第三篇板带材生产 11概述 板带产品外形扁平,宽厚比大,单位体积的表面积也很大。通常称剪切成定尺长度单张供应的 为板材,成卷供货的称为带钢或板卷,宽度大于800mm称作宽带钢。板材主要尺寸是厚度H、宽 度B与长度L:带钢及板卷般只标出厚度H、宽度B,再附加卷重G,实际长度通过卷重换算。 板带材几何外形特征通过宽厚比(BH)显示,BH越大,越难保证良好板形和较窄公差范围。BHI 可达5000以上,甚至上万,现代发达国家板带钢产量所占比重一般皆在45~65%,甚至达2/3以 上,是国民经济各部门地位突出和广泛使用钢材 11分类方法 板带材按规格一般可分为中厚板、薄板和极薄带材(箔材)三类。各国分类标准不尽相同,其 间并无固定的明显界限;板带材按用途可分为造船板、锅炉板、桥梁板、压力容器板、焊管坯等热 轧薄板,汽车板、镀锡板、镀锌板、电工钢板、厔面板、酸洗板等热轧和冷令轧薄板带等,有关品种 可参看国家标准;板带钢按轧制方法不同分为剪边钢板与齐边钢板。剪边钢板的最后宽度经剪切决 定,而齐边钢板由带立辊钢板轧机轧出,轧后不剪纵边。 112产品技术要求 由于板带材有共同的外形特征,类似的使用要求,相近的生产条件,对它们的技术要求也有共 同之处。概括起来就是“尺寸精确板形好,表面光洁性能高”。 尺寸包括长、宽、厚,主要指厚度精度。因为厚度经轧出无法像长度和宽度那样有剪切余地, 厚度又决定着轧材性能参数,以及轧制匚艺难度,所以,厚度一定要精确控制,若可能尽可能采用 负公差轧制,可以大幅节约金属。 所谓板形直观讲是指板材的翘曲程度。板形精度要求高,就是指板形要平坦,无浪形、瓢曲等 缺陷。例如,普通中厚板,其瓢曲程度每米长不得大于15mm,优质板不大于10mm,普通薄板原 则上不大于20mm。对板形要求是比较严格的,但要求的实现是很困难的,轧制力、来料凸度、热 凸度、轧辊凸度、板宽、张力等各种因素变化都会对板形产生影响 板带材很多被用于构件外表面,不仅从美观上要求其光洁整齐,由于易受外部环境影响,也需 保证表面质量。表面不得有气泡、结疤、拉裂、刮伤、折叠、裂缝、夹杂和压入氧化铁皮,因为这 垲缺陷不仅会损坏外观形象,而且还会降低性能或成为产生破裂和锈蚀的发源地,成为应力集中的 薄弱环节。例如,硅钢片的光洁度会直接影响磁性感应;深冲钢板表面氧化铁皮会使冲压件表面粗 糙甚至开裂,并使冲压工具很快磨损报废。对于不锈钢等特殊用途板带钢,对其表面还有特殊技术 要求 性能主要要求板带材具有较髙杋械性能、工艺性能和某些特殊钢板的特殊物理化学性能。一般 结构钢板只要求具备良好工艺性能,如冷弯和焊接性能,对机械性能一般要求不严格。但对应用于
重要环节的甲类结构钢板,要求保证机械性能,满足一定的强度和塑性要求;对于重要用途的结构 钢板在性能上要有较好的综合性能,即除了有良好的工艺性能,还要有一定强度和塑性,而且有时 还要求保证一定化学成分,保证良好焊接性能、沖击性能、冲压性能,一定晶粒组织及组织均匀性 等。造船板、锅炉板、桥梁板、高压容器板、汽车板、低合金结构板以及优质碳素钢板等都属于这 类。一般锅炉钢板,除了满足一定强度、塑性和冲击韧性外,还要求具有均匀化学成分和细小结 晶组织。