2022《特厚板生产工艺设计报告》

目录

第1章绪论.........................................................1

1.1研究背景.....................................................1

1.2研究意义....................................................1

1.3国内外研究现状..............................................2

1.4低碳钢的发展阶段............................................2

第2章单架机热轧机板材生产线设计...................................4

2.1单架机选型..................................................4

2.2钢板厚度超差原因............................................4

2.3控制方法的研究..............................................4

2.3.1咬入前辐缝设定.........................................4

2.3.2电动压下定位偏差补偿...................................5

2.4现场应用....................................................6

2.4.1控制流程...............................................6

第3章S355J2的轧制工艺优化........................................8

3.1生产工艺....................................................8

3.1.1轧制工艺流程............................................8

3.1.2工艺参数...............................................8

3.1.2.1加热制度..........................................8

3.1.2.2轧制工艺..........................................8

3.2控制轧制工艺................................................9

3.2.1控制冷却...............................................10

3.3热加工工艺.................................................10

3.3.1实现材料与方法.........................................10

3.3.2实验结果..............................................10

3.4钢板的拉伸性能及分析.......................................11

3.5金相分析...................................................13

第4章总结........................................................14

参考文献...........................................................15

致谢...........................................错误!未定义书签。

第1章绪论

1.1研究背景

钢板广泛应用于航天、交通、国防等行业。同时对高精度钢板产品性能和精

度要求严格，生产工艺复杂，技术含量高。因为在轧辐的轧件厚度差距仍无法直

接实现实时测量，所以加沙地带或冷轧钢带轧制过程中，最常见的一种控制方法的

厚度是通过测厚仪安装在轧机出口带钢厚度的测量，作为反馈信号调整辐缝，轧机

厚度的实时控制。钢热轧机的单站，一方面,一些没有安装测厚仪，另一方面一些安

装测厚仪，但由于轧机的限制出口机械设备机测厚仪距离遥远，同时因为单一站热

轧机轧制速度缓慢,使反馈信号延迟的厚度较大，不能用于实时控制厚度,因此，基

于轧机弹簧方程，利用轧制力反馈信号和间接测厚的压力AGC轧辑间隙反馈信

号（轧制力AGC）系统在该类轧机中得到了广泛的应用。目前，许多学者对压力

AGC厚度的控制方法和策略进行了大量的研究。然而，由于轧机刚度系数C和

轧制件塑性系数Q的精度不准确，传统的压力AGC无法精确地得到，而且压力

