無頭熱軋技術(shù)

板帶及棒線材熱軋無頭軋制的技術(shù)分析及其

應(yīng)用進展材料科學(xué)與工程系2008-3-19板帶及棒線材熱軋無頭軋制的技術(shù)分析及其應(yīng)用進展目錄TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"1.無頭軋制技術(shù)的發(fā)展 1\o"CurrentDocument"2無頭軋制的中間坯連接技術(shù) 1\o"CurrentDocument"無頭軋制在高精度軋制中的作用 3\o"CurrentDocument"3.1傳統(tǒng)單塊坯精軋中存在的問題 3\o"CurrentDocument"3.2無頭軋制的目的 4\o"CurrentDocument"熱帶無頭軋制技術(shù) 5\o"CurrentDocument"4.1無頭軋制工藝流程 5\o"CurrentDocument"4.2無頭軋制的應(yīng)用效果 6\o"CurrentDocument"4.3無頭軋制在極薄熱軋帶鋼中的應(yīng)用 6\o"CurrentDocument"4.4帶鋼品質(zhì)均勻化控制技術(shù) 7\o"CurrentDocument"半無頭軋制在生產(chǎn)薄規(guī)格CSP技術(shù)中的應(yīng)用 8\o"CurrentDocument"無頭軋制在棒線材軋制技術(shù)中的應(yīng)用 9\o"CurrentDocument"小結(jié) 101.無頭軋制技術(shù)的發(fā)展傳統(tǒng)的板帶熱連軋精軋機組生產(chǎn)均以單塊中間坯進行軋制，進精軋機組時的穿帶、加速軋制、減速軋制、拋鋼、甩尾等過程不可避免。因此，難以保證帶鋼頭尾厚差和穿帶質(zhì)量均勻性，軋制作業(yè)率、成材率也受到一定限制。隨著汽車、家電等行業(yè)對薄板質(zhì)量的新的更高要求，尺寸、形狀精度、表面和內(nèi)在質(zhì)量已成為同等重要的質(zhì)量關(guān)鍵。1996年川崎制鐵千葉廠3號熱帶軋機（簡稱千葉3）在世界上首先實現(xiàn)無頭軋制，1998年新日鐵大分廠也開始應(yīng)用此項技術(shù)。熱軋無頭軋制技術(shù)在超薄熱帶軋制、板厚精度控制、板帶整長性能穩(wěn)定性控制以及提高生產(chǎn)率等方面顯示出傳統(tǒng)熱帶軋制無可比擬的優(yōu)越性.2無頭軋制的中間坯連接技術(shù)中間坯連接技術(shù)是無頭軋制的關(guān)鍵技術(shù)，中間坯感應(yīng)加熱連接工藝包括定位、感應(yīng)加熱、對接、連接完成、去毛刺等。日本川崎制鐵二階堂英幸基于專利調(diào)查和研究開發(fā)的結(jié)果，將無頭軋制中間坯連接方法進行了整理，其中包括疊軋壓接法、對接壓接法、焊接法、機械連接法（如圖1所示）、還原火焰處理連接法、直接通電連接法、感應(yīng)加熱連接法和激光焊接法等。（1）疊軋壓接法:是利用精軋變形進行連接，其優(yōu)點是連接所需能量極少。尤其是若能對接壓接，則可得到無連接部板厚變化的理想連接。為了寬向中部的端面能通過軋制而良好地對接，在端部實施了減薄加工。結(jié)果表明,無氧化鐵皮時，壓下率為50%便可得到與母材相同的強度，但若氧化鐵皮殘留則連接強度顯著下降?？倝合侣?0%、艮眨?3道軋制之后，連接強度波動不大。研究者曾期待通過軋制使氧化鐵皮破斷、新生界面接觸而提高連接強度，但研究結(jié)果表明，氧化鐵皮雖然在1/4厚度處變薄卻仍然連續(xù)存在。可以認(rèn)為:這一氧化鐵皮的存在，是連接強度波動和得不到充分強度的原因。在實際連接工藝,從切頭經(jīng)過精軋的第1?2架軋制完成連接需要幾十秒，在此期間，連接面不可避免地要產(chǎn)生氧化鐵皮。因此去氧化鐵皮技術(shù)的開發(fā)是實現(xiàn)軋制壓接的首要課題,但這一技術(shù)的開發(fā)難度較大，在未

