高精度轧制与控制冷却技术(综述)

1、高精度轧制与控制冷却技术课程文献综述学号：S20156012姓名：李宗武专业：材料加工工程单位：北京有色金属研究总院摘要：文中主要对现阶段轧制工艺加以介绍，在原有生产技术基础上结合相关理论进一步提高轧制精度、效率，提高产品附加值，增强产品的市场竞争力，一则为当前处在低谷之中的钢铁行业指明方向，二则积极响应国家去产能的号召，促进轧钢行业的可持续发展。引言：前些年各大钢铁企业无节制的增加钢铁产量造成了今天严重产能过剩的局面。在当前严峻的形势下，各个企业面临的优化产业结构、整体转型的压力是相当大的。轧制作为一种传统的原材料加工方法，它在当前国民生产中仍然扮演者很重要的角色：利用轧制工艺可生产板材、型

2、材以及管材等。随着社会的不断发展，我们对于轧制产品的要求也越来越高，不仅要求有优异的性能，同时还要提高生产效率，尽量降低能耗，因此我们有必要在传统轧制工艺的基础上进一步改善工艺。当前轧制工艺的发展还是比较成熟的，对于传统工艺中存在的问题已经有了相应的解决方案；通过对各种解决方案的汇总、比较，结合老师在课上所讲的内容，我有了一些新的想法，权当作自己对于这门课程的一个总结收获吧。除鳞技术的优化1板带材轧制过程中最重要的问题之一就是表面除鳞，热轧过程中表层由于接触空气往往会生成一层氧化皮，厚度随板材温度以及轧制速度而改变。氧化皮的存在不仅会影响产品性能的稳定性，同时也会对轧辊表面造成一定损害，因此热

3、轧中板带材的除鳞问题一直困燃着生产厂家。传统方法是利用高速水流进行冲击来达到清洁表面的目的，这种方法思路比较单一，有着一定的局限性。目前许多公司都设计除了更合理的除鳞系统，这里要提到的是达涅利公司，在其薄板连铸连扎项目中进行了实践。他们去除氧化皮原理可以总结为两方面：减少板带材的轧制时间，及时给轧辊、板带材进行降温处理。每个轧制系统都有一个轧制速度的限制，在这个输出极限内进行高速轧制，可以有效减缓氧化皮的生长速度；轧辊在轧制过程中往往温度会上升，温升结合机械疲劳会造成辊面上裂纹的产生，进一步诱发氧化皮在表面集聚，针对这种情况可以通过设置在线工作轧辊清洗系统来加以解决，即在两块坯料间隙内定期对工

4、作轧辊表面进行清洗。除此之外，通过限制中间坯料厚度、控制精轧机机架间冷却、装备抗氧化铁皮粘辊系统也可以达到同样效果。西马克公司则采取了一种新的思路，通过对传统水流除鳞系统进行了小小改动，固定喷嘴位置，改变水流的喷射角度可以有效减少氧化皮在钢坯表面的残存。事实上，氧化铁皮在板带材表面上分布有一定的规律可循，研究发现在氧化皮横断面上分布着尺寸大小不一的孔洞，它们的尺寸、数量影响着除鳞的效果，因此结合我在材料智能化制备加工课上所学的内容，大胆提出一个设想：构建钢坯的在线实时监测系统，通过对于其表层数据的实时反馈来控制水流的速度、流量，真正做到以最小的消耗达到最大的效果。通过这种系统可以避免资源无谓的

5、浪费，做到“有的放矢”。热轧带钢无头轧制技术轧制过程中，由于带钢头尾两端张力无法作用，往往造成带厚、凸起变形、尾部褶皱等问题，产品质量无法保证，同时也降低了轧制效率2。无头轧制技术是针对这些问题而研发的一种新工艺，通过在精轧机之前设置连接装置将中间坯料连接在一起，然后进行连续轧制。这样就可以保证除第一块坯料头部以及最后一块坯料尾部之外，其他坯料在整个轧制过程中一直受到拉伸载荷的作用，因而从精轧机到最后的卷曲阶段都不会产生任何类型的形变缺陷；另一方面，在这种稳定状态下，产品的厚度可以更小，宽度可以更大，如千叶3厂经过对于这种工艺的应用，其生产的薄带钢厚度由原来的1.2mm扩至0.8mm,同时也有

6、能力轧制1.2mm×1500mm的宽幅薄材3。无头轧制技术轧制的极薄热轧带钢尺寸精度优于传统热轧带钢，在保证产品性能的前提下组织均匀性和产品稳定性有很大程度的提高，同时还应注意到它对于产品的减量化生产也有着实用意义。目前对于无头轧制工艺的研究主要集中在中间连接装置的设定上，对此研究较多的是日本、韩国的一些钢铁企业，我国北京科技大学的康永林、朱国明老师对无头轧制工艺的发展也有很大贡献4。各个企业所采取的无头轧制区别就在于采取了不同的连接装置。日本新日铁大分厂采用的是激光焊接技术对坯料头尾部进行连接，这种方式对于切割的精确度要求是比较高的；韩国POSCO与三菱（日立）公司联合开发出一种剪

