灵活生产热轧带钢和中厚板的技术和设备

作者:情报分会              发布时间:2010-12-06


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在世界经济形势不断变化和市场竞争日益激烈的今天,↑↑SMS Siemag↑↑↑提出一种在一座钢厂利用不同热轧带钢生产线与其他生产线相结合的工艺形式生产带钢和中厚板以满足轧钢厂扩大产品生产范围和生产灵活性的需要。本文将介绍用于提高轧机产量和产品质量以及扩大生产灵活性的板坯调宽压力机显微组织模型、↑↑UNI plus↑↑↑卷取机、热轧带钢机和中厚板轧机↑↑CVC plus↑↑↑以及喷雾和层流联合冷却技术系统。↑↑↑↑ ↑

1 ↑↑↑集成解决方案↑↑↑↑↑ ↑

经过几十年的不断努力,今天的↑↑SMS Siemag↑↑↑已从一家机械装置设计商发展成为了机械、电器和自动化系统方面的综合性技术设计服务的和为用户提供各种集成技术设计的服务商。↑↑↑↑ ↑

例如,为了使新建的车间实现快速投产,↑↑SMS Siemag↑↑↑公司创造了↑“↑↑↑plug ↑ ↑wo↑rk↑↑↑”↑↑工作法。其核心是设备安装在现场之前,按实际生产条件对全套自动化系统,包括机械和液压设备、电动机和各种传感器进行模拟操作与实时检测,消除系统在正式投入生产前设备已存在的故障,实现设备性能最优化。在↑↑SMS Siemag↑↑↑公司技术人员指导下由用户的操作者全程参与的这一过程,实际上也是对操作者的技术培训过程。为他们熟练掌握控制系统等生产设备,实现快速投产和达产创造了十分有利的条件。↑↑↑↑ ↑

实践证明,新车间和新设备的快速达产对回收投资有重要影响。以典型情况↑↑6↑↑↑个月、↑↑12↑↑↑个月和↑↑18↑↑↑个月达到设计生产能力的↑↑95↑↑↑%为例,假设工厂设计生产能力为年产↑↑300↑↑↑万↑↑t↑↑↑。↑↑6↑↑↑个月达到年产能↑↑95↑↑↑%的轧钢厂,在第一年内将比↑↑12↑↑↑个月达到产能↑↑95↑↑↑%的轧钢厂多轧钢约↑↑100↑↑↑万↑↑t↑↑↑;将比↑↑18↑↑↑个月达到年产能↑↑95↑↑↑%的钢厂多轧钢约↑↑180↑↑↑万↑↑t↑↑↑。由此可见,快速达产对快速回收投资的重大作用(此处未考虑产品销售对回收投资的作用)。↑↑↑↑ ↑

快速达产的典型案例是美国↑↑Severstal Columbus CSP↑↑↑钢厂,在轧出第↑↑1↑↑↑个热轧带钢卷后的第↑↑6↑↑↑个月便达到设计年产能的↑↑93↑↑↑%。↑↑↑↑ ↑

2 ↑↑↑带钢热轧机↑↑↑↑↑ ↑

2.1 ↑↑↑设备↑↑↑↑↑ ↑

带钢热轧机的主要选择依据是年产量和品种、规格。就传统带钢热轧机,↑↑SMS Siemag↑↑↑已建立起两种概念轧机即年产量为↑↑550↑↑↑万↑↑t↑↑↑的高性能↑↑X-Roll↑↑↑带钢热轧机和年产量为↑↑400↑↑↑万↑↑t↑↑↑的紧凑型↑↑X-Roll↑↑↑带钢热轧机。↑↑↑↑ ↑

2000↑↑↑年后,↑↑SMS Siemag↑↑↑已为全球设计了↑↑12↑↑↑台传统带钢热轧机,其中↑↑7↑↑↑台高性能轧机和↑↑5↑↑↑台紧凑型轧机。两种轧机都是世界上性能十分优秀的、轧机品种范围非常广泛的轧机。它可轧制从低↑↑C↑↑↑钢到包括微合金钢和不锈钢在内的高强度钢,也可将板坯轧制成宽度为↑↑2250mm↑↑↑↑,厚度为↑↑1.2mm↑↑↑~↑↑25.4mm↑↑↑↑的钢板。↑↑↑↑ ↑

