#日本轧钢理论和技术发展简况

1、日本轧钢理论和技术发展简况保护视力色】 【打印】 【进入论坛】 【评论】 【字号 大 中 小】 2007-01-31 10-49自 1953 年日本钢铁产量超过战前以来，经济高度发展，产量飞速提高。 20 世 纪 70 年代初期产量超过了 1 亿 t ，成为世界屈指可数的钢铁大国，其后产量一直保持在 1 亿多吨，并努力使生产技术处于世界领先水平。日本钢铁工业的发展以战后从欧美各国引进技术为基础， 通过迅速对其进行改进 和创新，开发了具有自主知识产权的技术。在轧制工艺方面， 20 世纪 60年代至 70 年代 开发了高速轧制技术， 20世纪 70年代至 80年代开发了连续轧制技术，自 20世纪

2、80 年 代以后，开发了轧制尺寸精度高、产品质量高和不受工艺过程约束的轧制技术及使用这 种技术的新型轧机。最近以适应环保要求为目的的轧制工艺引人注目。以下主要就 20 世纪 80 年代以来日本开发的具有自主知识产权的轧制技术的发展历程进行概述。轧制理论和轧辊的发展轧制分析众所周知， 日本的轧制技术以理论为基础， 始终处于世界先进水平。 为分析板材 轧制中的板材形状和中间凸度的原理，对轧机的弹性变形条件和被轧材的塑性变形条件 进行了联立求解。采用将弯曲和剪切挠曲的材料力学模型进行扩展或校正的方法对各种 类型轧机进行分析的方法已基本确立。另一方面，关于材料的塑性变形，采用了三维分 析法，使分析由二

3、维理论向高精度分析发展。在分析法的发展方面，有采用数值计算法 忠实分析变形的所谓三维分析法， 有刚性和塑性 FEM，有弹性和塑性 FEM，尤其是还有为 缩短计算时间而将上述方法进行组合的分析法。在孔型轧制方面， 一般说来纯理论处理是极为困难的。 作为一种简便的方法， 虽 然可以采用所谓的矩形换算法把孔型轧制替换为适当的矩形断面材的扁平轧制，但无法获得高精度。提高精度用的实验式和半理论式在简单推测随孔型和轧制条件变化时的变形特性和负荷特性方面依然是一种有效的方法，但目前一般是采用FEM分析。由于 FEM的出现，使材料的三维分析变得可能。它不仅可以用于板材的分析，而且还可以用于型 材、棒线材和管材

4、的轧制力、轧制载荷、轧制力矩和宽展的求解。三维 FEM分析作为一 种有效的分析工具已得到人们的认可。人们期待着今后能向轧制温度分析和将轧制加工时的材料组织变化， 尤其是将轧 制缺陷分析系统组合起来的综合轧制理论方面发展。变形阻抗变形阻抗值是计算轧制载荷和轧制力矩时的重要物理特性值。 日本钢铁协会轧制 理论研究会已对变形阻抗值的研究数据进行了充实和收集， 并采用数学模型进行了研究。在热变形阻抗方面， 采用考虑到多道次高速连续轧制时的累积应变效应的变形阻 抗公式进行计算后，显著地提高了热变形阻抗值的预测精度。为把考虑到材料组织变化 的轧制理论进行扩展，希望能建立对材料的硬化、恢复和再结晶等现象同时

5、进行跟踪的 理论体系，积累一些和合金成分相对应的能对冶金现象进行定量化的数据。在冷变形阻抗方面， 通常是采用考虑到温度和应变速度相互关系的动态变形阻抗 公式进行计算。轧制润滑和轧辊随着冷轧速度的高速化 （ 最大 2800mpm），为获得摩擦系数的定量值，开发了高速 轧制模拟装置和双圆筒滑动试验机，严格计算流入油膜的厚度，对轴和轴承等的热胶着 进行了评价，提出了表面光泽度的推定和控制系统，并对轧制润滑油进行了改进。作为 工作辊材质， 一般是将高碳 Cr 系锻造材进行表面淬火后， 使微细碳化物在完全变为马氏 体的基质中大量析出，形成硬度高的组织，但由于轧制方面的要求越来越高，因此加快了对镀 Cr

