板带钢的生产

张朝磊材料科学与工程学院材料加工与控制工程系 钢铁生产概论第三篇 轧钢生产 从铁矿石准备到钢产品生产的流程 1引言钢的加工成形轧制定义及历史 轧制理论2钢坯及型线材生产3板带钢的生产板带钢产品的特点 地位 分类 用途 生产方法 主要技术要求等中厚板 热轧板带钢 冷轧薄板带钢主要产品特点 生产流程和工艺等4钢管的生产 特点 以钢铁生产流程为主线突出生产实际与应用专业性强且通俗易懂主要内容 炼铁 炼钢 轧钢 目标 普及钢铁生产知识 第三篇轧钢生产 断面形状简单 具有使用上的万能性可以随意裁剪与组合 可以弯曲和冲压加工 还具有包容和覆盖能力 content 板带钢产品的特点及地位 板带钢的分类与用途 板带钢生产的一般方法 板带钢生产的技术要求 定义 板带钢是一种宽度与厚度的比值很大的扁平断面钢材 板带轧制概述 板带钢产品的特点及地位 一 板带产品的使用特点及生产特点 1 板带产品的使用特点 可任意剪裁 弯曲 冲压 焊接 制成各种制品构件 使用灵活方便 可弯曲 焊接成各类复杂断面的型钢 钢管 大型工字钢 槽钢等结构件 表面积大 故包容覆盖能力强 2 板带材的生产特点 平辊轧出 形状简单 轧制压力大 3 板带钢轧制技术的发展 一些重要工业部门的迅速发展对原材料品种与数量的要求有了巨大增长 现代化的技术条件下有可能大量供应品种繁多 廉价 质优的板带钢 板带钢的产量多 用途广 规模大 品种全的生产特点 在国民经济中占据着异常重要的地位 对促进生产的发展起着重要作用 统计结果表明 一个国家工业化程度越高 板带钢产量占钢材总产量的比例就越高 二 板带钢在国民经济中的地位 板带钢的分类与用途 一 按规格分 二 按用途分 1 特厚板及中厚板 中厚板 是国民经济发展的主要材料 号称万能钢材 弯曲后当作型材 卷起来做管材 焊接成各种形状 作为国民经济的支撑材料 主要用途 机械结构 建筑 车辆 压力容器 桥梁 造船 输送管道 2 热轧带钢主要用作冷轧带钢的原料 其次是作焊管坯 轻型型钢及剪切板材的原料 或以厚规格钢卷为原料生产厚壁大直径螺旋焊管 3 冷轧带钢 按含碳量 甲类钢 A 保证力学性能乙类钢 B 保证化学成分特类钢 C 保证力学性能 化学成分 低碳钢 C 0 6 三 按化学成分 2 优质碳素结构钢 普通含锰钢 Mn 0 5 0 8 根据含碳量的高低 08钢 10钢 15钢 20钢 85钢eg 10钢 表示平均含碳量为0 1 较高含锰量 Mn 0 8 1 2 在普通含锰量钢后面 Mneg 10Mn钢 85Mn钢 3 碳素工具钢 4 普通低合金钢 钢号头 T 数字以含碳量的千分之几表示 钢号后 A 表示P S含量不超过0 03 的优质钢 含碳量在0 10 0 20 之间并含有一定量的Si Mn V Ti Nb等合金元素 如 16Mn 09SiV 10MnTi 10MnNb 按合金元素含量分 低合金钢 3 5 以下 中合金钢 3 5 10 高合金钢 10 以上 板带钢生产的一般方法 一 单张轧制生产 在一张一张的状态下进行 用于中厚板生产 由于厚度较大 只能采用单张轧制的生产方法 为了减小变形抗力 中厚板的轧制采用热轧的方法 分为单机座和双机座 二 成卷轧制生产 1 热轧带钢生产2 冷轧带钢生产 板带钢生产的技术要求 尺寸包括长度 宽度和厚度 其中厚度最为主要1 原因厚度一经轧成 不能像长度和宽度那样有修剪的余地 此外 厚度的微小变化势必引起其使用性能和金属消耗的波动 2 负偏差轧制在产品标准中规定了钢材尺寸的波动范围 即允许钢材实际尺寸与公称尺寸 理想尺寸 之间有一定偏差 如果成品钢材按小于公称尺寸轧制 则称为负偏差轧制 优点 节约金属 提高产量 尺寸精确板形好 表面光洁性能高 一 