就工厂布置而言,两种概念工厂之间的主要差别是高性能轧机具有板坯调宽压力机;紧凑型带钢热轧机具有筒式辅助↑卷取箱↑。↑↑↑↑ ↑

高性能带钢轧机的板坯调宽压力机安装在初轧除鳞机和第一台粗轧机之间。这种安装的主要优点是使轧机和连铸机操作变得更灵活,一次轧制最大调宽度可达↑↑350mm↑↑↑↑,且使宽度的变化很容易适应轧制程序,从而大大提高热送料和直接送料速度,同时使铸机的铸坯尺寸范围减少至几个标准宽度。此外,↑还可利用铸坯宽度大大高于成品带钢所要求的宽度以有效提升连铸机产量。与在立辊轧机中宽度轧制相比,板坯调宽机可使板坯更好实现成形↑。↑↑↑↑ ↑

使用紧凑型带钢热轧机中的筒式辅助带卷卷取箱卷取最后通过粗轧机的中间坯和为精轧输送中间坯,可使这个轧制过程在沿中间坯长度方向的温度相等以提高敏感性钢种轧制工艺的稳定性。此外,利用↑↑6↑↑↑机架精轧机组轧制成品带钢的厚度达到↑↑1.2mm↑↑↑↑。利用最少的轧机数目,尽可能缩短粗轧机和精轧机间的距离以达到降低轧钢厂厂房总长度的目的。↑↑ ↑↑↑↑ ↑

2.2 ↑↑↑技术↑↑↑↑↑ ↑

2.2.1↑↑↑↑ ↑↑↑↑显微组织特征模型↑↑↑↑↑ ↑

利用该模型可提高轧制工艺稳定性和设备产能,从而促进新材料的研发。依靠预测可以优化成品晶粒组织、材料性能和工艺控制,有利于缩短新↑↑材料的研发周期。↑↑↑↑ ↑

因为微合金钢板坯在轧制过程中,其纵向和横向存在温度再结晶行为,十分复杂,因而使轧制变得很困难。然而,利用显微组织模型可以优化压下量分配,并精确控制轧制温度。曾对微合金含铌钢进行优化及稳定轧制工艺试验。结果证实,↑↑F2↑↑↑是关键的道次,当板坯进入辊缝时,其尾部发生再结晶。由于带钢全长方向完全再结晶后进入↑↑F3↑↑↑机架,对压下量进行了科学分配,故热轧工艺保持相当稳定,使自↑↑F3↑↑↑起进入后续轧机已无再结晶发生。↑↑↑↑ ↑

2.2.2↑↑↑↑ CVC plus↑↑↑↑的应用↑↑↑↑↑ ↑

这是一种被世界公认的用于板形和平直度控制的软件技术包。它可为编制轧制计划表提供灵活度。↑↑↑↑ ↑

CVC plus↑↑↑是以工作辊轴向移动与特殊的↑↑CVC plus↑↑↑磨削、工作辊弯曲和附属技术模型(板形和平直度控制)相结合的综合技术。↑↑CVC plus↑↑↑磨削技术的最新开发成果已用于支承辊。结果使工作辊和支承辊之间的操作范围得到扩大,载荷分配更均匀,从而减小了支承辊的工件硬化,延长了支承辊的使用寿命。↑↑↑↑ ↑

