球扁钢轧制过程中的工艺优化毕业论文.doc

江苏科技大学毕业设计（论文）球扁钢轧制过程中的工艺优化毕业论文目 录第一章 绪论11.1 研究背景11.1.1 球扁钢的规格11.1.2 球扁钢的生产和销售特点21.1.3 常熟市龙腾特种钢有限公司简介31.2 球扁钢轧制工艺过程31.2.1 原料的选择41.2.2 轧制过程中表面摩擦系数的控制41.2.3 球扁钢轧制过程中孔型设计51.2.4 球扁钢轧制后的冷却和精整工艺51.3 本文的主要内容5第二章 龙腾特钢现有球扁钢轧制工艺62.1球扁钢轧制过程中的加工特性62.1.1 导热系数62.1.2 金属塑性72.1.3 变形抗力72.1.4 摩擦系数72.2 国内球扁钢生产过程中的工艺特点72.2.1 国内一般企业球扁钢轧制工艺特点7 2.2.2 热轧球扁钢的工艺过程.82.2.3 生产设备平面布置图11第三章 球扁钢轧制过程中的工艺优化133.1 球扁钢轧制过程中的加热控制133.2 球扁钢轧制过程中钢坯表面摩擦系数的控制153.2.1 球扁钢轧制过程中钢皮表面摩擦的产生原因153.2.2 高压水除鳞系统原理153.2.3 影响高压水除鳞效果的原因分析163.3 球扁钢轧制过程中的孔型优化设计213.3.1 球扁钢的轧制参数设计213.3.2 球扁钢的孔型设计213.3.3 配辊设计和导卫设计233.3.4 轧制过程控制243.4 球扁钢轧制过程中的冷却与精整矫直工艺优化253.4.1 弯曲度253.4.2 纵向的波浪263.4.3 扭转263.5 球扁钢的检验标准优化273.5.1 球扁钢检验的人员与检验点的设置273.5.2 球扁钢轧制过程中的各检验点的检验方法283.5.3 检验工具293.5.4 合格品的处置及纠正和预防措施29结 语30致 谢31参考文献3231第一章 绪论1.1 研究背景 球扁钢是一种主要应用于造船和造桥领域的中型材，其中船用球扁钢是造船用辅助中型材。近年来随着造船业的迅猛发展，船用球扁钢需求旺盛。一般较大的船只和正规的船舶在设计时主船体大多选用船用球扁钢，采用与相连板材相同厚度与材质的球扁钢作骨材（也称筋骨或龙骨）。造船工业的发展带动了船用球扁钢需求的增加。2006年，我国造船产量达到1452万载重吨，手持船舶订单6872万载重吨，创历史新高，跃入世界造船业第一方阵；2007年上半年，造船产量达到 755万载重吨， 新接船舶订单4262 万载重吨，手持船舶订单10540万载重吨；2010年前的造船任务已经饱满， 特别值得一提的是，在世界船企手持订单前10强中， 中国占有4家船企。随着造船工业的迅速发展，船用球扁钢的需求将愈来愈大，从1998年8万吨/年，到现在50万吨/年左右，有关专家预测到2010年，球扁钢的需求量将突破100万吨/年1。图1-1 球扁钢的形状1.1.1 球扁钢的规格球扁钢的形状如图1-1所示，由于其异型断面的特殊性，球扁钢通常可以用以下方法表示：腹板球头h-球头高度；b-腹板宽度；t-腹板厚度；r1-球顶面与腹板间的圆角半径、球端圆角半径；r-腹板、球头端部圆角半径图1-2 球扁钢的外形和尺寸标注示例下面以HP80和HP100球扁钢为例，对其进行表示，如表1-1表1-1 HP80和HP100球扁钢的表示方法举例球扁钢公称尺寸（mm）理论重量(kg/m)bthr1r8051941.54.2580620424.88100722.54.526.86100823.54.527.651.1.2 球扁钢的生产和销售特点船用球扁钢是造船工业专用型钢，它分为中国标准 ( 简称国标， 沿用原苏联标准) 和欧洲标准( 简称欧标) 两个标准。目前国内的造船业基本选用欧标。船用球扁钢作为船舶的重要龙骨钢材，销售和生产有如下特点：（1）必须有相应的船级社认可证书。船级社要对生产厂家从原材料开始的生产全过程跟踪检验认可，经核发证书后， 造船方可使用。（2）采购周期短。随着造船节奏加快， 生产周期越来越短， 因此材料的采购周期也大大缩短， 一般要求 3060 天，甚至 1520天。然而随着造船行业的无休止扩张，全球船舶的供需矛盾日益突出，市场竞争愈演愈烈。因此，此时提高球扁钢的质量就成为了各轧钢企业的必然要求，也是 实施可持续发展战略的重要途径。因此我国各球扁钢生产企业加大生产工艺的改造工程迫在眉睫，这也也成为了争夺市场地位的有力武器。1.1.3 常熟市龙腾特种钢有限公司简介图1-3 常熟市龙腾特种钢有限公司目前，我国能自主生产船用球扁钢的企业并不多，而且各家企业生产的球扁钢质量参差不齐，很多球扁钢的质量远不能满足当下许多船企的要求。龙腾特种钢有限公司作为国内独有的一家具有集烧结-炼铁-炼钢-精炼-连铸-型钢轧机六位一体的现代化船用型钢生产线，已形成在国内同行业规模最大、品种最齐、专业化程度最高的生产基地。