#日本軋鋼理論和技術(shù)發(fā)展簡況

1、日本軋鋼理論和技術(shù)發(fā)展簡況保護視力色】 【打印】 【進入論壇】 【評論】 【字號 大 中 小】 2007-01-31 10-49自 1953 年日本鋼鐵產(chǎn)量超過戰(zhàn)前以來，經(jīng)濟高度發(fā)展，產(chǎn)量飛速提高。 20 世 紀 70 年代初期產(chǎn)量超過了 1 億 t ，成為世界屈指可數(shù)的鋼鐵大國，其后產(chǎn)量一直保持在 1 億多噸，并努力使生產(chǎn)技術(shù)處于世界領(lǐng)先水平。日本鋼鐵工業(yè)的發(fā)展以戰(zhàn)后從歐美各國引進技術(shù)為基礎(chǔ)， 通過迅速對其進行改進 和創(chuàng)新，開發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的技術(shù)。在軋制工藝方面， 20 世紀 60年代至 70 年代 開發(fā)了高速軋制技術(shù)， 20世紀 70年代至 80年代開發(fā)了連續(xù)軋制技術(shù)，自 20世紀

2、80 年 代以后，開發(fā)了軋制尺寸精度高、產(chǎn)品質(zhì)量高和不受工藝過程約束的軋制技術(shù)及使用這 種技術(shù)的新型軋機。最近以適應(yīng)環(huán)保要求為目的的軋制工藝引人注目。以下主要就 20 世紀 80 年代以來日本開發(fā)的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的軋制技術(shù)的發(fā)展歷程進行概述。軋制理論和軋輥的發(fā)展軋制分析眾所周知， 日本的軋制技術(shù)以理論為基礎(chǔ)， 始終處于世界先進水平。 為分析板材 軋制中的板材形狀和中間凸度的原理，對軋機的彈性變形條件和被軋材的塑性變形條件 進行了聯(lián)立求解。采用將彎曲和剪切撓曲的材料力學(xué)模型進行擴展或校正的方法對各種 類型軋機進行分析的方法已基本確立。另一方面，關(guān)于材料的塑性變形，采用了三維分 析法，使分析由二

3、維理論向高精度分析發(fā)展。在分析法的發(fā)展方面，有采用數(shù)值計算法 忠實分析變形的所謂三維分析法， 有剛性和塑性 FEM，有彈性和塑性 FEM，尤其是還有為 縮短計算時間而將上述方法進行組合的分析法。在孔型軋制方面， 一般說來純理論處理是極為困難的。 作為一種簡便的方法， 雖 然可以采用所謂的矩形換算法把孔型軋制替換為適當?shù)木匦螖嗝娌牡谋馄杰堉?，但無法獲得高精度。提高精度用的實驗式和半理論式在簡單推測隨孔型和軋制條件變化時的變形特性和負荷特性方面依然是一種有效的方法，但目前一般是采用FEM分析。由于 FEM的出現(xiàn)，使材料的三維分析變得可能。它不僅可以用于板材的分析，而且還可以用于型 材、棒線材和管材

4、的軋制力、軋制載荷、軋制力矩和寬展的求解。三維 FEM分析作為一 種有效的分析工具已得到人們的認可。人們期待著今后能向軋制溫度分析和將軋制加工時的材料組織變化， 尤其是將軋 制缺陷分析系統(tǒng)組合起來的綜合軋制理論方面發(fā)展。變形阻抗變形阻抗值是計算軋制載荷和軋制力矩時的重要物理特性值。 日本鋼鐵協(xié)會軋制 理論研究會已對變形阻抗值的研究數(shù)據(jù)進行了充實和收集， 并采用數(shù)學(xué)模型進行了研究。在熱變形阻抗方面， 采用考慮到多道次高速連續(xù)軋制時的累積應(yīng)變效應(yīng)的變形阻 抗公式進行計算后，顯著地提高了熱變形阻抗值的預(yù)測精度。為把考慮到材料組織變化 的軋制理論進行擴展，希望能建立對材料的硬化、恢復(fù)和再結(jié)晶等現(xiàn)象同時

