高精度軋制與控制冷卻技術(shù)(綜述)

1、高精度軋制與控制冷卻技術(shù)課程文獻(xiàn)綜述學(xué)號(hào)：S20156012姓名：李宗武專(zhuān)業(yè)：材料加工工程單位：北京有色金屬研究總院摘要：文中主要對(duì)現(xiàn)階段軋制工藝加以介紹，在原有生產(chǎn)技術(shù)基礎(chǔ)上結(jié)合相關(guān)理論進(jìn)一步提高軋制精度、效率，提高產(chǎn)品附加值，增強(qiáng)產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，一則為當(dāng)前處在低谷之中的鋼鐵行業(yè)指明方向，二則積極響應(yīng)國(guó)家去產(chǎn)能的號(hào)召，促進(jìn)軋鋼行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。引言：前些年各大鋼鐵企業(yè)無(wú)節(jié)制的增加鋼鐵產(chǎn)量造成了今天嚴(yán)重產(chǎn)能過(guò)剩的局面。在當(dāng)前嚴(yán)峻的形勢(shì)下，各個(gè)企業(yè)面臨的優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、整體轉(zhuǎn)型的壓力是相當(dāng)大的。軋制作為一種傳統(tǒng)的原材料加工方法，它在當(dāng)前國(guó)民生產(chǎn)中仍然扮演者很重要的角色：利用軋制工藝可生產(chǎn)板材、型

2、材以及管材等。隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，我們對(duì)于軋制產(chǎn)品的要求也越來(lái)越高，不僅要求有優(yōu)異的性能，同時(shí)還要提高生產(chǎn)效率，盡量降低能耗，因此我們有必要在傳統(tǒng)軋制工藝的基礎(chǔ)上進(jìn)一步改善工藝。當(dāng)前軋制工藝的發(fā)展還是比較成熟的，對(duì)于傳統(tǒng)工藝中存在的問(wèn)題已經(jīng)有了相應(yīng)的解決方案；通過(guò)對(duì)各種解決方案的匯總、比較，結(jié)合老師在課上所講的內(nèi)容，我有了一些新的想法，權(quán)當(dāng)作自己對(duì)于這門(mén)課程的一個(gè)總結(jié)收獲吧。除鱗技術(shù)的優(yōu)化1板帶材軋制過(guò)程中最重要的問(wèn)題之一就是表面除鱗，熱軋過(guò)程中表層由于接觸空氣往往會(huì)生成一層氧化皮，厚度隨板材溫度以及軋制速度而改變。氧化皮的存在不僅會(huì)影響產(chǎn)品性能的穩(wěn)定性，同時(shí)也會(huì)對(duì)軋輥表面造成一定損害，因此熱

3、軋中板帶材的除鱗問(wèn)題一直困燃著生產(chǎn)廠家。傳統(tǒng)方法是利用高速水流進(jìn)行沖擊來(lái)達(dá)到清潔表面的目的，這種方法思路比較單一，有著一定的局限性。目前許多公司都設(shè)計(jì)除了更合理的除鱗系統(tǒng)，這里要提到的是達(dá)涅利公司，在其薄板連鑄連扎項(xiàng)目中進(jìn)行了實(shí)踐。他們?nèi)コ趸ぴ砜梢钥偨Y(jié)為兩方面：減少板帶材的軋制時(shí)間，及時(shí)給軋輥、板帶材進(jìn)行降溫處理。每個(gè)軋制系統(tǒng)都有一個(gè)軋制速度的限制，在這個(gè)輸出極限內(nèi)進(jìn)行高速軋制，可以有效減緩氧化皮的生長(zhǎng)速度；軋輥在軋制過(guò)程中往往溫度會(huì)上升，溫升結(jié)合機(jī)械疲勞會(huì)造成輥面上裂紋的產(chǎn)生，進(jìn)一步誘發(fā)氧化皮在表面集聚，針對(duì)這種情況可以通過(guò)設(shè)置在線工作軋輥清洗系統(tǒng)來(lái)加以解決，即在兩塊坯料間隙內(nèi)定期對(duì)工