AGC存在正反馈区域，使得厚度无法精确控制。止匕外，轧机的性能在轧制过程

中不断变化。例如，轧辐的热膨胀和轧辐的磨损会引起轧机刚度和实际轧辐间隙

的变化。AGC控制采用纯比例法，不能快速消除厚度差，轧辐间隙调整精度难

以满足钢板的质量要求。针对钢铁厂3300毫米的粗轧机生产线热轧钢板的厚度

控制精度差的问题,使用电动和液压控制方法为单机架可逆式轧机辐4厚度进行

了研究，通过两次结束时轧制力等于轧机弹跳当同样的原理,结合实际提出了一种

新的控制方法的钢板厚度，方法可以在不依赖厚度计的情况下进行描述，精确控

制厚度，确保钢板厚度公差的目的在许可的范围内。

1.2研究意义

钢铁产品作为我国国民经济的基础产业和支柱产业，广泛应用于各行各业，

在国民经济生产生活中占有重要地位。随着世界经济一体化进程的加快，钢铁企

业面临着更加广阔的市场和激烈的竞争。为此，为了加强钢材的性能，对其进行

工艺改造，对钢材的结构进行一些加工技术改造，使其性能有更好的变化，促进

钢材企业的可持续发展。

1

1.3国内外研究现状

根据目前的研究和分析，硼钢的冶炼需要在精炼和连铸过程中加以控制。为

了提高硼的收率，必须对氮进行有效的还原，防止氧化硼和氮化物的生成。为了

防止连铸过程中硼偏析和低熔点铁硼相的产生，控制钢液的凝固和冷却十分重

要。从目前的国内外研究现状，国外更注重控制钢的凝固过程，硼的分离和钢水重

熔钢坯缺陷的一个重要原因，而国内专注于精炼、氧和氮含量的控制外国冶炼硼

钢的关键技术。为了提高硼的收率，在加入硼之前，应先加入钢、钛、错等与氧、

氮结合力较强的元素，即先加入钢脱氧，再加入钛等固定氮。已经指出,TiN由

保护与钛硼氮也很容易使韧性、疲劳性能和机械性能的钢变得更糟糕的是，和Ti

N是非常稳定的，一旦形成，很难改变，很难进一步平衡和稳定的硼酸溶性的内容。

为此，国外钢厂已经研究了用钢代替钛冶炼硼钢的方法，有的钢厂将含硼钢、钛、

错、镒、硅等元素的硼铁复合合金一次性加入，实际应用效果较好。日本住友金

属公司生产不锈钢、w(B)的0.1%或更多，以防止板坯表面纵裂纹,关键技术是控

制钢液在中间包过热低于30C,使在低温下钢铸件、更有利于促进钢液的凝固。

浦项制铁的影响研究连铸二次冷却和含氮量的热延性boron-bearing钢，并发现快

速冷却和再热应变温度会恶化钢的热延性，并认为大量的BN固体形成和沉积。

此外，当氮含量较高时，BN沉积会随机分布在择优生成的奥氏体中，特别是在

奥氏体颗粒的边界处。因此，在板坯凝固后的二次冷却中，当温度低于1000℃

时，为避免冷却过快，在连铸连轧中过冷和再热幅度不能过大。我国硼钢冶炼工

艺特点。我国钢铁工业硼钢冶炼研究取得了很大进展。宝钢采用连铸设备生产的

40CrB高淬透性钢管，化学成分稳定，夹杂物少，尺寸精度高，表面质量好。

武钢生产的锯锐微合金化冷徽用低碳硼钢，在强化钢的同时控制钢中的微合金化

元素，保证低碳硼钢的综合性能。当首钢胡瓜鱼低碳钢含有硼，硼钢的成分产生

的影响进行了研究,并发现硼收益率会受到硅的内容如果没有脱氧钢，因为钢的氧

活动主要是由硅的含量控制。当硅含量增加时，硼的产率会因其降低氧活度的作

用而增加。从莱钢生产的钢中回收硼。

1.4低碳钢的发展阶段

低碳钢的退火组织为铁素体和少量珠光体。因此，它具有良好的冷成形性能,

可以通过轧制、弯曲、冲压等方法进行。这种钢具有良好的焊接性。低碳含量的

低碳钢硬度低，可加工性差。正火可提高其加工性能。

2

低碳钢具有较大的时效倾向，既有淬火时效倾向，也有变形时效倾向。当钢

在高温下快速冷却时，铁素体中的碳和氮处于过饱和状态，在室温下也能慢慢形

成铁的碳和氮。因此，提高了钢的强度和硬度，而降低了塑性和韧性，称为淬火

时效。即使是低碳钢不淬火和风冷也会产生老化。铁素体中的碳原子和氮原子与

位错发生弹性相互作用，碳原子和氮原子聚集在位错线附近。碳原子、氮原子和

位错线的这种组合称为克氏气团。它会增加钢的强度和硬度，降低塑性和韧性，

这种现象称为变形时效。变形时效比淬火时效对低碳钢的延性和韧性危害更大。

从上屈服点出现到屈服扩展结束，试样表面出现由不均匀变形形成的表面起皱

区，称为卢德斯区。许多冲压件经常报废。有两种方法可以防止这种情况。预变

形方法高，预变形钢在冲压一段时间后会产生拉坯带，所以预变形钢在冲压前的

时间不宜过长。另一种是在钢中加入钢或钛，与氮形成稳定的化合物，防止因变

形和老化而形成科里奥利气团。

3

第2章单架机热轧机板材生产线设计

2.1单架机选型

单机架宽厚板轧机，工作辐尺寸(1110~1170)mmx5300mm,支撑辐尺寸

(2110~2200)mmx4950mm,最大允许轧制压力lOOOOOkN,最大允许扭转力矩

2x4200kN-m,轧制速度0~6m/s,主电机功率2xl0000kW。

2.2钢板厚度超差原因

原因有很多穷人厚钢板的厚度或整个长度的厚度不均匀，包括以下几点:(1)

