无头热轧技术

板带及棒线材热轧无头轧制的技术分析及其

应用进展材料科学与工程系2008-3-19板带及棒线材热轧无头轧制的技术分析及其应用进展目录TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"1.无头轧制技术的发展 1\o"CurrentDocument"2无头轧制的中间坯连接技术 1\o"CurrentDocument"无头轧制在高精度轧制中的作用 3\o"CurrentDocument"3.1传统单块坯精轧中存在的问题 3\o"CurrentDocument"3.2无头轧制的目的 4\o"CurrentDocument"热带无头轧制技术 5\o"CurrentDocument"4.1无头轧制工艺流程 5\o"CurrentDocument"4.2无头轧制的应用效果 6\o"CurrentDocument"4.3无头轧制在极薄热轧带钢中的应用 6\o"CurrentDocument"4.4带钢品质均匀化控制技术 7\o"CurrentDocument"半无头轧制在生产薄规格CSP技术中的应用 8\o"CurrentDocument"无头轧制在棒线材轧制技术中的应用 9\o"CurrentDocument"小结 101.无头轧制技术的发展传统的板带热连轧精轧机组生产均以单块中间坯进行轧制，进精轧机组时的穿带、加速轧制、减速轧制、抛钢、甩尾等过程不可避免。因此，难以保证带钢头尾厚差和穿带质量均匀性，轧制作业率、成材率也受到一定限制。随着汽车、家电等行业对薄板质量的新的更高要求，尺寸、形状精度、表面和内在质量已成为同等重要的质量关键。1996年川崎制铁千叶厂3号热带轧机（简称千叶3）在世界上首先实现无头轧制，1998年新日铁大分厂也开始应用此项技术。热轧无头轧制技术在超薄热带轧制、板厚精度控制、板带整长性能稳定性控制以及提高生产率等方面显示出传统热带轧制无可比拟的优越性.2无头轧制的中间坯连接技术中间坯连接技术是无头轧制的关键技术，中间坯感应加热连接工艺包括定位、感应加热、对接、连接完成、去毛刺等。日本川崎制铁二阶堂英幸基于专利调查和研究开发的结果，将无头轧制中间坯连接方法进行了整理，其中包括叠轧压接法、对接压接法、焊接法、机械连接法（如图1所示）、还原火焰处理连接法、直接通电连接法、感应加热连接法和激光焊接法等。（1）叠轧压接法:是利用精轧变形进行连接，其优点是连接所需能量极少。尤其是若能对接压接，则可得到无连接部板厚变化的理想连接。为了宽向中部的端面能通过轧制而良好地对接，在端部实施了减薄加工。结果表明,无氧化铁皮时，压下率为50%便可得到与母材相同的强度，但若氧化铁皮残留则连接强度显著下降。总压下率80%、艮眨〜3道轧制之后，连接强度波动不大。研究者曾期待通过轧制使氧化铁皮破断、新生界面接触而提高连接强度，但研究结果表明，氧化铁皮虽然在1/4厚度处变薄却仍然连续存在。可以认为:这一氧化铁皮的存在，是连接强度波动和得不到充分强度的原因。在实际连接工艺,从切头经过精轧的第1〜2架轧制完成连接需要几十秒，在此期间，连接面不可避免地要产生氧化铁皮。因此去氧化铁皮技术的开发是实现轧制压接的首要课题,但这一技术的开发难度较大，在未

