国内外热轧钢材轧制技术的发展

康永林 曹树卫,2

(1.北京科技大学; 2.安阳钢铁集团有限责任公司)

国内外热轧钢材轧制技术的发展

康永林1曹树卫1,2

(1.北京科技大学; 2.安阳钢铁集团有限责任公司)

介绍了国内外近年来热轧钢材轧制技术的最新发展情况,其中包括:热轧带钢、中厚板、型棒线、管材、钢轨及环形轧制技术等方面不断取得的新进展,为国内钢铁行业采用先进轧制工艺及进一步开发高性能、高附加值新钢种提供了有益的参考。

热轧钢材 轧制技术 最新发展

0 前言

21世纪轧钢技术进步将集中于生产工艺流程的连续化、紧凑化,过程控制将实现轧材性能的高品质化、品种规格多样化及控制和管理的计算机化和信息化[1]。轧制技术作为冶金工程技术中的重要组成部分,近年来随着中国和国际钢铁工业技术的进步,为了适应资源、能源和环境可持续发展的要求,以及汽车、家电、建筑等行业对产品质量、性能和精度需求的不断提高,在相关理论和工艺技术方面不断取得新的进展。

1 热轧带钢生产新技术

连铸坯热送热装轧制技术在热轧带钢生产中已经普遍采用,日本、韩国的热轧带钢轧机铸坯热装比达到 60%以上,最多可达 80%,热装温度达 600℃以上。目前我国平均热装率为 40%,先进生产线能够达到 75%以上,平均热装温度为 500℃～600℃,最高可到 900℃。

直接热装和直接轧制是当代热轧带钢轧制技术的发展方向,可以进一步提高节能效果,缩短生产周期,使连铸机和热轧机更紧密地联系在一起。国外新建的热轧带钢轧机一般优先考虑热装炉和直接热装炉工艺的实现,预留直接轧制工艺余地。为了提高能源的利用效率,减少二氧化碳的排放,保护环境,日本的板坯热装炉技术普遍采用蓄热加热技术。我国一些板坯加热炉也开始采用蓄热式加热炉。

无头轧制和半无头轧制技术是近年来发展的新技术。无头轧制主要应用在热轧带钢和棒线材生产中,半无头轧制主要用于薄板坯连铸连轧生产线。无头轧制技术可使板带全长的质量均匀稳定,它由轧机追尾控制技术、头尾焊接技术、高精度成品轧制技术和高速通板卷取技术等组成。

目前,中国的薄板坯连铸连轧生产线在数量、产能及轧机装备水平方面都居世界前列[2]。开发薄规格板材并实现部分以热代冷是薄板坯连铸连轧生产线的主要目标之一。在薄规格轧制 (小于等于2 mm)、半无头轧制、冷轧原料用钢、细晶和微合金化高强钢产品开发、以及针对薄板坯连铸连轧工艺特征的轧制及冷却过程、以及产品的组织性能控制等都取得了长足的进步[3]。

热带粗轧机组普遍采用了调宽与控宽技术,例如西马克 -德马格公司新开发的无镰刀弯轧制CFR技术,通过粗轧机前的强力侧导机构、增强的粗轧能力和液压压下以及自动化控制系统有效防止了中间坯强力轧制后镰刀弯的产生。全液压的立辊调宽控宽技术,包括自动调宽的液压 AWC和短行程 SSC控制技术,显著提高了中间坯和板坯头尾的宽度控制精度,减少了头尾切损。机架本身,也由过去的立式除鳞机,发展为附着式立辊。板坯定宽压力机调宽是极为有效的调宽手段,已经有 S MS,I H I公司开发出来,我国已经有一些轧机采用了定宽压力机,一道次最大的侧压量可以达到 350 mm。

