高精度軋制與控制冷卻技術(綜述)

1、高精度軋制與控制冷卻技術課程文獻綜述學號：S20156012姓名：李宗武專業(yè)：材料加工工程單位：北京有色金屬研究總院摘要：文中主要對現(xiàn)階段軋制工藝加以介紹，在原有生產(chǎn)技術基礎上結(jié)合相關理論進一步提高軋制精度、效率，提高產(chǎn)品附加值，增強產(chǎn)品的市場競爭力，一則為當前處在低谷之中的鋼鐵行業(yè)指明方向，二則積極響應國家去產(chǎn)能的號召，促進軋鋼行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。引言：前些年各大鋼鐵企業(yè)無節(jié)制的增加鋼鐵產(chǎn)量造成了今天嚴重產(chǎn)能過剩的局面。在當前嚴峻的形勢下，各個企業(yè)面臨的優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、整體轉(zhuǎn)型的壓力是相當大的。軋制作為一種傳統(tǒng)的原材料加工方法，它在當前國民生產(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。隨著社會的不斷發(fā)展，我們對于軋制產(chǎn)品的要求也越來越高，不僅要求有優(yōu)異的性能，同時還要提高生產(chǎn)效率，盡量降低能耗，因此我們有必要在傳統(tǒng)軋制工藝的基礎上進一步改善工藝。當前軋制工藝的發(fā)展還是比較成熟的，對于傳統(tǒng)工藝中存在的問題已經(jīng)有了相應的解決方案；通過對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)當作自己對于這門課程的一個總結(jié)收獲吧。除鱗技術的優(yōu)化1板帶材軋制過程中最重要的問題之一就是表面除鱗，熱軋過程中表層由于接觸空氣往往會生成一層氧化皮，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影響產(chǎn)品性能的穩(wěn)定性，同時也會對軋輥表面造成一定損害，因此熱

3、軋中板帶材的除鱗問題一直困燃著生產(chǎn)廠家。傳統(tǒng)方法是利用高速水流進行沖擊來達到清潔表面的目的，這種方法思路比較單一，有著一定的局限性。目前許多公司都設計除了更合理的除鱗系統(tǒng)，這里要提到的是達涅利公司，在其薄板連鑄連扎項目中進行了實踐。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間，及時給軋輥、板帶材進行降溫處理。每個軋制系統(tǒng)都有一個軋制速度的限制，在這個輸出極限內(nèi)進行高速軋制，可以有效減緩氧化皮的生長速度；軋輥在軋制過程中往往溫度會上升，溫升結(jié)合機械疲勞會造成輥面上裂紋的產(chǎn)生，進一步誘發(fā)氧化皮在表面集聚，針對這種情況可以通過設置在線工作軋輥清洗系統(tǒng)來加以解決，即在兩塊坯料間隙內(nèi)定期對工

4、作軋輥表面進行清洗。除此之外，通過限制中間坯料厚度、控制精軋機機架間冷卻、裝備抗氧化鐵皮粘輥系統(tǒng)也可以達到同樣效果。西馬克公司則采取了一種新的思路，通過對傳統(tǒng)水流除鱗系統(tǒng)進行了小小改動，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的內(nèi)容，大膽提出一個設想：構(gòu)建鋼坯的在線實時監(jiān)測系統(tǒng)，通過對于其表層數(shù)據(jù)的實時反饋來控制水流的速度、流量，真正做到以最小的消耗達到最大的效果。通過這種系統(tǒng)可以避免資源無謂的

5、浪費，做到“有的放矢”。熱軋帶鋼無頭軋制技術軋制過程中，由于帶鋼頭尾兩端張力無法作用，往往造成帶厚、凸起變形、尾部褶皺等問題，產(chǎn)品質(zhì)量無法保證，同時也降低了軋制效率2。無頭軋制技術是針對這些問題而研發(fā)的一種新工藝，通過在精軋機之前設置連接裝置將中間坯料連接在一起，然后進行連續(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，其他坯料在整個軋制過程中一直受到拉伸載荷的作用，因而從精軋機到最后的卷曲階段都不會產(chǎn)生任何類型的形變?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)過對于這種工藝的應用，其生產(chǎn)的薄帶鋼厚度由原來的1.2mm擴至0.8mm,同時也有

6、能力軋制1.2mm×1500mm的寬幅薄材3。無頭軋制技術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，同時還應注意到它對于產(chǎn)品的減量化生產(chǎn)也有著實用意義。目前對于無頭軋制工藝的研究主要集中在中間連接裝置的設定上，對此研究較多的是日本、韓國的一些鋼鐵企業(yè)，我國北京科技大學的康永林、朱國明老師對無頭軋制工藝的發(fā)展也有很大貢獻4。各個企業(yè)所采取的無頭軋制區(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對坯料頭尾部進行連接，這種方式對于切割的精確度要求是比較高的；韓國POSCO與三菱（日立）公司聯(lián)合開發(fā)出一種剪