而其生产的“热轧船用球扁钢”列入国家火炬计划; 2009年“热轧船用球扁钢”被评为“江苏名牌产品”，主要产品船用型钢，已获得CCS、ABS、GL、LR、BV、NK、KR、RINA、DNV全球九大船级社认可证书；2010年公司当选为“中国船舶工业兴业协会”副会长单位。 图1-4 龙腾特钢球扁钢生产车间而面对现行的恶劣的市场形势，常熟市龙腾特种钢有限公司也在不断地优化球扁钢的轧制生产工艺，从而提高自己在市场中的优势地位。目前，常熟市龙腾特种钢有限公司生产的船用型钢年产量突破60万吨，占东南沿海六省一市的市场份额70以上，其中球扁钢占了一半的比例。1.2 球扁钢轧制工艺过程船用球扁钢的轧制流程为：原料准备一加热一轧制一热锯冷却一矫直一锯切一检查一包装一入库。轧制，是指金属(或非金属)材料在旋转轧辊的压力作用下，产生连续塑性变形，获得要求的截面形状并改变其性能的方法，主要用来生产型材、板材、管材。 球扁钢轧制的的主要工艺流程为：铸坯加热高压水除鳞粗轧高压水除鳞多道次轧制高压水除鳞精轧热锯冷床矫直。 1、连铸坯送入轧钢步进式加热炉进行加热，加热至1000-1150（表面温度）；2、钢坯出炉进行高压水除鳞，出去表面一层厚厚的氧化皮；3、除鳞后开始轧制，一般分为连续式轧制（长材、热连轧）或者往复式轧制（中厚板）；4、轧制结束后需要在冷床上进行一定的冷却；5、然后再进行精整（矫直、切割等工序），表面检验和性能检验；6、最后进行打标签、打钢印，出具质保书，然后交货2。 加热到一定温度的钢坯在一定的挤压力作用下产生塑性变形，但是变形的方向与变形量主要受钢材微观组织的影响，但是轧制出来成品的形状主要受孔型设计的影响。一个好的生产工艺，不仅能降低生产中出现的诸多异常情况，比如说堵钢，断辊等，而且还能有效地提高轧制产品的表面质量，降低炸制过程中的能源消耗，从而提高质量，降低成本。1.2.1 原料的选择上面已论述了轧制过程中的坯料选择对于轧制过程获得优良的产品质量至关重要，对与球扁钢尤其如此。根据GB/T9945热轧球扁钢的相关规定，合格球扁钢腹板上不能有开裂的现象，球头必须充满，而且整只钢上不能有耳子，缺肉等缺陷。而要想使球扁钢不能有开裂的现象，就必须正确选用钢坯。所以选择正确的合金钢坯进行轧制对产品质量至关重要，一般选用碳素结构钢和低合金高强度结构钢。目前各轧钢企业正在不断研究不同厚度的连铸坯与轧制工序的衔接， 从组织性能上解决薄板坯生产产品性能的逐步高级化， 实现轧材性能、铸坯厚度和轧制工艺的最优组合，以提高连铸连轧产品的竞争力。 1.2.2 轧制过程中表面摩擦系数的控制轧钢过程中由于热轧会导致钢材表面很容易氧化而形成的一层很厚的氧化铁皮，如果在轧制前不除去，就会严重影响球扁钢的表面质量。因为热轧球扁钢时经常发生粘钢，尤其是钢坯表面的氧化皮对轧辊和钢材产品质量影响很大，这将导致轧制产品在轧辊表面发生胶合产生表面缺陷3。所以一般在轧制过程中，均会设置多道高压水除鳞机，从而减少钢材表面的氧化铁皮厚度，从而减少因氧化皮渗入钢材中影响表面质量的现象。1.2.3 球扁钢轧制过程中孔型设计球扁钢轧制过程中对于其质量的影响尤为重要的一个因素就是轧辊的孔型设计。由于球扁钢特有的形状，而且球扁钢要求球头位置必须是过渡圆滑的圆弧形，所以在孔型设计时就大大增加了难度。由于球扁钢孔型设计不仅要考虑钢材的成分，还要考虑钢材在一定的挤压力作用下的变形抗力的变化，及钢坯在轧制过程中钢材变形宽展与咬入角的变化。这就需要孔型设计工程师对轧制工艺学有相当熟悉的了解，并能很清楚的计算钢材在两轧辊之间的形变。龙腾特种钢有限公司的球扁钢生产就是由公司的工艺设计工程师来负责整个生产工艺的优化与改进工作，每次都需要考虑轧制过程中的轧辊的压下量、钢坯的宽展量、咬入角和变形区长度等因素。1.2.4 球扁钢轧制后的冷却和精整工艺当然球扁钢的生产过程还要考虑轧制过程冷却和精整工艺。因为如果没有控制好冷却方法，就会使成品球扁钢的力学性能达不到要求；如果不在适当的时候进行矫直精整处理，就得不到符合要求的球扁钢，导致球扁钢发生扭转，弯曲，或者波浪等缺陷。所以球扁钢轧制过程的工艺优化也包括冷却和精整处理。1.3 本文的主要内容 通过不断地学习和研究，经过一段时间在常熟市龙腾特种钢有限公司的实习和考察，逐步对轧钢工艺有了一个清楚地认识，并对当下我国球扁钢生产企业的主要工艺流程做了一个很详细的分析，并且和国外许多球扁钢轧制工艺做了一定的比较。 通过查阅资料，并通过在龙腾特钢轧制生产线上的学习，深入了解了我国现有球扁钢生产企业生产的球扁钢质量问题来源，然后结合龙腾特钢所改进的工艺过程及改进后的效果，对球扁钢生产工艺提供一些建议和新思路。第二章 龙腾特钢现有球扁钢轧制工艺 1998 年以前，中国造船工业基本上采用国标球扁钢，其他国家造船工业采用欧标球扁钢。