轧制节奏不稳定，降低了温度模型的预测精度;(2)板的温度低于中间部分,导致一

个更大的轧制力。当前条件下的辐缝通过保持不变，头的厚度大于身体的,多积累

后,头部厚度和目标之间的偏差值可能是太大在最后通过。(3)更大的影响发生在

咬,大轧制力波动，螺旋之间的差距和轧机拱，弹性收缩油柱的液压缸，会导致辐缝

波动;(4)钢板轧制开坯机中进行，但粗轧机一般缺乏测厚仪，测厚仪是远离机由于

设备布局，导致控制的滞后，使得监控AGC无法被使用。基于以上原因，热轧钢

板大多采用手工卡厚的方法，操作人员根据经验实时调整轧辐间隙，往往导致同

板差大，成品率低。

2.3控制方法的研究

基于轧机的弹跳方程和轧机弹跳的原则是相同的在相同的轧制力在相邻，热

轧的辐缝设定数学模型在咬和辑缝控制方法的自动厚度控制系统的作用下被咬

之后(AGC)进行了研究。

2.3.1咬入前混缝设定

根据轧机弹跳原理，倒数第2道次和末道次的弹跳方程分别如式(1)和式

(2):

4

,_P2-P小

砥—SQ2+「。（1）

儿=S1+“■卢（2）

2.3.2电动压下定位偏差补偿

粗轧机缝的调整需要通过自动位置控制（APC）系统来实现。APC是板带生产

过程中厚度自动控制AGC的主要执行机构。从轧制力的来源来看，可分为全电

动、全液压和电动+液压三种形式。如图1所示，纵坐标S为轧机轧辐间隙，横

坐标t为时间，Sa为板坯在轧制过程中的平均轧辎间隙。Sr代表一组辐缝;某人

代表实际空载平均辐缝前板进入磨机;反弹的△Sab说电动压力;ASrb说电动压

力定位错误;锡表示时刻板坯进入磨机。对于需要大行程调整轧馄接头的轧机，

一般采用电、液压相结合的方法。大范围无负荷粗轧机的轧制接头采用电压力机,

小范围精轧机的轧制接头采用液压压力机。因为有一个压下螺丝和螺母之间的差

距电力出版社，后板进入轧机，电动相缝将生成一个反弹，通常0.3mm~0.5mm,即

电气定位偏差ASrb的压力。由于电轧辐接头的反馈容易受到安装精度和轧机振

动的影响，在许多情况下，电轧辐接头的偏差在液压作用下无法实时补偿，否则

轧机轧辑接头容易产生较大的波动甚至振动。电动压力机只能在空载状态下工

作，液压机只能在空载状态下对电滚缝进行补偿。

5

s

图1轧机咬入前后辐缝变化示意图

基于轧机弹跳方程，在末两道次轧制力相等的情况下，倒数第2道次咬入

前后电动压下的定位偏差与末道次咬入前后电动压下的定位偏差近似相等。则在

倒数第2道次轧制完成后，通过计算倒数第2道次板坯咬入前的实际空载辐缝

S2b和倒数第2道次板坯咬入前的设定辐缝S2r,得出倒数第2道次板坯咬

入前电动压下的定位偏差ASrb2=S2r-S2b，并以此作为末道次相缝设定中

参与计算的电动压下定位偏差补偿量。

2.4现场应用

2.4.1控制流程

过程控制系统自动将落料过程的后两道工序调整为等轧制力载荷分配方式。

在完成倒数第二道轧制后，手工测量尾部的实际厚度，即倒数第二道轧制头的咬

入厚度。过程控制系统结合倒数第二道结束时测得的轧辐间隙和最后一道的咬入

冲击补偿，根据式(4)计算出最后一道来修正轧辑间隙。AGC系统可以根据实际

轧制力与次后道平均轧制力的偏差变化，根据式⑼动态调整轧辐间隙。其中，

过程控制系统向AGC发出轧机刚度系数C和轧制件塑性系数Qo控制流如图2

所示。

6

图2系统控制功能图