尺寸要求精确 二 板形要求良好 在钢板的技术条件中对钢板的不平度提出要求 以钢板自由放在平台上 不施加任何外力的情况下 钢板的浪形和瓢曲程度的大小来度量 板形要平坦 无浪形瓢曲才好使用 例如 对普通中厚板 其每米长度上的瓢曲度不得大于15mm 优质板不大于10mm 对普通薄板原则上不大于20mm 无论是厚板或薄板 表面皆不得有气泡 结疤 拉裂 刮伤 折叠 裂缝 夹杂和压入氧化铁皮 危害 缺陷不仅损害板制件的外观 而且往往破坏性能或成为产生破裂和锈蚀的策源地 成为应力集中的薄弱环节 三 表面要求光洁 对于不锈钢板等特殊用途的板带 还可提出特殊的技术要求 例如 硅钢片表面的氧化铁皮和表面的光洁度就直接败坏磁性 深冲钢板表面的氧化铁皮会使冲压件表面粗糙甚至开裂 并使冲压工具迅速磨损 四 性能要求较高 根据钢板用途的不同 对钢板和钢带的性能要求不同 对力学性能的要求包括对强度 塑性 硬度 韧性的要求 对绝大多数的钢板 钢带产品而言力学性能是最基本的要求 工艺性能包括冷弯 焊接 深冲等性能 例如一般结构钢板只要求具备较好的工艺性能 如冷弯 焊接性能等 而对力学性能的要求不很严格 电机和变压器用钢对磁感强度 铁磁损失等物理性能提出要求 不锈钢板 钢带等对防腐 防锈 耐酸 耐热等化学性能提出要求 从铁矿石准备到钢产品生产的流程 中厚板生产 一 中厚板轧机的型式及布置1 中厚板轧机的型式 1 二辊可逆式轧机 旧式轧机精度差 弃用 2 三辊劳特式轧机 上下轧辊直径700 850mm 中辊直径500 550mm 辊身长度1800 2300mm 现有部分中小型企业使用 3 四辊可逆式轧机 现代应用最广泛的轧机 集中了二辊和三辊劳特式轧机和优点 既降低了轧制力 又大大增强了轧制刚性 适合于轧制宽度较宽 精度和板形要求较严的中厚板 4 万能式轧机 一侧或两侧具有一对或两对产辊的可逆式轧机 设计理念 生产齐边钢材 不用剪边 以降低金属消耗 提高生产率 实际使用 适用轧件宽厚比 B H 小于60 70时 若B H 70则易产生纵向弯曲 5 复合式轧机 即能轧中厚板又能轧板坯 产量约占板带钢产量的15 20 2 中厚板轧机的布置1 单机架轧机 四辊式为主 各种形式轧机2 双机架轧机 现代中厚板轧机的主要型式 由两架轧机分别完成粗轧和精轧的任务优点 轧机产量高 产品表面质量 尺寸精度 板型好 一般组合 二辊轧机和四辊轧机四辊轧机和四辊轧机3 连续式 专门生产中厚板的连续式中厚板轧机 只有美国钢铁公司日内瓦于1945年建成的3350mm半连续式轧机一套 用于大量生产薄而宽品格规格单一的中厚板 二 中厚板生产工艺1 一般中厚板生产流程 原料的准备和加热 轧制 除鳞 粗轧 精轧 精整 矫直 冷却 检查 剪切 热处理 2 特殊中厚板生产流程 特殊中厚板 原料和轧成的钢板均需经超声波探伤检查 以确保内在质量 保证表面质量 偏差尺寸 抛丸处理 不锈钢酸洗钝化处理等 原料的准备和加热 轧制 除鳞 粗轧 精轧 精整 矫直 冷却 检查 剪切 热处理 30 1 原料种类 原料准备和加热 2 原料设计 厚度尺寸尽可能小 原料的宽度尺寸尽量大 原料的长度应尽可能接近加热炉的最大允许长度 3 加热的目的 提高钢的塑性 降低变形抗力 使坯料内外温度均匀 改变金属的结晶组织 保证生产需要的机械和物理性能 4 加热的要求 满足工艺规范的需要 沿长度和断面均匀 减少加热时氧化烧损 31 推钢式 热滑轨式 连续炉步进式 按其构造分 连续式加热炉 室状加热炉和均热炉三种 5 加热炉型式 室状炉 特重 特轻 特厚 特短的板坯 或多品种 少批量及合金钢 生产灵活 均热炉 多用于由钢锭直接轧制特厚板 32 推钢式优点 设备简单 操作容易掌握 投资少 