为了减少锅炉钢板在工作中发生时效陈化现象,还必须进行时效敏感性试验,极力降低氧 和氮含量以减少时效陈化危害。造船和桥梁钢板,除了必须具备良好工艺性能和常温机槭性能外, 还要求有一定低温冲击性能。有些特殊用途钢板,例如合金板、不锈钢板、硅钢片、复合板等,要 求冇高温性能、低温性能、耐酸、耐碱、耐腐蚀性能等,冇的要求一定物理性能,如电磁性能等。 113板带轧制技术发展 113.1板带轧制技术的发展过程 在轧制过程中同时存在着轧件变形和轧机变形,但我们希望轧件易变形而轧机难于变形。板带 钢轧制的突出特点是轧制压力极大,因而发展轧件变形而控制轧机变形成为左右板带轧制技术发展 的关键。板带钢轧制易于变形的两个途径:一是努力降低板带钢本身的变形抗力(内阻);二是设法 改变轧件变形时的应力状态,努力减少应力状态影响系数,即减小外摩擦对金属变形的阻力(外阻)。 至于控制轧机的变形则包括增强和控制机架的刚性和辊系刚性,控制和利用轧辊的变形及采用各种 控制措施 (1)轧制技术围绕降低内阻的发展 降低内阻最有效的措施就是加热并在轧制过程中抢温、保温,使轧件具有较高而均匀的轧制温 度。板带钢最早是在单机架和双机架上进行往复热轧的,早在1728年,英国威尔士( Wales)就能 用轧制方法生产锡板了,其生产工艺是采取往复成块热轧方法,这种方法统制了板带钢生产长达2 3百年之久。对于轧制厚度ψmm以下的薄板,由于散热面积很大,使轧件温度降落十分迅速,且温 度波动很大。温度降低会影响其变形的继续,温度不均会致使轧制力波动和轧机弹跳加大,继而引 起板厚及板形不良,因此为生产这种薄板就采用叠轧方法。这种方法金属消耗大,产品质量低,劳 动条件差,生产能力小,因此只适宜轧制不太长且不太薄的钢板,这显然满足不了对板带材的需求 为了克服这些缺点,争取轧制长度长的、质量好的带钢,出现了成卷连续轧制方法。 最早成卷连轧方法出现在1892年英国,但由于当时技术水平限制,轧速太低,轧件温降太快, 未获成功。直到1926年美国 Pemnsyliania Putter建成第一套连续热轧机,它能生产带钢宽度达 9144mm。为进步节省能源、材料和唠动力,板带材连铸连轧发展迅速。已经实施的有向加热炉 内直接装入髙温连铸坯的热装法和不用加热炉直接进行轧制的直送轧制法等。日本新日铁于1981 年6月投产了世界上第一条由连铸至热带轧制直接连续生产线,它的生产程序非常简单,只包含氧 气顶吹转炉生产、连铸和轧钢过程。目前最先进的连铸连轧生产工艺是薄板坯连铸连轧技术(CSP 自1989年世界上第一台工业化生产线投产到现在,已有36条生产线相继投产,其工艺技术已经步 入第三代,其特征是与传统流程嫁接,实现长流程连续生产,用高炉转炉更纯净钢水作原料,已 成功轧制出厚度为08πm的薄带钢产品,在很大程度上可以取代冷轧产品。 无头轧制技术也是日前热轧带卷生产一大亮点,其代表为日本川崎钢铁公司。该公司于1996 年3月在新建2050热轧带钢轧机上成功应用了热带无头轧制技术,并已生产出0.76mm热轧带钢。 实践表明,无头轧制技术能稳定地生产岀常规热轧方法所不能生产的宽薄带钢及超溥热轧带钢,并 能应用润滑轧制及强制冷令却技术生产具有新材料性能的高新技术产品 141一