6、和喷镀 WC Co来提高耐磨性的研究和高速钢及陶瓷新材质的研究。轧辊表面 的加工也从喷丸清理变为电火花加工，或采用电子束和激光束等进行加工，使轧辊表面 加工得更加均匀、轧辊形状更加妥当。在热轧过程中， 确保材料的咬入性能， 提高轧辊的耐磨性， 防止轴和轴承等的热 胶着是重要的课题。 目前轧辊一般是使用高速钢， 但希望开发出高载荷轧辊和轧制工具， 以适应更大的压下轧制要求。提高轧辊和轧制工具的耐磨性、 抗事故性和抗桔皮状缺陷性是轧制技术飞速发展 所不可缺少的重要技术， 从减轻环保压力的观点来看， 这些技术要素今后也是很重要的。钢板连续轧制和直接连接轧制日本自 1968 年开发了森吉米尔式多辊轧机

7、的全连续式串列式冷轧机(TCM)和1970 年开发了四辊轧机的全连续式 TCM以来，轧机的连续化已取得很大的进展。目前日 本国内的主要轧机都实现了完全连续化。由于完全连续轧机的技术可以和轧机的上下工 序连接，因此 1986 年开发出了酸洗 TCM连续退火成套设备。完全连续化的开发包括 了轧制生产计划可以随意变化、稳定焊接技术、带材稳定移动技术、前进方向可变装置 等。在冷轧的连续化之后， 1996 年首次在世界上开发出了热轧的连续化技术。它是在粗 轧结束后将前后轧材在进入精轧机前进行焊接，使精轧机在无切头切尾的状态下进行无 头轧制的技术，解决了产品前后端部的质量问题，同时使极薄钢板和新材质钢板的

8、生产 技术变得有可能。自 1989 年将 50 100mm厚的薄板坯连铸机和轧机直接连接的紧凑式轧机诞生以 来， 其建设数量逐年增加， 目前在日本以外的国家中至少已建设了 50 套。紧凑式轧机的 特征是设备投资少、交货期短，可进行没有水冷滑轨造成黑印的等温轧制，如果采用长 的板坯，还能进行半无头轧制，可以预计今后其使用将越来越广，同时能进一步提高产品质量。另外，将来带钢连铸机使用的趋势引人关注。新型轧机关于轧机辊距的控制， 轧辊项弯装置是关键。 众所周知， 日本以 20 世纪 70 年代 后期出现的六辊变速轧机 （HC轧机、 UC轧机）为契机，开发了交叉辊薄板轧机 （PC轧机 ）、 双轴承座顶

9、弯装置 （DCWRB、） 在小直径工作辊上装有侧支撑辊的六辊FFC轧机、 Z Hi轧机、多辊型 CR轧机、 KT轧机、轧辊本身具有可变凸度型的VC轧辊、 TP 轧辊、 NIPCO轧辊， 还有采用在线磨削的轧辊磨床 （ORC）等，这些新型装备为世界轧制设备的发展做出 了很大的贡献。另外，还研究开发了采用 1 机架多道次轧制技术的各种轧机，但其使用 仅限于特殊材的轧制。板材中心凸度部分和板材形状的控制板材轧制时的中心凸度部分和板材形状的控制是对同一现象进行控制的技术。 由 于前者的控制精度在数微米至数十微米就可以了，而后者的控制精度应在0 1 m或小于 01 m，因此被视为不同的技术。在对比较厚的

10、钢板进行热轧时要控制板材的中心 凸度部分，冷轧时要将中心凸度部分比率保持一定，在考虑形状后进行薄壁化轧制。虽 然这是常规操作法，但由于板材端部容易产生三维变形，因此开发了控制边缘凸度的技 术。例如，有采用立辊轧机减少边缘损失的方法；在轧机上下辊之间使圆盘状水平辊向 板的两边挤压，一面约束宽度一面进行轧制的方法；还有采用带有锥度工作辊的轧机和 交叉辊轧机进行轧制的方法。因此，可以预计今后仍将积极利用三维变形的技术来控制 板材中心凸度部分。在形状控制方面对板厚 （轧辊间隙形状 ） 控制的精度要求非常严， 这是因为只要控 制精度有一点点的偏差，板材就会出现板厚偏差很大的形状缺陷。陡度在0 5以下，就