5、進行跟蹤的 理論體系，積累一些和合金成分相對應(yīng)的能對冶金現(xiàn)象進行定量化的數(shù)據(jù)。在冷變形阻抗方面， 通常是采用考慮到溫度和應(yīng)變速度相互關(guān)系的動態(tài)變形阻抗 公式進行計算。軋制潤滑和軋輥隨著冷軋速度的高速化 （ 最大 2800mpm），為獲得摩擦系數(shù)的定量值，開發(fā)了高速 軋制模擬裝置和雙圓筒滑動試驗機，嚴格計算流入油膜的厚度，對軸和軸承等的熱膠著 進行了評價，提出了表面光澤度的推定和控制系統(tǒng)，并對軋制潤滑油進行了改進。作為 工作輥材質(zhì)， 一般是將高碳 Cr 系鍛造材進行表面淬火后， 使微細碳化物在完全變?yōu)轳R氏 體的基質(zhì)中大量析出，形成硬度高的組織，但由于軋制方面的要求越來越高，因此加快了對鍍 Cr

6、和噴鍍 WC Co來提高耐磨性的研究和高速鋼及陶瓷新材質(zhì)的研究。軋輥表面 的加工也從噴丸清理變?yōu)殡娀鸹庸?，或采用電子束和激光束等進行加工，使軋輥表面 加工得更加均勻、軋輥形狀更加妥當。在熱軋過程中， 確保材料的咬入性能， 提高軋輥的耐磨性， 防止軸和軸承等的熱 膠著是重要的課題。 目前軋輥一般是使用高速鋼， 但希望開發(fā)出高載荷軋輥和軋制工具， 以適應(yīng)更大的壓下軋制要求。提高軋輥和軋制工具的耐磨性、 抗事故性和抗桔皮狀缺陷性是軋制技術(shù)飛速發(fā)展 所不可缺少的重要技術(shù)， 從減輕環(huán)保壓力的觀點來看， 這些技術(shù)要素今后也是很重要的。鋼板連續(xù)軋制和直接連接軋制日本自 1968 年開發(fā)了森吉米爾式多輥軋機

7、的全連續(xù)式串列式冷軋機(TCM)和1970 年開發(fā)了四輥軋機的全連續(xù)式 TCM以來，軋機的連續(xù)化已取得很大的進展。目前日 本國內(nèi)的主要軋機都實現(xiàn)了完全連續(xù)化。由于完全連續(xù)軋機的技術(shù)可以和軋機的上下工 序連接，因此 1986 年開發(fā)出了酸洗 TCM連續(xù)退火成套設(shè)備。完全連續(xù)化的開發(fā)包括 了軋制生產(chǎn)計劃可以隨意變化、穩(wěn)定焊接技術(shù)、帶材穩(wěn)定移動技術(shù)、前進方向可變裝置 等。在冷軋的連續(xù)化之后， 1996 年首次在世界上開發(fā)出了熱軋的連續(xù)化技術(shù)。它是在粗 軋結(jié)束后將前后軋材在進入精軋機前進行焊接，使精軋機在無切頭切尾的狀態(tài)下進行無 頭軋制的技術(shù)，解決了產(chǎn)品前后端部的質(zhì)量問題，同時使極薄鋼板和新材質(zhì)鋼板的

8、生產(chǎn) 技術(shù)變得有可能。自 1989 年將 50 100mm厚的薄板坯連鑄機和軋機直接連接的緊湊式軋機誕生以 來， 其建設(shè)數(shù)量逐年增加， 目前在日本以外的國家中至少已建設(shè)了 50 套。緊湊式軋機的 特征是設(shè)備投資少、交貨期短，可進行沒有水冷滑軌造成黑印的等溫軋制，如果采用長 的板坯，還能進行半無頭軋制，可以預(yù)計今后其使用將越來越廣，同時能進一步提高產(chǎn)品質(zhì)量。另外，將來帶鋼連鑄機使用的趨勢引人關(guān)注。新型軋機關(guān)于軋機輥距的控制， 軋輥項彎裝置是關(guān)鍵。 眾所周知， 日本以 20 世紀 70 年代 后期出現(xiàn)的六輥變速軋機 （HC軋機、 UC軋機）為契機，開發(fā)了交叉輥薄板軋機 （PC軋機 ）、 雙軸承座頂