第三篇板带材生产 (2)轧制技术围绕降低外阻的发展 尽管热轧板带生产工艺在不断提高,但由于热轧过程中温度、速度等不定因素的影响,使其轧 制压力波动无法抗拒,从而影响到板厚及板形波动。同时,由于热轧过程中不可避免地有氧化铁皮 产生,自然会影响到表面质量,特别是当轧制薄板带产品时(一般1mm以下)。由于很难保证热轧 温度,致使变形抗力迅速增加,轧制压力升髙,轧制过程难以继续。而且由于轧制压力很大,变形 不仅发生在板带上,轧辊也会受到板带反作用力,产生弹性变形,在轧制工艺中称之为“弹跳”,它 是不可避免的轧制现象。由于热轧辊“弹眺跳”较大,其可轧制的最小板带厚度是有极限值的,太薄 的带材是无法轧制的。上述因素的存在都是“冷轧”存在的必然性条件。就冷轧生产而言,不仅内 阻大,而且外阻更大,此时应致力于降低外阻的影响。主要措施就是减小工作辊直径、采用优质轧 制润滑液和采取张力轧制,以减小应力状态影响系数。其中最活跃的方法是减小工作辊直径,由此 出现了从二辊到多辊各种板带轧机。 板带生产最初采用是二辊轧机,为了减小轧制压力,就需减小轧辊直径,但为了让轧机减小弹 跳,又必须有足够强度和刚性,必须增人辊径。增人辊径,又使轧制压力急剧增加,弹跳亦随之增 大,以致在辊径与板厚之比(Dh)达到定值后,就会使轧件延伸根本不可能继续。为了解决这 矛盾,只得采用大直径支承辊提高轧机强度和刚性以增加压下率;采用小直径工作辊降低轧制力, 并进一步减小变形热和摩擦热引起的温升,减小轧制压力波动,获得精度高的产品。支持辊与工作 辊并用,很好地解决了上述主要矛盾,因此,于1864年出现了劳特式三辊轧机,1870年出现了四 辊轧机,以后为了不断减小工作辊径,并同时提高轧辊刚性,又陆续涌现了各种多辊轧机,如图11 1所示,多辊轧机多采用支承辊驱动,工作辊被动,往往会降低轧机咬入能力和传递力矩;不对 称异径轧机釆用一个游动的小工作辊负责降低轧制压力,用另一个主动的大直径工作辊传递力矩和 提供咬入能力;为了从降低金属轧辊间摩擦力出发达到降低轧制压力的目的,方法之一是异步轧制。 异步轧制技术是使上下工作辊转速不同,从而使上下两辊对接触表面上摩擦力大小相等,方向相反, 对整个变形区而言,大大减轻或消除了摩擦力对应力状态有害影响,使轧制压力大为降低,板带厚 度精度和轧机轧薄能力都大人提高。1971年前苏联发明了拨轧异步轧机,1977年日本建成了IPV 式四辊异步轧机 G (4)(b)(c) (h)(i)(j)(k) 图11-1各种轧机结构示意图 a)辊式:(b)三辊式:(c)四细式;(d)六辊式:(e)十二辊式;f)二十辊式:(g)不对称八辊式 h)偏八辊式:(i)HC轧机:(j)异径五辊及泰勒轧机:(k)异径四:()异步二辊 轧制过程中采用润滑于段不仅可以通过降低摩擦系数减小轧制压力,同时还能使轧件表面质量 得到改善,轧辊消耗减少,生产率提高,降低成本。不仅在冷轧时需采用润滑,在热轧过程中采用 润滑也越来越受到重视,日本应用润滑已有25年历史,现有多家工厂在硏究热轧润滑生产应用。在 欧洲,世界上轧制润滑油生产厂商正在与钢厂合作研究高速钢轧辊和热轧泂滑这一课题。热轧中采