7、切-压合连接技术，其生产线示意图如下: 图1. POSCO公司无头轧制生产线示意图虽然我国对于无头轧制技术研究开展的研究工作还比较少，但也取得了一定成果：北科大的康永林老师提出一种新的连接中间坯的方法，整个流程如图2，通过在原有热卷箱、精轧机之间设置切头剪和压力机来实现中间坯的机械咬合，并最终形成比较优良的连接面结构。图2. 新工艺主要设备构成示意图这种连接工艺对于原有热连轧系统破坏较小，因而完成热轧生产线的升级所需成本较低，在将来技术成熟以后不失为各大钢铁企业寻求产品结构升级的一个好的选择。2009年，意大利的Acciaieria Arvedi SpA钢铁公司在阿维迪ISP（在线带钢生产）专

8、利的基础上建立了世界上第一条ESP（无头连铸连扎）生产线，如图3所示5。其中ISP技术在以下几个方面值得借鉴：（1）结晶系统、液芯压下处理为板坯的成形提供了稳定的中心，并未为晶粒以及温度均匀分布创造了条件；（2）薄板坯在大压下量轧机下采取低速铸轧，降低中间坯的凸度；（3）采用感应加热器进行加热，以便满足根据产品设计最佳轧制工艺所要求的温度分布。ESP生产线的实现要靠多个系统的协作完成，其中涉及到的有浇注工艺控制系统、板坯导向系统、感应加热系统以及铸轧精整系统，因此一个完整生产线的实现要对上述系统做出合理布置，加强系统之间的协调联系。无头连铸连轧生产工艺对于钢水到热轧卷之间的拉速要求是很高的，经

9、过一系列数字模拟和水模拟实验后发现，传统的5-6m/min现行拉速在优化连铸配置后得以大大提高，优化内容包括浸入式水口形状以及阿维迪特种结晶器形状的改善，从而保证连续生产所要求的秒流量6。高流量的设计相应要对增加连铸机的冶金长度，这就要求设计出一种带液芯弯曲、矫直功能的弧形连铸机，使得钢水静压力保持在一个比较低的水平。不同钢种所需条件不同，因此每次的准备工作主要围绕优化拉速、板坯厚度匹配展开，实现一个合理的秒流量。图3. 第一条ESP生产线布局示意图7整个生产线中的速度控制、传感器技术、数据整合管理以及工艺模型参数等模块需要依靠自动化来进行串联，自动化水平的高低决定了产品的质量以及生产效率，因

10、此集约化、智能化才是ESP技术未来的发展方向。TMCP技术控制轧制控制冷却技术简称控轧控冷（Thermo Mechanical Controlled Processing简称TMCP），这是一种有别于传统轧制的工艺，增加了对于坯料变形程度、加热制度以及冷却方式的控制。TMCP工艺基本冶金学原理是在再结晶温度下进行大压下变形，促进微合金元素的应变诱导析出，实现奥氏体的晶粒细化和加工硬化；通过轧后快速冷却控制处在加工硬化状态下奥氏体的相变过程，最终获得细小的晶粒组织。TMCP处理工艺具有形变强化、相变强化两种作用，因此在提高材料强度的同时又能改善钢材的韧性、塑性，这种技术在中厚板、热轧板卷、线棒材

11、、型材以及钢管的生产中都有着大量应用。控制轧制按照变形温度、再结晶程度可以分为三个阶段8:奥氏体再结晶区结束终轧的阶段性轧制；奥氏体未再结晶区结束终轧的第二阶段控制轧制；奥氏体和铁素体两相区结束终轧的第三阶段轧制。每个阶段对应不同的压下量，可以达到增强材料强度的目的。控制冷却的冷却方式经过长时间的发展也由最初的喷淋冷却过渡到80年代的层流冷却方式，再到今天的强化冷却方式9。最近有学者提出了以超快速冷却为核心的新一代TMCP技术：其基本理念是在高温轧制提供加工硬化奥氏体基础上，利用超快速冷却技术对硬化奥氏体进行处理，在动态相变点之前终止，随后控制相应冷却方式即可。图4展示的是这种技术与传统TMC

12、P技术的区别。图4. 新型TMCP工艺与传统TMCP工艺的比较轧后超快速冷却技术在保证材料优异性能的基础上可以有效降低钢材对于微合金元素依赖，实现节约型减量化生产:有实验表明对于普通的碳钢，在不需低温轧制条件下，采用超快速冷却的TMCP技术可以实现析出强化、相变强化以及晶粒细化，材料强度相较原来提高了100-200MPa，合金元素用量降低30%以上10。可见，进一步加大对于超快速冷却条件下TMCP工艺的开发，利用该技术加强对于热轧钢材显微组织的控制是实现热轧产品提升竞争力，由资源消耗型向节约型转化的一个有效途径。参考文献1 肖朋，崔晓嘉，徐良，郭鸿凌.浅谈板带钢的高精度轧制技术J.河北冶金，2

13、012，（2）:No.194-1962康永林. 薄板坯连铸连扎超薄规格板带技术及其应用进展J.轧钢.2015 V(32),No.1:p7-11.3 J. Sigel，A. Jungbauer，G. Arvedi. 阿维迪ESP（无头带钢生产）-首套薄板坯无头连铸连轧生产结果.第七届（2009）中国钢铁年会论文集.2009 3-568.4 康永林，朱国明. 热轧板带无头轧制技术J.钢铁.2012 V(47),No.2.5 张治. 薄板坯连铸连扎改造为无头轧制生产线的分析与展望J.世界钢铁.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