为了解决热轧板的板厚、板形和板凸度控制问题 ,板形控制技术如 HAGC、CVC、PC、WRS等得到了很大的发展。西马克 -德马格公司新建的热连轧机组均采用了液压压下厚度控制 (HAGC)和连续可变凸度 CVC技术,日本三菱、日立热连轧机组除了采用 HAGC厚度控制技术外,还采用 PC轧机 (交叉角 0°～15°)技术。在精轧机组的前部机架,采用CVC或 PC轧机,控制坯料的板凸度,为后部机架的板形和板凸度控制提供需要的断面形状,在精轧机组的后部机架,则主要采用WRS轧机,通过轧辊的轴向往返移动,分散热凸度和磨损,实现自由程序轧制。为了提高活套系统的控制水平,提高系统的响应性和控制精度,近年开始采用液压活套技术。为了抑制热轧带钢精轧机组的轧机振动,日本三菱在PC轧机开发的基础上,提出了高压轧制振动抑制技术,应用于热连轧生产线,取得了良好的效果。

为了减少热带坯在精轧机组前的温降,减少头尾温差,保证带钢的温度均匀性,一些热带轧机在精轧机组前配备热卷箱或补热装置,新型的“双工位无芯卷取”热卷箱用于满足带钢无头轧制的需要,热卷箱和无头轧制技术对于 500万 t以上规模的热带钢轧机较为合适。有的采用中间坯保温和边部感应加热技术,改善了中间坯温度的均匀性,减少了头尾温差,改善了钢坯断面温度分布和金相组织,防止薄带钢、硅钢、不锈钢等特殊品种的边部裂纹,减少轧辊的不均匀磨损。为了控制精轧温度以及实现高升速轧制,热轧带钢精轧机组普遍采用机架间冷却技术。新建的热连轧机组层流冷却线一般分为主冷区和精冷区,可以精确控制带钢的冷却强度和速率、冷却的均匀性和卷取温度。西马克 -德马格公司还开发了边部遮挡技术,以降低带钢冷却后的热应力,有效防止边浪的发生,保证了横向组织和性能的均一性。

目前,新型的热轧卷取机主要是采用德国 S MS和日本 IH I新技术的全液压三助卷辊地下卷取机。采用这种新型的全液压卷取机,钢卷塔形可以控制在 40 mm以内,卷筒均可以在卷取 100万 t后进行更换。卷取温度向低温方向发展,以生产贝氏体钢、双相钢、TR IP钢等高级钢材品种。

我国在热轧带钢轧机的消化引进和集成创新国产化方面有了明显进展,在宽带钢热连轧机板形控制系统开发、提高板形质量和降低轧辊消耗等方面取得了显著效果。如鞍钢等自主集成开发的中薄板坯连铸连轧技术—ASP(铸坯厚度 100 mm～170 mm),经过不断地开发与完善,形成了一整套效率高、节能、规模化、品种全的工业化热轧带钢生产新流程,由产能 240万 t的 1700ASP到产能 500万 t的 2150ASP[3]。此流程的突出特点是流程紧凑,连铸工序与轧钢工序直接相连,可以实现近 90%利用连铸板坯热能一次加热,节约能耗。其关键技术包括:高效化炼钢连铸技术、四流合一技术、高效直轧及注中调宽技术、工作辊可变凸度控制、粗轧前后附立辊控宽技术及高效层流冷却技术等[4]。

通过轧制和连续退火技术,目前已经可以生产440 MPa级的 BH钢,用作汽车面板,具有良好的抗凹陷性。为了生产汽车用的 AHSS钢,对轧制和冷却过程进行控制,开发了强度级别达到 1000MPa的高强热轧 DP钢和 TR IP钢,一些强度达到 1000MPa～1470 MPa级的热轧复相超高强钢也已经开发出来,并应用于汽车结构件。

为了改善 IF钢的深冲性能,减少精轧机组的轧机负荷,开发了 IF钢的铁素体区热轧技术。在生产中应用后,已经取得了降低轧制力以及提高热轧和冷轧深冲钢板性能的良好效果。