开发出去氧化铁皮技术之前，叠轧压接法缺乏可靠性。熔融连接:熔融连接的一个例子是铝热焊，铝热焊是利用铝粉和氧化铁急剧反应的发热、可在短时间内实现强固的金属连接，但实现自动化困难。直接通电连接法:是利用电流加热连接面的方法，根据川崎制铁的模拟实验,采用10〜20A/mm2的电流可实现短时间连接。但薄带坯连接时，由于断面积大，所需电流非常大，存在电源容量和电极的电火花等问题，后者带来的品质上的问题会导致成材率下降。激光连接法:是一项较新的连接技术，为了用于热轧坯的连接,要采用大功率激光器。为了实现全断面连接，估计功率上有困难。新日铁大分制铁所采用这种方法实现了连续轧制。感应加热连接法:如图2所示千叶3采用的感应加热连接的原理是:前坯尾端和后坯前端保持一微小间隙，在此状态下对板厚方向施加交变磁场，就会产生集中于连接端面的感应电流。薄带坯的端面由于这一感应电流引起的焦耳热而升温。然后将连接面压接而完成连接。感应加热时，流过板宽端角部的电流远小于板宽中部,即板宽端部将残留未连接区。在感应加热连接过程中，对接端面升温到对焊温度需3〜5s，从前后板坯对合、夹紧、加热到对焊完成最多在20s以内。综上所述,作为无头轧制的关键技术，目前的中间坯连接技术仍有其局限性，有必要研究开发新的连接技术以提高连接强度,进一步缩短连接时间、扩大连接范围(尤其是异钢种坯)，从而推动热带无头轧制技术的进一步应用。图1.机械连接种类中模压齿形连接法图1.机械连接种类中模压齿形连接法图2.中间坯感应加热连接工艺简图无头轧制在高精度轧制中的作用3.1传统单块坯精轧中存在的问题穿带:在板带精轧过程中，穿带问题主要是在精轧机架间板带头部咬入受阻,形成堆钢、打滑和尾部甩尾折迭以及在卷取时因板带前端蛇形、折弯等造成卷取困难形成堆钢等。由单块坯轧制时因尾部无张力在精轧机架间常发生甩尾形成2〜3层折迭咬入，从而产生轧辊表面裂纹和压痕伤。为防止轧辊表面伤痕影响后面板带表面质量必须换辊。这不仅减少了作业时间，同时也增加了磨辊费用。另外，要完全控制穿带时出现的蛇形也很困难，尤其是在薄规格轧制和高强度钢板轧制时更易出现蛇形。产品质量下降:精轧过程中，通常根据板坯头部轧制力预测来设定辊缝值。在每块坯轧制时都进行载荷预测和辊缝值设定。若轧制力预测不准,辊缝值设定偏差大,则板厚与目标值偏差也增大，从而产生因轧制力预测误差引起的板凸度变化和机架间板形波动。生产率下降:精轧生产率最低的是薄规格轧制。在薄规格轧制中，虽然轧制速度高，但单位宽度的轧制量即质量流量(板厚X轧制速度)不大,所以产量并不高。为了提高产量，尽管采取了提高穿带速度和提高稳定轧制速度措施，使稳定轧制速度基本达到其上限约1500m/min的饱和状态。但穿带速度提高后，由于前述的各种穿带问题和头部折迭等引起的故障率增多，因此穿带速度的上限约在800m/min左右,薄规格轧制的生产率基本达到极限状态。另外，在轧材各卷之间,精轧机与卷取机的穿带条件设定需要一定时间，最短也要10s左右，这就是空载时间，与生产率下降直接相关。3.2无头轧制的目的无头轧制的目的在于解决上述间断轧制问题的同时超越间断轧制的限制。其中主要有：通过无头尾轧制解决穿带问题；通过无非稳定轧制提高质量稳定性和成材率;通过提高连接部位穿带速度并使间隙时间为零提高生产效率；可生产超越过去极限轧制尺寸的超薄带钢或宽幅薄板，以及通过润滑轧制和强制冷却轧制新品种。⑴提高穿带效率:千叶3采用由最多15块中间坯组成的无头轧制,在该组轧制中除了头块坯的头部和最后一块坯的尾部外，从精轧机组到卷取机如同轧制一块板一样。弯曲和蛇形多是由于无张力产生的头尾特有现象,当施加张力后，几乎不发生蛇形现象并可实现稳定轧制。⑵提高质量稳定性和成材率：无头轧制使整个带卷保持恒定张力，实现稳定轧制并且不发生由轧辊热膨胀和磨损模型引起的预测误差及调整误差产生的板厚变化和板凸度变化，可显著提高板厚精度。