辐缝在线调整过程如图5所示。次后一次轧制的平均轧制力约为900吨。将

最后一次咬入的辐缝设置为51.77mm,咬入后，由于咬入的影响，馄缝变为52。

5毫米;避免咬入撞击部分后，收集2毫米。5s测得的平均轧制力约为8503小

于倒数第二道。可以预测出头部较薄，因此AGC系统的辐升缝达到52.25mm,

保证了头部厚度的准确性。AGC系统此时锁定轧制力。在后续轧制过程中，在

锁定轧制的基础上实时计算出口厚度，然后根据计算的厚度实时调整间隙，以保

证板差相同。

7

第3章S355J2的轧制工艺优化

3.1生产工艺

3.1.1轧制工艺流程

轧制所需坯料由本单位炼钢车间提供，结合轧钢生产线特点，制订工艺流程

如下：连铸板坯----加热炉加热----高压水除鳞----3500mm轧机轧制----

ACC层流冷却一一矫直机矫直一一下线堆冷一一返线剪切一一质量检验一一判

定---入库。

3.1.2工艺参数

3.1.2.1加热制度

钢坯采用高炉煤气进行加热，炉膛压力微正压，空燃比控制为0.8〜1.0,

加热温度分为四段加热，温度：出炉温度1180C,粗轧开轧温度1050C,终轧

温度980℃。如表2所示

表2加热温度

出口厚度

道次数轧制方法

/mm

1F287

2F250

3F213

4F176

5F135

3.1.2.2轧制工艺

(1)第一次轧制工艺

钢坯选用坯型为250*2000*3250mm,轧制规格为16*2500mm,采用CR轧

制工艺进行轧制，除鳞机压力218MPao第一次试验计划所制定的轧制工艺如

表3所示

8

表3轧制工艺

开轧温度二次开轧温度终轧温度终冷温度

21020℃W920℃830〜880℃—

控轧厚度采取3h待温，二次开轧后由于轧制过程中温降较大，压下率过大,

导致轧制过程中板材出现镰刀弯现象。采取堆冷工艺消除板材内应力，下线堆冷

温度400C以上，堆冷48小时后拆垛温度＜50℃,采用超声波探伤一级探伤

合格，但-40C冲击值不合格。

(2)第二次轧制工艺

针对第一次试验-40℃冲击值不合格，进行分析研究，提出第二次试验计划,

加热制度按原计划执行，轧制工艺如表4所示。

表4轧制工艺

开轧温度二次开轧温度终轧温度终冷温度

21020℃W920℃780〜830℃——

同时，通过降低二次轧制温度，降低精加工阶段的还原率，从而降低最终轧

制温度，保证了最终轧制温度和形状的控制。采用冷板技术消除内应力，离线堆

冷温度在400C以上，开启扶壁后24小时冷温度＜150C,超声波检测级检测合

格，物理性能合格。

3.2控制轧制工艺

目前有两种控制轧制技术，一种是传统的控制轧制，另一种是再结晶控制轧

制。传统的控制是在一定的轧制温度范围内把轧制温度控制在950℃以上，每次

降低奥氏体的再结晶发生时，由奥氏体的变形动态再结晶迅速发生。微合金化元

素锡对这一过程影响较大，导致应变诱导锯(CN)在奥氏体中析出，阻碍再结晶

和晶粒生长。950C属于静态再结晶范围内，存在奥氏体再结晶变形或发生但晶

粒长大太晚，或简单回复为未发生再结晶。最终轧制温度越接近A3,越容易得

到完全未再结晶的片状奥氏体变形。在冷却过程中，当先发生前共析铁素体转变

时，在晶圆型奥氏体晶界和变形区形成了前共析铁素体核，得到了非常小的铁素

体晶粒。在再结晶控制轧制过程中，TiN作为奥氏体晶粒粗化的阻碍物，V(C,N)

