鋼鐵行業:“兩低一高”技術為軋制注入新活力
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隨著我國鋼鐵工業的快速發展,軋鋼技術不斷進步,出現很多的新技術和新工藝。在既有設備基礎上開發能耗更低、成本更低、效率更高的兩低一高軋鋼新技術,如無頭軋制、異步軋制、薄帶連鑄和中…
隨著我國鋼鐵工業的快速發展,軋鋼技術不斷進步,出現很多的新技術和新工藝。在既有設備基礎上開發能耗更低、成本更低、效率更高的“兩低一高”軋鋼新技術,如無頭軋制、異步軋制、薄帶連鑄和中厚板組織控制技術等,可以大幅度降低生產成本,推動鋼鐵行業的可持續發展。
無頭軋制推進“以熱代冷”
無頭軋制,就是在粗軋與精軋之間,把粗軋后的前一中間坯的尾部和下一中間坯的頭部在數秒內采用感應焊接快速連接起來,在精軋連軋機組實現無頭軋制,在卷取機前再由飛剪剪斷,由卷取機卷成熱軋卷。這種技術擴大了傳統熱帶軋機的軋制范圍,可批量生產0.8mm的超薄帶鋼。此技術的開發是基于市場對“以熱代冷”的強烈要求。其設備主要包括在粗軋和精軋之間設置熱卷箱、切頭剪、中間板坯連接裝置和卷取機前的飛剪。與常規熱連軋技術相比,采用將多塊中間帶坯快速連接后進行無頭軋制的成材率平均提高1%~2%,輥耗降低1%~2%;在厚度命中率上,無頭軋制無論是1.2mm還是1.0mm都超過了99%;在精軋出口溫度和卷取溫度命中率方面,無頭軋制的精度都上升2%以上。
2009年6月,阿爾維迪公司克萊蒙納廠建設投產了世界上第一條無頭連鑄連軋生產線———ESP線,主要包括液芯壓下系統、動態輥縫調寬和輕壓下等工藝包,從而確保最佳內部鑄流質量。ESP線產品厚度和寬度的精度、板形、性能均勻度都比常規熱連軋高,如厚度公差≤30μm,寬度公差≤5mm,溫差≤7℃。采用無頭連鑄連軋的ESP技術可使成材率進一步提高,鋼水到熱軋卷的收得率達到97%~98%。能源消耗比常規熱軋工藝降低很多,生產普通規格產品時,其能耗可以降低到40%~50%;生產薄規格產品時,其能耗可以降低到65%~70%。
目前,國內還沒有板帶熱軋無頭軋制技術的生產實例,但已有研究人員著手開展了熱帶無頭軋制技術的前期研究,例如,有學者提出了一種新的熱帶無頭軋制中間坯的連接方法,并申請了國內和國際發明專利。
德國發展的是半無頭軋制技術,利用薄板坯連鑄連軋的生產線鑄造較長的鑄坯(如200m),進入精軋,并且軋后進行剪切,在精軋機組中形成有限的無頭連軋。這種生產線的特點是適合于穩定生產薄規格的帶鋼,減少了薄規格帶鋼生產中的軋廢和工具損失。
近幾年,我國在半無頭軋制技術的消化吸收、技術集成與創新方面取得了顯著進展。漣鋼和北科大合作在CSP線上進行了半無頭軋制技術集成與創新工作,實現了半無頭軋制低碳鋼、微合金高強鋼、無取向硅鋼等薄規格和超薄規格板帶大批量、穩定化和低成本生產,而且板帶尺寸形狀精度高,組織性能優良、均勻。另外,唐鋼和本鋼也分別在其FTSR線上開展了半無頭軋制薄規格的生產性試驗和相關技術開發,并取得了進展。
異步軋制顯著降低軋制力
日本近年發明了在熱連軋機組的最后3個機架上采用單輥驅動和不同輥徑工作輥軋制技術(SRDD)。該技術是在軋制中驅動大直徑的下工作輥(620mm),小直徑的上工作輥從動,其優點是軋制中有剪應力產生,可降低軋制力、減少邊降和增大壓下量。
SRDD技術在國內被稱為異步軋制技術。國內的實驗室實驗也表明,該生產方法對降低軋制力有明顯的效果。在目前的情況下,用低溫大變形生產超細晶粒鋼和超高強度鋼,這種設備是很有效的,但是關于質量、穩定性等方面尚無進一步的報道。
薄帶連鑄減少殘余偏析
目前,受到國內外關注的生產熱帶鋼的技術是薄帶直接連鑄并軋制的技術,即鋼水在2個輥中鑄成5mm~6mm的帶鋼,經過1架或2架軋機進行小變形的軋制和平整,生產出熱帶鋼卷。歐洲有關國家、日本和澳大利亞都進行過類似的試驗,2004年美國NUCOR建立了工業試驗廠。該帶鋼連鑄生產線的主要參數為:鋼包容量110噸,帶鋼厚度2.1mm~0.7mm;在線熱軋機為四輥熱軋機,卷取機為2臺40噸卷取機。使用帶鋼連鑄技術可大大減少產品的殘余偏析。