9、彎裝置 （DCWRB、） 在小直徑工作輥上裝有側(cè)支撐輥的六輥FFC軋機、 Z Hi軋機、多輥型 CR軋機、 KT軋機、軋輥本身具有可變凸度型的VC軋輥、 TP 軋輥、 NIPCO軋輥， 還有采用在線磨削的軋輥磨床 （ORC）等，這些新型裝備為世界軋制設(shè)備的發(fā)展做出 了很大的貢獻。另外，還研究開發(fā)了采用 1 機架多道次軋制技術(shù)的各種軋機，但其使用 僅限于特殊材的軋制。板材中心凸度部分和板材形狀的控制板材軋制時的中心凸度部分和板材形狀的控制是對同一現(xiàn)象進行控制的技術(shù)。 由 于前者的控制精度在數(shù)微米至數(shù)十微米就可以了，而后者的控制精度應(yīng)在0 1 m或小于 01 m，因此被視為不同的技術(shù)。在對比較厚的

10、鋼板進行熱軋時要控制板材的中心 凸度部分，冷軋時要將中心凸度部分比率保持一定，在考慮形狀后進行薄壁化軋制。雖 然這是常規(guī)操作法，但由于板材端部容易產(chǎn)生三維變形，因此開發(fā)了控制邊緣凸度的技 術(shù)。例如，有采用立輥軋機減少邊緣損失的方法；在軋機上下輥之間使圓盤狀水平輥向 板的兩邊擠壓，一面約束寬度一面進行軋制的方法；還有采用帶有錐度工作輥的軋機和 交叉輥軋機進行軋制的方法。因此，可以預(yù)計今后仍將積極利用三維變形的技術(shù)來控制 板材中心凸度部分。在形狀控制方面對板厚 （軋輥間隙形狀 ） 控制的精度要求非常嚴， 這是因為只要控 制精度有一點點的偏差，板材就會出現(xiàn)板厚偏差很大的形狀缺陷。陡度在0 5以下，就

11、可以視為形狀良好，延伸率偏差為6210 5（6 2Iunit） ， 1mm板厚的壓下量偏差為 006 m。因此，實現(xiàn)高精度軋制當然離不開軋輥的局部矯直和材料的橫向移動所產(chǎn) 生張力的緩和穩(wěn)定作用，但在軋制過程中使軋輥間隙形狀和板材的中心凸度部分一致是控制形狀的基礎(chǔ)。軋輥撓曲、熱凸度、母材形狀、機械試驗值的偏差和軋輥磨耗等會對 軋輥間隙形狀和板材中心凸度部分產(chǎn)生影響。為精確控制形狀，必須對從低次函數(shù)到高次函數(shù)這一大范圍內(nèi)的形狀偏差進行修正，因此將新型軋機的形狀控制傳動裝置進行組 合，采用多變量控制理論等復(fù)雜而又精密的控制方法進行形狀控制的趨勢將進一步增大。板厚控制隨著鋼板加工自動化程度的提高， 為

12、排除加工過程中的故障， 用戶對鋼板制品的 板厚精度要求越來越高。將支撐輥的油膜軸承替換為滾柱軸承，采用高性能油壓壓下裝 置消除和控制軋輥偏心已取得很大的發(fā)展。 作為軋機用傳動裝置， 所有 AC傳動裝置都形 成了標準數(shù)字化控制。 AC傳動裝置的優(yōu)點是， 在結(jié)構(gòu)上已完全采用電刷、 單機容量增大， 在性能方面已達到高精度、高應(yīng)答化、可變速度范圍擴大。在以往的板厚控制裝置中有自動測量調(diào)整裝置(AGC)、監(jiān)視 AGC、FFAGC和游標尺AGC。在最新的串列式軋機中， 在此基礎(chǔ)上還開發(fā)了軋機速度數(shù)字化控制、 軋輥偏心控制、 機架間的無干擾控制和在線板厚變化控制等技術(shù)。尤其是為使連續(xù)式軋機能在不停機的 情況