9

作为析出强化相。钢中钛的含量应严格控制在0.01%~0.02%的范围内。在此钛浓

度下，当钢液凝固冷却时，钛N从奥氏体中析出。所得钛氮分布非常分散，具

有理想的钉扎力，抑制了高温变形后再结晶奥氏体晶粒的粗化过程。但经过反复

变形和再结晶，奥氏体晶粒细化。在整理温度高于950C的情况下，几乎没有应

变引起V(C,N)析出，钢和钿在低温下析出，析出在过饱和度的铁素体中，析出

强度较大。

3.2.1控制冷却

控制冷却是通过控制轧制后的冷却条件来控制奥氏体组织、相变条件、碳化

物析出行为以及热轧钢的组织和性能。其原理是防止奥氏体晶粒的生长，从而细

化铁素体晶粒。此外，还可以减少网状碳化物的析出，降低其品位，保持其碳化

物状态，从而达到固溶强化的目的。进一步减小了珠光体球团的尺寸，改善了珠

光体的形貌和层间距，改善了钢的性能。所得到的微结构可以通过调节来控制冷

却速度、冷却温度等工艺参数。此外，还可以得到铁素体-珠光体结构与贝氏体、

马氏体等微观结构。控制热轧后的冷却，可大大提高钢板的强度和韧性，直接节

约能源。控制冷却与控制轧制相结合，效果良好，大大提高了钢板的低温韧性和

强度。降低了原钢的碳当量，提高了焊接性能。

3.3热加工工艺

3.3.1实现材料与方法

选用转向架框架常用的S355J2低合金结构钢进行分析。后将首先S355J2钢

分别为800,700,600°C火焰校正，然后退火热处理，热处理的三种样品，分别标记Z1,

Z2,Z3热处理，选择正火温度是900C,炉保温15分钟空气冷却到室温后，退火热处

理被标记为Tl、T2、T3,并选择退火温度为590℃,烤箱温度至500℃后风冷至室

温。然后对上述实验的显微组织和硬度进行了记录和分析。

3.3.2实验结果

非合金结构钢S355J2热处理后组织的比较与观察。三种温度下热处理前后

火焰修正区试样组织的对比分析。图3为试样经800C火焰校正前后热处理前后

显微组织对比图。结果表明:轧制层消失，晶粒细化，珠光体增多，铁素体晶界

析出少量的三次渗碳体颗粒。退火热处理后，组织中珠光体含量略有增加，分布

均匀，但未发现明显的晶粒细化。与退火热处理相比，晶粒更加细化，组织更加

10

均匀。图4~700C热处理前后火焰校正试样组织对比图。通过显微组织观察，

发现晶粒细化明显，轧制层消失，珠光体分布均匀。退火热处理后，晶粒细化不

明显，珠光体含量变化不大，轧制层消失，珠光体分布较为均匀。

图3700℃火焰矫正区热处理前后显微组织对比

图4800℃火焰矫正区热处理前后显微组织对比

3.4钢板的拉伸性能及分析

(1)热轧状态的钢板拉伸性能及分析

热轧钢板的拉伸性能和Z向性能如表3.5所示。三种类型B型钢坯料的屈服

强度均大于355MPa,无论控制轧制与控制冷却工艺、控制轧制与风冷或再结晶

控制轧制与风冷均满足标准要求。拉伸强度在545~565MPa之间。强度、塑性

和Z,理想的数值比较，使用控制轧制轧制hl-99530钢板控制冷却过程和力学性

能是最好的,在轧制钢再结晶和重结晶的过程中在高于1000℃轧制时，奥氏体再

结晶后很快就会粗奥氏体晶粒长大，和下一阶段的粗奥氏体晶粒尺寸变化过程分

为粗粒铁素体和消极影响钢的强度和韧性，在950C轧制时，通过细化奥氏体晶粒

尺寸细化铁素体,所以,hl-粒子大小和高温轧制过程的99535是8.5,如表3.2所示。

11

表3-5热轧态钢板的拉伸和Z向性能

拉伸试验Z向试验备注

规格.

