日本轧钢技术发展概括与展望

LIU1018

日本轧钢技术发展概括与展望

　　1、轧钢基本技术的开发
　　变形的理论解析
　　轧钢工艺的理论数值解析已应用于各种钢材的生产，如对产品尺寸精度和形状的预测，对轧材的材料流变、荷载、形变、温度分布等因素的解析，对轧制变形及其对产品影响的描述，对产品材质、组织、残留应力等的预测以及轧制条件的最优化和轧钢设备的合理化设计等方面。由于三次元有限元分析技术的快速发展应用，日本在轧钢技术理论方面已居世界领先地位。
　　自上世纪80年代后期起，在轧板解析方面多以三次元有限元分析为主，结合轧辊弹性变形解析，可测出钢板宽边变形的详情后加以控制，对板材尺寸控制的高精度和轧机设备的高效设计作出了多方面的贡献。在热轧方面，材质的预测控制十分重要，最近正在研究三次元有限元分析对轧制工艺的解析模式，并拟将该技术应用于超微细晶钢的开发。
　　严重影响轧钢产品质量和生产率的表面缺陷问题很早即受到人们的重视。为了从理论上解释其原因并从根本上解决该问题，日本铁钢联盟成立了“缺陷变形系统开发研究会”。同时，有关部门借鉴了铝板轧制中三次元刚塑性有限元分析与结晶塑性模式相结合的聚合组织预测模拟技术，将其应用于钢材开发过程中，得到了能够同时保证产品尺寸和质量的理论模式。
　　为了适应棒线材尺寸的高精度化、规格易变以及低成本和高质量的要求，日本钢铁业目前已经开发出了三辊轧制工艺、2Hi精密轧机和四辊轧机等多变数控制理论。三次元刚塑性有限元分析亦应用于棒线材的孔型设计，保证了产品的高精度。棒线材控制轧制技术目前正在研发中，通过增设缓冷、快冷系统可以使工序简化。
　　三次元刚塑性有限元分析在H型钢轧制领域的应用正在逐步推广，应用于万能轧机预测材料流变和应力分布的研究正在进行中。今后，随着建筑物的大型化和抗震性要求的提高，H型钢的控轧、控冷技术将被广泛采用。
　　塑性加工摩擦学理论的发展
　　冷轧中的超高速轧制。进入上世纪90年代，为了生产厚度在0.2毫米以下的食品包装用薄板，日本成功开发出轧制速度高达2800米／分钟的超高速轧制法，并开发出与之配套的高速润滑油、高耐磨工作辊和轴承防烧坏技术，并为防烧损开发了摩擦学理论。
　　塑性产品表面的超镜面加工。停留在材料表面凹处的润滑油，当产生和周边面压大致相同的静水压时，会向周边接触面流出，这将使全部接触面处于微型塑性流体润滑状态。此时的摩擦系数远低于一般工具和材料间同等厚度油膜下的摩擦系数。不锈钢板的镜面冷轧技术就是以此原理为基础，使生产效率得到大幅提高的。
　　环境友好型润滑剂。主要有环保型、免洗净型、微用量型和无润滑型等4种。冷锻加工用化学反应膜油系、高黏度油系、乳胶系和水溶性润滑剂均不会加重环境负担，是目前常用的环境友好型润滑剂。最近，有关部门正在开发陶瓷模具和镀膜模具，以最终实现无润滑加工。
　　2、钢板轧制技术的进步
　　轧钢设备
　　热连轧领域最突出的成绩是在1996年实现的无头轧制技术。该技术可使产品在整个长度上保证质量均匀稳定，现已应用于1毫米厚薄板的稳定生产。该设备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用感应加热焊接和激光焊接法。
　　2000年投产的热连轧机对精轧机组第4～6机架进行了改进，采取小径单辊驱动，在大压下的同时实施出口穿水快冷工艺，从而能够生产晶粒尺寸为2微米～5微米的微细铁素体组织热轧钢板，在提高抗拉强度、屈服应力的同时，仍具有极佳的抗疲劳性、加工性和焊接性。
　　其他热轧方面的新技术还包括轧辊在线磨床，该设备可提高产品的尺寸精度并延长轧辊使用寿命。轧机稳定器可减少板坯进入轧机时引起的振动，有利于薄规格产品的稳定生产。板坯定宽压力机则可减少板卷两端的切头，使连铸机的生产效率增加。
　　在冷轧领域，为不断改善板厚、板形和成材率等产品质量指标并提高生产率，有关方面开发了一系列新技术，特别是为确保镀锡板高速冷轧过程中边部和板形质量而开发的技术。1995年，备用轧辊辊座化和AC电机提高速度可控性等改进使镀锡板实现以2800米／分钟的高速进行轧制，在长度方向的尺寸精度误差小于1％，边部的缺陷亦得到相应地控制，轧辊磨耗明显减少。
　　2000年，日本首台酸洗冷轧联合机组投产。该机组的工作辊小于同类轧机，但除鳞效果好，尺寸精度高，可生产0．8毫米×1600毫米的产品。此外，在特殊钢和极薄产品的生产方面，也采用了小工作辊多辊冷轧机。
　　加热和冷却技术
　　为了在提高钢材质量和生产效率，保证生产稳定性的同时，实现设备小型化，并进一步提高节能效果，有关方面为各种轧制工艺开发了新的加热和冷却技术。
　　在加热技术方面，首先为板坯加热炉和冷轧板连续退火炉成功开发并推广了节能型自蓄热式燃烧器。由于在1300℃的排烟温度下可将空气预热到1100℃，大型板坯加热炉采用该燃烧器可节能25％，连续退火炉可节能29％为防止空气温度升高后氮氧化物生成量随之增加，开发出了低氧燃烧技术，在预热到115℃时，可以将氧浓度从15％下降到2％，仍能保持稳定燃烧，氮氧化物含量也由750ppm下降到40ppm。
