国内棒材生产线生产超细晶棒材的轧制工艺与前景

国内棒材生产线生产超细晶棒材的轧制工艺与前景2007-12-14 13:24:38 来源: TNC数据库 钢铁是国家经济建设和社会发展的重要物质基础，其新一代材料的开发亦倍受钢铁行业的重视。1998 年 10月启动的“新一代钢铁材料”研究计划，经多年的研究、探讨及实践已取得重要成就，并已进入推广应用的关键阶段。国内学派尽管对超细晶的形成理论及应用技术的思路不同且有争论，但都公认其在经济效益、社会效益和材料科学方面的重要贡献。试验和实践表明，采用超细晶钢生产工艺可显著细化钢的晶粒，用 Q235钢代替 2OMnsiV和 20MnSiNb生产 400MPa级，用 20MnSi钢生产 500MPa级带肋钢筋，能降低成本、节约资源，并符合可持续发展方针。目前，细晶粒钢筋产品标准已纳入 GB1499钢筋混凝土用热轧带肋钢筋修订版，即将正式颁布，其中单独设有HRBF335、HRBF400、HRBF500 牌号，其化学成分、力学性能等主要技术标准与HRB系列牌号完全相同。本文从分析国内钢铁工业装备现状人手，在“制造成本基本不增加，少用合金资源和能源，塑性和韧性基本不降低的条件下强度翻番和使用寿命翻番”的目标下，探讨了棒材生产线改造生产超细晶棒材的轧制工艺与发展前景。1、国内棒材生产线及其控制技术有关统计数据表明，棒材产量在国内钢材生产总量中约占 25%以上，且随社会的发展其需求量有增无减。但国内棒材生产线装备却有相当一部分是2O世纪 70-80年代，有的甚至更早。据了解，目前国内全连轧、半连轧棒材生产线约有 7O多条，已进行超细晶棒材工业试验和推广应用的不足 10条且应用程度差异较大，绝大多数距全流程控温轧制工艺装备有很大差距。既要不失时机地应用超细晶理论指导生产超细晶棒材，又不可能投入大量资金或长时间停产进行改造，是目前存在的最大困难和问题。1.1、超细晶棒材的形成原理与生产流程1.1.1、基本原理超细晶形成的基本原理是形变与相变耦合机制，主要控制技术是使奥氏体过冷和获得大的累积变形量，精轧阶段轧制温度控制在 Ae3Ar3，使其产生形变诱导铁素体相变（DIFT），获得细小的铁素体晶粒，轧后的控冷进一步阻止铁素体晶粒长大。其具体的形成机制为：钢在奥氏体区进行粗、中轧，产生奥氏体动态再结晶，细化奥氏体晶粒，为相变作组织准备。轧件中轧后冷却，使精轧温度接近临界相变点。由于高速轧制和累积变形增大了相变驱动力，则提高了实际相变点，诱发了铁素体相变（DIFT），这是形核不饱和机制，是不断的生核过程，形核率高，使晶粒细化。随变形的进行，新生的铁素体内位错密度增加，形成亚结构，产生铁素体动态再结晶（DRX）。这时连续交叉发生 DIFT和 DRX阻止了铁素体晶粒长大。轧后的控冷进一步阻止铁素体晶粒长大。1.1.2、主要工艺流程采用形相耦合轧制技术生产超细晶钢。生产的棒材钢种主要为普碳钢、优质碳素钢、低合金钢。为使精轧在 Ae3Ar3 间控温轧制，粗轧和中轧采用再结晶轧制，这样原粗、中轧机可不进行大的改动且利于顺行；中轧后对轧件实施快速冷却至临界奥氏体温度附近，并留有一段返温时间，使轧件断面温度基本均匀；在精轧中进行未再结晶控轧，精轧后实施控冷，以阻止铁素体晶粒长大（为应对高速轧制所导致的轧件升温，必要时可采用机间冷却均温制度）。为实现 Ae3Ar3 间的控温轧制，须在中轧后设置水冷箱来冷却轧件，且留一段返温距离，使轧件断面温度基本均匀；精轧后设置水冷箱实施控冷，以阻止铁素体晶粒长大。其工艺流程为：上料加热炉加热粗轧开坯曲柄连杆式切头飞剪切头中轧机组控轧水箱控制冷却切头剪精轧机组控冷水箱控制冷却倍尺飞剪输出辊道冷床精整处理。2、典型生产工艺2.1、棒材连轧超快速冷却技术连续热轧加轧后超快速冷却技术生产超细晶棒材，实际是在棒材成品孔的出口处设置超快速冷却器来超快速冷却成品轧件。其工艺路线及生产原理见图 1。其实际使用效果须深入分析，关键在于最后钢筋的韧性是否受到严重影响。2.2、全流程低温控轧控冷工艺图 2是一种全新生产工艺，与前不同的是需从系统工程的角度对轧钢设备和工艺布置进行设计改造，这也是今后发展方向。但国内目前的经济状况及生产工艺和装备等差距较大，且实现的难度很大。