超薄热带的厚度精度可达土30Mm,合格率超过99%,1.0mm带钢合格率甚至比1.2mm还要高。另外，通过稳定轧制也提高了温度精度。在无头轧制中几乎不发生板带头部到达卷取机前这段约150m长的尺寸和板形不良或非稳定轧制引起的质量不良问题。提高生产率：通常在热轧厂生产1.2〜1.8mm的薄规格板带时，由于板带头部在辊道上发飘，穿带速度限制在800m/min左右，而无头轧制已不受此限制,各板坯连接处的穿带速度可达1000m/min以上。另外，单块坯轧制中的间歇时间在无头轧制中减为零，可显著提高薄规格轧制效率。可生产薄而宽的钢板和超薄规格板:无头轧制的主要目的之一在于稳定生产过去热轧工艺几乎不可能生产的薄宽板和超薄规格钢板。例如，过去热轧最薄轧制到1.2mm,最宽到1250mm。采用无头轧制时，可将非常难轧的材料夹在较容易轧制的较厚材料之间，使其头尾加上张力进行稳定轧制。因此，板厚1.2mm的可轧到1600mm宽，板宽1250mm以下的可轧到0.8mm，如图3所示千叶第3热轧厂产品范围扩大计划。通过润滑轧制和强制冷却轧制生产新品种:热轧时采用强制润滑轧制可生产具有优良性能的钢板，但实际上，为了防止因喷润滑油产生的头部咬入打滑，稳定的润滑区仅限于每卷的中部区域。因此产品质量难以稳定，成材率也低。在无头轧制中，当第一块板坯的头部通过精轧机组后，直到最后部分板带通过机组的较长时间内都可实现稳定润滑，因此，在能进行稳定润滑的的同时又可减少材料损耗1/6〜1/10。在无头轧制时，由于可以对精轧出口处的板带施加张力，即使采用图3.千叶第3热轧厂产品范围扩大计划热带无头轧制技术4.1无头轧制工艺流程以千叶3为例，无头轧制工艺由薄带坯供给工序、焊接后处理工序、精轧工序和卷取工序组成。无头轧制工艺简图见图4。由炼钢厂提供的板坯经粗轧后作为薄带坯。为了将薄带坯无滞后地供给焊接装置，在粗轧机出口侧设置了三位置薄带坯卷取机。三位置薄带坯卷取机可同时卷取和开卷，以缩短开卷的周期时间，同时可吸收粗轧和精轧时间的波动。前一块钢轧制过程中后续薄带坯到来时，便进入焊接工序。焊接工序在先行材和后行材同步运动的焊接装置内进行。精轧工序设备与传统设备几乎无异，为了在轧制中变更板厚,各机架压下控制和张力控制、冷却液等的温度控制都需要更佳的响应性。最后是卷取工序,在前带坯卷取几乎结束时剪切其尾端并高速卷入，然后急减速、停车，卸出带卷。接着，在切断后一带坯的头部后高速进入另一台卷取机，两台卷取机交替动作。图4.无头轧制工艺流程简图4.2无头轧制的应用效果无头轧制的效果,可从板厚精度、温度精度控制和成材率等方面来考察(见图5)。在厚度命中率方面，无头轧制无论是1.2mm还是1.0mm都超过了99%。这是因为常规轧制中由于穿带造成的板厚波动在无头轧制中大幅度降低;在成材率方面，无头轧制提高约1%；在精轧出口温度和卷取温度命中率方面，无头轧制两者的精度都上升了2%〜3%以上。这是因为板带的形状稳定、温度容易降低的原因。图5.无头轧制和常规轧制效果比较4.3无头轧制在极薄热轧带钢中的应用采用无头轧制技术，将常规的最小板厚1.2mm扩大至0.8mm，并且可轧制诸1.2mmX1500mm的宽幅薄材。极薄热轧带钢以商品名RTHC(Riverthinthicknesshotcoilcommercialgrade)于1997年起供应市场。极薄热轧带钢尺寸精度优于传统热轧带钢，材料特性与传统产品相当，是适应轻量化、节能、减少CO2等时代趋势的新产品。在无头极薄带材轧制时，首块钢头部和末块钢尾部厚度定为常

