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高效轧制国家工程研究中心成立二十周年系列技术报道:棒线材生产工艺及装备的最新发展
信息来源:世界金属导报2016-10-11B08      时间:2016-10-11 08:38:44


 

长期以来,我国的棒线材产量占钢铁产品总产量一直处于40%-50%之间,2015年棒线材产量总和约为5亿吨,除了约10%出口外,其余产量均用于国内消化,可见棒线材产品在国民经济建设中起着相当重要的作用。

棒线材轧机量大面广,全国共有1000多条生产线。自20世纪80、90年代,我国陆续引进国外先进的棒线材轧机以来,通过消化—转化—提升这一技术路线,使我国的国产棒线材轧机装备接近世界先进水平,加上12%的进口国际先进水平的生产线,目前,处于国内先进水平以上的这部分比例约占到75%,成为市场主流。另有20%的普通轧机,采用的是双线扭转轧制工艺,产量大,仅适合普碳钢生产。还有5%的落后轧机有待淘汰。下面主要介绍近几年国内外在棒线材生产工艺技术及装备方面的最新发展情况,以及高效轧制国家工程研究中心依托北京科技大学设计研究院对外应用工程部分实例。

1国内自主开发和引进的轧制新工艺

1.1连铸坯直接轧制

连铸坯直接轧制包含三种情形,一是有常规加热炉和感应加热同时存在;二是无常规加热炉,仅通过感应加热方式给连铸坯补温;三是不采取任何加热措施,而是利用连铸坯自身的温度直接进入轧机进行轧制。

直接轧制技术适合轧机布置在 0.00m的地坪上情形,因为如果轧机布置在高架平台上,钢坯提升将耽搁较多时间,温降较大。对于新建的短流程生产线应将连铸中心线和轧制中心线布置在同一条线上,如果设置了加热炉,则连铸坯可直接穿过加热炉,加热炉出坯型式为辊道出钢;但对于改造项目,可能需要横移台架,并在炉头增加一组辊道实现钢坯绕过加热炉。连铸坯表面温度约800℃ ,通过感应加热将钢坯温度提高到1050℃ 。这种布置的优点是当连铸和轧钢能力不匹配时,多余的冷坯定期采用加热炉加热轧制,组织生产较灵活。

如果连铸机和轧机之间没有加热炉,仅有感应加热器给连铸坯进行补温。这种布置必须要求炼钢和轧钢能力严格匹配,轧机出现故障时甩出的冷坯只能外卖,生产组织难度较大,仅适合小时产量相当的几种规格产品。如果轧制小规格产品,可能甩出相当一部分冷坯。优点是投资省,没有了坯料跨和加热炉。

没有感应加热补温的直接轧制工艺的技术核心是在连铸切割区,让切割点位于凝固临界点,将常规的切割点前移,提高连铸坯自身温度。通过计算机模拟,连铸坯在切割点断面温度分布为表面950℃,芯部1275℃。定尺切割后的钢坯在辊道上运输时间控制在2min内,温降应该小于50℃。如果辊道较长,可以加保温罩,钢坯在保温罩内表面温度得以回复,到轧机入口钢坯断面的平均温度能够达到1000-1050℃,满足轧制要求。

由于无法保证连铸做到无缺陷钢坯,因此,直接轧制技术仅能用于普碳钢和低合金钢的棒线材生产线。

1.2连铸坯热装热送

连铸坯热送热装是20世纪80年代从国外兴起的一项钢铁生产新技术。我国从20世纪90年代,先从普碳钢企业开始,随着连铸比不断提高,一些企业开始尝试热送热装。90年代中期以后,我国棒线材大量采用了热送热装技术,但是距日本和一些欧美国家的水平还有较大差距,热装率超过60%以上的企业还不多。2000年之后,新建的一些钢铁企业,由于布置合理,热装率和热装温度均获得较大提高,个别企业热装温度达到了800℃。

用于棒线材生产的连铸坯收集包括两种型式,一是带翻转功能的步进式冷床,二是带拨爪的移钢机。其中,步进式冷床适合优特钢企业,连铸坯冷却均匀,表面质量好,但冷却时间长,对热装来说,连铸坯温度较低。而移钢机适合普碳钢企业,钢坯移动速度快,温降小,加热炉热装温度高,配合短流程布置,热装温度可以达到800℃,甚至可以经过适当补温直接轧制。