近年来,随着轧制工艺和技术的进步,现代热带轧机利用铁素体轧制技术,已能够大规模生产 50%以上 0.9 mm～2.1 mm的热轧带钢产品。铁素体轧制能扩大热带钢轧机的产品品种,增大高附加值产品的比例,提高轧机生产的灵活性。低温铁素体轧制采用润滑轧制工艺,能够最大限度地降低轧制负荷、减少轧制负荷的不稳定以及轧辊的磨损,钢板内部组织理想,带钢表面质量高。铁素体轧制时通过在最后一个精轧机架后、输出辊道前添加了一个具有高速穿钢能力的地下卷取机以及采用 Slug或Pony轧机技术,实现薄规格产品轧制中恒定的秒流量控制和等温轧制。

活套控制是保证稳定可靠的板带轧制过程的重要因素之一,活套控制的目的是使板带在机架间平稳运行,控制板带张力在理想的范围内。德国西马克公司采用差压活套和张力计活套控制技术来检测板带宽度方向的张力分布,自动调节轧机辊缝,改善活套板带张力控制的稳定性,扩展了活套的控制功能。日本东芝公司采用 PI+ ILQ活套综合控制,实现了活套角度与板带张力同时闭环,使板带张力控制的稳定性有了一定程度的改善。对薄规格板带产品,产品厚度偏差小于 25μm,宽度偏差小于10 mm,PI+ ILQ综合控制与单独采用 PI控制相比,活套张力波动和高度波动分别只有后者 30%和20%左右。意大利 Danieli自动化部提出了一种基于摩擦补偿的滑动控制 (sliding mode,S M)模式,用于热轧板带机架间活套控制,通过在希腊 Sovel SA热轧板厂精轧机组进行测试,显示出了比传统的 PI活套控制更具优势和效率。

2 中厚板轧制技术

轧机的强力化是中厚板轧机的重要发展趋势,轧机的单位宽轧制力达到 20 kN/mm,电机功率达到 4 kW/m,为轧机的 T MCP和板形板凸度控制提供了强有力的支撑。中厚板轧机的控制功能和精度水平有了很大发展,除了常规的液压 AGC厚度控制、WRB板形控制技术外,还开发了多点动态厚度控制技术、平面形状控制技术、CVC+板形控制技术等新一代高精度控制技术,板材质量有了很大提高。在后续的精整工序,采用强力式矫直机、矫直机的计算机自动设定、组坯剪切等新技术,提高了产品的精度水平。通过轧制、冷却、矫直、剪切的合理匹配,开发出了低残余应力钢板的生产技术,可以提供极低残余应力的钢板,大大减轻了用户的工作量。

高效率、高均匀性加速冷却技术和相应的自动化控制系统已经在各类中厚板轧机上普遍采用,我国已经依据各工厂的具体情况,开发了 U形管层流、直管层流、水幕等不同的冷却方式,有的工厂在冷却系统的前部采用直接淬火系统。这些系统配以高精度的边部遮蔽装置、辊道速度控制系统和冷却自动控制系统,可以对中厚钢板在长度、宽度和厚度方向上进行高均匀性的控制冷却。

关于粗轧和精轧之间的待温过程,各厂采用不同的方式。有的采用交叉多坯轧制方法,有的在粗轧和精轧之间采用中间冷却,有的在主辊道旁边配置侧辊道,均可得到较好的冷却效果。日本近年开发出了高冷却能力的新一代加速冷却系统,该系统由于采用核沸腾方式,可以将冷却能力提高 2～5倍,通过将淬火系统与在线回火系统组合,实现在线DQ+T,生产过去难以得到的新性能中厚板。中厚板热处理生产技术则仍以常化、调质等为主,国内有的厂已经进行热处理生产,有的在筹划建立热处理生产线。