当时国内只有鞍钢、武钢、上海钢厂三家钢铁厂生产国标球扁钢，而欧标球扁钢的生产是个空白，全部需要从北欧的挪威、丹麦、芬兰等国家进口。由于欧标球扁钢具有重量轻、抗压强度高等特点，随着中国造船工业出口船数量的剧增， 采用欧标球扁钢造船越来越多，加之，当时进口的球扁钢一是采购周期长，平均要120150天，二是价格高于国标球扁钢 2000元/ 吨左右，这样刺激了我国钢厂生产欧标球扁钢的积极性。1998年，在中船物总有关领导和部门的呼吁宣传，在冶金部、中国船级社等有关部门的大力配合下，重钢、南钢集团金鑫轧钢厂、邢台吉泰特钢此厂等冶金企业，开始积极试验和批量生产欧标球扁钢，经近十年的不断摸索和实践，到今年国内生产欧标球扁钢的能力达到 6070万吨/年。20世纪70年代之后，特别是进入21世纪这10多年来，在相关学科和技术发展的基础上，轧制技术发展迅速，面貌日新月异，逐渐形成了比较成熟的现代轧制工艺。例如现在已经相对比较成熟的连铸-连轧工艺技术，高精度轧制技术等现代轧制工艺都很大程度的提高了产品的尺寸精度和成材率。但是由于生产中各种因素，包括钢坯温度，表面摩擦等，都影响了球扁钢的质量。2.1球扁钢轧制过程中的加工特性2.1.1 导热系数随着钢中合金元素和杂质含量的增多，导热系数几乎都要降低。碳素钢的导热系数一般最高，合金钢次之，高合金钢最低。而一般情况下随着温度的升高，导热系数降低。轧制球扁钢的钢坯主要分为A，B，D，E 4个等级，它们的合金比例逐步升高。所以球扁钢轧制过程中随着钢坯强度的升高，轧制越困难。合金钢的导热系数愈低，则在铸锭凝固时冷却愈加缓慢，因而使树枝状结晶愈加发达和粗大，甚至横穿整个钢锭。钢坯在加热炉中加热时，合金含量越高，导热系数愈低，而钢坯枝晶粗大则加热时越容易开裂4。2.1.2 金属塑性 一般纯铁和低碳钢的塑性最好，含碳愈高，塑性愈差；低合金钢的塑性也较好，高合金钢一般塑性较差。钢的塑性一方面取决于金属本身，这主要是组织结构中变形的均匀程度，与组织中相的分布等有关，同时也与钢的再结晶温度有关，再结晶开始温度高、再结晶速度慢，往往使钢的塑性变差。另一方面，塑性还与变形条件，即与变形速度、变形温度、变形程度及应力状态有关，其中变形温度的影响最大。2.1.3 变形抗力变形抗力体现的是钢坯的强度，也影响着轧制压力。合金元素尤其是碳、硅等元素的增加是铁素体强化。合金元素是形成稳定碳化物的元素，在钢中一般都能使奥氏体晶粒细化，是钢具有较高的强度。合金元素还通过影响钢的熔点和再结晶温度和速度等来影响变形抗力。当然，高温时合金钢一般熔点较低，高温下的合金变形抗力也会大大降低。用于轧制球扁钢的钢坯强度的增加是随着合金元素的增加而增加的，但是高温时随着合金含量的增加，钢坯的强度反而降低。2.1.4 摩擦系数 热轧钢坯的摩擦系数影响着钢坯轧制的宽展，一般摩擦系数越大，热轧宽展越大，而热轧过程中影响摩擦系数的主要元素是钢坯表面一层厚厚的具有粘固性的氧化铁皮。钢坯在加热过程中由于在较强的氧化性环境中，再加上高温，使Fe与氧气很容易发生剧烈的反应，形成一层厚厚的氧化皮。这层厚厚的氧化皮不仅严重影响钢坯消耗，而且由于氧化铁皮具有粘钢性，增加了钢坯表面的摩擦系数。另外，由于这层氧化铁皮在轧制过程中与轧辊和轧件表面接触，易被压入轧件，从而形成麻点，影响球扁钢的表面质量。2.2 国内球扁钢生产过程中的工艺特点2.2.1 国内一般企业球扁钢轧制工艺特点由于型钢品种繁多、规格齐全、用途广泛，在很多领域内都是不可替代和生产方式最经济的，所以在金属材料中的型材生产占有非常重要的地位。而球扁钢作为一种重要的型材，其本身就存在以下特点：（1）规格品种多，且批量小。规格有22个，从HP50HP430品种，有普通、低合金、高强度、军用等强度种类。（2）质量要求高。对产品的表面、内在质量和规格尺寸、抗压强度等均有特殊的严格要求。 在我国，型材的工业化轧制生产起步较晚，球扁钢生产工艺和生产能力尤其落后于世界发达国家水平。而且球扁钢断面结构复杂，孔型设计和轧制生产都有其特殊性，生产难度大，成材率低。 球扁钢的球头部分是关键，往往要经过反复多次的轧制成形，这导致我国球扁钢生产一般成材率只有 75% 80% ， 而其他型材的成材率平均都在 90% 以上1。由于船用球扁钢主要用于船舶工业，所以各船舶企业对球扁钢表面质量和力学性能要求很高。但我国轧制工业起步较晚，各项工艺技术还不是很成熟，很多提高轧制产品表面质量的工艺均在进行不断地摸索和改进，比如现在国内许多轧钢企业都在大力开发高精度轧钢技术，针对球扁钢等型钢有包括HPR技术等提高其表面质量的。2.2.2热轧球扁钢的工艺过程 一般型钢的轧制工艺如下图2-1所示：原料准备 加 热 轧 制 冷床冷却 矫 直 定尺锯切 检 验 定尺包装 司 磅 入 库 图2-1 一般型钢的轧制工艺过程图由于球扁钢本身断面结构复杂，而使用过程中质量要求很高，所以一般型钢的轧制工艺一定不能满足球扁钢的性能要求。