中厚板組織性能控制高效節能
中間冷卻技術。從目前國內控制軋制工藝應用的情況來看,最廣泛和最典型的控制軋制是兩階段軋制,即再結晶區軋制和未再結晶區軋制。控制軋制的兩階段中須要避開部分再結晶區,粗軋完的中間坯空冷待溫就是適應工藝要求采取的措施。控制軋制采用的中間冷卻(IC)裝置是在雙機架生產線的粗軋機和精軋機之間或單機架軋機的機前或機后增加冷卻裝置,以降低中間坯在輥道上的待溫時間,增強軋機的生產能力。按理論計算,采用IC裝置后,不同厚度中間坯的待溫時間可以縮短35%~80%。結合中間冷卻的控制軋制和軋后控冷技術,還可以用于生產表面超細晶粒鋼,這種鋼因為有一定厚度(4mm)的超細晶粒層,所以具有較高的止裂性能。
我國已經能夠提供中間坯冷卻的成套設備與技術,多家企業應用后獲得顯著的經濟效益,如唐鋼FTSR生產線、南鋼2800mm軋機等均加設了中間坯冷卻設備,不但擴大了軋機生產能力,而且增強了對鋼組織性能的控制能力,擴大了鋼材品種范圍,提高了產品重量。
預矯直技術。預矯直機可以安裝在精軋機和鋼板冷卻裝置之間。此預矯直機的用途是減輕鋼板頭或尾翹曲,并修正鋼板中間段的平直度缺陷。矯直作業將避免在鋼板上蓄積有害的水并改善冷卻均勻性,從而獲得最終良好板形的產品。預矯直機要與輥道同步,并且具有與冷卻技術完美結合的速度精度。在正常作業中,矯直機根據來料鋼板厚度被預設定,以便獲得鋼板產生塑性變形需要的足夠咬合力,并使上出口輥獲得一個水平曲率。如果需要,矯直機可以設定到大開口度以便過鋼。此時下輥只用作支撐鋼板的輥道。預矯直機通常全自動作業,也可以實現手動控制。
超高密層流冷卻技術。軋后快速冷卻系統中傳統的ACC冷卻裝置投資成本較低,維護方便,運行成本不高,同時可以使鋼板獲得適當的冷卻速率,因此幾乎能覆蓋中厚板的所有品種。最近,日本JFE開發了一種Super-OLAC冷卻設備。該設備具有比傳統ACC冷卻裝置更高的冷卻速率,更適合于高強度貝氏體、馬氏體鋼的生產,但其投資相對較高、維護工作量大、運行成本較高。
目前,我國開發了超高密層流冷卻系統SUPIC-USTB。該冷卻系統不僅可以大幅提高鋼板冷卻速度,改善鋼材性能,同時在不增加運行成本的基礎上,降低合金成本。其冷速比加密ACC冷卻裝置提高50%,對20mm厚度的鋼板其冷速可達到45℃/s。目前,研究人員利用該設備系統已經成功開發了DQT型高強度鋼Q550~Q800和高強容器板N610E。
在線熱處理。為適應控制軋制技術的發展,日本住友公司開發了SHT工藝———一種用于生產厚壁管和高韌性低溫鋼板的二次加熱和軋制工藝。該工藝是使鋼坯軋制到指定的厚度,中斷軋制(中間坯允許冷卻到Ar1以下溫度),然后將中間坯在Ar3以上溫度實施二次加熱(相當于常化處理)軋制。該工藝的缺點是須要在軋機旁再增加一座加熱爐,投資增加較多,生產線布置復雜,生產節奏降低,因此沒有得到推廣應用。
直接淬火—在線回火工藝(DQ+HOP)相比直接淬火—回火工藝(DQ-T),工藝流程和生產周期更短,節能效果更佳。在線淬火的終冷溫度并非室溫,而是低溫相變的溫度區間,因此在線回火HOP可以充分利用余熱。據介紹,其在線加熱速率度為10℃/s~20℃/s,保溫時間少于5min,較離線回火時間大大縮短。
常化控冷技術。常化是提高鋼板組織均勻性和韌性的重要工藝手段。常規的常化處理通常采用加熱后空冷。常化控制冷卻(NCC)技術的原理是:常化后通過控制冷卻速度和終冷溫度來控制鋼板的相變溫度,并抑制微合金元素碳氮化物的長大,細化晶粒和析出物,提高鋼板強度,而韌性和塑性基本不變。對鐵素體—珠光體類型鋼,采用NCC技術后晶粒尺寸可以從8級提高到10級以上;對于低成本的低碳貝氏體類型鋼,采用常規常化工藝其力學性能將無法保證。常化控制冷卻裝置為無約束類型的冷卻裝置,可采用氣霧+高密度(或超密度)層流形式,可以實現6mm~150mm鋼板的常化冷卻。部分薄規格產品,采用NCC技術可以實現淬火,用于生產調質板。