在中厚板轧制中,T MCP、HTP和 RPC等轧制技术得到了进一步的开发和应用,取得了显著进展,尤其是在高强度高性能中厚板产品的开发和生产方面。目前,国内已经可以生产建筑用 460 MPa级中厚板和耐火建筑用中厚板、X70～X100中厚板管线钢、储油罐用钢、高级别桥梁用钢、超低碳贝氏体钢、高性能容器用钢等。但是,我国中厚板的研发生产与国外相比仍有相当差距,国外大线能量焊接厚板、表面细晶高止裂性能中厚板、LP钢板等高级别高性能钢板已经开发出来并得到了广泛应用。

3 型棒线材轧制技术

型钢轧制技术方面,H型钢轧制技术取得较大进展,国外已经开发出了外形尺寸一定的 H型钢的轧制技术和控制冷却技术。随着建筑结构用钢的大断面化,建筑物的高层化和大型化,外形尺寸一定的H型钢制造技术又有了新的发展和进步。当初开发的外形尺寸一定的 H型钢仅指腹板高度一定,产品有 15个系列 95种尺寸,最大可制造的 H型钢腹板高度为 900 mm。随着用户对翼板宽度一定和尺寸系列的要求越来越多,促进了下一代外形尺寸一定的 H型钢的研发。下一代外形尺寸一定的 H型钢是指腹板高度、翼板宽度都与板厚无关的 H型钢,通过开发出的利用偏心套筒调节孔型深度的可变轧边机,实现了翼板宽度的一定化。新一代外形尺寸一定的 H型钢通过板坯的大型化和新粗成型法的开发,制造了腹板高度达 1000 mm的大型外形尺寸一定的 H型钢,产品范围也扩大到 42个系列 292种尺寸。我国近年来在 H型钢生产方面,实现了全线过程控制的功能优化,研发了小变形矫直、在线防锈蚀技术,形成了包括高效优质 H型钢洁净钢生产技术、高效异形坯连铸技术、万能轧机小张力连轧和控制轧制等完整的 H型钢生产成套关键技术,处于国际领先水平。

在棒线材轧制方面,国际上开发了无头轧制技术,我国也引进了该技术,但是,应用效果不理想。最近韩国和日本合作,开发了焊接型连接技术进行无头轧制,应予关注。在棒线材高尺寸精度化轧制技术方面,除了连续无扭高速轧制技术之外,开发了自由尺寸轧制技术、高精度定径机组,达到了良好的控制精度。切分轧制技术可以大幅度提高中小规格的生产量,在我国普遍采用,目前小规格已经可以做到三切分轧制,个别企业已经在试验四切分轧制。采用高冷却速度的控制冷却系统,进行棒线材的控制冷却,可以较大幅度地全面提高钢材的力学性能,已经在带肋钢筋生产中应用,取得良好效果。棒材和带肋钢筋的大盘卷生产,适应了建筑、机加工等行业节材、高效发展的需要,已经在国内得到应用。此外,在高线生产中,通过对精轧温度和轧后冷却条件的控制进行轧材在线软化的技术倍受重视。棒材全连续无槽轧制技术已在我国试验成功并应用,目前已推广到高速线材粗轧、中轧、预精轧机组,对开发品种、提高产品质量、节能降耗、提高生产效率等方面将产生积极影响。

意大利布雷西亚Alfa Acciai棒材无头轧制作业线生产出第一批经过工字轮卷取的棒材大盘卷,它是世界上第一条无头轧制工字轮卷取作业线,将达涅利最新推出的两种创新技术即 ERW无头焊接轧制技术和工字轮卷取作业线有机融合在一起。ERW无头焊接轧制技术通过方坯在线自动闪光焊接,使轧机实现不间断生产。工字轮卷取线则是通过无扭卷取,可将螺纹钢棒材卷取成超紧凑/超重棒材大盘卷,Alfa Acciai工字轮卷取作业线可以生产8 mm～16 mm直径、经过无扭卷取的超紧凑、超重螺纹钢棒材大盘卷,最大卷重可达 3 t。

