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高效軋制國家工程研究中心成立二十周年系列技術報道:棒線材生產工藝及裝備的最新發展
信息來源:世界金屬導報2016-10-11B08      時間:2016-10-11 08:38:44


 

長期以來,我國的棒線材產量占鋼鐵產品總產量一直處于40%-50%之間,2015年棒線材產量總和約為5億噸,除了約10%出口外,其余產量均用于國內消化,可見棒線材產品在國民經濟建設中起著相當重要的作用。

棒線材軋機量大面廣,全國共有1000多條生產線。自20世紀80、90年代,我國陸續引進國外先進的棒線材軋機以來,通過消化—轉化—提升這一技術路線,使我國的國產棒線材軋機裝備接近世界先進水平,加上12%的進口國際先進水平的生產線,目前,處于國內先進水平以上的這部分比例約占到75%,成為市場主流。另有20%的普通軋機,采用的是雙線扭轉軋制工藝,產量大,僅適合普碳鋼生產。還有5%的落后軋機有待淘汰。下面主要介紹近幾年國內外在棒線材生產工藝技術及裝備方面的最新發展情況,以及高效軋制國家工程研究中心依托北京科技大學設計研究院對外應用工程部分實例。

1國內自主開發和引進的軋制新工藝

1.1連鑄坯直接軋制

連鑄坯直接軋制包含三種情形,一是有常規加熱爐和感應加熱同時存在;二是無常規加熱爐,僅通過感應加熱方式給連鑄坯補溫;三是不采取任何加熱措施,而是利用連鑄坯自身的溫度直接進入軋機進行軋制。

直接軋制技術適合軋機布置在 0.00m的地坪上情形,因為如果軋機布置在高架平臺上,鋼坯提升將耽擱較多時間,溫降較大。對于新建的短流程生產線應將連鑄中心線和軋制中心線布置在同一條線上,如果設置了加熱爐,則連鑄坯可直接穿過加熱爐,加熱爐出坯型式為輥道出鋼;但對于改造項目,可能需要橫移臺架,并在爐頭增加一組輥道實現鋼坯繞過加熱爐。連鑄坯表面溫度約800℃ ,通過感應加熱將鋼坯溫度提高到1050℃ 。這種布置的優點是當連鑄和軋鋼能力不匹配時,多余的冷坯定期采用加熱爐加熱軋制,組織生產較靈活。

如果連鑄機和軋機之間沒有加熱爐,僅有感應加熱器給連鑄坯進行補溫。這種布置必須要求煉鋼和軋鋼能力嚴格匹配,軋機出現故障時甩出的冷坯只能外賣,生產組織難度較大,僅適合小時產量相當的幾種規格產品。如果軋制小規格產品,可能甩出相當一部分冷坯。優點是投資省,沒有了坯料跨和加熱爐。

沒有感應加熱補溫的直接軋制工藝的技術核心是在連鑄切割區,讓切割點位于凝固臨界點,將常規的切割點前移,提高連鑄坯自身溫度。通過計算機模擬,連鑄坯在切割點斷面溫度分布為表面950℃,芯部1275℃。定尺切割后的鋼坯在輥道上運輸時間控制在2min內,溫降應該小于50℃。如果輥道較長,可以加保溫罩,鋼坯在保溫罩內表面溫度得以回復,到軋機入口鋼坯斷面的平均溫度能夠達到1000-1050℃,滿足軋制要求。

由于無法保證連鑄做到無缺陷鋼坯,因此,直接軋制技術僅能用于普碳鋼和低合金鋼的棒線材生產線。

1.2連鑄坯熱裝熱送

連鑄坯熱送熱裝是20世紀80年代從國外興起的一項鋼鐵生產新技術。我國從20世紀90年代,先從普碳鋼企業開始,隨著連鑄比不斷提高,一些企業開始嘗試熱送熱裝。90年代中期以后,我國棒線材大量采用了熱送熱裝技術,但是距日本和一些歐美國家的水平還有較大差距,熱裝率超過60%以上的企業還不多。2000年之后,新建的一些鋼鐵企業,由于布置合理,熱裝率和熱裝溫度均獲得較大提高,個別企業熱裝溫度達到了800℃。