为了追求时代潮流，加速轧钢工艺生产自动化流程，提高球扁钢的表面质量和钢材力学性能要求，轧制工作者试验了许许多多次的工艺优化改进措施。比如，为了提高钢材原料的可轧制性，防止或减少钢坯轧制过程中的开裂现象，许多科学工作者在冶炼钢坯中加入各种合金做着无数次重复的试验，终于发现加入Nb可以有效的提高热轧钢坯轧制性能；为了提高球扁钢表面质量，减少球扁钢表面氧化铁皮量，保证产品表面光整平滑，人们试着在钢坯出炉时先用风铲除去一层厚厚的氧化皮。或是在轧制过程中用高压水枪冲洗轧件在轧制过程中不断产生的氧化皮，从而防止氧化铁皮被压入轧件表面而形成麻点。（1）原料的选择与准备一般轧制生产常用的原料有铸锭、轧坯以及连铸坯。三种原料的优劣比较如表2-1所示5。通过比较可知，考虑到生产成本和生产工艺，采用连铸坯轧制是球扁钢类型钢轧制的发展方向。表2-1 不同钢坯的优缺点比较原料优 点缺 点适用情况铸锭不用初轧开坯，可独立进行生产金属消耗大，成材率低，不能中间清理，压缩比小，偏析重，质量差，产量低无初轧及开辟机的中小型企业及特厚板生产轧坯可用大锭，压缩比大并可中间清理，钢材质量好；成材率比用扁锭时高；钢种不受限制，坯料尺寸规格可灵活选择需要初轧开坯，使工艺和设备复杂化，使消耗和成本增高，比连铸坯金属消耗大，成材率小大型企业刚种品种较多及规格特殊的钢坯连铸坯不用初轧，简化生产过程及设备；使成材率提高或金属节约6%12%以上；大幅降低能耗并降低成本；比初轧坯形好，短尺少，成分均匀；节省投资及劳动力；易于自动化目前只适用于镇静钢，钢种受限制，压缩比也受限制，不大适用于生产厚板；受结晶器限制规格难灵活变化，连铸工艺掌握较难适用于大、中、小型联合企业品种较简单的大批量生产 由于热轧钢坯是经过炼铁和炼钢处理的坯料，在铸造和合金熔炼过程中坯料表面会形成各种缺陷（结疤、裂纹、夹渣、折叠等）。尤其碳素钢和低合金钢表面很容易形成一层厚厚的氧化铁皮，严重影响轧制过程中轧件与轧辊表面之间的摩擦力，从而影响宽展。而且氧化铁皮还严重影响轧件轧制过程中的表面质量等。所以在轧制前采取一定的措施来除去表面氧化皮或降低氧化铁皮含量对提高产品质量有很大的帮助。（2）原料的加热球扁钢轧制过程是一个热轧过程，之所以要对钢坯加热目的是提高钢坯的塑性，降低变形抗力及改善金属内部组织和性能，以便于轧制加工。但是加热温度的选择应适宜，在2.1.1中已就钢坯加热温度正确选择的重要性做了概述，这里就不在赘述。而且加热过程是在一个氧化性气氛很高的炉内进行的，时间愈长，炉内氧化性气氛愈强，钢皮表面形成的氧化铁皮越多，就越影响轧制产品的质量。考虑到钢坯的导热性，就必须控制好加热速度。由于用于轧制球扁钢的合金钢在500600C以下塑性很差，如果突然将其装入高温炉中，或者加热速度过快，由于表层和中心温差过大而引起内外热应力较大，加上本身存在的铸造应力和组织应力，往往会使钢坯开裂6。（3）球扁钢的轧制球扁钢的轧制过程是为了获得精确的球扁钢断面尺寸要求及改善组织性能，轧制过程也理所当然成了保证产品质量的一个重要环节。 变形程度对球扁钢组织性能的影响对于热轧球扁钢，变形程度越大，所受的压应力越大，对球扁钢的组织性能越有利。这是因为：变形程度大，所受到的应力强，有利于破坏钢坯中枝晶偏析，从而改变铸态组织。变形程度主要取决于轧辊的孔型设计，球扁钢轧制过程中的变形程度对钢坯咬入也有很大的影响。 变形速度对产品组织性能的影响变形速度主要影响球扁钢的机时产量，影响球扁钢生产的生产率。但是轧制速度也要受钢坯摩擦系数和轧制压力的影响，还经常影响到钢材的尺寸精度。 变形温度对产品组织性能的影响球扁钢轧制过程中由于钢坯降温比较快，不注意控制轧制温度，就很容易影响球扁钢的内部组织成分。如果钢坯降温过快，轧制温度过低，不仅容易引起轧制过程中钢坯开裂，还容易导致轧辊断裂等严重影响生产的问题。轧制终了温度以最后一道轧制为基础。（4）球扁钢的轧后冷却和精整 热轧后球扁钢在不同的冷却环境下会得到不同的组织结构和性能，因此，轧后冷却制度对刚才性能有很大的影响。实际上，轧后冷却就是一个利用轧后余热来热处理的一个过程。而实际生产过程中也经常利用控制轧制和控制冷却的手段来获得需要的组织性能的。 球扁钢在冷却以后，由于断面结构复杂，所以很容易发生变形，所以冷却后还要进行必要的精整，如切断、矫直等，以保证正确的形状与尺寸。（5）球扁钢生产过程中的质量检验生产过程中的中间质量检验和成品质量检验对保证产品的质量至关重要。轧钢生产过程的检查主要检验球扁钢的尺寸要求和表面质量要求；而成品检验除了包含尺寸和表面质量外，还要检验力学性能是否符合要求。2.2.3生产设备平面布置图轧钢设备和设施按选定的生产工艺流程和各工序之间的关系确定的平面布置，是轧钢车间设计的重要内容之一。