開發(fā)出去氧化鐵皮技術(shù)之前，疊軋壓接法缺乏可靠性。熔融連接:熔融連接的一個例子是鋁熱焊，鋁熱焊是利用鋁粉和氧化鐵急劇反應(yīng)的發(fā)熱、可在短時間內(nèi)實現(xiàn)強固的金屬連接，但實現(xiàn)自動化困難。直接通電連接法:是利用電流加熱連接面的方法，根據(jù)川崎制鐵的模擬實驗,采用10?20A/mm2的電流可實現(xiàn)短時間連接。但薄帶坯連接時，由于斷面積大，所需電流非常大，存在電源容量和電極的電火花等問題，后者帶來的品質(zhì)上的問題會導(dǎo)致成材率下降。激光連接法:是一項較新的連接技術(shù)，為了用于熱軋坯的連接,要采用大功率激光器。為了實現(xiàn)全斷面連接，估計功率上有困難。新日鐵大分制鐵所采用這種方法實現(xiàn)了連續(xù)軋制。感應(yīng)加熱連接法:如圖2所示千葉3采用的感應(yīng)加熱連接的原理是:前坯尾端和后坯前端保持一微小間隙，在此狀態(tài)下對板厚方向施加交變磁場，就會產(chǎn)生集中于連接端面的感應(yīng)電流。薄帶坯的端面由于這一感應(yīng)電流引起的焦耳熱而升溫。然后將連接面壓接而完成連接。感應(yīng)加熱時，流過板寬端角部的電流遠小于板寬中部,即板寬端部將殘留未連接區(qū)。在感應(yīng)加熱連接過程中，對接端面升溫到對焊溫度需3?5s，從前后板坯對合、夾緊、加熱到對焊完成最多在20s以內(nèi)。綜上所述,作為無頭軋制的關(guān)鍵技術(shù)，目前的中間坯連接技術(shù)仍有其局限性，有必要研究開發(fā)新的連接技術(shù)以提高連接強度,進一步縮短連接時間、擴大連接范圍(尤其是異鋼種坯)，從而推動熱帶無頭軋制技術(shù)的進一步應(yīng)用。圖1.機械連接種類中模壓齒形連接法圖1.機械連接種類中模壓齒形連接法圖2.中間坯感應(yīng)加熱連接工藝簡圖無頭軋制在高精度軋制中的作用3.1傳統(tǒng)單塊坯精軋中存在的問題穿帶:在板帶精軋過程中，穿帶問題主要是在精軋機架間板帶頭部咬入受阻,形成堆鋼、打滑和尾部甩尾折迭以及在卷取時因板帶前端蛇形、折彎等造成卷取困難形成堆鋼等。由單塊坯軋制時因尾部無張力在精軋機架間常發(fā)生甩尾形成2?3層折迭咬入，從而產(chǎn)生軋輥表面裂紋和壓痕傷。為防止軋輥表面?zhèn)塾绊懞竺姘鍘П砻尜|(zhì)量必須換輥。這不僅減少了作業(yè)時間，同時也增加了磨輥費用。另外，要完全控制穿帶時出現(xiàn)的蛇形也很困難，尤其是在薄規(guī)格軋制和高強度鋼板軋制時更易出現(xiàn)蛇形。產(chǎn)品質(zhì)量下降:精軋過程中，通常根據(jù)板坯頭部軋制力預(yù)測來設(shè)定輥縫值。在每塊坯軋制時都進行載荷預(yù)測和輥縫值設(shè)定。若軋制力預(yù)測不準(zhǔn),輥縫值設(shè)定偏差大,則板厚與目標(biāo)值偏差也增大，從而產(chǎn)生因軋制力預(yù)測誤差引起的板凸度變化和機架間板形波動。生產(chǎn)率下降:精軋生產(chǎn)率最低的是薄規(guī)格軋制。