1.3连铸坯表面检测

连铸坯的生产是整条钢材生产线的关键环节,铸坯的质量直接影响后续钢材的质量。传统的铸坯检查方式已不能满足企业节能降耗和提高生产效率的要求,对铸坯进行表面在线检测是实现热装热送工艺和及时发现缺陷的重要手段,可为企业带来巨大经济效益。

HXSI-H0系列表面检测系统是北京科技大学高效轧制国家工程研究中心于2008年起研制的连铸坯表面检测系统。该系统是专门针对板坯工艺特点、表面特性而开发,系统能够在复杂恶劣的炼钢生产环境下稳定工作。针对板坯表面复杂的状况,如氧化铁皮、保护渣等问题专门设计了缺陷检测算法和缺陷识别算法,实现板坯表面缺陷高精度、高可靠性的检出与识别。2015年又开发了适合棒材轧机使用的大圆坯及方坯表面检测系统。

1.4连铸坯轻/重压下工艺

连铸坯轻压下工艺(SR)最早是20世纪80年代在板坯上实现的,后来在大方坯上也成功应用了该项技术,对于棒线材轧机使用的小方坯150mm ×150mm-200mm×200mm断面,应用较少,但随着人们对该项技术的深入研究,小方坯的压下技术很快就会工程化。

连铸坯在凝固末端是最容易出现缺陷的位置,此处也正是拉矫辊的位置,如何在拉矫辊上来改善连铸坯质量,一直被人们关注。大部分人的观点都是在1#-6#拉矫辊上施以较小的压下量连续变形,近期有人尝试,采用单辊大压下量一次变形也获得较好效果。

连铸坯压下技术优点主要是改善连铸坯内部质量,消除缩孔、改善疏松和偏析,提高中心致密度,细化晶粒,提高等轴晶比例3%以上,特别适合优特钢生产,可以替代现有的二火成材及大断面连铸坯一火轧制棒线材的大压缩比工艺,降低生产成本,节约生产线的建设投资。

单辊重压下需要压辊机架具有较高的强度和刚度,适合新建连铸机;多辊轻压下适合旧线改造。

1.5无头轧制

无头轧制作为一项新技术,具有以下优点:

1)可大幅度提高盘条的盘重和轧机产量。由于消除了每根轧件在各机架咬入瞬间引起的动态降速,连轧过程稳定,张力波动减小,从而为进一步

提高轧制速度创造了条件;

2)由于消除了两根相邻轧件之间的间隙时间,消除了轧件的切头切尾,消除了棒材生产线上的短尺/短尾或线材盘卷头尾修剪,轧机利用率提高3%以上,生产能力提高2%-5%;盘条的盘重可根据要求用飞剪任意调节;

3)消除了咬入时因堆拉钢造成的断面尺寸超差和中间轧废,并大量减少切头、切尾的金属消耗,从而使金属收得率提高3%以上;

4)减少了温度较低的轧件头、尾部分对轧辊和导卫装置的频繁冲击,减少了轧辊磨损,有利于轧机及其传动装置的平稳运转;

5)连续稳定的轧制给整个生产过程的自动控制创造了有利条件,没有了活套辊频繁起套和收套动作。由于咬钢次数的减少,使堆钢事故出现的可能性更小, 减少了停机时间,大大提高了产品产量和质量,成材率比常规生产时提高约1.3%-1.5%,降低了生产成本,获得了可观的经济效益;

6)焊缝质量良好,各项性能指标与母材基本一致,焊接成功率>98%。

1.6脱头轧制

棒线材轧线的布置型式经历了从单机架、半连轧式,发展到目前广泛应用的全连续式,但对于特殊钢棒线材轧制生产线完全应用全连续轧制尚存在一些不足,因此,脱头轧制在特殊钢棒线材厂得到了较多应用。

脱头轧制指轧件在粗轧机组与中轧机组之间不发生连轧关系,在中间辊道上处于脱头状态。脱头轧制具有以下优点:

1)可按需要选择合适的钢坯断面尺寸;

2)能提高钢坯进入粗轧机组的入口速度,特殊钢坯进入粗轧机组的入口速度不应低于0.12 m/s。而过低的入口速度造成轧辊表面龟裂,降低轧辊使用寿命,影响轧材质量,过低的入口速度造成轧材的头尾温差大,最终影响产品质量及尺寸公差。按不同的钢种可提高或降低精轧机成品终轧速度而不影响粗轧机组的速度,有些特殊钢的轧制速度不能过高,过高后所产生的高变形抗力,会使轧材出现芯部过热、芯熔。