3、改造棒材生产线的分析3.1、可能性分析目前生产超细晶棒材的最大问题是，原装备及工艺不适用于生产超细晶棒材。为实现在 Ae3Ar3 间的控温轧制，中轧后须设置水冷箱且要留一段返温距离，精轧后设置水冷箱实施控冷。这样，遇到的主要问题是：原轧机、减速机和电机能力可能不够；相当一部分生产线存在安装控轧控冷装备的位置及返温距离问题；停产改造时间及资金问题；核心技术的实践应用问题。可想象到，有效温度的掌控和冷却装置的科学性、合理性是实现超细晶钢的关键技术。基于多年生产实践以及传统的控轧控冷工艺技术的应用经验，如按照超细晶理论及其技术，解析原工艺布置，确立逐步收益的目标，分步实施，则实现超细晶钢的关键技术还是有可能的。3.2、实施步骤确定生产线改造的最终目标是生产超细晶钢棒材。为减少投资压力、避免重复投资，通常可分步实施（特殊情况例外）：第一步建立轧后控冷装置，产品较穿水产品性能稳定，生产效率提高。该装置除可完成通常的穿水功能外，还可控制不同的冷却速度和终冷温度，为实现控轧控冷和超细晶棒材生产奠定了基础；第二步在中轧机组后面建立中间冷却装置，控制进入精轧机组的棒材温度，这样可完全实现控轧控冷轧制工艺技术，为超细晶棒材生产做好准备。同时，制定相应的孔型和温度制度，全面核算精轧机及其减速机、电机等硬件设备，并进行相应的改造，最终实现生产超细晶钢棒材的目标。3.3、改造实例以济钢和宣钢棒材生产线改造为例，对实现超细晶钢生产所需进行的技术改造做一具体说明。3.3.1、济钢改造内容与效果按照超细晶棒材的要求全面改造生产线，其内容包括：中轧机更换成 45Omm750mm6 平立交替布置的高刚度短应力线轧机；精轧机更换成35Omm650mm6 平立交替布置的高刚度短应力线轧机；为满足高强钢筋高速轧制的要求，F16 和 F18架电机更换成 1500kW，F17 更换为 1200kW；因中轧后要先冷却后切头，故 2号飞剪的功率加大到 450kW；中轧后增设 4组湍流管式冷却装置，每组长 2000mm，以控制轧件进入精轧机组时的温度；轧后冷却采用 8组湍流管式冷却装置，每组长 2000mm，控制轧后棒材温度，抑制铁素体晶粒长大；控制系统改造及增设各种检测仪表。改造后的初步试验结果：第一步轧后控冷改造完成后，用 20MnSi钢分别生产 22，25，28mm 螺纹钢筋。同时，为降低生产成本、减少合金资源消耗，加入铌铁量仅为国标的1/21/4，化学成分见表 1，力学性能见表 2。3.3.2、宣钢改造内容与效果宣钢棒材生产线由意大利 POMINI公司总承设计，于 2003年 12月投产。该生产线设计年生产能力 75万 t，最高轧制速度 18m/s。采用原料为150mm150mm（800012000）mm 连铸坯，以生产 1O5Omm 的热轧带肋钢筋及 145Omm 的圆钢为主，18 架平立交替布置短应力线高刚度轧机、4台各种功能剪机。第一步改造内容：在精轧机后面设 1套湍流管式高效水冷装置，分4列，可进行 14 线切分。自动控制系统由检测仪表、基础自动化和工艺过程控制计算机构成。检测仪表负责检测冷却水的水量、水压、水温和轧件的钢温、位置等物理参数。基础自动化和过程机主要是采集检测仪表的信号并经计算、分析、处理后，按控制冷却规程给出控制的优化设定值，控制冷却水的水量、水压和水温，最终实现控制轧件的冷却速度和终冷温度。目前车间水处理系统只能满足轧制生产线的水量要求，故重建 1套水处理系统用于控冷设备（最大供水量 650m3/h，水压 1.6-2.0MPa）。因是分步实施改造，故要预留400m3/h水量，其中控轧水量 200m3/h、粗中轧机组间预留水量 200m3/h。宣钢的初步试验结果：试验采用 20MnSiNb生产 12-32mm 螺纹钢，吨钢加 0.65kg铌铁。其化学成分为：w（C）=0.18%0.24%，w（Si）=0.5%0.7%，w（Mn）=1.3%1.6%，w（P）0.04%，w（S）O04%，w（Nb）=0.02%0.04%，Ceq=0.52%。试验中冷却水量 250-280m3/h，水压 0.50.8 MPa，钢的力学性能：ReL=420505MPa，Rm=585-625MPa，A=19%-31%。4、结论（1）、在基本不影响生产的前