高强度钢筋棒材高效轧制设备

LIU1018

高强度钢筋棒材高效轧制设备

    高层建筑一般是由钢架建造和钢架钢筋混凝土建造，但较之钢架建造的高层建筑，预应力钢筋混凝土建造的高层建筑具有：面对地震和大风的影响摇动少、绝热性高、且谋求降低成本等特点，近年来也是值得研讨的。然而，在钢筋混凝土(RC)建造的建筑高层化中，为确保其耐震性和安全性，使柱和梁的横断面积增大而减小了居住空间，同时也凸现了建筑物自重也在增大等问题。
    前言
    原（日本）建设省计划，从1988年起的5年内，以建筑物超高层化技术的开发和普及为目标，进行了“钢筋混凝土建造的建筑物的超轻量、超高层化技术开发”这一综合技术开发设计（以下简称：新的RC总设计）。而且，对于使用了高强度材料的建筑设计，相关各公司共同进行了结构实验，验证了各种计算式的适应性，制定了结构设计的导向作业线。进行超高强度混凝土和超高强度粗（直径）钢筋的制造技术开发，即使在地震多发的日本，也能建设高度200m级的超高层钢筋混凝土建造的建筑物。
    以下概要介绍神户制钢公司生产超高强度建筑钢材的轧制设备及技改情况。
    1 超高强度钢筋
    1.1  要求机械特性
    钢筋混凝土用棒钢（以下简称：钢筋棒材），在日本工业标准JIS G3112中，相对于异形棒钢而被规定到屈服点490MPa级的5类。然而，关于超轻量超高层化RC造建筑物所要求的超高强度钢筋，因为是在JIS规定的使用范围之外，故在新的RC总设计中规定其机械性能如下：
    1）强度波动少，屈服强度上下范围窄；
    2）屈服后的变形能力增大，屈服比（=屈服强度/拉伸强度）要小；
    3）没有脆性断裂样的确实屈服，有大的屈服平台应变（屈服平台应变是指从屈服后到进入硬化领域的应变范围）；
    4）RC构件尺寸无大的变化，弯曲性能高（弯曲性能的评价标准是在弯曲角度为90°，内侧半径=2×公称直径时，其外侧不产生龟裂）。
    1.2  制造方法
    能满足上述特性要求的钢筋棒材制造方法如下：
    1）为确保明显的屈服平台应变，钢材显微组织必须为铁素体（F）+珠光体（P）组织；
    2）为了提高拉伸强度，增加钢中的C含量，一般会增加P量，而降低延性和屈服平台应变量。为了满足高强度钢筋的重要性能要求，须尽量抑制C含量，以提高细小F量和韧性；
    3）向钢中加入Si、V、Nb等合金元素，以强化晶界并提高钢的强度和韧性；而且，还查明加Nb能抑制钢的再结晶；
    4）细化晶粒对于提高钢的韧性十分重要；为了抑制钢的再结晶，必须降低轧制温度，特别是降低终轧温度。
    为了实施以上制造工艺，作为轧制设备，须高度关注到轧制材料温度可控的设计和温控装置，并设计出适于轧制的设备（重点是轧机和驱动装置）。
    2  轧制设备的要求
    2.1  轧制温度变化和控制
    轧制中的材料温度由于轧制加工热，向轧辊的传热、机架之间散热的不同而变化。
    作为研究示例，查明用全连续式轧制设备、以140t/h的能力生产D22和D38（直径尺寸单位为mm）时的轧制温度变化：一方面，在轧制道次多、精轧速度快的D22上，加热炉抽取的轧制方坯温度为950℃，而终轧温度却上升到1010℃；另一方面，在轧制道次少、精轧速度慢的D38上，方坯温度和终轧温度却同为950℃。
    为了细化轧材晶粒，用抑制再结晶的温度精轧是不可缺少的；另一方面，现在的中小型普通轧机的大部分都变成了以复数轧制机架连续轧制钢材的全连续式轧制设备。此方式虽适于大量生产，但却无法实施在轧制过程中停止轧材，而调整温度等原来的温控方法。
    为了降低此工艺中的终轧温度，首先应考虑降低方坯温度。调查方坯温度为850℃时的轧制温度变化得知：在精轧速度慢的D38上，终轧温度变为900℃，可细化晶粒。另一方面，在小直径的D22上，即使降低方坯温度，也因精轧速度快，加之轧制加工热的升温作用，从而将使终轧温度升高；也考虑可降低精轧速度，但这将会降低生产率。
    因此，为了降低小直径钢材的终轧温度，在中间列与精轧列之间设置水冷装置是有效的。从在精轧前约10m处设置了中间水冷区间时，D22的轧制温度变化可知：利用水冷而使材料温度下降约150℃，即在不降低生产率的条件下可将终轧温度降至900℃以下。
    如上所述，在粗直径钢材轧制中，降低方坯温度可与轧制相对应，但是，也有关于为了添加成分固溶化的加热温度和再结晶温度轧制效用的报告，也有必要根据钢的成分设计研讨粗直径钢材的精轧前水冷。
    2.2  高负荷轧制