用于棒線材生產的連鑄坯收集包括兩種型式,一是帶翻轉功能的步進式冷床,二是帶撥爪的移鋼機。其中,步進式冷床適合優特鋼企業,連鑄坯冷卻均勻,表面質量好,但冷卻時間長,對熱裝來說,連鑄坯溫度較低。而移鋼機適合普碳鋼企業,鋼坯移動速度快,溫降小,加熱爐熱裝溫度高,配合短流程布置,熱裝溫度可以達到800℃,甚至可以經過適當補溫直接軋制。

1.3連鑄坯表面檢測

連鑄坯的生產是整條鋼材生產線的關鍵環節,鑄坯的質量直接影響后續鋼材的質量。傳統的鑄坯檢查方式已不能滿足企業節能降耗和提高生產效率的要求,對鑄坯進行表面在線檢測是實現熱裝熱送工藝和及時發現缺陷的重要手段,可為企業帶來巨大經濟效益。

HXSI-H0系列表面檢測系統是北京科技大學高效軋制國家工程研究中心于2008年起研制的連鑄坯表面檢測系統。該系統是專門針對板坯工藝特點、表面特性而開發,系統能夠在復雜惡劣的煉鋼生產環境下穩定工作。針對板坯表面復雜的狀況,如氧化鐵皮、保護渣等問題專門設計了缺陷檢測算法和缺陷識別算法,實現板坯表面缺陷高精度、高可靠性的檢出與識別。2015年又開發了適合棒材軋機使用的大圓坯及方坯表面檢測系統。

1.4連鑄坯輕/重壓下工藝

連鑄坯輕壓下工藝(SR)最早是20世紀80年代在板坯上實現的,后來在大方坯上也成功應用了該項技術,對于棒線材軋機使用的小方坯150mm ×150mm-200mm×200mm斷面,應用較少,但隨著人們對該項技術的深入研究,小方坯的壓下技術很快就會工程化。

連鑄坯在凝固末端是最容易出現缺陷的位置,此處也正是拉矯輥的位置,如何在拉矯輥上來改善連鑄坯質量,一直被人們關注。大部分人的觀點都是在1#-6#拉矯輥上施以較小的壓下量連續變形,近期有人嘗試,采用單輥大壓下量一次變形也獲得較好效果。

連鑄坯壓下技術優點主要是改善連鑄坯內部質量,消除縮孔、改善疏松和偏析,提高中心致密度,細化晶粒,提高等軸晶比例3%以上,特別適合優特鋼生產,可以替代現有的二火成材及大斷面連鑄坯一火軋制棒線材的大壓縮比工藝,降低生產成本,節約生產線的建設投資。

單輥重壓下需要壓輥機架具有較高的強度和剛度,適合新建連鑄機;多輥輕壓下適合舊線改造。

1.5無頭軋制

無頭軋制作為一項新技術,具有以下優點:

1)可大幅度提高盤條的盤重和軋機產量。由于消除了每根軋件在各機架咬入瞬間引起的動態降速,連軋過程穩定,張力波動減小,從而為進一步

提高軋制速度創造了條件;

2)由于消除了兩根相鄰軋件之間的間隙時間,消除了軋件的切頭切尾,消除了棒材生產線上的短尺/短尾或線材盤卷頭尾修剪,軋機利用率提高3%以上,生產能力提高2%-5%;盤條的盤重可根據要求用飛剪任意調節;

3)消除了咬入時因堆拉鋼造成的斷面尺寸超差和中間軋廢,并大量減少切頭、切尾的金屬消耗,從而使金屬收得率提高3%以上;