由于粗轧出来的中间坯长度较长,断面较小。当轧件头部进入中轧机组轧制时,尾部在辊道上将等待较长时间。为了保证成品头尾性能一致,必须做到轧件头尾温差小于30℃。因此,在中间辊道上设置保温罩或者增加感应加热器对轧件进行实时补温。特殊情况采用带炉底辊的隧道炉进行均温,但投资较大,且处理事故较难。

1.7高刚度轧机及减定径机组

经过30多年的发展,目前,棒材轧机种类归结起来为三大类,即闭口式二辊轧机、短应力线轧机、悬臂辊环轧机。其中闭口式二辊轧机主要是摩根型及西马克型(含德马克型),摩根型闭口轧机通过引进、消化,已成功应用于国内上百条生产线上。短应力线轧机引进机型主要是达涅利型和泼米尼型,我国各大研究院所也综合研制出自己品牌的短应力线轧机,国内几百条棒线材生产线上均有应用。悬臂辊环轧机仅达涅利开发,我国引进不多,如莱钢、唐钢等,仅用于粗轧机组。

棒材减定径轧机是安装在棒材精轧机组后,用于提高产品尺寸精度、改善产品性能(通过控制温度轧制)的一种机型,主要用于优特钢棒材。减定径轧机区别于普通轧机主要表现在三点:一是采用带速比的离合器,使其能够适应所有产品不同轧制速度需要;二是采用最小轧机中心距,减少微张力轧制带来的尺寸影响;三是采用单一孔型的硬质合金辊环,轧辊为双支撑,保证足够的刚度以适应很宽的产品规格范围。目前,国内引进的机型包括两种:一种是二辊轧机;一种是三辊Y轧机。二辊轧机主要是泼米尼型和达涅利型,有三机架平—立—平布置和四机架平—立—平—立布置两种型式,轧机辊系采用的是高刚度的短应力线轧机框架结构。三辊Y轧机主要是KOCKS型和西马克型,通常由3-5个机架组成,轧辊孔型呈Y-Δ交替布置。

线材精轧机组国产主流机型是摩根五代10架顶交45°重型机组,最高运行速

度90m/s,基本能够满足大部分线材产品生产需要。同时引进了一些摩根六代8 4机型、西马克减定径机组及达涅利双模块机组,配合先进的20°倾角吐丝机,最高运行速度达到120m/s。六代机型突出优势是可以实现低温精轧、精密轧制、单一孔型轧制,特别适合优特钢线材生产。

由于减定径机组投资较大,而且要实现控温轧制,需要精轧机和吐丝机之间有足够的距离,这对老厂改造提出了很大的难题。一种新型的双机架线材MINI轧机由哈尔滨飞机制造有限公司研制成功,并在国内成功应用两家。这种MINI轧机安装在现有的10架精轧机和吐丝机之间,可以将Φ5.5mm线材速度由原来的90m/s提高到105m/s,能够提高小规格线材的产量,同时还可实现部分控温轧制。这种轧机投资少,非常适合老线改造。

1.8切分轧制

切分轧制就是在轧制过程中,钢坯通过孔型设计轧制成两个或两个以上断面形状相同的并联件,然后经切分设备将坯料沿纵向切分成两条或两条以上断面形状相同的轧件,并继续轧制直至获得成品的轧制工艺。

切分轧制在我国获得非常成功的应用,离不开两项关键技术:一是轧辊技术,二是导卫技术。

钢坯在轧制过程中,轧辊孔型磨损直接影响到料型尺寸精度。如果孔型磨损快,料型难以控制,切分过程工艺事故增加。因此,轧辊材质越来越被人们重视,尽管价格较贵,但节省了换辊时间,减少了换槽次数,稳定了产品质量,提高了作业率,提高了产量,生产综合成本降低。目前,硬质合金(WC或高速钢)辊环广泛应用于切分轧制K1及K2轧辊,部分厂家也用于K3和K4轧辊。和铸铁轧辊相比,常规铸铁轧辊每个轧槽产量为200-300t,更换硬质合金辊环后每个轧槽产量提高5-10倍。