無頭軋制推進“以熱代冷”
無頭軋制,就是在粗軋與精軋之間,把粗軋后的前一中間坯的尾部和下一中間坯的頭部在數秒內采用感應焊接快速連接起來,在精軋連軋機組實現無頭軋制,在卷取機前再由飛剪剪斷,由卷取機卷成熱軋卷。這種技術擴大了傳統熱帶軋機的軋制范圍,可批量生產0.8mm的超薄帶鋼。此技術的開發是基于市場對“以熱代冷”的強烈要求。其設備主要包括在粗軋和精軋之間設置熱卷箱、切頭剪、中間板坯連接裝置和卷取機前的飛剪。與常規熱連軋技術相比,采用將多塊中間帶坯快速連接后進行無頭軋制的成材率平均提高1%~2%,輥耗降低1%~2%;在厚度命中率上,無頭軋制無論是1.2mm還是1.0mm都超過了99%;在精軋出口溫度和卷取溫度命中率方面,無頭軋制的精度都上升2%以上。
2009年6月,阿爾維迪公司克萊蒙納廠建設投產了世界上第一條無頭連鑄連軋生產線———ESP線,主要包括液芯壓下系統、動態輥縫調寬和輕壓下等工藝包,從而確保最佳內部鑄流質量。ESP線產品厚度和寬度的精度、板形、性能均勻度都比常規熱連軋高,如厚度公差≤30μm,寬度公差≤5mm,溫差≤7℃。采用無頭連鑄連軋的ESP技術可使成材率進一步提高,鋼水到熱軋卷的收得率達到97%~98%。能源消耗比常規熱軋工藝降低很多,生產普通規格產品時,其能耗可以降低到40%~50%;生產薄規格產品時,其能耗可以降低到65%~70%。
目前,國內還沒有板帶熱軋無頭軋制技術的生產實例,但已有研究人員著手開展了熱帶無頭軋制技術的前期研究,例如,有學者提出了一種新的熱帶無頭軋制中間坯的連接方法,并申請了國內和國際發明專利。
德國發展的是半無頭軋制技術,利用薄板坯連鑄連軋的生產線鑄造較長的鑄坯(如200m),進入精軋,并且軋后進行剪切,在精軋機組中形成有限的無頭連軋。這種生產線的特點是適合于穩定生產薄規格的帶鋼,減少了薄規格帶鋼生產中的軋廢和工具損失。
近幾年,我國在半無頭軋制技術的消化吸收、技術集成與創新方面取得了顯著進展。漣鋼和北科大合作在CSP線上進行了半無頭軋制技術集成與創新工作,實現了半無頭軋制低碳鋼、微合金高強鋼、無取向硅鋼等薄規格和超薄規格板帶大批量、穩定化和低成本生產,而且板帶尺寸形狀精度高,組織性能優良、均勻。另外,唐鋼和本鋼也分別在其FTSR線上開展了半無頭軋制薄規格的生產性試驗和相關技術開發,并取得了進展。
異步軋制顯著降低軋制力
日本近年發明了在熱連軋機組的最后3個機架上采用單輥驅動和不同輥徑工作輥軋制技術(SRDD)。該技術是在軋制中驅動大直徑的下工作輥(620mm),小直徑的上工作輥從動,其優點是軋制中有剪應力產生,可降低軋制力、減少邊降和增大壓下量。
SRDD技術在國內被稱為異步軋制技術。國內的實驗室實驗也表明,該生產方法對降低軋制力有明顯的效果。在目前的情況下,用低溫大變形生產超細晶粒鋼和超高強度鋼,這種設備是很有效的,但是關于質量、穩定性等方面尚無進一步的報道。
薄帶連鑄減少殘余偏析
目前,受到國內外關注的生產熱帶鋼的技術是薄帶直接連鑄并軋制的技術,即鋼水在2個輥中鑄成5mm~6mm的帶鋼,經過1架或2架軋機進行小變形的軋制和平整,生產出熱帶鋼卷。歐洲有關國家、日本和澳大利亞都進行過類似的試驗,2004年美國NUCOR建立了工業試驗廠。該帶鋼連鑄生產線的主要參數為:鋼包容量110噸,帶鋼厚度2.1mm~0.7mm;在線熱軋機為四輥熱軋機,卷取機為2臺40噸卷取機。使用帶鋼連鑄技術可大大減少產品的殘余偏析。
中厚板組織性能控制高效節能