为了避免热凸度和轧辊磨损导致的不良轧制后果,带钢热轧机应通过对轧制程序结构的严格要求进行控制以避免带钢板形和平直度异常。↑↑↑↑ ↑

德国↑↑Salzgitter Flachstahl↑↑↑钢厂在轧制高碳钢过程中,尽管局部边界条件已达到极限,但利用智能↑轴向移动的↑↑↑CVC plus↑↑↑技术即给精轧机架从↑↑F2↑↑↑~↑↑F7↑↑↑安装了↑↑CVC plus↑↑↑,结果热轧带钢的板形仍然十分优良。在这种高碳钢轧制过程中,如果采用传统工作辊将会很快导致板材平直度偏差过大而不得不更换工作辊。然而,利用智能轴向移动的↑↑CVC plus↑↑↑技术却能轧出↑↑60km↑↑↑↑长,宽度完全相同且板形十分满意的带钢。↑↑↑↑ ↑

2.2.3↑↑↑↑ UNI plus↑↑↑↑卷取机↑↑↑↑↑ ↑

实现卷取机系统的现代化是许多热轧带钢生产商们很早以来的期待。实现卷取机系统自动化的主要推动力是需要卷取螺旋焊管用大宽度和大厚度钢板及超高强度的建筑结构钢板。这些钢板的轧制不仅增大了轧机载荷,也增加了卷取机的载荷。↑↑↑↑ ↑

为了满足卷取要求,从↑↑2000↑↑↑年起在对↑↑68↑↑↑种通用卷取机进行测试和研究后,↑↑SMS Siemag↑↑↑公司开发了↑↑UNI plus↑↑↑卷取机。↑↑UNI plus↑↑↑卷取机的扭矩是通用卷取机最大卷取扭矩的↑↑250%↑↑↑,工作性能十分优秀。↑↑↑↑ ↑

为了开发↑↑UNI plus↑↑↑卷取机,利用↑↑FEM↑↑↑(有限元法)对卷取全过程所有运动和带钢塑性变形进行了分析。特别是对带钢卷取之初至带钢头部(即卷取起点)卷成第一圆卷的全过程进行了深入的分析研究,因为这时需要的驱动力和扭矩最大。↑↑↑↑ ↑

由于↑↑UNI plus↑↑↑卷取机的整个机械系统由强力液压装置、侧导轨、扩大功能后的槽形轧辊、增大了调整力和具有更大驱动扭矩的张拉辊装置、加强型助卷机辊以及特殊设计的卷筒组成。所以,它的机构和技术工艺的控制完全适用于高强钢和大宽度钢板卷取要求。为了对第一圈卷取进行优化,特别对自动轧制道次控制系统的功能进行了扩展。↑↑↑↑ ↑

2010↑↑↑年初,已有↑↑6↑↑↑台↑↑UNI plus↑↑↑卷取机投入运行。其中以↑↑Arcelo↑rmittal Bremen↑↑↑公司使用的一台的性能最引人注目,因为它是世界上动力最强大的卷取机,它能在温度为↑↑470↑↑↑℃↑↑↑时卷取厚度为↑↑25.4mm↑↑↑↑,宽度为↑↑2150mm↑↑↑↑的↑↑X70↑↑↑高强度热轧带钢。↑↑↑↑ ↑

2.2.4↑↑↑↑ ↑↑↑↑设备和工艺监测系统↑↑↑↑↑ ↑

使用者最关注的是系统维修优化和构件寿命的最大利用。↑↑设备和工艺监测↑↑系统由↑↑三大模块组成,即控制回路监测、驱动监测和报警分析模块。控制回路监测使用简单的↑特征变量,↑实现对回路性能的监测,并使用有效工具完成对回路性能是否出现偏差的详细分析。驱动监测模块包括扭矩、轴承温度及其振动频率测量和分析系统。报警分析模块的主要功能是评估自动化系统的报警信号。采用这种方法可较早指出薄弱点和操作错误以成功改善操作。↑↑↑↑ ↑