在薄規(guī)格軋制中，雖然軋制速度高，但單位寬度的軋制量即質(zhì)量流量(板厚X軋制速度)不大,所以產(chǎn)量并不高。為了提高產(chǎn)量，盡管采取了提高穿帶速度和提高穩(wěn)定軋制速度措施，使穩(wěn)定軋制速度基本達到其上限約1500m/min的飽和狀態(tài)。但穿帶速度提高后，由于前述的各種穿帶問題和頭部折迭等引起的故障率增多，因此穿帶速度的上限約在800m/min左右,薄規(guī)格軋制的生產(chǎn)率基本達到極限狀態(tài)。另外，在軋材各卷之間,精軋機與卷取機的穿帶條件設(shè)定需要一定時間，最短也要10s左右，這就是空載時間，與生產(chǎn)率下降直接相關(guān)。3.2無頭軋制的目的無頭軋制的目的在于解決上述間斷軋制問題的同時超越間斷軋制的限制。其中主要有：通過無頭尾軋制解決穿帶問題；通過無非穩(wěn)定軋制提高質(zhì)量穩(wěn)定性和成材率;通過提高連接部位穿帶速度并使間隙時間為零提高生產(chǎn)效率；可生產(chǎn)超越過去極限軋制尺寸的超薄帶鋼或?qū)挿“?，以及通過潤滑軋制和強制冷卻軋制新品種。⑴提高穿帶效率:千葉3采用由最多15塊中間坯組成的無頭軋制,在該組軋制中除了頭塊坯的頭部和最后一塊坯的尾部外，從精軋機組到卷取機如同軋制一塊板一樣。彎曲和蛇形多是由于無張力產(chǎn)生的頭尾特有現(xiàn)象,當(dāng)施加張力后，幾乎不發(fā)生蛇形現(xiàn)象并可實現(xiàn)穩(wěn)定軋制。⑵提高質(zhì)量穩(wěn)定性和成材率：無頭軋制使整個帶卷保持恒定張力，實現(xiàn)穩(wěn)定軋制并且不發(fā)生由軋輥熱膨脹和磨損模型引起的預(yù)測誤差及調(diào)整誤差產(chǎn)生的板厚變化和板凸度變化，可顯著提高板厚精度。超薄熱帶的厚度精度可達土30Mm,合格率超過99%,1.0mm帶鋼合格率甚至比1.2mm還要高。另外，通過穩(wěn)定軋制也提高了溫度精度。在無頭軋制中幾乎不發(fā)生板帶頭部到達卷取機前這段約150m長的尺寸和板形不良或非穩(wěn)定軋制引起的質(zhì)量不良問題。提高生產(chǎn)率：通常在熱軋廠生產(chǎn)1.2?1.8mm的薄規(guī)格板帶時，由于板帶頭部在輥道上發(fā)飄，穿帶速度限制在800m/min左右，而無頭軋制已不受此限制,各板坯連接處的穿帶速度可達1000m/min以上。另外，單塊坯軋制中的間歇時間在無頭軋制中減為零，可顯著提高薄規(guī)格軋制效率。可生產(chǎn)薄而寬的鋼板和超薄規(guī)格板:無頭軋制的主要目的之一在于穩(wěn)定生產(chǎn)過去熱軋工藝幾乎不可能生產(chǎn)的薄寬板和超薄規(guī)格鋼板。例如，過去熱軋最薄軋制到1.2mm,最寬到1250mm。采用無頭軋制時，可將非常難軋的材料夾在較容易軋制的較厚材料之間，使其頭尾加上張力進行穩(wěn)定軋制。因此，板厚1.2mm的可軋到1600mm寬，板寬1250mm以下的可軋到0.8mm，如圖3所示千葉第3熱軋廠產(chǎn)品范圍擴大計劃。通過潤滑軋制和強制冷卻軋制生產(chǎn)新品種:熱軋時采用強制潤滑軋制可生產(chǎn)具有優(yōu)良性能的鋼板，但實際上，為了防止因噴潤滑油產(chǎn)生的頭部咬入打滑，穩(wěn)定的潤滑區(qū)僅限于每卷的中部區(qū)域。因此產(chǎn)品質(zhì)量難以穩(wěn)定，成材率也低。