13、下對軋機入口側(cè)依次焊接的鋼種、板厚、板寬不同的材料進行連續(xù)軋制，因此通過 抑制張力過度變化，協(xié)調(diào)地改變各機架的軋輥位置、軋制速度等在線板厚變化控制技術(shù) 是很重要的。由此可大幅度減少板材穿過軋機和切頭切尾落料造成的軋輥損傷和板材等 外品，同時提高對小批量訂貨的適應(yīng)能力。另外，它也是緊湊式軋機實施無頭軋制所不 可缺少的技術(shù)。平面形狀和板寬控制在厚板和熱軋鋼板生產(chǎn)工藝中， 板寬澆注技術(shù)在 20 世紀 80 年代就已確立其基本 技術(shù)。在厚板生產(chǎn)方面有大幅度提高合格率的平面形狀控制新技術(shù) MAS(MizushimaAutomaticPlanViewPatternControlSystem) 軋制法和附設(shè)

14、的接近水平軋 機的立輥軋機設(shè)備。 MAS軋制就是對各種鋼板在軋制終了后的平面形狀控制變化量進行 預(yù)測，根據(jù)預(yù)測的變化量，給出軋制過程中板坯厚度形狀，最終將平面形狀變成矩形的方法。熱軋時實現(xiàn)將連鑄機和軋機有效直接連接的板坯寬度定徑技術(shù)、大幅度提高熱軋 鋼板寬度精度的熱軋板寬度控制技術(shù)、精軋時利用機架間的立軋機和張力控制來提高尺 寸精度的技術(shù)、尤其是采用冷軋TCM和冷軋工藝線的板寬控制技術(shù)等都是日本開發(fā)的領(lǐng)先于世界水平的獨有技術(shù)。鋼管在最近 20 年的發(fā)展中，首先應(yīng)舉出的是無縫鋼管用鋼坯的連續(xù)澆鑄技術(shù)。隨著 圓鋼坯質(zhì)量的提高和制管技術(shù)的進步， 采用熱擠壓法生產(chǎn)的 13 Cr 鋼和奧氏體系不銹鋼 已

15、改變了軋制方式。最近已開發(fā)了圓坯連鑄和制管、熱處理直接連接的技術(shù)。穿孔軋制使用方鋼坯的 PPM（壓力輥穿孔機 ） 已被替換為使用圓鋼坯的斜輥穿孔機。 在穿孔 方法變化中值得注意的是圓錐形穿孔機和被稱作交叉穿孔機的交叉輥穿孔機的發(fā)展。圓 錐形穿孔機的優(yōu)點是具有旋轉(zhuǎn)鍛造的效果和抑制圓周方向剪切變形的作用，因此可以抑 制鋼管內(nèi)面的缺陷，可用于難加工性材料的穿孔，尤其是可以用于擴孔和薄壁穿孔。采 用普通穿孔機時，壁厚外徑比 （TD） 的極限為大約 6，而采用圓錐形穿孔機時能進 行 TD 為 3 2的薄壁管穿孔。拉伸軋制芯棒式無縫管軋機已向大型化和緊湊化方向發(fā)展。 機架數(shù)由 79 機架減為 4 5 機架

16、，穿孔機和芯棒式無縫管軋所需的能源消耗共計可減少20左右。在芯棒式無縫管軋機的控制技術(shù)中， 為減少其后在張力減徑機中管端壁厚的切頭 損失，開發(fā)了管端預(yù)先減薄成形技術(shù)，即用芯棒式無縫管軋機預(yù)先將管端減薄的成形技 術(shù)，并在鋼管軋機上首次采用了油壓壓下裝置。減徑軋制和定徑軋制雖然在最終調(diào)整外徑的減徑軋制和定徑軋制方面沒有值得特殊介紹的技術(shù)發(fā)展， 但大口徑定徑機有許多也采用了三輥式定徑機。采用三輥的缺點是輥距無法變更，因此 機架的臺數(shù)多，但最近出現(xiàn)了輥距可變的軋機，還提出了四輥減徑機的想法。今后芯棒 式無縫管軋機和定徑機及張力減徑機的直接連接技術(shù)也將引起人們的關(guān)注。以上所述的鋼管領(lǐng)域中的高合金穿孔用芯