4)減少了溫度較低的軋件頭、尾部分對軋輥和導衛裝置的頻繁沖擊,減少了軋輥磨損,有利于軋機及其傳動裝置的平穩運轉;

5)連續穩定的軋制給整個生產過程的自動控制創造了有利條件,沒有了活套輥頻繁起套和收套動作。由于咬鋼次數的減少,使堆鋼事故出現的可能性更小, 減少了停機時間,大大提高了產品產量和質量,成材率比常規生產時提高約1.3%-1.5%,降低了生產成本,獲得了可觀的經濟效益;

6)焊縫質量良好,各項性能指標與母材基本一致,焊接成功率>98%。

1.6脫頭軋制

棒線材軋線的布置型式經歷了從單機架、半連軋式,發展到目前廣泛應用的全連續式,但對于特殊鋼棒線材軋制生產線完全應用全連續軋制尚存在一些不足,因此,脫頭軋制在特殊鋼棒線材廠得到了較多應用。

脫頭軋制指軋件在粗軋機組與中軋機組之間不發生連軋關系,在中間輥道上處于脫頭狀態。脫頭軋制具有以下優點:

1)可按需要選擇合適的鋼坯斷面尺寸;

2)能提高鋼坯進入粗軋機組的入口速度,特殊鋼坯進入粗軋機組的入口速度不應低于0.12 m/s。而過低的入口速度造成軋輥表面龜裂,降低軋輥使用壽命,影響軋材質量,過低的入口速度造成軋材的頭尾溫差大,最終影響產品質量及尺寸公差。按不同的鋼種可提高或降低精軋機成品終軋速度而不影響粗軋機組的速度,有些特殊鋼的軋制速度不能過高,過高后所產生的高變形抗力,會使軋材出現芯部過熱、芯熔。

由于粗軋出來的中間坯長度較長,斷面較小。當軋件頭部進入中軋機組軋制時,尾部在輥道上將等待較長時間。為了保證成品頭尾性能一致,必須做到軋件頭尾溫差小于30℃。因此,在中間輥道上設置保溫罩或者增加感應加熱器對軋件進行實時補溫。特殊情況采用帶爐底輥的隧道爐進行均溫,但投資較大,且處理事故較難。

1.7高剛度軋機及減定徑機組

經過30多年的發展,目前,棒材軋機種類歸結起來為三大類,即閉口式二輥軋機、短應力線軋機、懸臂輥環軋機。其中閉口式二輥軋機主要是摩根型及西馬克型(含德馬克型),摩根型閉口軋機通過引進、消化,已成功應用于國內上百條生產線上。短應力線軋機引進機型主要是達涅利型和潑米尼型,我國各大研究院所也綜合研制出自己品牌的短應力線軋機,國內幾百條棒線材生產線上均有應用。懸臂輥環軋機僅達涅利開發,我國引進不多,如萊鋼、唐鋼等,僅用于粗軋機組。

棒材減定徑軋機是安裝在棒材精軋機組后,用于提高產品尺寸精度、改善產品性能(通過控制溫度軋制)的一種機型,主要用于優特鋼棒材。減定徑軋機區別于普通軋機主要表現在三點:一是采用帶速比的離合器,使其能夠適應所有產品不同軋制速度需要;二是采用最小軋機中心距,減少微張力軋制帶來的尺寸影響;三是采用單一孔型的硬質合金輥環,軋輥為雙支撐,保證足夠的剛度以適應很寬的產品規格范圍。目前,國內引進的機型包括兩種:一種是二輥軋機;一種是三輥Y軋機。二輥軋機主要是潑米尼型和達涅利型,有三機架平—立—平布置和四機架平—立—平—立布置兩種型式,軋機輥系采用的是高剛度的短應力線軋機框架結構。三輥Y軋機主要是KOCKS型和西馬克型,通常由3-5個機架組成,軋輥孔型呈Y-Δ交替布置。

