钢铁工业线材生产技术的演进以及发展

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钢铁工业线材生产技术的演进以及发展
　　线材是热轧材中止面尺寸最小的一种。因其在轧钢厂热轧后卷成盘状交货，故又称为盘条（Rod）。横截面通常为圆形、椭圆形、方形、矩形、六角形、八角形、半圆形或其他形状，盘条的公称直径不小于5mm。目前高线盘条直径范围在Ø5.0～26mm,幻想的直径范围在Ø5.5～20mm,盘重2000～2500kg。应留神的是大盘卷（Barincoil）生产工艺可使棒材成卷，成卷的办法不是用吐丝机，而是用加勒特卷曲机或工字轮卷曲机。目前卷取的棒材直径上限在60mm。通常以为直径范围在Ø5.5～20mm的线材在高速线材轧机上生产，直径Ø16～60mm的线材多用小型线材结合机组生产成棒卷。
　　线材品种多、用处广，普遍运用于公民经济各个部分，且用量大，2008年中国线材8024万t，占当年钢材产量（含反复材）的13.8％。
　　1、线材轧机技术的演进
　　线材轧机始于17世纪。19世纪中叶，跟着大产业发展，对小型线棒材需求日益增添、碱性转炉炼钢法的涌现为大范围轧钢生产发明了条件，小型线棒材轧机敏捷发展。1860年前后出现了比利时式线材轧机，即横列式线材活套轧机。用一台电机带动一列3～5架轧机，人工围盘履行活套轧制，轧制速度可达4.6m/s。为提高轧制速度、并尽量减少活套长度，逐渐构成多列横列式轧机。1870年有人将比利时式线材轧机分为两段，各用一台电机传动。至1882年呈现4列横列式轧机，即加林特式轧机，终轧速度可达8～9m/s。
　　简直同时，在跟踪式轧机基本上串列式程度连轧机或平/立交替的连轧机也在发展。但平/破交替的无扭转连轧机发展并不顺利，1862年英国曾实验平/立交替的连轧机，当时轧机与导卫均不完美，尤其是立辊的安装及传动较艰苦，因而并未胜利。
　　1878年树立了16架串列式水平连轧机（旧摩根式轧机），由蒸汽机成组传动，以轧辊直径变化来调节各架轧机速度，扭转导管翻钢，终轧速度可达15m/s。为提高生产效率，实施在一架轧机上双条或多条轧制。尔后若干年，工艺布置上不新的打破，但在轧机完善上有较大提高。如滚动轴承的应用，精轧机座单独传动的采用等，使轧制速度濒临20m/s，盘重增至200kg。
　　值得提出的是，横列式轧机易于调整、无张力、速度控制要求不严，出现了粗轧为旧摩根式水平连轧机，精轧机为横列式或复二重式（又称苏埃科式轧机，轧制速度16～20m/s）的半连续式轧机。
　　二战后，因为节制技巧、机械制作技术的发展，小型轧机技术水平又得到了进一步进步。为转变横列式轧机活套无掌握的状态，逐步向更多列乃至单机传动发展。20世纪50年代，瑞典推出法格斯塔型轧机。精轧机组每两架一个直流电机传动，用光电体系测定小活套地位把持各列转速。每列两架间以不同的轧辊直径来获得不同的轧制速度，以减少大活套长度。轧制速度可达20～27m/s，实际上仍属于半连续轧制范围。60年代初又发展为莫格沙玛型轧机，即所谓的“活套连轧机组”，其各架均有一台直流电机拖动，用围盘连接，可精确控制活套长度，实现连轧，特殊合适小批量、多种类轧制，至70年代中期仍活泼在世界限材生产中，直至高速摩根轧机问世才转向合金钢范畴。
　　与此同时，跟踪式连轧机（串列式连轧机）也在发展，50年代末，扭转导管改为辊式扭转装置，达涅利式组合机架取代了独立机架，使串列水平连轧机速度达到了40m/s，而平立交替式串列连轧机由于轧机振动问题与电灵活态机能所限，速度也停顿在40m/s左右，加之造价过高不能大批建造。由此可见，一般线材轧机的最大轧制速度提高到40m/s当前就无奈再提高了，故称轧制速度大于40m/s的轧机为高速线材轧机。