我国的导卫技术最初是在20世纪80年代引进国外先进的棒线材轧机时随机引进的导卫基础上经过消化、转化发展而来的。导卫的结构设计需要保证拆装、调整方便快捷,切分角设计合理,切分通道流畅,避免刮丝现象和易于处理堆钢事故。导卫材质切分轮普遍采用Cr12MoV模具钢系列,根据产品规格和使用环境不同,一次轧制量为1500-3000t。切分刀作为切分轮的后续辅助工具,其设计也很重要。

目前,已能够实现2-5线切分稳定生产,6线切分也有尝试。我国的多线切分技术已走在世界前列。

1.9无孔型轧制

孔型轧制是在不刻轧槽的平辊上,通过方-矩形变形过程,完成延伸孔型的任务,并减小断面到一定程度,再通过数量较少的精轧孔型,最终轧制成方、圆、扁等简单断面轧件。与传统的孔型轧制相比,无孔型轧制技术最大的优点就是轧辊利用率高,生产成本降低。

无孔型轧制最早应用在引进的紧凑式粗轧机上,采用贯穿式导卫,由于机架间距短,可借助轧制推力增大下游轧机咬入角,获得大的延伸变形。由于这种设计处理事故困难,在推广到普通轧机时,改为采用带导板尖的滚动导卫。目前无孔型轧制技术应用在钢筋生产线上,除成品机架外的所有轧机上,应用在线材生产线上的预精轧前所有轧机上。

1.10单一孔型轧制

棒线材单一孔型轧制技术是基于减定径机组的应用出现的,常规的孔型系统更换不同规格产品时,需要更换精轧机组乃至中轧机组的孔型及轧辊,而减定径机组可以轧制出所有规格的产品,根据来料需要,仅需甩开前面的若干个机架空过即可,空过的机架采用替换辊道连接。因此,单一孔型轧制具有以下优点:1)减少了换辊、换导卫的时间,提高了作业率;2)轧辊及导卫备件数量减少,管理费用及财务费用降低。

棒材的减定径机组通常由3-5机架组成,以4机架应用较多,线材的减定径机组通常由4机架组成。粗轧至精轧只用一套孔型,减定径机组内部只需更换少量孔型即可轧制不同规格产品,减定径机组内部还可以通过调整在某个规格范围内实现自由尺寸轧制。

1.11碳钢和不锈钢复合轧制棒材

不锈钢/碳钢复合钢筋是一种芯部为普通碳素钢、外部覆层为不锈钢,利用加工工艺使两部分金属达到冶金结合的一种性能优越的钢筋。不锈钢/碳钢复合钢筋因为外部覆层使用不锈钢材料,可以有效抵抗外部环境的腐蚀,芯部则采用合适的碳素结构钢,能满足工程上的力学性能要求。与普通钢筋相比,不锈钢/碳钢复合钢筋的抗腐蚀能力得到了巨

大提升;与全不锈钢钢筋相比,不锈钢/碳钢复合钢筋又有绝对的性价比优势。产品主要应用于海港建筑、滨海电站建筑、海岸堤坝建筑、海洋隧道、桥梁建筑和海上油气田陆地终端等领域,市场前景广阔。

不锈钢/碳钢复合钢筋的力学性能基本由芯部碳钢决定。国内外已研究了很多种复合技术,包括物理方法和化学方法,但实际操作起来都比较困难,难以实现产业化。最近,北京科技大学高效轧制国家工程研究中心科研团队开发了一种焊接加轧制工艺,首先采用焊接的方法使碳钢芯棒与不锈钢覆层形成简单的物理结合,再经过多道次的无孔型轧制和孔型轧制形成冶金结合,最终得到成品,该技术易于操作,值得推广应用。

1.12高速棒材

我国的棒材标准中规定棒材产品规格下限为Φ6mm,而目前常规的多线切分工艺生产最小规格为Φ10mm,轧制速度13m/s时,四切分小时产量能够达到100t/h,四根棒材通过辊道和裙板制动上冷床。对于Φ6mm和Φ8mm棒材,由于断面小,在上冷床的通道上极易出现乱钢事故,导致无法进行正常生产。因此,小规格棒材不宜采用多线切分 裙板制动上冷床工艺。为了实现轧机产量均衡,就必须走单线高速工艺路线。