7、切-壓合連接技術，其生產(chǎn)線示意圖如下: 圖1. POSCO公司無頭軋制生產(chǎn)線示意圖雖然我國對于無頭軋制技術研究開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，整個流程如圖2，通過在原有熱卷箱、精軋機之間設置切頭剪和壓力機來實現(xiàn)中間坯的機械咬合，并最終形成比較優(yōu)良的連接面結(jié)構(gòu)。圖2. 新工藝主要設備構(gòu)成示意圖這種連接工藝對于原有熱連軋系統(tǒng)破壞較小，因而完成熱軋生產(chǎn)線的升級所需成本較低，在將來技術成熟以后不失為各大鋼鐵企業(yè)尋求產(chǎn)品結(jié)構(gòu)升級的一個好的選擇。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

8、利的基礎上建立了世界上第一條ESP（無頭連鑄連扎）生產(chǎn)線，如圖3所示5。其中ISP技術在以下幾個方面值得借鑒：（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下采取低速鑄軋，降低中間坯的凸度；（3）采用感應加熱器進行加熱，以便滿足根據(jù)產(chǎn)品設計最佳軋制工藝所要求的溫度分布。ESP生產(chǎn)線的實現(xiàn)要靠多個系統(tǒng)的協(xié)作完成，其中涉及到的有澆注工藝控制系統(tǒng)、板坯導向系統(tǒng)、感應加熱系統(tǒng)以及鑄軋精整系統(tǒng)，因此一個完整生產(chǎn)線的實現(xiàn)要對上述系統(tǒng)做出合理布置，加強系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)聯(lián)系。無頭連鑄連軋生產(chǎn)工藝對于鋼水到熱軋卷之間的拉速要求是很高的，經(jīng)

9、過一系列數(shù)字模擬和水模擬實驗后發(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。高流量的設計相應要對增加連鑄機的冶金長度，這就要求設計出一種帶液芯彎曲、矯直功能的弧形連鑄機，使得鋼水靜壓力保持在一個比較低的水平。不同鋼種所需條件不同，因此每次的準備工作主要圍繞優(yōu)化拉速、板坯厚度匹配展開，實現(xiàn)一個合理的秒流量。圖3. 第一條ESP生產(chǎn)線布局示意圖7整個生產(chǎn)線中的速度控制、傳感器技術、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化來進行串聯(lián)，自動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技術未來的發(fā)展方向。TMCP技術控制軋制控制冷卻技術簡稱控軋控冷（Thermo Mechanical Controlled Processing簡稱TMCP），這是一種有別于傳統(tǒng)軋制的工藝，增加了對于坯料變形程度、加熱制度以及冷卻方式的控制。TMCP工藝基本冶金學原理是在再結(jié)晶溫度下進行大壓下變形，促進微合金元素的應變誘導析出，實現(xiàn)奧氏體的晶粒細化和加工硬化；通過軋后快速冷卻控制處在加工硬化狀態(tài)下奧氏體的相變過程，最終獲得細小的晶粒組織。TMCP處理工藝具有形變強化、相變強化兩種作用，因此在提高材料強度的同時又能改善鋼材的韌性、塑性，這種技術在中厚板、熱軋板卷、線棒材

11、、型材以及鋼管的生產(chǎn)中都有著大量應用?？刂栖堉瓢凑兆冃螠囟?、再結(jié)晶程度可以分為三個階段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。每個階段對應不同的壓下量，可以達到增強材料強度的目的?？刂评鋮s的冷卻方式經(jīng)過長時間的發(fā)展也由最初的噴淋冷卻過渡到80年代的層流冷卻方式，再到今天的強化冷卻方式9。最近有學者提出了以超快速冷卻為核心的新一代TMCP技術：其基本理念是在高溫軋制提供加工硬化奧氏體基礎上，利用超快速冷卻技術對硬化奧氏體進行處理，在動態(tài)相變點之前終止，隨后控制相應冷卻方式即可。圖4展示的是這種技術與傳統(tǒng)TMC

12、P技術的區(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在保證材料優(yōu)異性能的基礎上可以有效降低鋼材對于微合金元素依賴，實現(xiàn)節(jié)約型減量化生產(chǎn):有實驗表明對于普通的碳鋼，在不需低溫軋制條件下，采用超快速冷卻的TMCP技術可以實現(xiàn)析出強化、相變強化以及晶粒細化，材料強度相較原來提高了100-200MPa，合金元素用量降低30%以上10?？梢姡M一步加大對于超快速冷卻條件下TMCP工藝的開發(fā)，利用該技術加強對于熱軋鋼材顯微組織的控制是實現(xiàn)熱軋產(chǎn)品提升競爭力，由資源消耗型向節(jié)約型轉(zhuǎn)化的一個有效途徑。參考文獻1 肖朋，崔曉嘉，徐良，郭鴻凌.淺談板帶鋼的高精度軋制技術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)格板帶技術及其應用進展J.軋鋼.2015 V(32),No.1:p7-11.3 J. Sigel，A. Jungbauer，G. Arvedi. 阿維迪ESP（無頭帶鋼生產(chǎn)）-首套薄板坯無頭連鑄連軋生產(chǎn)結(jié)果.第七屆（2009）中國鋼鐵年會論文集.2009 3-568.4 康永林，朱國明. 熱軋板帶無頭軋制技術J.鋼鐵.2012 V(47),No.2.5 張治. 薄板坯連鑄連扎改造為無頭軋制生產(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