达涅利摩根沙玛公司为 Stahl Gerlafingen提供了 PSP型钢定径轧制新技术,这是工字钢和型钢生产领域中的一项最新技术。PSP技术将 UFR超灵活的可逆式预精轧机与一个独立的单机架UF万能精轧定径机架结合起来,改善了产品质量,提高了设备生产能力和效率,降低了生产成本。

高速轧制技术,达涅利高速线材轧制的最新技术,包括双模块技术 (twin module block,T MB)、DWB预精轧机组前紧凑式切头剪、低温轧制工艺(LTR)、达涅利金相组织控制工艺 (DSC)、闭环控制系统、最新一代吐丝机和集卷站等。达涅利高速线材轧制采用双模块轧制系统的创新概念,结合 T MB双模块机组和上游 DWB预精轧机组之间的微张力控制系统,可以 115 m/s的高速度生产最小直径为4.5 mm的产品,同时产品的尺寸公差可以控制在±0.1 mm范围内。

4 管材轧制技术

最近的无缝钢管生产技术的进步主要是由无缝钢管用坯的连铸化引起的。由于圆坯质量的改善和制管技术的进步,采用热挤压方法制造的 13Cr钢和奥氏体不锈钢管已经替换为轧制方式生产,最近开发了圆坯连铸 -制管 -热处理的直接化技术。管坯穿孔轧制引人注目的变化是圆锥形穿孔机和交叉辊穿孔机的发展。芯棒轧管机已向大型化 (最大425 mm)轧机或紧凑化发展。全浮动芯棒轧管机建立了轧制过程中芯棒保持在一定速度的芯棒保持技术,芯棒轧机的紧凑化使得机架数从 7～9机架已降到 4～5机架,穿孔、轧管所需的总能耗可减少20%。

宝钢作为世界上最后一条全浮动芯棒连轧管生产线,通过改善芯棒润滑条件,自主开发张力减径机非传统孔型,开发大规格孔型和高铬钢产品,提高生产线工艺自动控制水平,使生产线继续发挥能力,为用户提供高精度、高钢级的产品。

达涅利森特罗钢管公司近几年来开发出了先进的 FQM型 3辊限定芯棒无缝钢管轧制技术。FQM工艺是以连续轧制为基础,各轧制道次在恒定限速移动的芯棒上进行。采用 FQM型 3辊轧制技术可以生产出管壁更薄、壁厚精度和钢管表面光洁度更高的高质量无缝钢管。到目前为止,采用达涅利森特罗钢管公司 FQM高质量轧制技术的钢管生产商有中国成都钢铁公司 (攀钢集团)、俄罗斯 Nizhnie Sergi公司、沙特阿拉伯 JESCO公司和俄罗斯的T MK Seversky钢管厂,攀钢集团在 2007年 9月 25日采用具有创新意义的 FQM高质量轧制技术成功地生产出了第一批完全符合国家标准和国际标准的高质量无缝钢管。

JFE公司知多厂成功开发了新一代电焊管生产技术 H ISTORY工艺,生产出具有高强度、高加工性和高尺寸精度等优良性能的 H ISTORY钢管,成为世界上首例通过在线中温热处理技术生产出的高性能电焊钢管。该工艺将焊管坯用JFE自行开发的薄壁管成型焊接机制成母管后,再采用新开发的轧辊位相角为 11.25°的四辊型减径轧机在 650℃～950℃中温区进行高压下减径。目前,H ISTORY钢管已应用于汽车部件如底盘减震器,节油效果显著。