棒材区别于线材的主要特点是直条交货,棒材的高速轧制必须要解决的三个问题即精轧机、分段飞剪及冷床上钢制动系统。

由于高速棒材最高速度只有50m/s,因此,采用6-8架国产顶交45°摩根五代精轧机完全能够满足要求。

高速状态只能采用连续运转工作制的圆盘飞剪,借助于剪前转辙器进行倍尺剪切控制,剪后棒材依次进入两个通道。剪区设备包括剪前夹送辊、转辙器及飞剪本体三部分。

经过分段后的高速棒材由双通道分别送至冷床,在冷床入口,设置两台夹送辊用于夹尾制动,将高速运行的棒材制动到4m/s以下的速度,然后靠通道内的摩擦阻力制动,前后两根依次落入冷床齿条的不同齿上。精轧机如为双线生产,则冷床上钢装置应为四通道。

1.13棒材卷取设备

棒材采用卷取收集的好处是用户使用过程中无浪费,钢材利用率高;对生产企业,节省厂房面积,节省投资。棒材卷取设备不同于线材吐丝机,卷取过程无扭转。主要包括两种类型的设备,一是加勒特卷取机;二是达涅利工字轮卷取机及西马克立式卷取机。前者适合优特钢企业,盘卷较松散,便于后续冷却及在线热处理。后者适合钢筋生产线,盘卷密度大,卷取效率高。无扭转的钢筋盘卷特别适合钢筋焊网企业,在开卷矫直过程中无扭转打结现象。

棒材卷取设备通常配合高速棒材生产线,也有和线材生产线复合的。应用在棒材生产线能够保证大规格棒材具有足够大的压缩比。加勒特卷取机适应产品直径Φ16-50mm,速度范围3-20m/s,工字轮卷取机适应产品直径Φ6-40mm,最大速度40m/s。

1.14 线材立式卷芯架收集

我国早期引进的美国摩根高线,采用的是双芯棒 PF线收集系统,近期通过引进瑞典森德斯的立式卷芯架收集系统,新建的高速线材生产线较多采用了立式卷芯架 PF线 卧式打捆机收集系统。采用该系统的优点是卷重可以增加到3t;集卷站平台高度可降低;通过卷芯架在辊床上的翻转台可方便切除线材头尾,避免摩根系统在PF线上只能切头,切尾拿不出的现象;线材的性能及外观质量均优于其他收集系统。

1.15 热机轧制和在线热处理

通过控制轧制和控制冷却,采用低合金钢生产非调质钢可大大降低制造业成本,节约合金元素。新建的优特钢棒线材生产线均考虑了控轧控冷,极大提高了生产的灵活性。中型棒材和大型棒材生产线均考虑了快速收集系统和缓冷坑,高速线材和棒材大盘卷生产线不仅考虑了快速冷却系统,还考虑了在线缓冷、等温回火等先进工艺设备,满足优特钢多品种生产的要求。

2未引进的国外先进工艺

2.1在线加热退火的步进式冷床

达涅利公司在108m×11m的步进式冷床一半设置了ONA退火室,棒材在ONA退火室内的移动,由步进梁式输送器完成。步进梁采用特殊的超耐热合金钢制造,内部没有通水冷却,而且设有一个专用机构,使棒材在热处理过程中不断翻转,从而可有效避免产品表面形成黑印。烧嘴的合理布置,再加上专用大功率冷却风机,可确保退火炉内温度分布非常均匀,从而保证材料的最终组织具有良好的均匀性,并满足产品的最终冶金组织和力学性能要求。

试验研究的结果是材料内部组织的球化率大于80%。ONA退火室目前已投入到实际生产中,用于等温退火和回火,从而使整个热处理周期缩短到只用2h,而且在材料硬度和碳化物分布方面,均得到令人满意的结果,特别适合轴承钢等高碳铬钢生产。

2.2高线吐丝机前的高速飞剪

线材盘卷的头尾剪切是线材生产厂家的主要操作。在传统的线材轧机上,盘卷切头尾操作是在打捆机之前通过人工在盘卷运输线上的一个小站台上进行的。也有一些厂家切头是在集卷站之前的辊式输送机上人工进行的,以消除吐丝机不规则输送形成的不规则形状,但是由于环境温度太高,工人劳动强度太大。

达涅利高速剪切机安装在吐丝机前(或布置在双模块机组前)的穿水装置后。在卷取之前,高速剪切机直接在线进行自动剪切,节省了操作人员。因剪头操作是在成卷之前进行的,避免吐丝机输出的小直径线材上未冷却的线圈头部紊乱,同时形成较好形状的线圈,产生非常均匀的最终线卷形状。

3近几年棒线材工程部分业绩

棒线材工程部分业绩见表1。                      (程知松)

 

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