線材精軋機組國產主流機型是摩根五代10架頂交45°重型機組,最高運行速

度90m/s,基本能夠滿足大部分線材產品生產需要。同時引進了一些摩根六代8 4機型、西馬克減定徑機組及達涅利雙模塊機組,配合先進的20°傾角吐絲機,最高運行速度達到120m/s。六代機型突出優勢是可以實現低溫精軋、精密軋制、單一孔型軋制,特別適合優特鋼線材生產。

由于減定徑機組投資較大,而且要實現控溫軋制,需要精軋機和吐絲機之間有足夠的距離,這對老廠改造提出了很大的難題。一種新型的雙機架線材MINI軋機由哈爾濱飛機制造有限公司研制成功,并在國內成功應用兩家。這種MINI軋機安裝在現有的10架精軋機和吐絲機之間,可以將Φ5.5mm線材速度由原來的90m/s提高到105m/s,能夠提高小規格線材的產量,同時還可實現部分控溫軋制。這種軋機投資少,非常適合老線改造。

1.8切分軋制

切分軋制就是在軋制過程中,鋼坯通過孔型設計軋制成兩個或兩個以上斷面形狀相同的并聯件,然后經切分設備將坯料沿縱向切分成兩條或兩條以上斷面形狀相同的軋件,并繼續軋制直至獲得成品的軋制工藝。

切分軋制在我國獲得非常成功的應用,離不開兩項關鍵技術:一是軋輥技術,二是導衛技術。

鋼坯在軋制過程中,軋輥孔型磨損直接影響到料型尺寸精度。如果孔型磨損快,料型難以控制,切分過程工藝事故增加。因此,軋輥材質越來越被人們重視,盡管價格較貴,但節省了換輥時間,減少了換槽次數,穩定了產品質量,提高了作業率,提高了產量,生產綜合成本降低。目前,硬質合金(WC或高速鋼)輥環廣泛應用于切分軋制K1及K2軋輥,部分廠家也用于K3和K4軋輥。和鑄鐵軋輥相比,常規鑄鐵軋輥每個軋槽產量為200-300t,更換硬質合金輥環后每個軋槽產量提高5-10倍。

我國的導衛技術最初是在20世紀80年代引進國外先進的棒線材軋機時隨機引進的導衛基礎上經過消化、轉化發展而來的。導衛的結構設計需要保證拆裝、調整方便快捷,切分角設計合理,切分通道流暢,避免刮絲現象和易于處理堆鋼事故。導衛材質切分輪普遍采用Cr12MoV模具鋼系列,根據產品規格和使用環境不同,一次軋制量為1500-3000t。切分刀作為切分輪的后續輔助工具,其設計也很重要。

目前,已能夠實現2-5線切分穩定生產,6線切分也有嘗試。我國的多線切分技術已走在世界前列。

1.9無孔型軋制

孔型軋制是在不刻軋槽的平輥上,通過方-矩形變形過程,完成延伸孔型的任務,并減小斷面到一定程度,再通過數量較少的精軋孔型,最終軋制成方、圓、扁等簡單斷面軋件。與傳統的孔型軋制相比,無孔型軋制技術最大的優點就是軋輥利用率高,生產成本降低。

無孔型軋制最早應用在引進的緊湊式粗軋機上,采用貫穿式導衛,由于機架間距短,可借助軋制推力增大下游軋機咬入角,獲得大的延伸變形。由于這種設計處理事故困難,在推廣到普通軋機時,改為采用帶導板尖的滾動導衛。目前無孔型軋制技術應用在鋼筋生產線上,除成品機架外的所有軋機上,應用在線材生產線上的預精軋前所有軋機上。

