近10年日本轧钢技术的进步简况

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欢迎访问e展厅 展厅 1 炼钢炉/冶金机械展厅 连铸机, 轧钢机, 熔炼炉, 水冷套, 电炉铁芯, ... 一、轧钢技术的最近进展和今后展望 日本最近10年轧钢生产虽受钢产量起伏的影响而波动，但技术仍在不断进步。随着计算机的小型化、高速化和有限元法(FEM)的登场，材料三次元的解析得以应用，对以板材为首的各种钢材的加工压力、荷重、扭矩和金属流动等均可计算出。变形阻抗作为高精度计算荷重和扭矩的物性值，现已进入数据收集和模式化阶段，热变形阻抗已在细晶粒钢开发中广为应用，冷变形阻抗也在高强度钢的开发方面实用化。现结合由“大生产大消费时代”向资源循环型社会的转变，今后轧钢技术发展的主要方向如下： (1)从主要变形向大幅提高材料性能、且以最小能耗生产易再循环利用产品的新加工技术转变，如复合加工、多轴加工、超精密加工、工具自由化加工等和材质控制技术。 (2)研究开发方面，由利用模拟技术使试验时间和费用大幅下降的追求型向重视手工装置和发挥人才作用的方式转变。 (3)基础技术应重视工具特性的飞跃改进和与环境和谐技术的开发。 二、轧钢基础技术的开发 1．变形的理论解析 轧钢方面的理论数值解析已在各种钢材生产上应用。如对产品尺寸精度和形状的预测，对被轧材的材料流动、荷重、形变、温度分布等的解析，对轧钢变形和对产品影响的说明，产品材质、组织、残留应力等的预测以及轧制条件的最佳化和轧钢设备的合理设计等方面的应用。由于三次元FEM应用的快速发展，日本在轧钢技术理论方面已居世界领先地位。 上世纪80年代后期，在轧板解析方面以三次元FEM为主，结合轧辊弹性变形解析，可测出钢板宽边变形的详细情况后加以控制，对板材控制的高度化和轧机设备的高效设计作出了多方贡献，迄今已经基本实用化。对串列轧机、非对称轧制也在试用中。在钢板变形解析中，还建议采用计算时间短、更易理解的模拟三次元解析法。在热轧方面，材质、预测控制均十分重要，最近正在开发利用三次元FEM对其的轧制加工进行的解析模式，拟在超微细粒钢的开发中应用。 影响轧钢产品质量和操作效率的表面缺陷很早即受到人们的重视。为了从理论上查明原因，从根本上解决问题，日本钢铁联盟成立了“缺陷变形系统开发研究会”。同时学习铝板轧制中利用三次元刚塑性FEM和结晶塑性模式结合的聚合组织预测模拟技术，用于在开发钢铁材料同时保证形状和质量的理论模式。 为适应对棒、线材尺寸的高精密化、形状易变、低成本和高质量化的要求，已开发出三辊轧制、2Hi精密轧机和四辊轧机等多变数控制理论。三次元刚塑性FEM亦用于棒、线材的孔型设计，并保证了产品的高精度。控制材质的棒、线材轧制技术正在研发之中，通过增设缓冷、快冷装置以使工序简化。FEM还用于结晶粒径的预测，有利于确定最佳生产条件。 对于H型钢轧制的三次元刚塑性FEM在推广应用，关于万能轧机应用三次元刚塑性FEM预测材料流动和应力分布的研究亦在进行中。在H型钢的三次元刚塑性FEM解析时，对轧辊和被轧材的接触区、V形轧辊无驱动等均应作为解析时的注意事项，还应考虑被轧材的内部温度分布对材料流动的影响。今后随着建筑物的大型化和提高抗震性的要求，H型钢的控轧、控冷技术将被广泛采用。 穿孔轧制由于对钢坯中心部的穿孔效果所产生的破坏现象及芯棒和轧辊间的复杂变形致解析不易，加上完全三次元FEM时的要素分割和计算时间尚有问题，因此多使用一般化平面形变的近似三次元解析法。比穿孔效果更重要的是芯棒前端使坯开裂时将产生管内部缺陷，为抑制开裂应选定合适的轧制条件，即应从轧辊的倾角到交叉角、钢坯加热温度、穿孔速度等综合考虑。 总之，近年来由于个人计算机性能的提高，加上各种轧钢模拟器和解析软件的普及，均推动了日本轧钢技术发展。 