轴承钢丝的选择。
　　倒立式收线技术关键是如何保证钢丝有序、平稳、无扭曲地落到线架上，线架随拉丝卷筒高速旋转时不得有甩卷或乱线现象。倒立式拉丝机一般采用装配2～3个压线辊，双层卷筒，附加矫直机构和配置导向轮等方法解决了落线问题。老式倒立式拉丝机采用拨杆带动落线架转动，收线卷径无法调整，容易造成甩卷乱线。新式拉丝机落线架自主转动，通过电气控制，可与拉丝卷筒保持一定的转速差，收线卷直径可以通过转速差来调整，落线架的形状再加适当的改进，就解决了高速旋转甩线和乱线问题。
　　值得指出的是：倒立式拉丝机生产的钢丝，其螺旋方向与立式和卧式拉丝机生产出的钢丝正好相反，一般立式拉丝机模盒在左侧，拉丝卷筒逆时针旋转，生产出的钢丝呈正螺旋状（放线时线架逆时针旋转），倒立式拉丝机要生产出正螺旋钢丝必须将模盒装在右侧，拉丝卷筒顺时针旋转。除此之外，倒立式拉丝机的生产工艺和操作与立式和卧式拉丝机完全相同。