轧钢车间平面布置的内容主要是根据已定的生产工艺流程(见轧钢生产工艺流程)、设备的型式和数量确定为完成生产任务而系和有关辅助设施的面积、位置等。轧钢车间平面布置是否合理，不仅对车间占地面积、投资及投产后的生产情况有影响，而且对车间的长远发展及扩大再生产能力也起重要作用。因此在确定轧钢车间平面布置时应注意下列问题：(1)必须满足生产工艺要求，使车间具有畅通的生产流程线；(2)设备间距能满足上下工序工艺上的需要，互不干扰，并考虑操作条件和劳动安全；(3)跨间组成和相互的位置关系既要能满足生产工艺要求，又要注意节省车间占地面积和投资；(4)使上下车间和工序联系紧密，以缩短运输距离，缩短管线铺设长度；(5)为车间发展留有余地，能适应车间今后在产量、质量和品种上发展的需要。如图2-5、2-6分别为龙腾特钢的新580车间与850 车间的平面布置图。图2-5 新580车间平面布置图原料仓库 加热区 轧制区 冷却区 精整区图2-6 850车间平面布置图连铸坯 原料仓库 加热区 钢坯轧制变形区 冷床 冷却精整区第三章 球扁钢轧制过程中的工艺优化常熟市龙腾特种钢有限公司创建于1993年，从建厂至2000年这八年中，公司销售总额只有1亿元。为了使公司能够取得更好的发展，近十年来公司坚持着“与时俱进、敢为人先”的作风，围绕科学发展观，不断进行技改投入，及时调整产品，优化产业结构，坚持把产品“做大、做强、做优、做专”。作为主打产品的球扁钢，在2000年以后也得到了一个飞速的发展，经过多年的努力，龙腾特钢的工程师们逐步开发并优化一套又一套的球扁钢轧制新工艺。图3-1就是龙腾特钢现在的轧制工艺流程，相比一般型钢的轧制工艺流程，的确多了许多工序，尤其是对加热炉的节能和针对提高轧件表面质量做了很多的优化。图3-1 常熟市龙腾特种钢有限公司球扁钢轧制工艺流程图63.1 球扁钢轧制过程中的加热控制有效控制球扁钢用钢坯加热温度不仅可以有效地控制好钢坯的塑性和变形抗力，利于钢坯轧制，而且有利于降低燃料消耗，从而大大降低生产成本。下面就龙腾特钢两条生产线的加热炉进行比较分析，比较加热优化前后的变化。表3-1 龙腾特钢两车间加热炉加热温度比较7车间加热炉类别预加热段上加热段下加热段上均热段下均热段580车间850车间普通加热炉蓄热式推钢炉600-850600-8501200-13301200-13301210-13501210-13501210-13201210-13201210-13301210-1330由表3-1看出，两车间加热炉的加热区间相同，但是580车间由于建造时间早，使用的是普通加热炉，是以原煤为燃料的。但是为了控制能耗，降低废气排放，减少空气污染程度，580车间采用煤气发生炉先对原煤进行加工（安装煤气发生炉），使之先转化为煤气，然后再进行加热。尽管使用原煤转化来的煤气热值比较高，但转换过程中价格昂贵；850车间建造时间晚，使用蓄热式推钢炉，是以炼钢用高炉的废气高炉煤气为原料的，热值稍微逊于焦炉煤气，但是使用的是炼钢的废气，算是一种能源回收利用。两者的主要区别是580车间使用的煤气热值高，但是原煤消耗高，吨钢煤耗也相对较高；而850使用的高炉煤气尽管和一般工业煤气相比热值较低，但是由于本身使用的是高炉煤气，算是高炉废气的回收利用，大大降低生产成本。850车间使用的是蓄热式加热炉，实质上是高效蓄热式换热器与常规加热炉的结合体，主要由加热炉炉体、蓄热室、换向系统以及燃料、供风和排烟系统构成。该加热炉，相比较一般加热炉可节能25%左右。下图是常熟市龙腾特种钢有限公司新580车间和850车间前4个月吨钢煤耗的比较：图3-2 龙腾特钢车间每月吨钢煤耗比较 由这张柱形图可以看出，新580车间由于使用的是煤气发生炉，用的原料还是原煤，所以吨钢煤耗较高；而850车间使用的是蓄热式推钢炉，使用的燃料为相邻炼铁分公司的高炉煤气作为燃料，以等价的热值换算得到的吨钢煤耗与580车间比较，明显低很多。3.2 球扁钢轧制过程中钢坯表面摩擦系数的控制3.2.1 球扁钢轧制过程中钢皮表面摩擦的产生原因钢坯在加热过程中由于高温和高氧化性气氛，导致表面形成一层厚厚的氧化铁皮，轧制前如果不做一定的处理，将导致钢坯表面摩擦系数增加，从而加大钢坯轧制的宽展，影响球扁钢轧制成形。图3-3是热轧钢材表面氧化皮形成过程图。图3-3 高温时钢坯表面氧化皮的形成过程8氧化皮易与轧件表面和轧辊之间发生粘钢，将导致球扁钢表面形成许多麻点，还影响轧辊的寿命。为了有效去除表面氧化皮，很多公司采用风铲清理。但是由于风铲清理存在不能一次彻底清除掉的缺点，所以龙腾特钢轧钢车间采取了在钢坯出炉轧前安装高压水除鳞装置的方式来清理养护铁皮。实践证明，该装置有效地去除了钢坯表面一层厚厚的氧化铁皮。