17、棒的開發(fā)和芯棒及毛管坯導(dǎo)槽潤滑劑 的開發(fā)等和摩擦學(xué)技術(shù)有很大的相互關(guān)系，因此希望長壽命化技術(shù)有進一步的發(fā)展。型鋼以第一次石油危機為契機，型鋼生產(chǎn)也由轉(zhuǎn)爐鑄錠開坯，變?yōu)檗D(zhuǎn)爐連鑄。型鋼的軋制技術(shù)有采用軋制工字梁用異形坯生產(chǎn)多系列型鋼的技術(shù)和采用板坯軋制H 型鋼的技術(shù)，型鋼軋機用的坯料已改為連鑄坯料。最近 10 年，鋼軌、鋼板樁和 H型鋼等大 型型鋼的軋制技術(shù)已取得了顯著的發(fā)展。外部尺寸一定的 H 型鋼隨著建筑結(jié)構(gòu)件生產(chǎn)技術(shù)的高度發(fā)展， 斷面性能高且經(jīng)濟性好的外部尺寸一定的H 型鋼采用斜輥軋制的方法和縮小 H 型鋼腰部高度的軋制方法已使用于實際。前者在精 軋前為使腰部外部尺寸保持一定，擴大了腰部內(nèi)部

18、尺寸；后者為在精軋機內(nèi)使腰部高度 保持一定，縮小了腰部高度。結(jié)果，能在線變更水平輥寬度的輥身寬度可變水平輥和立 輥軋機孔型深度可變的偏心立輥軋機也使用于實際。另外，由于在萬能軋機上采用了油 壓壓下裝置，因此軋機變得非常緊湊。隨著斷面的大型化，普通的單臂式矯直機已無法 滿足要求， 開發(fā)了雙臂式矯直機， 但由于存在著占地空間大和軋輥更換操作復(fù)雜的問題， 因此需進一步改善。寬幅鋼板樁以往寬幅鋼板樁以 400mm寬的 U形鋼板樁為主，一般是使用連鑄板坯在34 架的二輥式軋機上由 810 個孔型反復(fù)軋制而成。還開發(fā)了在H型鋼軋機作業(yè)線上不更換H型鋼軋制用機架，只更換軋輥生產(chǎn)鋼板樁的方法。另外，隨著工程的

19、大型化和提高施 工效率的需要， 600mmU形鋼板樁和 900mm寬的帽形鋼板樁已能商業(yè)化生產(chǎn)。鋼軌鋼軌一般是在數(shù)架二輥式軋機上采用孔型軋制的方法進行生產(chǎn)的。 隨著對產(chǎn)品尺 寸、質(zhì)量要求的不斷提高和降低軋輥成本的需要，采用萬能軋機進行中軋和精軋的技術(shù) 已成為主流。 鋼軌的磨損主要是線路曲線部和車輪凸緣部的摩擦磨損， 因此在 1994 年將 鋼軌全部換成上部整個斷面經(jīng)在線熱處理后的鋼軌，作為防止磨損的措施。另外，以阪神大地震為契機，在厚板生產(chǎn)領(lǐng)域發(fā)展的TMCP法和氧化金屬噴鍍技術(shù)已開始使用于建筑用鋼材的生產(chǎn)， TMCP極厚 H型鋼、低屈服比外部尺寸一定的 H 型鋼 和耐火 H 型鋼已能商業(yè)化生產(chǎn)。棒鋼和線材在棒鋼和線材軋制中為追求提高生產(chǎn)率、提高尺寸精度和產(chǎn)品質(zhì)量滿足市場需 求，開發(fā)軋機的尺寸可調(diào)軋制和控冷控軋等新功能的工作取得了進展。無頭軋制棒線材產(chǎn)品的種類非常多，因此開發(fā)了一種熱方坯焊接后連續(xù)軋制的設(shè)備 （ 配置 了直流式對焊機和去毛刺裝置 ） ，該設(shè)備投資小、 無短尺和尺寸不齊現(xiàn)象、 實現(xiàn)大單重卷、 可消除軋廢時間、增加產(chǎn)量等。其使用范圍今后將進一步擴大。高速軋制和控制冷卻線材精軋的特征是變形速度快、 從孔型間通過的時間短， 由于設(shè)備緊湊， 因此軋 制后必須快速冷卻，它也可作為控制材質(zhì)的手段