3 ↑↑↑紧凑型带钢生产(↑↑CSP↑↑↑)↑↑↑↑↑ ↑

紧凑型带钢生产工艺↑↑CSP↑↑↑是一种经济效益十分显著的轧制工艺。它由↑↑SMS Siemag↑↑↑公司研发成功,并于↑↑1989↑↑↑年进入轧钢市场。其基本原理是连铸坯直接轧制而不需要中间加热。连铸机生产厚度为↑↑50mm↑↑↑↑~↑↑70mm↑↑↑↑的薄板坯首先进入保温调温,然后进入精轧机轧制成宽度为↑↑1880mm↑↑↑↑,厚度为↑↑0.8mm↑↑↑↑~↑↑16mm↑↑↑↑的带钢。根据轧制产品规格和品种的具体复杂程度而定,一流铸坯的紧凑型轧机的最大年产量约↑↑150↑↑↑万↑↑t↑↑↑。可增加一流铸坯实现产量翻番。↑↑↑↑ ↑

CSP↑↑↑技术的主要优势之一是可通过增加铸坯流的数量增加带钢热轧机产量。因此,轧钢厂商可以用较少投资从一流铸坯开始生产,然后根据市场需求通增减坯流以调整工厂产能。↑↑↑↑ ↑

定于↑↑2010↑↑↑年~↑↑2011↑↑↑年间投产的印度↑↑Essar↑↑↑钢铁公司第一座↑↑3↑↑↑流↑↑CSP↑↑↑工厂将成为紧凑型热轧带钢生产技术发展过程的里程碑。它是一台传统紧凑型带钢热轧机,设计年产量为↑↑340↑↑↑万↑↑t↑↑↑。↑↑↑↑ ↑

3.1 ↑↑↑经济效益和质量优势↑↑↑↑↑ ↑

与传统轧机相比,↑↑CSP↑↑↑轧机因为不需粗轧机组和不需要中间加热设备及其加热过程而具有建设投资少、生产能耗和产品置换成本低等其他任何轧制工艺不可比拟的经济优势。不仅如此,↑↑CSP↑↑↑技术还因为某些特殊工艺性能而可为热轧带钢获得均匀的显微组织、力学性能和精确的几何尺寸创造了十分优良的前提条件。实践证明,用↑↑CSP↑↑↑轧制优质钢如微合金钢或↑↑Si↑↑↑钢更具有特殊的优势。与传统工艺相比它生产非取向电工钢可大大减少材料的变形损失而降低生产成本。↑↑↑↑ ↑

由于从保温炉出来的薄板坯温度在厚度、宽度和长度方向上的分布非常均匀,因而为实现稳定轧制和无故障轧制创造了有利条件。所以,↑↑CSP↑↑↑工艺轧制的热带钢在长度、宽度方向的力学性能十分均匀,保证了带钢的宽度和厚度几何尺寸能准确达到或超过规定精度。↑↑↑↑ ↑

3.2 CSP↑↑↑技术的灵活应用↑↑↑↑↑ ↑

CSP↑↑↑技术投产↑↑20↑↑↑周年后,对全球↑↑28↑↑↑条↑↑CSP↑↑↑生产线进行了统计分析。发现各条生产之间的生产状况存在着较大差异,但它们都用良好的经济效益证明了自己的优越性。在↑↑CSP↑↑↑生产技术成功进入市场后,全球的钢板生产商们不仅在利用↑↑EAF↑↑↑(使用废钢和↑↑DRI/HBI↑↑↑)的基础上结合↑↑CSP↑↑↑生产带钢。甚至有不少的钢板生产商们将原来的单流↑↑CSP↑↑↑生产线,扩大到双流↑↑CSP↑↑↑生产线。中国不仅利用↑↑CSP↑↑↑技术成功生产了钢板,且迅速扩大了自己的热轧带钢的产能。↑↑↑↑ ↑

已投产的↑↑CSP↑↑↑热轧带钢生产线的工厂有德国的↑↑ThyssenKrupp↑↑↑钢厂等。这些钢厂主要利用↑↑CSP↑↑↑生产优质钢,特别是重点生产温度敏感、利用传统工艺很难生产的优质热轧带钢。并利用↑↑CSP↑↑↑生产工艺提高工厂的生产率和生产灵活性以及降低热轧带钢或热轧钢板的生产成本。↑↑↑↑ ↑