2．塑性加工时的摩擦学进展 (1)冷轧中的超高速轧制。进入上世纪90年代，为生产0．2mm以下罐头包装用薄板，开发成功2800m／min超高速轧制法，并开发成功高润滑油、高耐磨工作辊和防止轴承烧坏等配套技术，更重要的是防止烧损的摩擦学理论。 (2)塑性产品表面的超镜面加工。材料表面凹处停留的润滑油，当产生和周边部面压大致相同的静水压时，通过中等速度的相对滑动，凹处的润滑油将向周边的接触面流出，这将使全部接触面处于微型塑性流体润滑状态。此时的摩擦系数远比一般工具和材料间同等厚度油膜下的摩擦系数低。不锈钢板的镜面冷轧便利用此原理大幅度提高了生产效率。 (3)减轻环境负荷的润滑剂。主要有对地球无害的、不需洗净的、用量很少的和无润滑的等4种。冷锻加工用反应油系和高粘度油系润滑剂及乳胶系水系润滑剂均不加重环境负担。板成形加工用润滑剂采取了硫系添加剂、磷系添加剂、有机金属化合物和固体润滑剂后也达到了对地球环境无害。目前还在开发陶瓷模具和镀膜模具，以实现无润滑加工。 三、钢板轧制技术的进步 1．轧钢设备 (1)热连轧。突出的是在1996年实现的无头轧制技术，它可使产品全长的质量均匀稳定，现已用于1mm厚度薄板的稳定生产。它由轧机追尾控制技术、头尾焊接技术、高精度成品轧制技术、高速卷取技术等组成。关键的头尾焊接技术目前采取了感应加热焊接和激光焊接。 2000年投产的对精轧第4～6机架采取小径单辊驱动的热连轧机，在大压下的同时实施出口穿水快冷工艺，使抗拉强度、屈服应力提高的同时，抗疲劳性、加工性、焊接性亦具佳的铁素体粒径2～5μm的微细组织的热轧钢板问世。 其它新技术还有轧辊在线研磨机，可提高产品尺寸精度和延长轧辊使用时间；轧机稳定器可减少板坯进入轧机时引起的振动，有利于薄尺寸产品的稳定生产；还有板坯定宽压力机可使板卷两端的切头减少，并有利于连铸机增产，从1986年开始用于热连轧，2004年已有8台生产。 (2)冷轧。为保证板厚、板形和成材率等产品质量和生产效率的不断提高而开发新技术，特别是镀锡用板的高速冷轧时确保边部和板形质量的技术较为出色。即在1995年，由于备用轧辊的辊座化和AC电机使速度可控性提高等因素，实现了镀锡用板的2800m／min高速轧制，在长度方向的尺寸精度除加减速部分＜2％外，其余均＜1．0％，边部的缺陷亦得到相应控制和减少，轧辊磨耗明显下降。 2000年日本首台和酸洗连结的冷连轧机投产。它的工作辊比同类轧机小，但除鳞效果好，尺寸精度等亦好，可生产0．8mm×1600mm产品。此外，在特殊钢和≤0．1mm极薄产品的生产方面，还采用了小工作辊的多辊冷轧机。 2．加热、冷却技术 为提高钢材质量和生产效率，保持生产稳定和设备小型化及节能，各工艺均开发成功不少新的加热和冷却技术。 (1)加热技术。首先是在板坯加热炉和冷轧板连续退火炉上，节能型自身蓄热式燃烧器开发成功并得到了广泛应用。由于在排烟温1300℃下可将空气预热到1100℃，大型板坯加热炉可节能25％，连续退火炉用辐射管燃烧器可节能29％。为防止空气温度提高后NOx相应上升，开发成功低氧燃烧技术，即在空气预热温1150℃下，将氧浓度由15％降到2％后仍可稳定燃烧，NOx由750ppm降到40ppm。 在热连轧的精轧工序实施无头轧制时，对头尾焊接采用了感应加热的连续在线焊接，亦有采用CO2激光连续焊接的，对提高质量和成材率均有所贡献。此外，TMCP生产线亦在应用感应加热技术，使调质钢的连续淬火、回火得以实现。 在连续退火炉的明火加热工序，使用高温预混合煤气的还原燃烧器亦在应用。由此，在空气预热温400℃下加热到1350℃时，比老式炉可节能20％的同时，炉长亦可以缩短。 (2)冷却技术。热轧生产中以水冷控制钢材组织而提高性能的TMCP技术，早在上世纪80年代日本即率先采用，现已成为一般技术。