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日本轧钢理论和技术发展简况
  • 更新时间: 2015-12-19
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  •  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 约束的轧制技术及应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

        1 轧制解析

          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。为解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解析的方法已基本确立。另一方面,关于材料的塑性变形,采 用了三维解析法,使解析由二维理论向高精度解析发展。在解析法的发展方面,有采用数值计算法忠实解析变形的所谓三维解析法,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解析法。

          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解 析。由于FEM的出现,使材料的三维解析变得可能。它不仅可以用于板材的解析,而且还可以用于型材、棒线材和管材的轧制力、轧制载荷、轧制力矩和宽展的求 解。三维FEM解析作为一种有效的解析工具已得到人们的认可。

          人们期待着今后能向轧制温度解析和将轧制加工时的材料组织变化,尤其是将轧制缺陷解析系统组合起来的综合轧制理论方面发展。

        2 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进行跟踪的理论体系,积累一些与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。

        3 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,对轴与轴承 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,防止轴与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

        1 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,可以预计今后其应用将越来越 广,同时能进一步提高产品质量。另外,将来带钢连铸机应用的趋势引人关注。

        2 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)、双轴承座顶弯装置(DC-WRB)、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,但其应用仅限于特殊材的轧制。

        3 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0.1μm 或小于0.1μm,因此被视为不同的技术。在对比较厚的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,就可以视为形状良好,延伸率偏差为6.2×10-5(6.2Iunit),1mm板厚的压下量偏差为0.06μm。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。

        4 板厚控制

         随着钢板加工自动化程度的提高,为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。

      5 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。

      1 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(T/D)的极限为大约6%,而采用圆锥形穿孔机时能进行T/D为3.2%的薄壁管穿孔。

      2 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7~9机架减为4~5机架,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。

      3 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棒的开发和芯棒及毛管坯导槽润滑剂的开发等与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。

      1 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应用于实际。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应用于实际。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。

      2 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3~4架的二辊式轧机上由8~10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。

      3 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与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应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。

      1 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。其应用范围今后将进一步扩大。

      2 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。

        在20世纪80年代左右,最高轧制速度为60~75m/s,90年代左右提高到100m/s,目前已达到100~120m/s,大大提高了线材的生产率。润滑技术的改善和轧机刚性的提高为此做出了很大的贡献。

        由于优化了线材的轧制温度和轧制后的冷却速度,因此可以省略冷锻用钢的软化退火。另外,为降低汽车等行业使用的机械用结构钢的成本,非调质化技术已取得很大的发展。尤其是从地球环保的观点来看,无铅易切削钢已应用于实际。

      3 高尺寸精度和尺寸可调轧制

        为实现高精度、尺寸可调轧制,因此在现有轧机上安装了控制系统(软件),通过控制轧辊的旋转数来控制张力、调整精轧尺寸,还有的是采用定径机等硬件设备的 方法。后者采用二辊方式大大提高了轧机的刚性,能进行±0.1mm的高精度轧制,同时通过调整轧辊的压下,能在大约1mm的范围内进行尺寸可调轧制。尤其 是,还开发了具有宽展小的三辊、四辊式定径机,能根据棒线轧制的需要和轧制环境进行选择。

      结束语

        日本以新型轧机开发为主,通过轧制解析、摩擦学解析和使用新的测量及控制技术,不断追求高的生产率和提高产品的尺寸和形状精度及机械性能。人类为在21世 纪达到可持续发展的目的,迫切希望构建对地球环境负荷小的资源循环型社会,因此只能通过进一步发展科学技术来解决。钢铁作为社会发展的基础材料,其重要性 不可动摇。未来的轧制技术必将朝着大大提高钢材的强度、韧性和耐蚀性等,以最小限度的能源消耗生产出易于循环再利用的钢材产品的方向发展。

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