11、可以视为形状良好，延伸率偏差为6210 5（6 2Iunit） ， 1mm板厚的压下量偏差为 006 m。因此，实现高精度轧制当然离不开轧辊的局部矫直和材料的横向移动所产 生张力的缓和稳定作用，但在轧制过程中使轧辊间隙形状和板材的中心凸度部分一致是控制形状的基础。轧辊挠曲、热凸度、母材形状、机械试验值的偏差和轧辊磨耗等会对 轧辊间隙形状和板材中心凸度部分产生影响。为精确控制形状，必须对从低次函数到高次函数这一大范围内的形状偏差进行修正，因此将新型轧机的形状控制传动装置进行组 合，采用多变量控制理论等复杂而又精密的控制方法进行形状控制的趋势将进一步增大。板厚控制随着钢板加工自动化程度的提高， 为

12、排除加工过程中的故障， 用户对钢板制品的 板厚精度要求越来越高。将支撑辊的油膜轴承替换为滚柱轴承，采用高性能油压压下装 置消除和控制轧辊偏心已取得很大的发展。 作为轧机用传动装置， 所有 AC传动装置都形 成了标准数字化控制。 AC传动装置的优点是， 在结构上已完全采用电刷、 单机容量增大， 在性能方面已达到高精度、高应答化、可变速度范围扩大。在以往的板厚控制装置中有自动测量调整装置(AGC)、监视 AGC、FFAGC和游标尺AGC。在最新的串列式轧机中， 在此基础上还开发了轧机速度数字化控制、 轧辊偏心控制、 机架间的无干扰控制和在线板厚变化控制等技术。尤其是为使连续式轧机能在不停机的 情况

13、下对轧机入口侧依次焊接的钢种、板厚、板宽不同的材料进行连续轧制，因此通过 抑制张力过度变化，协调地改变各机架的轧辊位置、轧制速度等在线板厚变化控制技术 是很重要的。由此可大幅度减少板材穿过轧机和切头切尾落料造成的轧辊损伤和板材等 外品，同时提高对小批量订货的适应能力。另外，它也是紧凑式轧机实施无头轧制所不 可缺少的技术。平面形状和板宽控制在厚板和热轧钢板生产工艺中， 板宽浇注技术在 20 世纪 80 年代就已确立其基本 技术。在厚板生产方面有大幅度提高合格率的平面形状控制新技术 MAS(MizushimaAutomaticPlanViewPatternControlSystem) 轧制法和附设

14、的接近水平轧 机的立辊轧机设备。 MAS轧制就是对各种钢板在轧制终了后的平面形状控制变化量进行 预测，根据预测的变化量，给出轧制过程中板坯厚度形状，最终将平面形状变成矩形的方法。热轧时实现将连铸机和轧机有效直接连接的板坯宽度定径技术、大幅度提高热轧 钢板宽度精度的热轧板宽度控制技术、精轧时利用机架间的立轧机和张力控制来提高尺 寸精度的技术、尤其是采用冷轧TCM和冷轧工艺线的板宽控制技术等都是日本开发的领先于世界水平的独有技术。钢管在最近 20 年的发展中，首先应举出的是无缝钢管用钢坯的连续浇铸技术。随着 圆钢坯质量的提高和制管技术的进步， 采用热挤压法生产的 13 Cr 钢和奥氏体系不锈钢 已

15、改变了轧制方式。最近已开发了圆坯连铸和制管、热处理直接连接的技术。穿孔轧制使用方钢坯的 PPM（压力辊穿孔机 ） 已被替换为使用圆钢坯的斜辊穿孔机。 在穿孔 方法变化中值得注意的是圆锥形穿孔机和被称作交叉穿孔机的交叉辊穿孔机的发展。圆 锥形穿孔机的优点是具有旋转锻造的效果和抑制圆周方向剪切变形的作用，因此可以抑 制钢管内面的缺陷，可用于难加工性材料的穿孔，尤其是可以用于扩孔和薄壁穿孔。采 用普通穿孔机时，壁厚外径比 （TD） 的极限为大约 6，而采用圆锥形穿孔机时能进 行 TD 为 3 2的薄壁管穿孔。拉伸轧制芯棒式无缝管轧机已向大型化和紧凑化方向发展。 机架数由 79 机架减为 4 5 机架