在無頭軋制中，當(dāng)?shù)谝粔K板坯的頭部通過精軋機組后，直到最后部分板帶通過機組的較長時間內(nèi)都可實現(xiàn)穩(wěn)定潤滑，因此，在能進行穩(wěn)定潤滑的的同時又可減少材料損耗1/6?1/10。在無頭軋制時，由于可以對精軋出口處的板帶施加張力，即使采用圖3.千葉第3熱軋廠產(chǎn)品范圍擴大計劃熱帶無頭軋制技術(shù)4.1無頭軋制工藝流程以千葉3為例，無頭軋制工藝由薄帶坯供給工序、焊接后處理工序、精軋工序和卷取工序組成。無頭軋制工藝簡圖見圖4。由煉鋼廠提供的板坯經(jīng)粗軋后作為薄帶坯。為了將薄帶坯無滯后地供給焊接裝置，在粗軋機出口側(cè)設(shè)置了三位置薄帶坯卷取機。三位置薄帶坯卷取機可同時卷取和開卷，以縮短開卷的周期時間，同時可吸收粗軋和精軋時間的波動。前一塊鋼軋制過程中后續(xù)薄帶坯到來時，便進入焊接工序。焊接工序在先行材和后行材同步運動的焊接裝置內(nèi)進行。精軋工序設(shè)備與傳統(tǒng)設(shè)備幾乎無異，為了在軋制中變更板厚,各機架壓下控制和張力控制、冷卻液等的溫度控制都需要更佳的響應(yīng)性。最后是卷取工序,在前帶坯卷取幾乎結(jié)束時剪切其尾端并高速卷入，然后急減速、停車，卸出帶卷。接著，在切斷后一帶坯的頭部后高速進入另一臺卷取機，兩臺卷取機交替動作。圖4.無頭軋制工藝流程簡圖4.2無頭軋制的應(yīng)用效果無頭軋制的效果,可從板厚精度、溫度精度控制和成材率等方面來考察(見圖5)。在厚度命中率方面，無頭軋制無論是1.2mm還是1.0mm都超過了99%。這是因為常規(guī)軋制中由于穿帶造成的板厚波動在無頭軋制中大幅度降低;在成材率方面，無頭軋制提高約1%；在精軋出口溫度和卷取溫度命中率方面，無頭軋制兩者的精度都上升了2%?3%以上。這是因為板帶的形狀穩(wěn)定、溫度容易降低的原因。圖5.無頭軋制和常規(guī)軋制效果比較4.3無頭軋制在極薄熱軋帶鋼中的應(yīng)用采用無頭軋制技術(shù)，將常規(guī)的最小板厚1.2mm擴大至0.8mm，并且可軋制諸1.2mmX1500mm的寬幅薄材。極薄熱軋帶鋼以商品名RTHC(Riverthinthicknesshotcoilcommercialgrade)于1997年起供應(yīng)市場。極薄熱軋帶鋼尺寸精度優(yōu)于傳統(tǒng)熱軋帶鋼，材料特性與傳統(tǒng)產(chǎn)品相當(dāng)，是適應(yīng)輕量化、節(jié)能、減少CO2等時代趨勢的新產(chǎn)品。在無頭極薄帶材軋制時，首塊鋼頭部和末塊鋼尾部厚度定為常

規(guī)軋制最小厚度1.2mm，中間實施極薄規(guī)格軋制。對于軋制中變更板厚的前后兩塊鋼，設(shè)定最優(yōu)軋制規(guī)程，變更各機架輥縫和軋輥速度。采用分散控制的高響應(yīng)張力控制技術(shù)，可在0.5s左右的短時間內(nèi)穩(wěn)定地進行軋制中變更板厚的技術(shù)(FGC)。圖6表示自1.2mm由軋制中變更板厚軋制0.9mm帶材時的厚度變化。除首塊鋼頭部外，全長板厚精度在土30〃m以內(nèi)。圖7表示出口的實測平坦度。首塊鋼頭部為1%,之后通過板形反饋控制變?yōu)?.3%,此后由于實現(xiàn)了穩(wěn)定軋制,可保證全長的平坦度。圖6.板帶厚度的變化圖圖7.平坦度變化圖平坦度圖6.板帶厚度的變化圖圖7.平坦度變化圖平坦度射“3rdcoili一4thcoilFGC快速板厚帶鋼長度小皿變換4.4帶鋼品質(zhì)均勻化控制技術(shù)精軋出口溫度和卷取溫度是決定帶鋼機械性質(zhì)的重要因素，如圖8,9所示，千葉3在采用大型高水位槽以穩(wěn)定冷卻水流量和開發(fā)開關(guān)響應(yīng)性好的冷卻集管的同時，綜合應(yīng)用前饋控制和反饋控制，實現(xiàn)了精軋出口溫度和卷取溫度的全自動高精度控制。采用這一控制系統(tǒng)，除首尾極小部分外，帶鋼全長溫度波動可控制在±20°C以內(nèi)，提高了品質(zhì)的均勻性和再現(xiàn)性。