4、作軋輥表面進(jìn)行清洗。除此之外，通過(guò)限制中間坯料厚度、控制精軋機(jī)機(jī)架間冷卻、裝備抗氧化鐵皮粘輥系統(tǒng)也可以達(dá)到同樣效果。西馬克公司則采取了一種新的思路，通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)水流除鱗系統(tǒng)進(jìn)行了小小改動(dòng)，固定噴嘴位置，改變水流的噴射角度可以有效減少氧化皮在鋼坯表面的殘存。事實(shí)上，氧化鐵皮在板帶材表面上分布有一定的規(guī)律可循，研究發(fā)現(xiàn)在氧化皮橫斷面上分布著尺寸大小不一的孔洞，它們的尺寸、數(shù)量影響著除鱗的效果，因此結(jié)合我在材料智能化制備加工課上所學(xué)的內(nèi)容，大膽提出一個(gè)設(shè)想：構(gòu)建鋼坯的在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)于其表層數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)反饋來(lái)控制水流的速度、流量，真正做到以最小的消耗達(dá)到最大的效果。通過(guò)這種系統(tǒng)可以避免資源無(wú)謂的

5、浪費(fèi)，做到“有的放矢”。熱軋帶鋼無(wú)頭軋制技術(shù)軋制過(guò)程中，由于帶鋼頭尾兩端張力無(wú)法作用，往往造成帶厚、凸起變形、尾部褶皺等問(wèn)題，產(chǎn)品質(zhì)量無(wú)法保證，同時(shí)也降低了軋制效率2。無(wú)頭軋制技術(shù)是針對(duì)這些問(wèn)題而研發(fā)的一種新工藝，通過(guò)在精軋機(jī)之前設(shè)置連接裝置將中間坯料連接在一起，然后進(jìn)行連續(xù)軋制。這樣就可以保證除第一塊坯料頭部以及最后一塊坯料尾部之外，其他坯料在整個(gè)軋制過(guò)程中一直受到拉伸載荷的作用，因而從精軋機(jī)到最后的卷曲階段都不會(huì)產(chǎn)生任何類(lèi)型的形變?nèi)毕?；另一方面，在這種穩(wěn)定狀態(tài)下，產(chǎn)品的厚度可以更小，寬度可以更大，如千葉3廠經(jīng)過(guò)對(duì)于這種工藝的應(yīng)用，其生產(chǎn)的薄帶鋼厚度由原來(lái)的1.2mm擴(kuò)至0.8mm,同時(shí)也有

6、能力軋制1.2mm×1500mm的寬幅薄材3。無(wú)頭軋制技術(shù)軋制的極薄熱軋帶鋼尺寸精度優(yōu)于傳統(tǒng)熱軋帶鋼，在保證產(chǎn)品性能的前提下組織均勻性和產(chǎn)品穩(wěn)定性有很大程度的提高，同時(shí)還應(yīng)注意到它對(duì)于產(chǎn)品的減量化生產(chǎn)也有著實(shí)用意義。目前對(duì)于無(wú)頭軋制工藝的研究主要集中在中間連接裝置的設(shè)定上，對(duì)此研究較多的是日本、韓國(guó)的一些鋼鐵企業(yè)，我國(guó)北京科技大學(xué)的康永林、朱國(guó)明老師對(duì)無(wú)頭軋制工藝的發(fā)展也有很大貢獻(xiàn)4。各個(gè)企業(yè)所采取的無(wú)頭軋制區(qū)別就在于采取了不同的連接裝置。日本新日鐵大分廠采用的是激光焊接技術(shù)對(duì)坯料頭尾部進(jìn)行連接，這種方式對(duì)于切割的精確度要求是比較高的；韓國(guó)POSCO與三菱（日立）公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)出一種剪