它在钢材出口辊道的上下部装有多个水喷头，利用水沸腾传热使钢材快速冷却。上世纪90年代，又开发成功无迁移沸腾区的在线快冷法，进一步提高了冷却的稳定性和产品质量的均匀性。 冷轧工序为消除钢板加工硬化而使用连续退火炉，其冷却方式多采用炉内还原气喷向钢板的冷却。通过对喷头间距、直径和喷速的合理设计，提高了冷却的均匀性。在轧辊冷却方面，90年代初采取了使钢板和轧辊均匀接触的吸气式冷却辊，效果显著。 在高强度钢板的生产中，常规冷却法已难适应，于是采取了氢喷射冷却法，导热率比过去的HN气提高了1倍。 (3)今后展望。为进一步提高产品质量，今后的加热、冷却技术应实施更严格的控制技术和节能环保技术，除提高原有技术的水平外，还可考虑应用电磁场等新技术。 3．工艺技术 尽管近年来随着产品出口上升和汽车、家电等内需兴旺下薄板产量在上升，但新投产的包括老设备的更新在内，仅有热连轧2件和冷轧1件。 (1)热轧薄板的工艺技术。突出的为通过无头轧制使热轧板的厚度由1．2mm下降到0．9mm，提高了成材率，降低了生产事故。在极薄板轧制时为确保尺寸精度，装在机架间的撑套器控制效果较好。 在板厚尺寸控制技术方面，重要课题是开轧时非正常状态的板厚精度提高。因为这受装备精度的影响较大，诸如轧制荷重、变形阻抗、温度等理论模式的误差和轧机的刚性、轧辊间隙等的设定误差重合等。据此，在提高各理论模型精度的基础上，根据咬入推论从动态上提高了装置精度，并据此提高轧机荷重的精度以进行控制后有明显进步。此外，还在精轧机组的机架上设板厚仪也较为有效。 在板宽控制方面，过去多在精轧机组进行，自从推广板坯定宽压力机后得到了明显改进；另在精轧机组的机架间和出口辊道通过涨力控制，对提高板宽精度亦发挥了作用。 热轧板的分品种生产计划受到了多种因素的限制，但为适应近年来小批量订货的增加和减少库存，采取了以下各种技术：在线工作轧辊研磨技术，在线轧辊侧部检测技术，采用耐磨轧辊和热润滑剂等。 从环保出发，不用加入合金以生产高强度钢的晶粒微细化轧钢法已实用化。通过精轧机组的小径辊不同速的低温大压下轧制，粒径已达3μm。粒径1μm的超微细晶粒作为日本国家项目正在开发中。 为支持汽车轻量化以节油减污的高强度钢板在开发中，现已达100kg／mm2级。为解决板卷前后端质量不均匀问题，采取了对进入精轧机组前的半成品补加热和对成品机架出口快冷等措施。 (2)冷轧的工艺技术。冷轧板作为最终产品对尺寸精度极为重视，经多年研发在解决板厚分布精度方面有很大进展。效果突出的为在冷连轧前加单锥度工作辊变速的技术，还有其它在热轧方面有效的技术扩展应用于冷轧。在形状控制方面有合理咬入技术和自动控制轧辊冷却技术。 在板厚控制方面，除预测外部变化的观测控制和咬入强力控制等已实用化外，还在连轧机的各机架间装板厚仪、速度表以进行反馈、正馈控制，使板厚精度得以大幅提高。 饮料罐用冷轧钢板为和铝板竞争，采用了2800m／min的高速连轧机，并配套开发出专用润滑油、模拟轧机振动技术和优质轧辊，保稳定生产。 总之，在薄板轧制方面的板厚、形状和侧边控制等关键技术已基本解决，并在利用近代控制理论分别解决复杂因素造成的误差。但为了保证控制和操作的稳定性，机械设备的稳定性和反馈控制信息用测头的可靠性仍十分重要。 四、条钢轧制技术的进步 1．型钢轧制 型钢轧制技术、设备的进步以钢轨、钢矢板和H型钢等大型型钢较为显著。过去钢轨的一部分用万能轧机生产，但大部分用复二重式轧机生产。现为提高尺寸精度和降低轧辊成本，在中间和精轧工序又以万能轧机为主。 钢矢板的尺寸在大型化。过去以400mm宽的U型钢矢板为主，以连铸坯生产需经8～10道次轧成。一般需3～4台二重式轧机反复轧制，现开发成功用H型钢轧机只更换轧辊便可生产钢矢板的技术。对过去靠焊接制成的非对称钢矢板，现在可用轧机生产。