缺点 钢坯在水梁上滑动产生擦伤 加热时间长 钢坯氧化 脱碳严重 容易粘钢 不能空出炉 步进式靠动梁的上 下 前 后平移动作而实现的 故炉长不受限 操作灵活 易于空出炉 不会造成钢坯划痕 加热效率高 便于调整坯料间隙和加热时间 易于调整出炉节奏 适应冷装坯 冷热混合坯在炉内的加热条件控制 除鳞氧化铁皮 FeO Fe3O4 Fe2O3一次氧化铁皮 炉生 在加热炉内加热时板坯表面生成 厚而硬 二次氧化铁皮 次生 在轧制过程中钢板表面生成 厚度很薄 除鳞目的 除去表面的氧化铁皮以获得有良的表面质量 除鳞原理 利用高压水的强烈冲击作用 去除表面的氧化铁皮 三 中厚板生产的主要轧制方式 一 轧制方式 1 全纵轧法 基本不用 钢板延伸方向与原料纵轴方向相重合的轧制 受材料宽度和横向性能差影响 不用 2 全横轧法 横轧至成品 横轧法 钢板延伸方向与原料纵轴方向相垂直的轧制 3 横 纵轧法 综合轧制法 先横轧展宽至所需宽展后再转90 进行纵轧至完成 4 纵 横 纵轧法5 角轧 纵轧法 二 几种不同轧制方法的变形特点 产品性能 成材率比较 性能方面 全横轧法全纵轧法钢板横向性能极低 带来钢板和组织性能的严重各向异性 横 纵轧法改善了钢的各向异性 变形特点 不同轧制阶段和沿不同变形方向 三 轧制规程制定 设计 中厚板轧制规程主要包括压下制度 速度制度 温度制度和辊型制度 轧制规程设计就是根据钢板的技术要求 原料条件温度条件和生产设备的实际情况 运用数学公式或图表进行人工计算或计算机计算 来确定各道次的实际压下量 空载辊缝 轧制速度等参数 并在轧制过程中加以修正和应变处理 达到充分发挥设备潜力 提高产量 保证质量 操作方便 设备安全的目的 设计的方法和步骤 在咬入能力允许的条件下 按经验分配各道次的压下量 确定各道次的压下量分配率及各道次能耗负荷分配比 制定速度制度 计算轧制时间并确定逐道次轧制温度 计算轧制力 轧制力矩及总传动力矩 校验轧辊等部件的强度和电机功率 进行必要的修正和应变处理 典型中厚板车间平面布置图 日本住友金属鹿岛制铁所厚板工厂平面布置 板坯场 主电室 轧辊间 轧钢跨 精整跨 成品库1 室壮炉2 连续式炉3 高压水除磷4 粗轧机5 精轧机6 矫直机7 冷床8 切头剪9 双边剪10 部分剪11 堆垛机12 定尺剪13 超声波探伤设备14 压平机15 淬火机16 热处理炉17 涂装机18 抛丸设备 一 现代热连轧机技术发展的特点和趋势 1 提高轧机生产能力和扩大产品规格 1 增大板坯重量 为提高轧机的生产能力 不断提高板坯厚度和长度H0max 360mm 700 300mm Lmax 15m 9 12m Gmax 45 7t 27 40t 2 增加精轧机座数目 实行升速轧制过去连轧机精轧机组机架数为六架 近年来均采用七架 预留八架 九架位置 增加机架数目可以 减轻分配给各架轧机的负荷 提高轧制速度 改善带钢表面形状和质量 加大精轧坯的厚度 减少粗轧机的轧制道次 减少板坯的温度降 提高产量 可生产更薄的带钢轧制速度由过去6 10m s 20m s 产品厚度扩大到0 8 20mm 宽度达2300mm 热轧板带钢生产 3 快速换辊装置普遍采用的快速换辊装置 使原来的换工作辊由30多分钟缩短到5 7分钟 轧机产量提高了5 8 最近又出现了不停轧快速换辊技术 既在精轧机组中有意识地多增设了一个机座 这一机座仅仅是为了在换辊时 或某台机座发生故障时不致停轧而设置的 并不是为了增加轧制道次 这样可以始终保持处于轧制状况的机座数不变 并可依次地换辊 另外 在切头飞剪机和卷取机上也有快速整体换剪刃装置和快换卷简的装置 4 增大主电机功率随着板坯厚度的增加和轧制速度的提高 要求增加主电机的传递扭矩来强化过程 