　　轧制速度进一步的提高是20世纪60年代中期，美国摩根（Morgan）公司结合了组合式轧机结构与平/立连轧机布置形式，采用了微张力轧制工艺，发现了世界最早的高速线材轧机机型之一――摩根式轧机，即45°轧机。1966年9月美国摩根公司设计的第一套二辊悬臂式轧机，投产于加拿大钢铁公司汉密尔顿厂。该型轧机是多机架连轧（8架）且组合式轧机结构。轧辊轴线与地面成45°角，相邻机架两对轧辊轴线交叉成90°角，故称为45°轧机。由于防止了轧件进入下一道时的扭转翻钢，又以螺旋齿轮直接啮合代替了轧辊前的传动连接轴，因此打消了震撼。实现了无扭、振动小，轧制速度冲破35～40m/s,达到50m/s。后期为进一步提高轧制速度，就要进一步下降传动轴的高度，在侧交45°轧机的基础上又推出了顶交45°轧机。为控制轧件温升还加大了轧机间距，以便配置水冷喷嘴。这种轧机一问世便获得50m/s的轧制速度（第一代），70年代初60m/s（第二代），70年代中、后期75m/s（第三代），70年代末80年代初90m/s（第四代），80年代中期100m/s（第五代）；80年代末至今，重负荷和超重负荷精轧机组、减径定径机组、高速飞剪等技术在线使用，使轧制速度达到120m/s（设计速度达140m/s），保证速度达到110～115m/s（第六代）。自1966年至今接踵出现了摩根、德马克、阿希洛、达涅利、施罗曼、克虏伯和摩哥斯哈玛等机型。
　　综上所述，线材轧机的发展阅历了横列式、顺列式、布棋式、半连续式、跟踪式（水平辊）连续式、平立交替式串列连续式和45°或Y型高速连续式等阶段。横列式和复二重线材轧机已在我国明令淘汰并制止新建。
　　2、线材轧机布置的演进
　　线材车间普通分一般线材和高速线材车间。线材轧机的布置形式多种，演绎起来基础有3种：多阶横列式、半连续式和连续式。目前横列式布置被淘汰，而半连续式布置中有横列式或复二重线材轧机元素，故也被淘汰。高速线材轧机均呈连续式布置。
　　2.1横列式布置
　　由若干架轧机工作机座横向布置成一列、二列式、三列式、多列。每一列工作机座由一台电机带动或由两台电机分两侧带动。线材轧机常用三阶式或三阶以上的布置形式，正常不超过15架。
　　2.2半连续式布置
　　半连续式轧机个别分两组布置，一组是持续式，另一组是横列式、多机架纵列式或其余情势。通常是粗轧机组布置成连续式或跟踪式，中、精轧机组安排成横列式或复二重式。这种方案主要斟酌粗轧与精轧机组轧件断面不同，粗轧机组轧件断面简略，连续轧制比拟轻易；精轧机组轧件断面形状庞杂，连轧比较难题，为了便于调剂，将精轧机组布置成横列式或复二重式。
　　2.3连续式布置
　　连续式布置相似顺列式，各工作机座沿轧制线顺次排列，工作机座个数既是轧制道次，各工作机座间距比相应的轧件长度小，一根轧件同时在数个工作机座中轧制，各个工作机座的轧制速度应合乎“秒流量相等”准则，这是温柔列式轧机的实质差别，粗轧、中轧、精轧全体实现连轧。当今，在精轧机组之后越来越多的采用重负荷和超重负荷精轧机组、减径定径机组等高精度精轧机组。
　　3、线材生产工艺流程的演进
　　线材生产工艺流程如图1。
　　图1：线材生产工艺流程
　　3.1坯料