7、切-壓合連接技術(shù)，其生產(chǎn)線示意圖如下: 圖1. POSCO公司無(wú)頭軋制生產(chǎn)線示意圖雖然我國(guó)對(duì)于無(wú)頭軋制技術(shù)研究開(kāi)展的研究工作還比較少，但也取得了一定成果：北科大的康永林老師提出一種新的連接中間坯的方法，整個(gè)流程如圖2，通過(guò)在原有熱卷箱、精軋機(jī)之間設(shè)置切頭剪和壓力機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)中間坯的機(jī)械咬合，并最終形成比較優(yōu)良的連接面結(jié)構(gòu)。圖2. 新工藝主要設(shè)備構(gòu)成示意圖這種連接工藝對(duì)于原有熱連軋系統(tǒng)破壞較小，因而完成熱軋生產(chǎn)線的升級(jí)所需成本較低，在將來(lái)技術(shù)成熟以后不失為各大鋼鐵企業(yè)尋求產(chǎn)品結(jié)構(gòu)升級(jí)的一個(gè)好的選擇。2009年，意大利的Acciaieria Arvedi SpA鋼鐵公司在阿維迪ISP（在線帶鋼生產(chǎn)）專(zhuān)

8、利的基礎(chǔ)上建立了世界上第一條ESP（無(wú)頭連鑄連扎）生產(chǎn)線，如圖3所示5。其中ISP技術(shù)在以下幾個(gè)方面值得借鑒：（1）結(jié)晶系統(tǒng)、液芯壓下處理為板坯的成形提供了穩(wěn)定的中心，并未為晶粒以及溫度均勻分布創(chuàng)造了條件；（2）薄板坯在大壓下量軋機(jī)下采取低速鑄軋，降低中間坯的凸度；（3）采用感應(yīng)加熱器進(jìn)行加熱，以便滿足根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)最佳軋制工藝所要求的溫度分布。ESP生產(chǎn)線的實(shí)現(xiàn)要靠多個(gè)系統(tǒng)的協(xié)作完成，其中涉及到的有澆注工藝控制系統(tǒng)、板坯導(dǎo)向系統(tǒng)、感應(yīng)加熱系統(tǒng)以及鑄軋精整系統(tǒng)，因此一個(gè)完整生產(chǎn)線的實(shí)現(xiàn)要對(duì)上述系統(tǒng)做出合理布置，加強(qiáng)系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)聯(lián)系。無(wú)頭連鑄連軋生產(chǎn)工藝對(duì)于鋼水到熱軋卷之間的拉速要求是很高的，經(jīng)

9、過(guò)一系列數(shù)字模擬和水模擬實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的5-6m/min現(xiàn)行拉速在優(yōu)化連鑄配置后得以大大提高，優(yōu)化內(nèi)容包括浸入式水口形狀以及阿維迪特種結(jié)晶器形狀的改善，從而保證連續(xù)生產(chǎn)所要求的秒流量6。高流量的設(shè)計(jì)相應(yīng)要對(duì)增加連鑄機(jī)的冶金長(zhǎng)度，這就要求設(shè)計(jì)出一種帶液芯彎曲、矯直功能的弧形連鑄機(jī)，使得鋼水靜壓力保持在一個(gè)比較低的水平。不同鋼種所需條件不同，因此每次的準(zhǔn)備工作主要圍繞優(yōu)化拉速、板坯厚度匹配展開(kāi)，實(shí)現(xiàn)一個(gè)合理的秒流量。圖3. 第一條ESP生產(chǎn)線布局示意圖7整個(gè)生產(chǎn)線中的速度控制、傳感器技術(shù)、數(shù)據(jù)整合管理以及工藝模型參數(shù)等模塊需要依靠自動(dòng)化來(lái)進(jìn)行串聯(lián)，自動(dòng)化水平的高低決定了產(chǎn)品的質(zhì)量以及生產(chǎn)效率，因

10、此集約化、智能化才是ESP技術(shù)未來(lái)的發(fā)展方向。TMCP技術(shù)控制軋制控制冷卻技術(shù)簡(jiǎn)稱控軋控冷（Thermo Mechanical Controlled Processing簡(jiǎn)稱TMCP），這是一種有別于傳統(tǒng)軋制的工藝，增加了對(duì)于坯料變形程度、加熱制度以及冷卻方式的控制。TMCP工藝基本冶金學(xué)原理是在再結(jié)晶溫度下進(jìn)行大壓下變形，促進(jìn)微合金元素的應(yīng)變誘導(dǎo)析出，實(shí)現(xiàn)奧氏體的晶粒細(xì)化和加工硬化；通過(guò)軋后快速冷卻控制處在加工硬化狀態(tài)下奧氏體的相變過(guò)程，最終獲得細(xì)小的晶粒組織。TMCP處理工藝具有形變強(qiáng)化、相變強(qiáng)化兩種作用，因此在提高材料強(qiáng)度的同時(shí)又能改善鋼材的韌性、塑性，這種技術(shù)在中厚板、熱軋板卷、線棒材