FeedforwardFeedbackFETFDT□過程控制（品質(zhì)控制）□口FET:精軋磷箱，入口溫度，F(xiàn)DT：精軋出口溫度PFeedforwardFeedbackFETFDT□過程控制（品質(zhì)控制）□口FET:精軋磷箱，入口溫度，F(xiàn)DT：精軋出口溫度P早制：精軋除 帶琳卻MtFDT:Finisherdeuverytemperature▼:PyrometerXTVFinmarbdlahw&r 測溫位□圖8.精軋出口溫度控制系統(tǒng)示意圖圖9.卷取溫度控制系統(tǒng)示意圖半無頭軋制在生產(chǎn)薄規(guī)格CSP技術(shù)中的應(yīng)用所謂半無頭軋制工藝是指在薄板坯連鑄連軋機組上采用相當(dāng)于普通板坯最大長度4-6倍的板坯，實現(xiàn)連續(xù)軋制，再由卷取機前的飛剪將其分切成所要求重量鋼卷的軋制工藝，如圖10及圖11所示。半無頭軋制工藝減少了頻繁穿帶和甩尾帶來的問題，降低了廢品率和設(shè)備故障率，提高了收得率和生產(chǎn)率；減少了軋輥的消耗和換輥時間，提高了生產(chǎn)率，降低了生產(chǎn)成本；軋制條件穩(wěn)定，便于提高產(chǎn)品質(zhì)量和收得率；可以采用幾乎全長度的工藝潤滑軋制提高帶鋼表面質(zhì)量。因此，半無頭軋制工藝對于薄板坯連鑄連軋生產(chǎn)線，特別是以薄和超薄規(guī)格產(chǎn)品為主導(dǎo)產(chǎn)品的薄板坯連鑄連軋生產(chǎn)線在確保質(zhì)量、降低成本、提高競爭能力等方面有重要的意義。圖9CSP半無頭軋制技術(shù)工藝布置圖Fig9CSPsemi-endlessrollingtechnology1一中間包;2一結(jié)晶器,3一切斷剪;4一均熱爐；5—事故剪;6一除鱗機上7—精軋機;8-1號層流冷卻;9一飛剪;10—生產(chǎn)薄規(guī)格的旋轉(zhuǎn)式卷取機;11—2號層流冷卻門2—生產(chǎn)厚規(guī)格的常規(guī)卷取機圖102Hoogovens的半無頭軋制工藝布置圖Figl0Thesemi-endlessrollinglineinhoogovens一中間包司一結(jié)晶器司一液芯壓下;4一除鱗機,5—均熱爐—粗軋機〃一除鱗機｝8一精軋機,9—層流冷卻門0—飛剪I1K12—卷取機無頭軋制在棒線材軋制技術(shù)中的應(yīng)用棒線材無頭軋制系統(tǒng)，是通過焊接等工藝方法構(gòu)造出無頭長坯，而后對長坯實施連續(xù)軋制。顯然，無頭軋制系統(tǒng)的關(guān)鍵是構(gòu)造長坯。目前構(gòu)造長坯的工藝方法主要有兩種:即鋼坯的連鑄（如意大利達涅利公司開發(fā)的Luna無頭鑄軋生產(chǎn)工藝）和鋼坯的坯間焊接（如EWR工藝和Ebros工藝）。其中鋼坯連鑄是構(gòu)造長坯的最佳工藝方法，但由于受澆鑄機拉坯速度和拉制鋼坯再結(jié)品等因素的限制，采用目前的澆鑄