　　线材坯料一般为轧制坯和连铸坯。横列式和复二重线材轧机一般用65mm×65mm～120mm×120mm小方坯；高速线材轧机用150×150mm以上方坯。为解决某些钢种大变形比的需要，必需采用大断面坯料。其方式有3种：一是由初轧机或开坯机二次开坯；二是加大粗轧机尺寸，增长第2中轧机组；三是在粗轧机组前增加2架平/立二辊可逆粗轧机。
　　3.2加热
　　加热通常在推钢式或步进式连续加热炉中进行。出钢方式：端进侧出或侧进侧出。对加热的要求是加热温度均匀，减少氧化，避免过热、过烧、脱碳、裂纹等加热缺点。
　　3.3轧制
　　根据轧机的组合或轧件断面尺寸的大小，通常采用以下4种根本轧制方法：穿梭轧制、跟踪轧制、活套轧制和连续轧制。
　　线材生产道次多，通常将轧制分多少个阶段，即粗轧、中轧（可细分为一中轧和二中轧或分中轧和预精轧）、精轧等。相应段轧机分组为粗轧机组、中轧机组（分一中轧机组和二中轧机组或中轧机组和预精轧机组）、精轧机组（或精轧机组加减径定径机组）等。因为将精轧段分为精轧机组和减径定径机组，故可实现单一孔型轧制和自由尺寸轧制。
　　各机架轧辊直径随着轧件断面尺寸的减小而减小。横列式使用正、反围盘活套轧制。复二重线材轧机采用正围盘活套轧制，同机会架内采用扭转管翻钢和微拉轧制。高速线材无扭轧机轧件不翻转，而是相邻轧机相互扭转，同时采用转动导位，微张力轧制和活套无张力轧制。此外，还需除鳞、切头、水冷等。
　　3.4精整
　　横列式和复二重轧机轧出的热状况线材经导管进入卷取机卷成圆盘，成品卷经运输机边运输边冷却，收集，检讨，打捆，入库。高速线材轧机机轧出的热状态的线材经水冷控制冷却后，经吐丝机吐出呈螺旋形立式线圈，逐渐倒向运输机上，进行散卷冷却（斯太尔摩或施洛曼控制冷却法），集卷，P/F冷却运输线冷却，检查，打捆，入库。
　　4、减径定径轧机技术的发展
　　减径定径技术，即在精轧机组后独立增设双机架减径机和双机架定径机。实在质是将传统多机架精轧机组离开使其更加机动生产，且在精轧机组与减径定径机组之间加有水冷安装，使低温终轧成为可能。
　　减径定径机组是将来高速线材技术发展的主要方向。自20世纪90年代初以来，高速线材减径定径机组技术飞速发展且日臻成熟。存在代表性的机组主要有：摩根RSM减定径机组；柯克斯－达涅利的减定径机组RSB；达涅利公司的减定径机组-双模块机组TMB；SMS公司的减径定径机组FRS；2007年柯克斯－达涅利研制了HS-RSB三辊高速（135mm/s）减径定径机组，但目前尚无工业生工业绩。
　　4.1RSM减径定径机组
　　1988年美国摩根公司与日本大同钢厂独特开发了棒材TEKISUNTM二辊式定径机。在此基础上，摩根公司又设计制造了“V”型布置的两机架紧凑型线材定径机（辊环直径150mm），即150CSM单元。之后，摩根和大同一致认为将两套双机架150CSM单元串联布置更佳。起因是，轧件可通过4机架或任意一个双机架150CSM单元定径，同时任意一个单元均可单独、快速地移进或移出轧制线。1991、1992年大同在星崎、知多线材厂各安装了两套串联的紧凑型线材定径机。在摩根和大同测试150CSM的原型机的同时，摩根为提高产能、扩大尺寸范围（5.5～25mm）和实现热机轧制，还开发了置于精轧机之后的双机架“V”型精轧机组（MFB）。
　　1993年摩根将MFB精轧机和CSM定径机技术结合起来，使前者作为减径机、后者作为定径机，创造了减径定径机组RSM(Reducing/SizingMill)，并与1995在俄亥俄州USS/Kobe线材厂成功安装。