用润滑除了上述作用外,还具有减少氧化铁皮压入,改善轧辊表面状态作用。瑞典SSAB钢厂采用 热轧润滑使轧制压力减少最多达36.3%。 (3)轧制技术围绕控制轧机变形的发展 近二十年,板带材轧制已进入高精度轧制阶段,要获得橫向和纵向厚度高精度和板形高精度, 采取了控制轧机刚性和轧辊变形的控制技术。由此出现了很多以控制厚度和板形为目的的新技术和 新轧机 为了提高板带的厚度精度,一般是增大轧机牌坊和辊系的刚性,如,增大牌坊立柱断面、加大 支持辊直径、采用多辊及多支撑点的支持辊、提高轧辊材质的弹性模量及辊面硬度等。同时为提髙 板带厚度精度,要求轧机刚性可控 轧机刚性不管如何提髙,轧机的变形只能减小而不能完全消除。因而在提高刚性的同时,必须 控制和利用这种变形,以减小其对板厚的影响。目前板带纵向厚度白动控制问题已基本趋于解决。 近年着重开发研究横向厚度和板形控制技术。控制板形和横向厚度差的传统方法是正确设计辊型和 利用调辊温及压下来控制辊缝实际形状,但反应缓慢而且能力有限。为进行有效控淛,近代广泛采 用了“弯辊控制“技术。为进一步改善板形,又出现了VC辊技术、CVC及HVC技术和HC轧机、 PC轧机等 113.2板带生产技术发展的主要趋势 (1)热轧板带材短流程、高效率化 这方面的技术发展主要体现在三个层次:一是常规生产工艺的革新。为简化工艺,缩短生产流 程,节约能源,提高效益,充分利用连铸板坯为原料,不断开发和推广应用连铸板坯直接热装和直 接轧制技术。二是薄板坯连铸连轧技术。80年代末期,厚度15~75mm的宽薄板坯实现工业化生产, 其后取消了加热炉和粗轧区,通过近10长的隧道炉进入精轧机进行直接轧制,组成由钢水快速直 接生产热带卷的连铸迕轧体系。最著名的是CSP工艺和ISP工艺。三是薄带连续铸轧技术。有色铝 板带的连续铸轧早已在工业化生产中推广应用,用得最多的是双辊式薄带铸机。钢带连续铸轧还正 在世界各地经行开发试验研究,预计实现工业化生产为期不远。图11-2为各种金属连续铸轧机示 意图。 (2)生产过程连续化 近代不仅热轧生产过程实现连续铸造板坯和连铸连轧生产,而且冷轧为缩短生产周期、提高产 量和质量,不仅实现无头轧制及酸洗和冷令轧的联合,而且实现酸洗一冷轧一脱脂一退火一精整的全 过程大联合,实现了完全连续化生产。 一中间包 888。画 铁素体区精轧 卷取混 8,區 c四 夹持辊 图11-2铸轧与连铸连轧示意图 l滞带材双辊直接铸轧:(b板坯连续铸轧、连铸一连轧生产线:(c)双带式铸轧机:d)铝板铸轧机 143
第三篇板带材生产 (3)采用自动控制不断提高产品精度和板形质量 板带材生产中,产品的厚度精度和平直度是反映板带质量的两项重要指标。由于液压压卜厚度 自动控制和计算机控制技术的采用,板带纵向厚度精度已基本满足。但横向厚度和板形的控淛技术 还不足,急待开发硏究。为此近代各种高效控制板形的轧机、装备和方法不断涌现。 (4)开发研究不对称轧制技术 不对称轧制包括轧制速度的不对称、轧辊直径的不对称、驱动的不对称及轧制材料与辊面摩擦 系数的不对称等多种情况。不对称轧制适于轧制硬质溥薄轧件,可人幅降低轧制压力,增大压下量, 使轧件轧得更薄,提高厚度精度,减少薄边率 (5)发展合金钢轧制及控轧控冷与热处理技术 利用锰、硅、钒、钛、铌等微合金元素生产低合金钢种,配合连铸连轧、控轧控冷和热处理工 艺,可显著提高钢材综合性能。 144一