3.2.2 高压水除鳞系统原理高压水除鳞的工作原理是利用高压水的冲击力和推铲力，基体材料和氧化铁皮层冷却收缩率不同而产生的剪切力，水渗入基体材料和氧化铁皮之间产生的蒸汽爆炸等诸多综合力的作用下，使氧化铁皮迅速脱离基体，同时高压水按设定方向冲走氧化铁皮，除鳞机喷射原理图如图3-4所示。图3-4 高压水除鳞除鳞原理高压水除鳞系统是由一个高位水箱，一套液压系统，一套润滑系统，四台高压卧式柱塞泵组，一套循环阀组，一个除鳞箱装置高低压输水管线，阀门和一个热金属检测器等组成7。3.2.3 影响高压水除鳞效果的原因分析除鳞的设备装置就是高压水喷嘴，高压水除鳞时， 水在高压作用下从水嘴高速喷出打击到钢坯表面。由于高速喷射的水流具有一定的质量和速度， 也就是具有一定的动能， 当高压水冲击到钢坯上时， 由于流体方向的改变， 将对钢坯产生一压力， 即为通常所说的打击力。 F = 2CqA oP （3-1）式中： Cq喷嘴流量系数; A o 喷嘴的过流面积; P 喷嘴的前后压差。从公式3-1可以看出，当喷嘴不变时，Cq、A o为定值，随着P 即P 的增大， F 线性增大; 当P 即P 一定时，喷嘴的过流面积即流量增大，打击力线性增大。因此影响除鳞效果的主要因素是：水嘴的质量，水嘴前的喷射压力，水嘴的喷射角度、喷射高度、喷射流量，以及轧件允许的温降、运动速度等。（1）喷嘴安装高度对除鳞效果的影响假设射流断面为长方形，则由理论计算可知，单位面积的打击力与喷嘴距钢坯表面的距离的平方成反比。日本I. I keuch i Co. Led 公司的实验数据如表3-2 所示9。表3-2 水嘴喷射高度与射流断面的宽度、厚度的关系水嘴型号射流断面的宽度与厚度L 、/mm水 嘴 喷 射 高 度h/mm10020030040050060040640L801602352953503908111417192136798L751452102653103509121518202234478L701402002502953407101316182032478L651301902402853258111417192128640L60110160200235270912151820随着高度的增加， 射流的宽度和厚度增加， 即射流面积增大。同时，空气可引起射流的能量损失。龙腾特钢通过实践证明， 上述因素共同作用的结果是， 在其它条件不变的情况下， 单位面积打击力与高度的平方成反比。（2）喷嘴角度对除鳞效果的影响当喷嘴距钢板的高度、压力、流量一定时， 喷射角越大， 打击面积越大， 单位面积的打击力越小。同时， 由于喷射角大， 射流边部暴露在空气中的长度越长， 空气对其的影响越大， 射流因此而引起的能量损失越大， 打击力减小10。理论计算和德国施乐普流体控制公司的实验结果见表3-3：表3-3 喷嘴角度对除鳞效果的影响理论值与实验值比较原始喷射角/（）变化后喷射角/（）打击力增加量/%差值/%理论值实验值40302636104026355823302611187理论值是指由于喷射角度变化而引起的射流断面的减小，从而引起的打击力增加值(理论计算)。差值则表明，除了因射流断面减小而引起的打击力增加量外，还有因空气对射流的影响减小等因素而引起的打击力增加量。这表明实验值并非仅是由于射流面积因喷射角减小而减小造成的，还有空气对射流的影响因素。因此， 在选择喷嘴时应尽量不选择大喷射角。根据龙腾特钢的实际情况，850车间和580车间的高压水除鳞出水压力均为27.5MPa，泵速约200r/min。（3）重叠量对除鳞效果的影响 重叠量指两个喷嘴在喷射宽度上相互重叠的部分， 如图3-5 所示。图3-5 两个喷嘴喷射宽度重叠区示意图其主要目的是： 由于在水嘴的喷射宽度两个边部的打击力降幅比较大， 为避免因边部打击力的降低而产生除鳞效果不良的后果， 需在喷射宽度上有适当的重叠量w ; 防止水嘴管座安装时在整个集管上的分布不均和水嘴安装的角度不准而造成的覆盖不充分， 从而避免铁皮除不净。 图3-6为高压水除鳞装置的总图。图3-6 高压水除鳞装置总图经过加热炉出口、轧前高压水除鳞，钢坯表面氧化铁皮明细减少。如图3-7和图3-8是球扁钢轧制过程中，中轧（2机架）前高压水除鳞装置安装前后的表面质量效果比较。通过图3-7可以看出，在中轧前没有安装高压水除鳞装置时，常常出现如图所示的麻点，通过一5角钱的对比，可以看出麻点面积很大；而图3-8可以看出高压水除鳞装置增加后球扁钢表面很光滑，很少出现麻点。由于钢坯轧制环境是在温度为8501150C之间的空气中，轧制过程中钢坯表面氧化皮形成速度很快，尤其由于球扁钢用钢坯的自身性能易使表面形成一层氧化皮，从而影响球扁钢表面质量。为了提高球扁钢表面质量，龙腾特钢轧钢公司工程师经仔细研究分析决定在中轧入口3机架和2机架前分别安装一高压水除鳞装置。实践证明，安装这套高压水除鳞装置后球扁钢表面质量有了一个质的飞跃。