　　摩根RSM机组实际上是由4架悬臂式轧机组成的，采用V型布置，置于精轧机组之后，前两架起减径作用，后两架起定径作用。减径机和定径机组可独自从轧制线上移出和移进。RSM机组除了满意尺寸精度外（产品精度±0.01mm），全线单一孔型系列，实现自由尺寸轧制。无RSM的情况下，产品规格要发生变化时，精轧机上要做换辊、调整导卫、调整辊缝等工作,通常需要至少20～60min。而采用RSM情形就大不相同了，精轧机组只采用单一系列孔型，大多数的产品规格孔型变化均由RSM来实现，通常需要破费最多10～20min，这样一来大大地提高了轧机利用率。
　　由于RSM安装在精轧机组和吐丝机之间，可以策略性地设置水冷段和均温段，为进入RSM提供较低的控制入口温度，能比常规的V形无扭轧机（NTM）轧制方法造成的晶粒更细，通过控制晶粒尺寸和吐丝温度，增进相变或延迟相变，从而利用斯泰尔摩（Stelmor）运输机的最佳冷却能力，可以处理范围很宽的钢种，如轴承钢、冷镦钢等，并省略后续热处理工序。再者，由于采用热机轧制可以达到一般微合金化一样的产品性能，因而能够替换微合金化工艺，进而节俭大量昂贵的合金料。RSM还为丝材拉拔厂提供了优质产品，如有利于机械除鳞、改良丝材拉拔工艺等。
　　4.2减定径机组-双模块机组TMB
　　达涅利-摩格沙玛公司开发的双模块高速精轧机TMB（TwinModuleBlock）是线材轧制最新技术。TMB同上述的RSM一样，把传统的精轧机组分成两组相续的三角型（同V型）机组，之间配有冷却水箱。每对相邻轧辊彼此穿插成90°、同时与地面成45°。第一组精轧机组FB（FinishingBlock）为固定式，由8或10架轧机组成，对TMB精轧机言相称于预精轧机组。可实现单一孔型轧制，给TMB供给生产所有规格成品所需的来料尺寸。第二组精轧机组，即双模块机组TMB安装在水冷线及头尾高速剪后，吐丝机前面，还有一套完全的双模块机组备用且装有疾速调换系统。双模块机组安装在滑板（小车）上为挪动式。双模块机组整体作为一个机组包括两个独立模块，每个模块由各自的电念头传动，两个电机以电气的方式互相连接，并通过小张力控制系统与上游精轧机组FB的电机衔接。每个模块由两架轧机组成，共4架轧机组成。4孔型采用椭圆－圆－椭圆－圆系统，目前也采用椭圆－圆－圆－圆系统。在4道次的TMB中提供可变压下量，可生产所有规格成品（4.5～25mm）。
　　4.3HS-RSB三辊高速减径定径机组
　　由德国柯克斯（KOCKS）公司研制的减径定径机组（RSB），主要用于棒材精轧机组和线材机组的预精轧机（图2）。现在柯克斯公司成功开发出了用于线材的三辊高速减定径机组（HS-RSB），见图3。该机组于2007年底在KOCKS公司不莱梅厂通过无载状态下的各项试验，已具备利用条件。试验进程中达到的最大转速相称于135m/s。
　　1－加热炉；2－粗、中轧机组；3－RSB（棒材精轧/线材预精轧）；4－精轧机组；
　　5－线材线；6－加勒特卷取机；7－大盘卷线；8－棒材线。
　　图2：KOCKS公司RSB的应用
　　图3：HS-RSB机架辊环侧
　　该机组为4机架独立传动配置（图4），联合了德国KOCKS公司在三辊技术和意大利达涅利公司在油膜轴承方面的教训。通过新型的机架设计（机架分为锥齿轮侧和辊环侧，见图5）。机架内部1:3的速比失掉终极的高速（最高达12000rpm），也就是通过机械结构取得高速，从而躲避了高速下传动轴的振动问题。而电机速度范围处于棒材轧机采取的速度规模内（0～2000rpm）。三辊孔型几何外形对机架间张力变更不敏感及对进口断面稳定的主动弥补才能，使得这种高速下的独立传动配置计划得以实现。
　　图4：HS-RSB的传动原理
　　图5：HS-RSB机架内部传动结构