批号

mmRchRm伸长率ZZZ冶炼工艺

(MPa)(MPa)(%)(%)(%)(%)炉号要求

HI-9

4041056531.058.060.058.58-7966控轧控冷

9530

HI-9

4039056527.046.039.055.()9-9069控轧空冷

9531

HI-9

4040556027.056.058.552.07-7304控轧空冷

9532

HI-9再结晶控

4037054528.059.059.052.58-7966

9533轧空冷

HI-9再结晶控

4037555528.552.051.544.59-9069

9534轧空冷

HI-9再结晶控

4036()55528.554.548.557.57-7304

9535轧空冷

(2)正火状态和NCC状态的钢板拉伸性能及分析

正常化过程热处理后，力量指数的六个热轧钢板正火状态下减少，特别是屈服

强度低于标准的下限(除了hl-99531高于10MPa)的标准要求，而塑性指数上升,

如表3.6所示。因此，为了确保火硼钢板的性能，应该适当的调整成分和过程的，但

是是火状态的钢组件的C,Mn含量较高，进一步改善C,Mn在屈服强度不是很确

定多少帮助，增加Nb的内容有助于提高屈服强度是火，但成本较高，综合考虑，应适

当降低整理温度。钢板经910℃正火后，内部组织完全奥氏体化，在冷却的过程中,

轧制钢板后冷却速度相对缓慢，所以相比，钢板轧制后，空气冷却正常化的硼钢板

冷却过程更容易结合NBN,因此减少了降水的AlN,削弱了对晶界是影响钉公司

使钢的铁素体晶粒过度生长，屈服强度降低。在正火过程中，位错密度由于位错

的爬升和滑动而降低，易产生亚晶，正火后的c在亚晶中很容易通过近程扩散析

出。这些都会降低钢板的抗拉强度和屈服强度。因此，在冷却过程中，避免硼在

晶界吸附BN而降低屈服强度是非常重要的。

表3.6正火态钢板的态钢板的拉伸和Z向性能

拉伸试验z向试验

批号

Reh(MPa)Rm(MPa)伸长率(％)Z(%)Z(%)Z(%)

H1-9953034050531.566.565.065.5

H1-9953135552526.541.539.536.0

H1-9953234052030.562.056.065.5

H1-9953333551030.562.559.561.0

H1-9953434052030.044.539.553.5

H1-9953534051532.065.063.062.0

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3.5金相分析

带状构造形成机制的根本原因是带状结构的连铸坯凝固过程中的碳和其他

合金元素偏析和分支中的浓度,加热时，在热轧碳可以实现相对统一的优先级，和

其他代原子均化是困难的,这使得每个区域的钢Ar3温度不一致，亚共析钢从完成

奥氏体冷却的状态,首先初Ar3温度降水的先共析铁素体，当冷却到Ari开始形成

珠光体，显然，冷却时间到处钢铁开始形成的同时先共析铁素体，没有将形成带状

结构，也就是说,没有带状结构会形成Ar3在每个区域的温度是一样的。但结晶过

程中往往会形成支晶偏析，热变形后沿轧制方向形成条带偏析。部分分支和分支

机构之间的不同内容的每个元素，两个部分Ar3温度是不同的，这将导致先共析铁

素体的析出是不同时，即Ar3温度较高优先级,先共析铁素体的形成Ar3温度较低

的部分变化后，形成珠光体，形成铁素体+珠光体带状structure.3.2.2微结构分析

S355J2W所需的显微组织为铁素体+珠光体，纵向冲击值与带钢结构和轧制方向

有关。板将形成沿轧制方向滚动的过程中带状组织和力学性能的差异导致不同的

方向,带状结构的地带和板轧制方向平行于一致，和杂质带状结构主要是因为钢铁

浓缩区形成，因此，带状结构使金属材料的力学性能由金相显微镜分析发现，工艺

改进前板材晶粒度等级为10.5,1.0为带状结构，工艺改进后板材晶粒度等级为

11.8,0.5为带状结构。降低最终轧制温度将增加钢的变形能,从而诱导成核的先共

析铁素体和减少Ar3温差低锋区和高镒区，以减少先共析铁素体的降水差异，消除

或减少带状结构。

13

第4章总结

（1）轧制过程中，板的影响等客观因素不稳定轧制节奏，温度低着头，咬辐缝的

影响,和没有测厚仪，导致厚度控制精度较低。（2）根据热轧钢板生产的特点,使用过

程的压力下轧制负荷分配调整过去等于两倍力模型，通过第二次卡片厚度,将测得

的轧辐间隙与电测轧辐间隙位置偏差补偿固定在轧辐间隙末端设置的路径上，根

据测得的轧辑再一次轧制后的咬合力和轧制力偏差每秒从道动态调整轧转间隙

值，（3）实际应用表明，在等轧制力法条件下，不依靠测厚仪，钢板厚度控制偏

差基本稳定在0。在1mm范围内，减少了后续的切割损失，可以显著提高产品

产量和生产效率。

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参考文献

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