图3-7 中轧前未设置高压水除鳞装置时球扁钢的表面麻点图3-8 中轧前设置高压水除鳞后球扁钢表面质量近年来钢铁市场不景气，全球造船业也发展缓慢，提高表面质量对于提高公司的市场竞争力有很大帮助。尽管龙腾特钢的球扁钢产品质量在全国范围内已经有很大的竞争力，但是还是有少量产品表面质量不达标，产生客户质量异议。而且龙腾特钢许多的球扁钢出口国外，国外客户对球扁钢表面质量要求更加严格，为了进一步提高表面质量，2013年2月份龙腾特钢轧钢分公司以850车间为试点，在球扁钢最后精轧入口处又新增一高压水除鳞装置，从而有效地提高了球扁钢的表面质量。3.3 球扁钢轧制过程中的孔型优化设计 球扁钢生产过程中，为了得到要求的产品形状和尺寸，钢坯在一系列由上下辊组成的环形孔中逐步变形，最后得到具有一定尺寸和力学性能的球扁钢。球扁钢轧制和一般的简单断面型钢变形有所不同，不只是一般的均匀变形，还存在较大的不均匀变形。如果孔型设计不正确，将会导致钢坯在变形过程中充型不满，导致得不到理想的成品尺寸。下面以龙腾特钢生产的HP240球扁钢轧制的孔型设计为例，对孔型的优化设计做一定的分析。 3.3.1 球扁钢的轧制参数设计轧制HP240 球扁钢系列采用160mm220mm连铸坯，其成品厚度按10mm、11mm、12mm 3个规格设计， 轧制道次为10 道7。有关设计参数见表3-4。表3-4 HP240船用球扁钢设计参数成品厚度mm截面面积mm 单重kg/m总延伸系数平均延伸系数道次数原料长度m10324925.57.961.20102.611348927.397.411.199102.612372929.276.931.19102.6根据有关资料，目前生产球扁钢有3 种轧制方法： 平轧、角轧和槽式轧法。根据工艺设计要求， 结合龙腾特钢实际情况， 龙腾特钢工程师们采用槽式孔型系统进行轧制。这一孔型系统能使孔型比较对称，轧件变形均匀，轧制的稳定性较强，操作方便。又由于轧件比较对称，轧制的轴向力较小，轧件不易窜动，产品质量稳定11。3.3.2 球扁钢的孔型设计孔型设计的方法是：将腰部弯折一段长度，与球部构成类似槽形的结构， 弯折的长度与球高垂直投影基本相等，以保持轧制过程的平衡。其中K1 为不对称平轧成型孔，K4、K7 为槽式控制孔，K2、K3、K5、K6 为闭口槽式孔， K8为切分孔。预切分孔的设计主要考虑孔型对坯料的夹持程度， 给予一定的侧压量。切分孔的设计参照槽钢孔型的设计原则， 切分楔子的接触以大于或等于2 /3 为好，以防轧件切偏( 见图3-9、图3-10) 。同时，要充分利用高温塑性好的特点， 把不均匀变形集中在粗轧道次。 图3-9 切分及切分前孔型设计 图3-10 切分孔楔子接触状况（1）成品孔的设计成品孔不仅要承担一定的变形量，还要将弯折的腿扳直。球扁钢的外形尺寸精度要求高，球头部位要求光滑。因此，成品孔的球头部位必须设计成闭口形式， 辊缝开口开在腹板上方，以避免球头部位出耳子。由于850车间成品采用自动堆垛方式，因此球头设计成朝下形式。同时，为防止轧件出成品孔扭转，可以将成品孔腰部中心线与轧制线设计成一定角度( 25) ( 见图3-11) 。图3-11 成品孔构成（2）其它孔型设计 压下量分配：主要考虑腹板的压下量，压下量的设计类似槽钢。这里需注意的是顺轧制道次，腹板是一个逐渐扳直的过程，在扳直量大的道次其压下量需相对小些。 宽展系数： 除槽式切分孔外，其余孔型都是腹板逐渐扳直的孔型， 其扳直宽展量要较正常的大，其宽展系数可取0.40.6。扳直量大的孔型，其宽展系数可取1.0 以上2。 弯曲段长度的选取：顺轧制方向，弯曲段长段应逐道增加，以保证轧制过程轧件出孔型的稳定。但要特别注意相邻两孔的接触状态，使其接触点既对称又能同时接触为好。 由于球扁钢轧件在成品孔及各变形孔中均为不对称轧制，孔型设计稍有不当，就会发生严重的不均匀变形。它不仅影响成品质量，外形扭曲，难以矫直，内应力难以消除，而且使轧制过程更加困难。因此，在设计过程中必须遵循球腹的原则，特别在精轧最后三、四道要求球腹。球头部位高度在设计时除遵循球腹的原则外，闭口孔进闭口孔可不考虑球头的增长，闭口孔进控制口考虑给予一定的垂直加下量。考虑到球扁钢每个品种都有几个厚度规格，为使轧辊及孔型共用，设计时应从最薄的规格设计起。整个孔型系统见图3-12。 K10 K9 K8 K7 K6 K5 K4K3 K2 K1图3-12 球扁钢的轧制过程中各孔型图3.3.3 配辊设计和导卫设计( 1) 龙腾特钢工作人员在配辊力求轧件进出平直稳定，避免轧件头部插入地辊或盖板，成品机架孔型配下压力，其余孔型配上压下，适当增加切分孔的上压力。( 2) 变形孔与槽钢导卫设计相似，龙腾特钢工作人员将进口导卫前端尽量靠近孔型， 同时加装垂直导辊；在精轧出口导卫安装水平导辊用以避免球头部位擦伤。