　　KOCKS公司高速减定径机组（HS-RSB）拥有与该公司有名的棒材三辊减定径机组（RSB）类似的一些长处，同时又有所不同，即轧制最严密的公差（“定径”）；考虑到控温轧制（“热机械轧制”）；最高的运行经济性和市场灵活性。
　　运行理念：通过将中断生产的操作从轧线移至轧辊间而减少停机时间，从而在可能的最高轧机利用率水平下灵活生产。
　　机械设计：具备1个输入轴的可调机架；对基础请求最低的独立传动系统；快捷机架改换系统（在轧线内）；轧辊倏地更换系统（在轧辊间内）。
　　工艺设计：将减径、定径结合于统一个机组内的孔型设计（减定径机组）；粗、中轧和线材无扭机组轧机实现单一孔型序列轧制；“自由尺寸”孔型设计；轧辊和导卫辊缝的远程控制调整（在轧线内）；用于机架和导卫的盘算机帮助调整系统（在轧辊间内）。
　　传统线材无扭机组+4机架两辊减定径系统与线材无扭机组+4机架三辊高速减定径机组（HS-RSB）配置比较，见表1。
　　表1：8机架+4机架两辊减定径机与8机架+4机架三辊（HS-RSB）配置的对照
　　5、高速线材技术发展
　　当今高速线材轧机发展的重要特色是：产品规格Ø4～26mm；因可应用较大断面坯料，如200mm×200mm、240mm×180mm，能与连铸公道匹配；出产钢种包含碳素钢、优质碳素钢、合金钢、高合金钢等，且可实现热机轧制；最大设计轧制速度达140mm，能实现最大经济轧制速度115mm左右；年产量达60～80万t；各种高速无扭精轧机组装置方法趋势改为顶交45°构造，辊环150mm加大到200mm左右；轧机主传动电机均改为交换变频电机；在精轧机前设预精轧机，在精轧机后设减径定径机组；可实现“单一孔型”轧制跟“自由尺寸”轧制，自在定径范畴±0.3mm；可保障极高的尺寸公差，如±0.1mm，或更小。
　　减径定径机组的上风：极高的轧制速度，可到达115m/s左右，目的为140m/s，即便是小规格产品也能达到很高的产量；较宽的产品范围，可轧制4.0～26mm的各种直径；准确的尺寸公差和最佳的名义品质。各种规格尺寸产品都不超过±0.1mm；实现“单一孔型”轧制和“自由尺寸”轧制；可实现低温终轧工艺，对所有产品其轧制温度可降到750℃；极高的轧机应用效力；大大提高了成材率；若需要上几条高线生产线，则可依据产品组距的需要量，将生产线按小规格线材（5.0～12mm）、大规格线材（12～26mm）专业配置。因减径定径机组的参加，可使大规格线材的生产不须要精轧机组，即可省去。
　　近年来，高速线材技术发展中值得关注的问题是：
　　随着电机及其控制技术的发展，又出现了独立机架单独传动的高速精轧机组（含减定径机组）；精轧机组传动系统布置在上游；减定径机组孔型系统的趋同性；用于轧件控制轧制的温度恢复、平匀段的活套；棒材成卷技术使盘条直径增大，棒卷与线材、盘条的关系等。
　　5.1独立传动的高速精轧机组（含减定径机组）
　　为获得高速轧制，将精轧机组由传统的独立机架单独传动改为组合机架群体传动。而近来正好相反，随着电机及其控制技术的发展，从新出现了单独传动的高速精轧机组（含减定径机组）。KOCKS公司4机架三辊高速减定径机组（HS-RSB）是独立传动配置。达涅利双模块高速精轧机组TMB，每个模块由各自的电动机传动，两个独立模块就整体（4机架）而言，也是独立传动配置。
　　5.2精轧机组主传动系统布置在上游
　　最新设计的摩根10机架V型无扭精轧机组，其主电机是在机组上游（轧件入口侧）传动各机架轧辊。与传统的在机组下游（出口侧）传动各机架轧辊正相反。精轧机组主电机放在入口侧的利益在于，可通过离合器便利的甩掉轧件空过机架的高速空转轧辊。