规轧制最小厚度1.2mm，中间实施极薄规格轧制。对于轧制中变更板厚的前后两块钢，设定最优轧制规程，变更各机架辊缝和轧辊速度。采用分散控制的高响应张力控制技术，可在0.5s左右的短时间内稳定地进行轧制中变更板厚的技术(FGC)。图6表示自1.2mm由轧制中变更板厚轧制0.9mm带材时的厚度变化。除首块钢头部外，全长板厚精度在土30〃m以内。图7表示出口的实测平坦度。首块钢头部为1%,之后通过板形反馈控制变为0.3%,此后由于实现了稳定轧制,可保证全长的平坦度。图6.板带厚度的变化图图7.平坦度变化图平坦度图6.板带厚度的变化图图7.平坦度变化图平坦度射“3rdcoili一4thcoilFGC快速板厚带钢长度小皿变换4.4带钢品质均匀化控制技术精轧出口温度和卷取温度是决定带钢机械性质的重要因素，如图8,9所示，千叶3在采用大型高水位槽以稳定冷却水流量和开发开关响应性好的冷却集管的同时，综合应用前馈控制和反馈控制，实现了精轧出口温度和卷取温度的全自动高精度控制。采用这一控制系统，除首尾极小部分外，带钢全长温度波动可控制在±20°C以内，提高了品质的均匀性和再现性。

FeedforwardFeedbackFETFDT□过程控制（品质控制）□口FET:精轧磷箱，入口温度，FDT：精轧出口温度PFeedforwardFeedbackFETFDT□过程控制（品质控制）□口FET:精轧磷箱，入口温度，FDT：精轧出口温度P早制：精轧除 带琳却MtFDT:Finisherdeuverytemperature▼:PyrometerXTVFinmarbdlahw&r 测温位□图8.精轧出口温度控制系统示意图图9.卷取温度控制系统示意图半无头轧制在生产薄规格CSP技术中的应用所谓半无头轧制工艺是指在薄板坯连铸连轧机组上采用相当于普通板坯最大长度4-6倍的板坯，实现连续轧制，再由卷取机前的飞剪将其分切成所要求重量钢卷的轧制工艺，如图10及图11所示。半无头轧制工艺减少了频繁穿带和甩尾带来的问题，降低了废品率和设备故障率，提高了收得率和生产率；减少了轧辊的消耗和换辊时间，提高了生产率，降低了生产成本；轧制条件稳定，便于提高产品质量和收得率；可以采用几乎全长度的工艺润滑轧制提高带钢表面质量。因此，半无头轧制工艺对于薄板坯连铸连轧生产线，特别是以薄和超薄规格产品为主导产品的薄板坯连铸连轧生产线在确保质量、降低成本、提高竞争能力等方面有重要的意义。图9CSP半无头轧制技术工艺布置图Fig9CSPsemi-endlessrollingtechnology1一中间包;2一结晶器,3一切断剪;4一均热炉；5—事故剪;6一除鳞机上7—精轧机;8-1号层流冷却;9一飞剪;10—生产薄规格的旋转式卷取机;11—2号层流冷却门2—生产厚规格的常规卷取机图102Hoogovens的半无头轧制工艺布置图Figl0Thesemi-endlessrollinglineinhoogovens一中间包司一结晶器司一液芯压下;4一除鳞机,5—均热炉—粗轧机〃一除鳞机｝8一精轧机,9—层流冷却门0—飞剪I1K12—卷取机无头轧制在棒线材轧制技术中的应用棒线材无头轧制系统，是通过焊接等工艺方法构造出无头长坯，而后对长坯实施连续轧制。显然，无头轧制系统的关键是构造长坯。目前构造长坯的工艺方法主要有两种:即钢坯的连铸（如意大利达涅利公司开发的Luna无头铸轧生产工艺）和钢坯的坯间焊接（如EWR工艺和Ebros工艺）。其中钢坯连铸是构造长坯的最佳工艺方法，但由于受浇铸机拉坯速度和拉制钢坯再结品等因素的限制，采用目前的浇铸