5 钢轨轧制技术

S MSMeer作为钢轨轧机的主供应商在过去的几年里为钢轨轧机技术发展做出了重要的贡献,满足了现代高速铁路交通的日益发展的需要。S MS钢轨轧制的前沿技术主要包括:轧机数目最小化的紧凑式布置节省了投资和生产运营成本;不需要独立的精轧机;适于生产钢轨和其它产品的紧凑连轧机上的万能轧制技术;带有液压调节系统的 CCS(compact cartridge stand)轧机机架便于快速实现换辊更换产品规格以及减小偏差;RailCoolTM技术对钢轨可以实现选择冷却保证了钢轨均匀冷却避免发生弯曲和最大程度上减小了钢轨的残余内应力。S MS开发了一种新的紧凑式钢轨轧制技术,这种技术采用纵列式可逆轧机进行钢轨的万能轧制,并在韩国 IN I Steel公司浦项工厂第一次成功应用,目前包括中国的鞍钢、包钢、武钢和美国的 Steel Dynamics公司、印度的 Jindal Steel&Power公司和土耳其的 Kardemir钢铁公司都选用了此技术进行钢轨的生产。

6 环形轧制技术

近些年来人们对柔性成形技术的兴趣一直在增长,然而环形轧制技术近一个世纪以来却并没有获得很大进展。T.F.Stanistreet等探讨了“增量环形轧制 (incremental ring rolling)”的可能性,通过减少心轴与辊子的接触以及心轴的轴向和径向运动获得任意轮廓的环形截面。这种理念也被用来进行环形轧制设计优化,并设计出了一种新的柔性环形轧制机器模型。

J.M.Al lwood等对增量环形轧制工艺的技术可行性和商业潜力进行了分析,通过物理模拟、有限元分析以及在工业环形轧制轧机上进行实验,结果表明经过精心设计刀具的轨迹进行环形轧制技术上是可行的。通过优化轧制工艺,获得了轧制过程有关工艺参数。A.K.Alfozan等在美国俄亥俄大学设计制造了一种实验室径向环形轧制轧机,并对轧制过程中的工艺参数如进给量、扩径、压力和温度等进行测量和控制。

7 结语

1)近年来轧制技术研究取得明显进步,主要体现在高精度轧制、高速轧制、无头轧制、柔性轧制、现代轧制过程模拟分析、控制及应用等。而重点和难点在于将微观组织演变与宏观工艺控制进一步结合、将轧制过程中的形变、相变与析出模型进一步系统化,并形成综合控制理论与技术。

2)不断开发高性能、高附加值新钢种仍然是轧制技术发展的重要目标。围绕国家经济建设发展的重大需求,新产品的开发重点在汽车、大型建筑结构、核电建设、桥梁、海上运输与能源输送等产品和设施的轻量化所需要的高性能、长寿命、超大线能量焊接、耐火耐候性强的高强与超高强钢。

[1] 张树堂.21世纪轧钢技术的发展[J].轧钢,2001,18(1):3-6.

[2] Yin Rui-yu.Progress and Development of Thin Slab Casting-Rolling in China[C]//2009 International Symposium on Thin Slab Casting and Rolling.Nanjing:2009.

[3] 翁宇庆,康永林.中国轧钢近年来的技术进步[J].钢铁,2010,45(9):1-13.

[4] Guan Ju,Ma Xiao-jun,Wang Peng,et al.Development and Technical Innovation of 2150 ASP 5MT[C]//2009 International Symposium on Thin Slab Casting and Rolling.Nanjing:2009.

DEVELOPM ENT ON ROLL ING TECHNOLOGY OF HOT ROLLED STEEL AT HOM E AND ABROAD

Kang Yonglin1Cao Shuwei1,2

(1.University of Science and TechnologyBeijing; 2.Anyang Iron&Steel Group Co.,Ltd)

The paper introduces the latest development situation on rolling technologyof hot rolled steel at home and abroad during recent years,which include hot rolled strip,medium and heavy plate,section and bar steel,tube,rail,as well as continuous development achieved in ring rolling technology. It provided the beneficial reference for the domestic steel industry to adopt the advanced rolling process and further develop the high-performance and high value-added new steel grades.

hot rolled steel rolling technology latest development

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:2010—12—6