3.3.4 轧制过程控制( 1) 成品尺寸控制：除按正常程序对红钢进行卡量外，应取钢尾试样进行测量， 根据测量结果进行轧机的调整。轧制过程中应根据轧件扭转及弯曲方向， 反方向将上一道的用料减小，以保证轧件进出轧机的平稳。( 2) 温度控制：为提高球扁钢的力学性能，特别对高强度球扁钢，龙腾特钢严格控制终轧温度在8709003。龙腾特钢工作人员通过对孔型的优化设计，大大提高了现有球扁钢的成材率。龙腾特钢球扁钢现有成材率如图3-13和3-14所示，均高于88%，明显高于国内一般球扁钢生产厂家的80%的标准。图3-13 2013年1季度850分厂成材率报表图3-14 2013年4月份850分厂成材率报表3.4 球扁钢轧制过程中的冷却与精整矫直工艺优化 球扁钢在冷却后，需要进行精整矫直。有时由于未能正确的进行矫直处理，导致球扁钢成品出现弯曲、波浪、扭转等缺陷，严重影响产品的质量。为了减少弯曲等缺陷，在精整矫直过程中务必需要：( 1) 矫直孔型按斜配孔型设计，保证矫直的稳定并能保证一定的重车量。( 2) 冷却工艺：由于球扁钢球头与腹板的冷却速度不一样，在250以上时， 整根轧件不会发生大的变形。因此，在250时对整根轧件进行快速冷却， 使球头与腹板的冷却速度差尽可能的小。在80以下时用矫直机进行矫直7。为了提高球扁钢产品的表面质量，龙腾特钢对于矫直后的球扁钢允许偏差有严格的标准。3.4.1 弯曲度 球扁钢轧制冷却时由于热胀冷缩，加上球扁钢的自身断面结构特异性，球扁钢冷却后发生很大程度的弯曲。为了提高球扁钢的直线度，龙腾特钢工程师制订了比国家标准还严格的内控标准，如表3-5所示：图3-15 球扁钢的弯曲度表3-5 龙腾特钢球扁钢弯曲度控制标准球扁钢型号EN10067标准GB/T9945标准内控标准1内控标准2100120q0.0035Lq0.0025Lq0.0025L140300q0.00125L320430q0.0025L弯曲度的测量方法是用一根1米的直尺或拉线测量，用游标卡尺测量弯曲部分的最大缝隙，然后换算成表3-5的标准要求7。3.4.2 纵向的波浪波浪波浪图3-16 球扁钢纵向波浪球扁钢在矫直过程中时常出现纵向的波浪，如图3-16所示。为了精确波浪的基本参数，龙腾特钢采取严格的内控标准，按下表进行控制：表3-6 龙腾特钢球扁钢波浪控制标准波浪长度内控标准700mm以下1mm700mm以上0.0025L纵向波浪的测量方法和弯曲度的测量方法相同，测量结果换算成表3-6的标准要求。3.4.3 扭转图3-17 球扁钢的扭转球扁钢的扭转应符合下表的要求：表3-7 龙腾特钢球扁钢扭转控制标准长度EN10067标准GB/T9945标准内控标准1内控标准2全部“不得有明显扭转”0.5/m0.35/m球扁钢扭转的测量方法和弯曲度的测量方法相似，将球扁钢放在平坦的表面上，测量腹板相同线的最低点和最高点距离T： 图3-18 球扁钢扭转的测量正是由于龙腾特钢工作人员的严格规定，加上不断更新的矫直设备，严格执行相关标准，使生产的球扁钢的直线度精度大幅提高。3.5 球扁钢的检验标准优化 一般型钢生产公司为了降低人力资源投入，对检验人员投入较少。但是常常出现许许多多的质量问题。由于球扁钢在轧制过程中易出现麻点，耳子，扭转，厚度不等尺等缺陷。为了提高球扁钢的质量，确保生产的球扁钢符合国家标准（或企业标准）和客户要求，龙腾特钢在产品检验上花足了功夫。以下就龙腾特钢的产品检验做详细的分析。图3-19 球扁钢形状及尺寸示意图3.5.1 球扁钢检验的人员与检验点的设置由于轧钢工艺的特殊性，球扁钢生产过程中的随时检验对于控制和提高球扁钢的质量有着相当重要的作用。所以龙腾特钢在检验的人员上投入较多。有红检工（检查钢材外观质量、尺寸），检验工（检查钢材的外形、表面质量、尺寸，标识钢材）和试验员（检测钢材的力学性能）。检验点设置也较其他的公司多了许多，包括以下五个检验点，即（1）成品后检验点：检验红钢的几何尺寸、表面质量；（2）冷床检验点：检验冷却后钢材的几何尺寸、表面质量；（3）包装台架检验点：检验几何尺寸、表面质量、矫直质量、锯切质量、定尺长度、包装方法、标识；（4）发货检验点：对发货钢材进行抽检；（5）机械性能试验室检验点：检验钢材的机械性能，包括拉伸、弯曲、冲击韧性等。3.5.2 球扁钢轧制过程中的各检验点的检验方法 （1）成品后检验点红检工在成品后检查点检查钢材的尺寸和表面质量。对于所有型钢，红检工应取整根钢材头部1米左右处或中间处样品（样品宽度应不小于10cm，否则不好测量），测量其宽度、厚度等尺寸，观察成品表面质量。球扁钢还须用专用卡板测量球头厚度偏差，球头厚度偏差的公差允许在0.8mm以内。具体钢材品种的尺寸和表面质量控制请参见对应附件。（2）冷床检验点冷床检验工负责检查钢材的外观质量和几何尺寸。对于所有型钢，