16、，穿孔机和芯棒式无缝管轧所需的能源消耗共计可减少20左右。在芯棒式无缝管轧机的控制技术中， 为减少其后在张力减径机中管端壁厚的切头 损失，开发了管端预先减薄成形技术，即用芯棒式无缝管轧机预先将管端减薄的成形技 术，并在钢管轧机上首次采用了油压压下装置。减径轧制和定径轧制虽然在最终调整外径的减径轧制和定径轧制方面没有值得特殊介绍的技术发展， 但大口径定径机有许多也采用了三辊式定径机。采用三辊的缺点是辊距无法变更，因此 机架的台数多，但最近出现了辊距可变的轧机，还提出了四辊减径机的想法。今后芯棒 式无缝管轧机和定径机及张力减径机的直接连接技术也将引起人们的关注。以上所述的钢管领域中的高合金穿孔用芯

17、棒的开发和芯棒及毛管坯导槽润滑剂 的开发等和摩擦学技术有很大的相互关系，因此希望长寿命化技术有进一步的发展。型钢以第一次石油危机为契机，型钢生产也由转炉铸锭开坯，变为转炉连铸。型钢的轧制技术有采用轧制工字梁用异形坯生产多系列型钢的技术和采用板坯轧制H 型钢的技术，型钢轧机用的坯料已改为连铸坯料。最近 10 年，钢轨、钢板桩和 H型钢等大 型型钢的轧制技术已取得了显著的发展。外部尺寸一定的 H 型钢随着建筑结构件生产技术的高度发展， 断面性能高且经济性好的外部尺寸一定的H 型钢采用斜辊轧制的方法和缩小 H 型钢腰部高度的轧制方法已使用于实际。前者在精 轧前为使腰部外部尺寸保持一定，扩大了腰部内部

18、尺寸；后者为在精轧机内使腰部高度 保持一定，缩小了腰部高度。结果，能在线变更水平辊宽度的辊身宽度可变水平辊和立 辊轧机孔型深度可变的偏心立辊轧机也使用于实际。另外，由于在万能轧机上采用了油 压压下装置，因此轧机变得非常紧凑。随着断面的大型化，普通的单臂式矫直机已无法 满足要求， 开发了双臂式矫直机， 但由于存在着占地空间大和轧辊更换操作复杂的问题， 因此需进一步改善。宽幅钢板桩以往宽幅钢板桩以 400mm宽的 U形钢板桩为主，一般是使用连铸板坯在34 架的二辊式轧机上由 810 个孔型反复轧制而成。还开发了在H型钢轧机作业线上不更换H型钢轧制用机架，只更换轧辊生产钢板桩的方法。另外，随着工程的

19、大型化和提高施 工效率的需要， 600mmU形钢板桩和 900mm宽的帽形钢板桩已能商业化生产。钢轨钢轨一般是在数架二辊式轧机上采用孔型轧制的方法进行生产的。 随着对产品尺 寸、质量要求的不断提高和降低轧辊成本的需要，采用万能轧机进行中轧和精轧的技术 已成为主流。 钢轨的磨损主要是线路曲线部和车轮凸缘部的摩擦磨损， 因此在 1994 年将 钢轨全部换成上部整个断面经在线热处理后的钢轨，作为防止磨损的措施。另外，以阪神大地震为契机，在厚板生产领域发展的TMCP法和氧化金属喷镀技术已开始使用于建筑用钢材的生产， TMCP极厚 H型钢、低屈服比外部尺寸一定的 H 型钢 和耐火 H 型钢已能商业化生产。棒钢和线材在棒钢和线材轧制中为追求提高生产率、提高尺寸精度和产品质量满足市场需 求，开发轧机的尺寸可调轧制和控冷控轧等新功能的工作取得了进展。无头轧制棒线材产品的种类非常多，因此开发了一种热方坯焊接后连续轧制的设备 （ 配置 了直流式对焊机和去毛刺装置 ） ，该设备投资小、 无短尺和尺寸不齐现象、 实现大单重卷、 可消除轧废时间、增加产量等。其使用范围今后将进一步扩大。高速轧制和控制冷却线材精轧的特征是变形速度快、 从孔型间通过的时间短， 由于设备紧凑， 因此轧 制后必须快速冷却，它也可作为控制材质的手段