中間冷卻技術。從目前國內控制軋制工藝應用的情況來看,最廣泛和最典型的控制軋制是兩階段軋制,即再結晶區軋制和未再結晶區軋制。控制軋制的兩階段中須要避開部分再結晶區,粗軋完的中間坯空冷待溫就是適應工藝要求采取的措施。控制軋制采用的中間冷卻(IC)裝置是在雙機架生產線的粗軋機和精軋機之間或單機架軋機的機前或機后增加冷卻裝置,以降低中間坯在輥道上的待溫時間,增強軋機的生產能力。按理論計算,采用IC裝置后,不同厚度中間坯的待溫時間可以縮短35%~80%。結合中間冷卻的控制軋制和軋后控冷技術,還可以用于生產表面超細晶粒鋼,這種鋼因為有一定厚度(4mm)的超細晶粒層,所以具有較高的止裂性能。
我國已經能夠提供中間坯冷卻的成套設備與技術,多家企業應用后獲得顯著的經濟效益,如唐鋼FTSR生產線、南鋼2800mm軋機等均加設了中間坯冷卻設備,不但擴大了軋機生產能力,而且增強了對鋼組織性能的控制能力,擴大了鋼材品種范圍,提高了產品重量。
預矯直技術。預矯直機可以安裝在精軋機和鋼板冷卻裝置之間。此預矯直機的用途是減輕鋼板頭或尾翹曲,并修正鋼板中間段的平直度缺陷。矯直作業將避免在鋼板上蓄積有害的水并改善冷卻均勻性,從而獲得最終良好板形的產品。預矯直機要與輥道同步,并且具有與冷卻技術完美結合的速度精度。在正常作業中,矯直機根據來料鋼板厚度被預設定,以便獲得鋼板產生塑性變形需要的足夠咬合力,并使上出口輥獲得一個水平曲率。如果需要,矯直機可以設定到大開口度以便過鋼。此時下輥只用作支撐鋼板的輥道。預矯直機通常全自動作業,也可以實現手動控制。
超高密層流冷卻技術。軋后快速冷卻系統中傳統的ACC冷卻裝置投資成本較低,維護方便,運行成本不高,同時可以使鋼板獲得適當的冷卻速率,因此幾乎能覆蓋中厚板的所有品種。最近,日本JFE開發了一種Super-OLAC冷卻設備。該設備具有比傳統ACC冷卻裝置更高的冷卻速率,更適合于高強度貝氏體、馬氏體鋼的生產,但其投資相對較高、維護工作量大、運行成本較高。
目前,我國開發了超高密層流冷卻系統SUPIC-USTB。該冷卻系統不僅可以大幅提高鋼板冷卻速度,改善鋼材性能,同時在不增加運行成本的基礎上,降低合金成本。其冷速比加密ACC冷卻裝置提高50%,對20mm厚度的鋼板其冷速可達到45℃/s。目前,研究人員利用該設備系統已經成功開發了DQT型高強度鋼Q550~Q800和高強容器板N610E。
在線熱處理。為適應控制軋制技術的發展,日本住友公司開發了SHT工藝———一種用于生產厚壁管和高韌性低溫鋼板的二次加熱和軋制工藝。該工藝是使鋼坯軋制到指定的厚度,中斷軋制(中間坯允許冷卻到Ar1以下溫度),然后將中間坯在Ar3以上溫度實施二次加熱(相當于常化處理)軋制。該工藝的缺點是須要在軋機旁再增加一座加熱爐,投資增加較多,生產線布置復雜,生產節奏降低,因此沒有得到推廣應用。
直接淬火—在線回火工藝(DQ+HOP)相比直接淬火—回火工藝(DQ-T),工藝流程和生產周期更短,節能效果更佳。在線淬火的終冷溫度并非室溫,而是低溫相變的溫度區間,因此在線回火HOP可以充分利用余熱。據介紹,其在線加熱速率度為10℃/s~20℃/s,保溫時間少于5min,較離線回火時間大大縮短。
常化控冷技術。常化是提高鋼板組織均勻性和韌性的重要工藝手段。常規的常化處理通常采用加熱后空冷。常化控制冷卻(NCC)技術的原理是:常化后通過控制冷卻速度和終冷溫度來控制鋼板的相變溫度,并抑制微合金元素碳氮化物的長大,細化晶粒和析出物,提高鋼板強度,而韌性和塑性基本不變。對鐵素體—珠光體類型鋼,采用NCC技術后晶粒尺寸可以從8級提高到10級以上;對于低成本的低碳貝氏體類型鋼,采用常規常化工藝其力學性能將無法保證。常化控制冷卻裝置為無約束類型的冷卻裝置,可采用氣霧+高密度(或超密度)層流形式,可以實現6mm~150mm鋼板的常化冷卻。部分薄規格產品,采用NCC技術可以實現淬火,用于生產調質板。
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