3.3 ↑↑↑关于↑↑CSP↑↑↑工艺的进一步开发↑↑↑↑↑ ↑

扩大↑↑CSP↑↑↑生产灵活性的设想有两种,一是利用单流↑↑CSP↑↑↑与一台传统粗轧机组相结合,即采用单机架可逆式粗轧机将厚板轧成↑↑50mm↑↑↑↑~↑↑70mm↑↑↑↑厚的薄板,然后进入↑↑CSP↑↑↑经中间轧制,最后进入精轧机完成精轧。另一种设想是将薄板坯和厚板坯生产线结合起来,满足那些想利用一台轧机生产各种品种和规格热轧带钢的轧钢厂商们的需要。↑↑↑↑ ↑

这种设想将在泰国的↑↑G↑↑↑钢厂实现。目前正在利用一台可逆式粗轧机对↑↑G↑↑↑钢厂一座现有的连铸↑↑-↑↑↑轧制设备进行改建。预计新厂于↑↑2011↑↑↑年投产。↑↑↑↑ ↑

4 ↑↑↑中厚板轧机↑↑↑↑↑ ↑

钢板宽度达到↑↑5.5m↑↑↑↑,厚度达到↑↑5mm↑↑↑↑~↑↑100mm↑↑↑↑的厚钢板是造船、管道和建筑结构不可缺少的主要材料。根据产品的品种、规格,一台↑↑X-Roll↑↑↑钢板轧机的年产量可达到↑↑200↑↑↑万↑↑t↑↑↑。↑↑↑↑ ↑

近年来,顾客对中厚板的技术要求越来越严。不仅要求钢板在应用时具备较高的强度和韧性,还要求钢板具有良好的平直度和优秀的焊接性能。为了能轧制成符合上述要求的优质钢板,轧制平台和所有下游设备必须相互适应。↑↑↑↑ ↑

4.1 ↑↑↑技术↑↑↑↑↑ ↑

4.1.1↑↑↑↑ ↑↑↑↑用于中厚板轧机的↑↑CVC plus↑↑↑技术↑↑↑↑↑ ↑

中厚板轧机采用↑↑CVC plus↑↑↑技术是近年刚开发的最重要的技术。↑↑CVC plus↑↑↑技术是一种集成技术,它包括工作辊弯曲、具有特殊↑↑CVC plus↑↑↑外形的工作辊轴向移动技术和复杂的技术工艺模型(板形和平直度控制)等。每一次轧制轧辊的弯曲力和轴向移动位置的决定均是在考虑了实际工艺和设备条件(轧制力、工作辊热膨胀等)后做出的。因此,可保证特殊钢板的板形和平直度能控制到目标值。↑↑↑↑ ↑

由于↑↑CVC ↑plus↑↑↑↑具有很强的凸度和平直度控制能力。所以,允许加大精轧压下量,可利用较少的轧制道次达到较高的生产率。此外,利用↑↑CVC ↑plus↑↑↑↑还可灵活地编制生产计划表(自由编制轧辊使用寿命)。↑↑↑↑ ↑

4.1.2↑↑↑↑ ↑↑↑↑中厚板冷却系统↑↑↑↑↑ ↑

钢板冷却段是中厚钢板获得高强度的重要冶金工具。在冷却段,通过制定目标冷却战略,设定并获得中厚板需要的力学性能和显微组织。基本的冷却类型有两种:快速冷却和直接淬火。↑↑SMS Siemag↑↑↑已为两种冷却模式开发了两种冷却系统:一是层流冷却系统。它具有设计简单、能耗低和维护成本低等优点。利用大量↑↑U↑↑↑形管提供冷却水。另一种是喷雾冷却系统。它特别适宜于冷却超厚和超薄钢板。利用高的冷却速度可保证超厚和超薄钢板具有良好的平直度。喷雾冷却是一种建立在高水压(↑↑5↑↑bar↑↑↑)和张拉辊相结合的基础上的一种冷却系统。张拉辊控制钢板上的水流量以改善钢板的温度分布和冷却效率。两张拉辊之间的钢板导槽也能控制热量在整个钢板表面上的均匀分布,有利于改善钢板平直度。↑↑↑↑ ↑