为适应工程的大型化，U型钢矢板的宽度已扩大到600mm，而非对称型的宽度则达900mm。 H型钢过去主控内型尺寸，现保外型尺寸的轧制技术已开发成功，即利用了宽度可在线调整的轧辊和对内幅扩大的斜轧机。还有可生产内型尺寸一致，但规格不同的偏芯修边型轧机，这样可代替过去靠焊接法生产的H钢品种。 H型钢轧机多采取BD－UR／E／UF布置方式，所用坯料为连铸异形坯。但此轧机不能用于同时生产钢矢板等型钢，为此又开发成功通过更换部分轧辊实现通用化的新轧机，甚至可生产角钢等产品。 关于型钢轧制设备的开发方面，万能轧机的新型式采取了油压方式，轧机紧凑化，换辊时机架可分割，使换辊时间大为缩短。另据用户对建筑钢材高性能化的要求，推广了在中厚板方面行之有效的TMCP技术，再加入Nb、V和Ti等以提高钢材强度，现已在H钢生产中应用。 2．棒、线材轧制 棒钢、线材多经过锻造和拉丝进行再次加工，现日本年产量分别达1000万t和700万t左右。近年随着汽车等机械部件的高质化，特殊钢线材的产量逐年上升，现特钢比已达56％。 日本上世纪80年代线材年产量曾达800万t，后由于发展中国家的赶超和价格竞争激化，使其棒、线材的产量均略降至现有水平，但竞争促进了新技术、新工艺的开发，主要情况如下： (1)轧机的高速化和高生产效率。线材轧机速度由上世纪80年代的60～80m／s已提高到目前的约120m／s，对方坯焊接以实现无头轧制技术的正研究中。 (2)高尺寸精度产品的生产。为实现棒、线材后加工的简略化和自动加工机械的采用，对其尺寸精度、真圆度和表面性能的要求日益严格。如棒、线材的尺寸公差与直径之比在JIS中为±1．5％，现有些用途竟缩小到±1．0％和±0．5％，个别的竟为±0．10mm。为适应这一要求，开发成功自动尺寸和多变数控制系统的棒线材超高速轧制。特别是棒材的成品轧机由过去的二辊式改为三辊式为主，四辊式正在开发中。 (3)依靠控制、控冷的新功能创新技术。由在轧制、冷却工序内进行热处理，使棒线材强韧化或软化以及使金属组织微细化的技术正在开发中。生产软化材的目的是为了在2～3次加工中提高效率、简化工序以降低成本。例如通过高碳钢的拉丝加工技术和成分调整可生产出4000MPa的高强度轮和子午线钢丝，通过低温轧制、缓冷和成分调整可生产出冷锻时保冲模寿命长的非调质钢螺栓用线材。 (4)利用FEM对棒、线材轧制的解析和材料组织预测。棒、线材轧制关键技术之一的孔型设计需要正确的轧制变形解析。尽管有关三次元变形解析于上世纪80年代后期发表，但到最近才广为应用。有关三次元FEM的软件开发、轧制中的温度解析、轧材材料组织预测等均在进行中。 除以上技术外，环保问题也十分重要，如降低以铅为首的有害金属含量、可减排CO2的节能、生态项目和高效的物流管理等，均待今后进一步推进。 五、钢管生产技术的进步 钢管生产技术的进步一方面在用户需求的推动下不断进行了新产品开发，从生产企业的高效低成本化出发促进了新技术开发。 1．无缝钢管的生产技术 对日本无缝钢管生产厂来说，这10年间乃是摆脱慢性亏损的阶段，在激烈的市场竞争下出现了外商合资和两厂合并等重大变革。近年来由于油气开发转向深海和CO2、H2S浓度高的恶劣环境，促进了13Cr等高合金钢管的开发。 (1)穿孔。有两项成果：一是交叉穿孔机的穿孔技术，二是扩管穿孔技术。前者为适应以13Cr为中心的高合金钢管的生产而开发成功，有利于抑制穿孔时伴生的剪断形变而为多数厂所采用。并配套开发出高温强度高的芯棒，今后考虑开发含Ti、Zn、Mo合金的超长寿命芯。后者亦开发很久，因用曼内斯曼穿孔机穿孔时管端质量不佳，致扩管率(穿孔外径／管坯外径)仅达1．2～1．3，而交叉穿孔则可达1．4～2．0，使壁厚／外径比由7％变薄至3％，对下道工序的轧管十分有利，使轧管机架由原来的7台减为5台，对简化轧管工序和节约设备投资均有利。 (2)连续轧管。由于回程连续轧管技术可产出表面性能好、壁厚精度高的超大径无缝钢管，逐步代替了芯棒轧管机。加上穿孔机的工作负荷加大，为连续轧管减少道次创造了条件，更加速了节约投资的5～4机架的连续轧管机的推广。加之机架配置亦由X式改为VH式，进一步实现了紧凑化和节约设备投资。 作为提高产品形状精度的技术，除不断提高计算机的高精度控制外，并出现了高精度的三辊轧机。为下工序的拉伸减径轧制时减少管端切头损失，又开发成功通过轴压下和计算机控制的薄壁管端连续轧管技术。 (3)拉伸减径轧制使过去长期存在的两个问题均基本得到解决。首先是长度方向管端壁偏厚问题，由于连续轧管薄壁化和速度控制已基本解决；其次是外径压下时产生的内部张力问题，通过研究轧辊形状和张力的影响，采取了15°配置的斜辊机和4辊减径机的解决方案。 (4)今后技术开发的主要方向是生产高合金管、降低设备费用、提高壁厚和外径的精度及其及搞好节能。 2．焊管的生产技术 (1)电焊管。近10年来的主要技术进步如下：(a)生产范围扩大。2003年建成可生产管线用高强度、高变形焊管的14″电焊管机组，为生产厚壁管的26″电焊管机组的改造亦已完成；(b)提高焊接可靠性技术方面，除对已开发的焊接控制系统高精度化外，还开发成功气体保护焊技术；(c)在提效降本方面的重大突破是开发成功柔性成型轧机(简称FF轧机)，已用于中小径管的生产。它通过对轧辊和管坯接触点的依次最佳控制而实现了柔性成型，使换辊和调整时间大幅缩短，同时由加工产生的形变亦得到了控制；(d)激光焊接在合金管和厚壁管的生产上得到了应用；(e)复合成型管在汽车部件上的应用和电焊管生产上应用了高频加热减径并进行在线热处理技术。 (2)UOE钢管。随着主用途管线的变化不断开发成功提高效率和保证质量的技术和设备。近年由于天然气开发转向边远地区和深海，为节约管线投资而实现高压化和小型化，从而促进了UOE钢管的高强度化和极厚壁化。为保超高强度化，在开发成功相关的炼钢技术和中厚板生产应用TMCP新技术的基础上，UOE管亦开发成功配套的成型技术，使X80～X100、X120等产品陆续量产。在厚壁化方面，为防止在深海敷设弯曲时出现折损，针对确保焊缝处的韧性进行了有关材料和焊接技术的开发。 (3)炉焊管和螺旋焊管。10年来变化不大。 六、其它加工技术的进步 1．锻造 作为塑性加工的大量生产方法，近10年来的主要技术进步如下：(a)冷锻技术的开发和扩大应用，使锻造部件的切削加工量大幅简化甚至省去；(b)通过板材成形和锻造加工的组合以生产复杂形状的产品；(c)多品种、小批量高效生产技术的开发；(d)减轻环境负荷的摩擦学技术开发。 2．钢板成形 作为广泛应用于汽车、机电和航空部件及家电和炊具的加工技术，为适应用户的要求和高强度钢板的扩大应用(汽车已达车重的30％～50％)，主要进行了以下的技术开发：(a)在高强度钢板的高精度加工方面，从成型模拟预测、模具设计加工和温度控制成形等进行了技术开发，已可适应生产的要求；(b)正在实用化中的技术还有液压成形、专用坯料和冲压成形等技术；(c)今后将开发纳米级超微细、超精密加工等技术。 3．金属铸造 作为金属、机械产业的骨干技术，近年来针对高强度、强韧性和长寿功能材料的要求，陆续开发成功冲击造型法、新压铸法、半熔半凝固法、复合铸入法和表面改质法等新工艺。为适应21世纪对环保的日益严格，将重点开发轻型薄壁技术、复杂部件的高精度铸造技术、高强度、高功能材料和清洁熔化、铸造工艺的开发。 在提高材质方面，最近开发成功冲击强度大幅提高的C－Ni系低合金铸钢件。在铸造方法方面又开发成功利用纤维涂模的泡沫塑料实型铸造法和生产各种新材质铸钢件的铸造技术。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (6/3/2007)