粗轧机座的主电机功率达10000kw 精轧机座的主电机功率达8000 12000kw 由于大功率可控硅整流装置的出现 新建的热带钢连轧机都采用了可控硅供电 5 设置近距离卷取机和强力型宽带卷取机由于带钢厚度范围不断增加 仅用调节冷却水来控制产品的卷取温度有一定的困难 同时 较薄的带钢在运输辊道上长距离运输容易出事故 有的热带钢的卷取机上专门设置了近距离卷取带钢的卷取机 距末架精轧机座60 70m 卷取0 5 2 5mm 强力卷取机卷取较厚的带钢 可卷2 3 25 4mm的带钢 最大厚度可达30mm 1 采用步进式加热炉消除带推钢机的五段连续式加热炉产生的黑印 2 采用轧制润滑剂在热轧带钢时 采用一种高黏度的合成润滑剂 它能在热状态下发生聚合作用 使工作辊与带钢的接触面上形成一种保护膜 可以提高轧辊的使用寿命 减小轧制力 降低能量消耗 改善带钢表面质量 3 实行控制轧制控轧生产优质热轧带钢的经济而有效的方法 4 热轧 温轧工艺即在精轧机组和卷取机之间又增加了一套三架附加机组 带钢经精轧机组轧制后 用附加的冷却装置来冷却带钢 然后用附加机组低温轧制 而压下量必须在65 以上 最后用特设的近距离卷取机卷取 5 采用返回轧制 增加轧制道次所谓返回轧制是在粗轧机组的第一架 有的包括第二 第三架上沿同一方向轧制两道 6 增加机座刚度机座刚度对板材成品精度有很大的关系 2 提高产品质量 降低生产成本 3 采用自动控制系统和计算机控制 热带钢连轧机是钢铁中计算机控制最成熟最有效的一个部门 其自动化程度标志着一个国家的工业技术水平 从板坯库的自动管理 轧制过程 直到卷取后称量以及产品的跟踪等 热轧带产品占据汽车 家电 涂镀层 优质焊管等质量要求高的薄板市场 新技术 1 连铸坯的热装 DHCR 和直接热轧 HDR 实现了工序间的连续化 具有节能 省投资 缩短交货期等一系列优点 效果显著 2 在线调宽 采用重型立辊 定宽压力机实现大侧压 重型立辊每道次压下是一般为150mm 定宽压力机每道次宽度压下量可达350mm以上 3 宽度自动控制 宽度精度可达5mm以下 4 液压厚度自动控制 AGC 带钢全长上的厚度精度已达 30 5 板形控制 研制开发了HC CVC PC等许多机型和板型仪 仅可实现板形的闭环控制 6 控制轧制和控制冷却 使钢材具有所要求的金相组织和更好的力学性能 7 卷板箱和保温罩 以减少温降 缩小带钢头尾温差 8 全液压卷取机 助卷棍 液压伸缩采用踏步控制 卷筒多级涨缩 9 无头轧制 将粗轧后的带坯在中间辊道上焊接起来 在精轧机组实现全无头轧制 二 热轧板带新技术 三 热带钢连轧机的工艺过程 原料选择与加热 1 原料 板坯的厚度要选得适当 一般为150 250mm 最厚可达300 350mm 板坯的宽度决定于成品宽度 要比成品宽度大50mm左右 目前 B0 2130 2240mm 连铸坯B0 2300mm 现代热带钢连轧机的最大辊身长度2300 2500mm 板坯的长度取决于板坯重量和加热炉的宽度 加热时分单排加热 双排加热 钢卷的单位宽度重量的大小是衡量钢卷重量或板坯重量的指标 一般达到15 25kg mm max 36kg mm 2 加热一般加热温度为1250 1280 开轧温度为1180 1220 加热炉 板坯库 除鳞机 定宽压力机 2 粗轧1 作用粗轧机组的作用是将不同尺寸的板坯轧成20 40mm的连轧坯 以供精轧机组的连轧坯的温度必须保持在规定的范围内 2 除磷连铸坯的规格一般是固定的 因此若要改变成品规格 必须要有能力较强的破磷机座 其压下量达50 100mm 以便生产多种宽度的成品 经破鳞机破碎后的氧化铁皮 立即用高压水清除掉 高压水装置紧接在破磷机座之后 