1.10單一孔型軋制

棒線材單一孔型軋制技術是基于減定徑機組的應用出現的,常規的孔型系統更換不同規格產品時,需要更換精軋機組乃至中軋機組的孔型及軋輥,而減定徑機組可以軋制出所有規格的產品,根據來料需要,僅需甩開前面的若干個機架空過即可,空過的機架采用替換輥道連接。因此,單一孔型軋制具有以下優點:1)減少了換輥、換導衛的時間,提高了作業率;2)軋輥及導衛備件數量減少,管理費用及財務費用降低。

棒材的減定徑機組通常由3-5機架組成,以4機架應用較多,線材的減定徑機組通常由4機架組成。粗軋至精軋只用一套孔型,減定徑機組內部只需更換少量孔型即可軋制不同規格產品,減定徑機組內部還可以通過調整在某個規格范圍內實現自由尺寸軋制。

1.11碳鋼和不銹鋼復合軋制棒材

不銹鋼/碳鋼復合鋼筋是一種芯部為普通碳素鋼、外部覆層為不銹鋼,利用加工工藝使兩部分金屬達到冶金結合的一種性能優越的鋼筋。不銹鋼/碳鋼復合鋼筋因為外部覆層使用不銹鋼材料,可以有效抵抗外部環境的腐蝕,芯部則采用合適的碳素結構鋼,能滿足工程上的力學性能要求。與普通鋼筋相比,不銹鋼/碳鋼復合鋼筋的抗腐蝕能力得到了巨

大提升;與全不銹鋼鋼筋相比,不銹鋼/碳鋼復合鋼筋又有絕對的性價比優勢。產品主要應用于海港建筑、濱海電站建筑、海岸堤壩建筑、海洋隧道、橋梁建筑和海上油氣田陸地終端等領域,市場前景廣闊。

不銹鋼/碳鋼復合鋼筋的力學性能基本由芯部碳鋼決定。國內外已研究了很多種復合技術,包括物理方法和化學方法,但實際操作起來都比較困難,難以實現產業化。最近,北京科技大學高效軋制國家工程研究中心科研團隊開發了一種焊接加軋制工藝,首先采用焊接的方法使碳鋼芯棒與不銹鋼覆層形成簡單的物理結合,再經過多道次的無孔型軋制和孔型軋制形成冶金結合,最終得到成品,該技術易于操作,值得推廣應用。

1.12高速棒材

我國的棒材標準中規定棒材產品規格下限為Φ6mm,而目前常規的多線切分工藝生產最小規格為Φ10mm,軋制速度13m/s時,四切分小時產量能夠達到100t/h,四根棒材通過輥道和裙板制動上冷床。對于Φ6mm和Φ8mm棒材,由于斷面小,在上冷床的通道上極易出現亂鋼事故,導致無法進行正常生產。因此,小規格棒材不宜采用多線切分 裙板制動上冷床工藝。為了實現軋機產量均衡,就必須走單線高速工藝路線。

棒材區別于線材的主要特點是直條交貨,棒材的高速軋制必須要解決的三個問題即精軋機、分段飛剪及冷床上鋼制動系統。

由于高速棒材最高速度只有50m/s,因此,采用6-8架國產頂交45°摩根五代精軋機完全能夠滿足要求。

高速狀態只能采用連續運轉工作制的圓盤飛剪,借助于剪前轉轍器進行倍尺剪切控制,剪后棒材依次進入兩個通道。剪區設備包括剪前夾送輥、轉轍器及飛剪本體三部分。

經過分段后的高速棒材由雙通道分別送至冷床,在冷床入口,設置兩臺夾送輥用于夾尾制動,將高速運行的棒材制動到4m/s以下的速度,然后靠通道內的摩擦阻力制動,前后兩根依次落入冷床齒條的不同齒上。精軋機如為雙線生產,則冷床上鋼裝置應為四通道。