11、、型材以及鋼管的生產(chǎn)中都有著大量應(yīng)用?？刂栖堉瓢凑兆冃螠囟取⒃俳Y(jié)晶程度可以分為三個(gè)階段8:奧氏體再結(jié)晶區(qū)結(jié)束終軋的階段性軋制；奧氏體未再結(jié)晶區(qū)結(jié)束終軋的第二階段控制軋制；奧氏體和鐵素體兩相區(qū)結(jié)束終軋的第三階段軋制。每個(gè)階段對(duì)應(yīng)不同的壓下量，可以達(dá)到增強(qiáng)材料強(qiáng)度的目的?？刂评鋮s的冷卻方式經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的發(fā)展也由最初的噴淋冷卻過(guò)渡到80年代的層流冷卻方式，再到今天的強(qiáng)化冷卻方式9。最近有學(xué)者提出了以超快速冷卻為核心的新一代TMCP技術(shù)：其基本理念是在高溫軋制提供加工硬化奧氏體基礎(chǔ)上，利用超快速冷卻技術(shù)對(duì)硬化奧氏體進(jìn)行處理，在動(dòng)態(tài)相變點(diǎn)之前終止，隨后控制相應(yīng)冷卻方式即可。圖4展示的是這種技術(shù)與傳統(tǒng)TMC

12、P技術(shù)的區(qū)別。圖4. 新型TMCP工藝與傳統(tǒng)TMCP工藝的比較軋后超快速冷卻技術(shù)在保證材料優(yōu)異性能的基礎(chǔ)上可以有效降低鋼材對(duì)于微合金元素依賴，實(shí)現(xiàn)節(jié)約型減量化生產(chǎn):有實(shí)驗(yàn)表明對(duì)于普通的碳鋼，在不需低溫軋制條件下，采用超快速冷卻的TMCP技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)析出強(qiáng)化、相變強(qiáng)化以及晶粒細(xì)化，材料強(qiáng)度相較原來(lái)提高了100-200MPa，合金元素用量降低30%以上10。可見(jiàn)，進(jìn)一步加大對(duì)于超快速冷卻條件下TMCP工藝的開(kāi)發(fā)，利用該技術(shù)加強(qiáng)對(duì)于熱軋鋼材顯微組織的控制是實(shí)現(xiàn)熱軋產(chǎn)品提升競(jìng)爭(zhēng)力，由資源消耗型向節(jié)約型轉(zhuǎn)化的一個(gè)有效途徑。參考文獻(xiàn)1 肖朋，崔曉嘉，徐良，郭鴻凌.淺談板帶鋼的高精度軋制技術(shù)J.河北冶金，2

13、012，（2）:No.194-1962康永林. 薄板坯連鑄連扎超薄規(guī)格板帶技術(shù)及其應(yīng)用進(jìn)展J.軋鋼.2015 V(32),No.1:p7-11.3 J. Sigel，A. Jungbauer，G. Arvedi. 阿維迪ESP（無(wú)頭帶鋼生產(chǎn)）-首套薄板坯無(wú)頭連鑄連軋生產(chǎn)結(jié)果.第七屆（2009）中國(guó)鋼鐵年會(huì)論文集.2009 3-568.4 康永林，朱國(guó)明. 熱軋板帶無(wú)頭軋制技術(shù)J.鋼鐵.2012 V(47),No.2.5 張治. 薄板坯連鑄連扎改造為無(wú)頭軋制生產(chǎn)線的分析與展望J.世界鋼鐵.2012 V(2),No.1:p22-24.6 J. Sigel，A. Jungbauer，G. Arvedi.ARVEDI ESP(ENDLESS STRIP PRODUCTION)FIRST THIN SLAB ENDLESS CASTINGJ.3-650. 7