高压水压力一般为120 150Pa 高压水喷嘴与板坯表面垂直方向成10 15o 喷出的角度与板坯的横向成15o时效果好 3 粗轧机组热带连轧机根据其粗轧机组的布置形式分为全连续式 半连续式和3 4连续式三大类 其轧机类型为二辊 四辊式 粗轧机组头两道由于轧制力小 咬入条件往往是限制压下量的主要因素 为改善咬入条件 头几架采用二辊式机座 后机架由于轧制力较大 轧件较薄 必须考虑板形和保证带钢侧边质量 一般采用四辊万能式轧机 在粗轧机组最后一架后面 一般装有测厚仪 以便作为精轧机组计算机控制的轧入信号 二辊粗轧机 四辊粗轧机 3 精轧 1 精轧机组前没有切头正剪 装置两组剪刃 一组为弧开剪刃便于切头 一组为直剪刃剪切尾部 进入精轧的坯料带有粗轧形成的 舌形 和 鱼尾 这种形状的头尾长度随着精轧机组总压下量的增加而增加 在运输过程中设备部件的缝隙中发生卡钢事故 另 舌形 和 鱼尾 部分比其它部分温度低 轧制时将产生很大的冲击 加快轧辊的磨损以及产生有害的扭转震动 2 除鳞 现在轧机在正简剪与第一架轧机之间设置高压水除鳞箱 精轧机前几架之前设高压水喷嘴 水压150kg cm2破除次生氧化铁皮 3 轧制温度终轧温度对产品质量有直接影响 为保证终轧温度 必须控制进入精轧机组连铸坯温度 一般为1050 1100 终轧温度控制在850 900 4 机座之间有活套支持器一是缓冲金属流量的变化 给控制调整以时间 防止成叠进钢 造成事故 二是调节各架轧制速度以保持连机常数 当工艺参数产生波动时发生信号和命令 以便快速进行调整 三是带钢能在一定范围内保持恒定的小张力 7 设有液压弯辊装置 灵活控制辊型和板型 8 设有小车横移式换辊机构 9 精轧机组后装有X射线测厚仪 测宽仪 精轧机 4 轧后冷却及卷取 在热轧带钢连轧机上轧后卷取是目前广泛采用的方法 成卷生产能够提高轧制速度 增加轧件长度 保证高生产率和低成本 卷取形式为地下辊式卷取机 卷取机距精轧末架距离约150 190m 卷取温度控制在550 650 在此温度范围内钢板的组成相已给定形 可以缓慢冷却 缓慢冷却还可以减少带钢的内应力 卷取温度过高会因卷取后的再结晶和缓慢冷却而产生粗晶粒和磷化物的集聚 尤其是对合金元素较多的带材 若不降到相变完成温度下 则卷取后的冷却速度随钢卷内位置不同而不同 因而钢卷内机械性能的不均匀性就会增大 卷取温度越低 带钢的机械性能和延伸率降低 带钢的加工性能变坏 卷取机数目为三台 交替工作 一台备用或处理事故 强力型卷取机 h 16 20mm 甚至22 30mm带钢 近距离卷取机 距末架60 70m处 卷取h 2 5mm带钢 卷取机低速12m s咬入 随轧机辊道同步升速至最高轧制速度 层流冷却 地下卷取机 卷取机出口打捆机形式气动打捆圈数1 3一圈或两圈打捆时间30s三圈打捆时间60s最小外径钢卷的一圈打捆时间35s 钢卷在检查站上开卷 经夹送辊送入剪切机切头 或剪切试样 剪切下的带头 不需经过摆动辊道 直接落入废料筐内由吊车运走 剪下的试样则在摆动辊道上由旋转取样机送到试样筐内 板卷库 冷轧薄板带钢生产一 冷轧薄板带钢生产工艺概述产品特征金属在再结晶温度下的轧制变形过程称为冷轧 一般指带钢不加热而在室温下的直接轧制过程 可生产厚度更小的薄板带材沿宽度和长度方向能获得均匀的厚度 板形更好 冷轧时采用的轧辊表面光洁硬度大 可得到表面质量好 表面光洁的产品 带材经冷轧后 进行不同的热处理 可以得到不同力学性能的产品 一般冷轧板的厚度在0 15 0 3mm 宽度在400 2000mm 冷轧极薄带的厚度为0 05 0 001mm 需求量最大的 具有代表性的冷轧产品有 深冲板 涂层板 电工用硅钢板等 汽车板厚度为0 6 1 5mm 镀锡薄