    在全连续轧制过程中，因轧制温度由方坯温度和精轧速度决定，故在一般钢筋棒材的轧制操作中，只管理方坯温度，希望驱动系统不要超负荷运转。然而，在高强度钢筋轧制中为了细化晶粒，必须低温轧制。以下示例说明降低方坯温度时，增大驱动系统负荷的情况。
    轧制D38时，为了在精轧前不用水冷而得到希望的终轧温度，可将方坯温度降至850℃。调查研究表明，较之一般的方坯温度为950℃时，此时在精轧机，中间轧机和精轧机上必须分别增加30%、25%和20%的轧制力矩。实际上因轧机本身允许的轧制载荷与扭矩的幅度宽，有时不更新设备也能满足要求，但驱动装置（含轧机主轴、减速机、轧机马达）须增强。另外，如前所述那样，因材料温度受到轧制加工热的影响，若轧制道次数增加，轧制温差就会变小，即为了将终轧温度降低50℃，就必须将方坯温度下降100℃。
    在现有设备的改造力度加强（即技改）过程中，为了将停产时间缩至最短而有效推进，要求有慎密的工程技术和施工计划。
    2.3  方坯的大断面化
    在粗直径（D41、D51）棒材需求的增大中，为了提高产品质量，必须确保充分的压缩比（用制品断面积去除断面积所得的值）。一般的小方坯断面为130×130mm左右，即使在粗直径产品的生产设备上也是150×150mm左右。另一方面，如果压缩比不达到8以上，则制品上还残存有铸态组织而无法确保有充分的强度。因此，为了改善和稳定高强度钢筋的质量，必须较现在进一步增大压缩比，即方坯应大断面化。
    为了在现有轧制设备上实现方坯的大断面化，可增设轧机。然而，为了在现有设备的平面布置基础上增设，须采用其有限空间能空纳得下的紧凑粗轧机。为此，神户制钢针对性地开发了与这些需求相适应的新式紧凑粗轧机。
    3  技术改造示例及设备特点
    3.1  现有设备的更新
    钢筋棒材的97%以上虽能用普钢（电炉厂）的（冷炼和轧制）设备生产，但对之进行技改即拆除现有设备、基础施工和安装新设备等往往需停产数周之久，严重影响生产计划的完成。因此，须将停产影响减至最低限度，并在有限的场地中找出有效空间设置新装备；同时，还须慎密考虑设备配置和施工程序。
    3.1.1  轧制线
    采用在原轧制线边生产边技改的方式进行施工。在半连续式等旧轧制设备上，在粗列的各机架间和粗列与中间列之间有充分的间隔，是设置机架间隔短的紧凑轧机-KOBELCO轧机（简称KCS轧机）的基础。
    为了将施工停产时间降至最短，对构建基础和生产线以外的安装作业采用了充分的安全措施。同时特别重视以下几点：用临时构件支承感应装置和操作台；对影响施工操作的配管、配线应迂回设置；新设备基础的设计应特别注意安全可靠。
    3.1.2  冷床和剪切设备
    向高强度钢筋生产设备更新时，为了改善制品弯曲和制品断面质量，也需要同时更新冷床和剪切设备。
    3.2 新KCS轧机
    此新轧机为粗列用紧凑式轧机，开发目的是半连续式粗列轧机的HV（高速）连续轧制化、并防止在粗列的轧制温度下降。然而，在正规生产粗棒钢的设备上更换产品尺寸时，必须更换粗列的孔型，只需拉出个别机架，比一起拉出台车可以缩短时间。
    新的KCS轧机在结构和功能方面有多方面的特点，如将各机架搭载于附带有车轮的框架上，还设置了一个个移动卡紧装置，固定和移动方便；能适应方坯大断面化的需求，可以自由选择2～6机架的机架台数，且轧机的尺寸也可以大小组合等。
    3.3  水冷装置
    水冷装置是用冷却轧材的设备，可利用水量调整和水冷区间的选择而将轧材从较高温度冷却到目标温度。
    在日本国内的钢筋棒材轧制设备上，以抑制二次氧化铁皮来提高钢材表面光洁度，这样设置的精轧后水冷装置已有数例，其冷却能力被限定在不会改变钢的组织结构的水平上。
    然而，当以控制轧制为目的时，在精轧前设置了冷却能力大的中间水冷装置。在特殊钢棒材轧制设备上开发的此装置有效使用了浸渍式水冷方式，采用在感应了轧制材的管道内常注满水的冷却结构。从感应管的两端向内侧供水，在中央部排水，水可大量流动，而且不带气泡。
    结语
    在日本，包括首都圈在内的大城市圈，一座座超高层建筑物林立，这些建筑多由钢筋混凝土构筑。今后，对超高强度钢筋的需求还会持续增长， 并且，还要求进一步节能、省力、省空间并降低成本。包括神户制钢在内的钢铁生产厂家须大力研发相关设备和技术，以充分满足城市对高层建筑的需求。

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讲的不错，日本的经验可以参考

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我们设计的轧制温度达不到这么低。