1.13棒材卷取設備

棒材采用卷取收集的好處是用戶使用過程中無浪費,鋼材利用率高;對生產企業,節省廠房面積,節省投資。棒材卷取設備不同于線材吐絲機,卷取過程無扭轉。主要包括兩種類型的設備,一是加勒特卷取機;二是達涅利工字輪卷取機及西馬克立式卷取機。前者適合優特鋼企業,盤卷較松散,便于后續冷卻及在線熱處理。后者適合鋼筋生產線,盤卷密度大,卷取效率高。無扭轉的鋼筋盤卷特別適合鋼筋焊網企業,在開卷矯直過程中無扭轉打結現象。

棒材卷取設備通常配合高速棒材生產線,也有和線材生產線復合的。應用在棒材生產線能夠保證大規格棒材具有足夠大的壓縮比。加勒特卷取機適應產品直徑Φ16-50mm,速度范圍3-20m/s,工字輪卷取機適應產品直徑Φ6-40mm,最大速度40m/s。

1.14 線材立式卷芯架收集

我國早期引進的美國摩根高線,采用的是雙芯棒 PF線收集系統,近期通過引進瑞典森德斯的立式卷芯架收集系統,新建的高速線材生產線較多采用了立式卷芯架 PF線 臥式打捆機收集系統。采用該系統的優點是卷重可以增加到3t;集卷站平臺高度可降低;通過卷芯架在輥床上的翻轉臺可方便切除線材頭尾,避免摩根系統在PF線上只能切頭,切尾拿不出的現象;線材的性能及外觀質量均優于其他收集系統。

1.15 熱機軋制和在線熱處理

通過控制軋制和控制冷卻,采用低合金鋼生產非調質鋼可大大降低制造業成本,節約合金元素。新建的優特鋼棒線材生產線均考慮了控軋控冷,極大提高了生產的靈活性。中型棒材和大型棒材生產線均考慮了快速收集系統和緩冷坑,高速線材和棒材大盤卷生產線不僅考慮了快速冷卻系統,還考慮了在線緩冷、等溫回火等先進工藝設備,滿足優特鋼多品種生產的要求。

2未引進的國外先進工藝

2.1在線加熱退火的步進式冷床

達涅利公司在108m×11m的步進式冷床一半設置了ONA退火室,棒材在ONA退火室內的移動,由步進梁式輸送器完成。步進梁采用特殊的超耐熱合金鋼制造,內部沒有通水冷卻,而且設有一個專用機構,使棒材在熱處理過程中不斷翻轉,從而可有效避免產品表面形成黑印。燒嘴的合理布置,再加上專用大功率冷卻風機,可確保退火爐內溫度分布非常均勻,從而保證材料的最終組織具有良好的均勻性,并滿足產品的最終冶金組織和力學性能要求。

試驗研究的結果是材料內部組織的球化率大于80%。ONA退火室目前已投入到實際生產中,用于等溫退火和回火,從而使整個熱處理周期縮短到只用2h,而且在材料硬度和碳化物分布方面,均得到令人滿意的結果,特別適合軸承鋼等高碳鉻鋼生產。

2.2高線吐絲機前的高速飛剪

線材盤卷的頭尾剪切是線材生產廠家的主要操作。在傳統的線材軋機上,盤卷切頭尾操作是在打捆機之前通過人工在盤卷運輸線上的一個小站臺上進行的。也有一些廠家切頭是在集卷站之前的輥式輸送機上人工進行的,以消除吐絲機不規則輸送形成的不規則形狀,但是由于環境溫度太高,工人勞動強度太大。

達涅利高速剪切機安裝在吐絲機前(或布置在雙模塊機組前)的穿水裝置后。在卷取之前,高速剪切機直接在線進行自動剪切,節省了操作人員。因剪頭操作是在成卷之前進行的,避免吐絲機輸出的小直徑線材上未冷卻的線圈頭部紊亂,同時形成較好形狀的線圈,產生非常均勻的最終線卷形狀。

3近幾年棒線材工程部分業績

棒線材工程部分業績見表1。                      (程知松)

 

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