在轧制中厚钢板的实际冷却时,通常将喷雾冷却和层流冷却段结合成一个系统以便用户为实现钢板冷却目标提供更大的灵活性。在两个冷却段中,都可对冷却坡道进行灵活调整和控制以便制定精确的冷却曲线。↑↑↑↑ ↑

为获得良好的冷却效果,机械设备和自动化系统精确的相互作用不可缺少。为此,↑↑SMS Siemag↑↑↑研发了一种钢板冷却模型,并在钢板轧机上进行过↑↑30↑↑↑多次以确保钢板显微组织和力学性能为目的冷却试验。并对钢板冷却期间显微组织变形动力学的相关机理和为掌握不稳定的时间↑↑-↑↑↑温度特性,以钢板化学成分、轧制参数、钢板尺寸和温度为依据通过冷却模型对需要的理想冷却工艺进行了计算。↑↑↑↑ ↑

4.1.3↑↑↑↑ ↑↑↑↑钢板矫直机↑↑↑↑↑ ↑

9/5↑↑↑钢板冷却矫直机是一种十分灵活的矫直机。因为它既能利用↑↑9↑↑↑支矫直辊工作,也能利用↑↑5↑↑↑支矫直辊工作。所以,这种矫直机可用一组矫直辊对厚板和薄板进行矫直而具有两台矫直机的能力。能实现↑↑9↑↑↑支或↑↑5↑↑↑支矫直辊矫直钢板是因这套系统除了总液压调整系统和独立驱动装置之外,每支矫直辊还装有一支分离式液压调整机构以保证每支矫直辊可从工艺中取出或装上。与最新的矫直模型配合可实现每支矫直辊单独调整和驱动,从而为每块钢板设定理想的冷却曲线。所以,经前面介绍的冷却系统冷却后,中厚板利用↑↑9/5↑↑↑矫直机可获得理想的平直度和最小的残余应力。↑↑9/5↑↑↑矫直机的设计矫直强度,一次矫直可达到↑↑1200N/mm↑2↑↑↑↑。↑↑↑↑ ↑

4.2 ↑↑↑带钢和中厚板的灵活性生产设想↑↑↑↑↑ ↑

为了增加钢板轧机生产品种的灵活性,可与一台↑↑Steckel↑↑↑轧机结合运行。也可用可逆式钢板轧机作为粗轧机用于双机架↑↑Steckel↑↑↑轧机。这种灵活性设计可根据市场需求变化或生产中厚钢板或生产热轧带钢进行灵活性变换。这台轧机已决定售与摩洛哥↑↑Maghreb↑↑↑钢铁厂。↑↑Steckel↑↑↑轧机已于↑↑2010↑↑↑年初投产,中厚板轧机将于↑↑2011↑↑↑年投产。↑↑↑↑ ↑

利用双流↑↑Steckel↑↑↑轧机已成功轧制出优质热轧带钢从而实现热轧带钢生产轧机理念的创新。双流↑↑Steckel↑↑↑轧机具有↑↑Steckel↑↑↑技术和连轧技术的综合优点。它由↑↑2↑↑↑台相同的四辊连轧机组织,从板坯到成品材,被轧材料可在这种轧机中“进行可逆轧制。由于设备布置紧凑,双机架↑↑Steekel↑↑↑轧机可减少建设投资。通过↑↑CVC plus↑↑↑、液压装置调整系统、工作辊弯曲可保证热轧带钢成品的高质量。↑↑↑↑ ↑

5 ↑↑↑前景展望↑↑↑↑↑ ↑

以上技术不仅适用新轧机,也适用现有轧机。至今为止,带钢热轧机的使用年限已达到或超过↑↑20↑↑↑年,其中约↑↑1/4↑↑↑已使用了↑↑40↑↑↑多年。↑↑SMS Siemag↑↑↑研发和完成的以提升现有轧机性能和现代化水平的设计已满足了市场将现有轧机改造成新一代的现代化轧机的需要,有力地推动了轧机技术的进步。↑↑↑↑ ↑ ↑