　　5.3减定径机组孔型系统的趋同性
　　近年减定径机组孔型系统有同一的趋向，继摩根RSM之后达涅利TMB也采用椭圆－圆－圆－圆系统（定径机组为圆－圆系统）。
　　5.4   用于轧件控轧的温度恢复、平均段的复线活套
　　为充足施展金属潜能，古代线材生产中广泛用控制轧制和控制冷却工艺，提高其力学性能。在轧制过程由专用的微处理器通过水流量调节阀实现各个水冷段入口水流量的连续调节，从而达到轧件温度的实时控制、保证不同控制轧制所需的轧件温度。
　　惯例的轧制温度是在奥氏体区轧制，低温精轧（LowTemperatureRolling）是指在最后几道次的形变产生在正火轧制亦称常化轧制（NormalizingRolling）工艺或热机械轧制（ThermoMechan:calRolling）工艺对应的温度范围内，如图6。正火轧制是一种通过控制热轧时的温度、压下量等前提使其最佳化，从而在最终轧制道次实现时得到与正火雷同的微细奥氏体组织的省略热处置的一种轧制技术；热机轧制是指轧制变形处在低温奥氏体区或两相区的温度范围内，轧制变形被粉碎细化的晶粒不发生再结晶，轧后冷却时的相变产物组织细化，从而使材质的强度及韧性同时提高。
　　图6：低温精轧工艺的温度范围
　　由于置于精轧机组之后的RSM、FRS、TMB等减定径精轧机的问世，轧件进吐丝机机前可多进行一次低温轧制（750～900℃），故使控轧更加灵巧。不外，由于水冷是自轧件表面施加的，为达到轧件断面温度均匀，必须给予温度恢复、均匀的时光，再进行低温轧制，因此，水冷后必须给予温度均衡区（即温度恢复、平均段）。温度均衡区的能力与均衡区长度成正比，通常温度均衡区与轧制线重叠，因其受轧制线长度的制约，均衡区长度不可能太长，使得均衡区长度受限。为此，SMS公司提供了温度恢复、均匀的复线活套技术。
　　SMS公司提供应巴西Acominas线材厂的复线活套技术，出自预精轧机经水冷箱冷却的轧件，其表面与芯部温度梯度较大，若此时进行轧制，则达不到低温轧制的真正目标。由于加入复线活套，温度平衡区足够长度不受限度，使得经活套恢复段的轧件断面温度匀称后，再进入精轧机、减定径机或减定径机轧制。
　　5.5棒卷与线材、盘条的关系
　　现行我国《钢产品分类》尺度GB/T15574-1995中，轧制成品列有盘条（Rod）。定义盘条为“热轧后卷成盘状交货的成品。横截面通常为圆形、卵形、方形、矩形、六角形、八角形、半圆形或其他形状，盘条的公称直径不小于5mm”。在《热轧盘条尺寸、形状、分量及容许偏差》GB/T15574-1995中，列出盘条公称直径为5～40mm。
　　始终以来人们习惯将线材独立的列于轧制成品分类中，并定义线材是“热轧材中断面尺寸最小的一种（直径Ø5.5～9mm）。因其在轧钢厂热轧后卷成盘状交货，故又称为“盘条”。
　　目前高线盘条直径范围在Ø5.0～25mm,理想的直径范围在Ø5.5～20mm,盘重2000～2500kg。应注意的是大盘卷（Barincoil）生产工艺可使棒材成卷，成卷的方法不是用吐丝机，而是用加勒特卷曲机或工字轮卷曲机。目前卷取的棒材直径上限在60mm。通常认为直径范围在5.5～20mm的盘条在高速线材轧机上生产，直径16～60mm的盘条多用小型－线材联合机组生产。
　　那么如何断定盘条、线材、棒卷三者的关联呢？盘条（Rod）包括两局部，一部分是线材，另一部门是棒卷。用线材轧机－吐丝机生产的盘条为线材（Wire），而用中小型轧机+加勒特卷曲机或工字轮卷曲机生产的盘条为大盘卷（Barincoil）。