　　在热连轧的精轧工序实施无头轧制时，对头尾焊接采用感应加热的连续在线焊接或Co：激光连续焊接，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，使得调质钢的连续淬火和回火得以实现。在连续退火炉的明火加热工序，应用了采用高温预混合煤气的还原燃烧器。这样，在将空气从预热温度400℃加热到1350℃时，可比老式炉节能20％左右。
　　在冷却技术方面，热轧生产中以水冷控制钢材组织来提高性能的TMCP技术，早在上世纪80年代即开始率先采用，目前已经成为常规技术。该设备在钢材出口辊道的上下部分装有多个喷头，利用水沸腾吸热使钢材快速冷却。上世纪90年代，有关方面又开发出无迁移沸腾区在线快冷法，进一步改善了冷却的稳定性和产品的均质性。
　　在冷轧工艺中，为了消除钢板的加工硬化现象而使用了连续退火炉，通过喷头间距、直径和喷速的合理设计能够提高冷却的均匀性。在轧辊冷却方面，上世纪90年代初开始采用使钢板和轧辊均匀接触的吸气式冷却辊，效果显著。而在高强度钢板的生产中，常规冷却法已经难以适应，有关方面特别开发了氢喷射冷却法，导热率比过去提高了1倍以上。
　　在未来一段时间内，为了进一步提高产品质量，加热和冷却技术将实施更严格的控制技术和节能环保技术，除提高原有的技术水平外，主要将考虑应用电磁场等新技术。
　　生产工艺技术
　　在热轧薄板的工艺技术方面，目前已经通过无头轧制技术使热轧板的最小厚度由1.2毫米降到O.9毫米，并提高了成材率，减少了生产事故。在超薄板的轧制中，为了确保尺寸精度，采用装在机架间的撑套器来改善控制效果。
　　在板厚控制技术方面，提高开轧时非正常状态的板厚精度是一个重要课题。据此，在提高各理论模型精度的基础上，根据咬入推论动态提高了装置精度，并据此提高轧机载荷的精度，进行控制后获得了明显改善。
　　板宽控制过去多在精轧机组施行，自从推广板坯定宽压力机后，这一现象得到了明显改观。另外，在精轧机组机架间和出口辊道处进行张力控制对提高板宽精度也起到一定作用。
　　近年来，热轧板的分品种生产计划受到多种因素的制约，但为适应小批量订货的增加并减少库存，有关方面采取了包括工作辊在线研磨技术、轧辊在线侧部检测技术、采用耐磨轧辊和热润滑剂等在内的新技术。
　　不添加合金生产高强度钢的晶粒微细化轧钢法非常有利于环保，目前已经实用化。精轧机组采甩小径辊不同速低温大压下轧制，晶粒尺寸已达3微米。1微米的超微细晶粒钢材已经作为日本国家级项目进行开发。为汽车轻量化而开发的超高强度钢板也取得了较大的进展。
　　冷轧板作为最终产品对尺寸精度的要求极高，有关方面经多年研发在解决板厚分布精度方面已经取得了很大进展。在冷连轧前增加单锥度工作辊的变速技术效果明显。此外，还将一些热轧领域的技术扩展应用于冷轧工艺。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等。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技术已成功应用外，还开发了在连轧机各机架间安装板厚仪、速度表以进行正反馈控制的方法，大幅提高了板厚精度。
　　3、长材轧制技术的进步
　　型钢轧制
　　型钢轧制技术和设备的进步以钢轨、钢板桩、H型钢等大型型钢较为显著。过去钢轨大部分用复二重式轧机生产。现在为了提高尺寸精度和降低轧辊成本，在中间和精轧工序以万能轧机为主。
　　钢板桩的尺寸越来越大型化。过去以400毫米宽的U型钢板桩为主，生产需经过8～10道次轧成，一般需3～4台二重式轧机进行反复轧制。现已开发出用H型钢轧机更换轧辊生产钢板桩的技术。现在，利用宽度在线可调轧辊和对内幅扩大的斜轧机保证H型钢内外型尺寸的轧制技术已经开发成功。H型钢轧机多采取BD-UR/E/UF的布局方式，所用坯料为连铸异形坯。但此轧机不能同时用于轧制钢板桩和其他型钢，为此又开发出通过更换部分轧辊实现通用化生产的新型H型钢轧机，甚至可生产角钢等产品。
　　棒线材轧制技术
　　棒线材大多经锻造和拉丝后成型。近年来，随着汽车等机械部件的质量要求提高，特殊钢线材的产量逐年上升。
　　上世纪80年代，日本的线材年产量曾达到800万吨，后由于价格竞争日益激化，使其线材产量有所降低。但是，适当的竞争促进了新技术、新工艺的开发，主要体现在以下几个方面。一是提高了轧机的轧制速度和生产效率，线材轧机速度由上世纪80年代的60～80米／秒提高到目前的约120米／秒。二是产品尺寸精度提高，有关方面开发出自动尺寸和多变数控制系统的线棒材超高速轧制技术，棒材的成品轧机由过去的二辊式改为三辊式，四辊式轧机也正在开发中。三是基于控制和控冷的新技术，即在轧制、冷却工序内进行热处理，使棒线材强化或软化并使组织微细化的技术正在开发中，生产软化材的目的是提高二次加工的效率、简化工序以降低成本。四是利用有限元分析解析棒线材轧制并预测材料组织和孔型设计。这是棒线材轧制的关键技术，需要正确的轧制变形解析，有关三次元有限元分析的软件开发、轧制中的温度解析、轧材组织的预测等研发活动均在进行中。
　　4、钢管生产技术的进步
　　近年来，日本钢管生产企业在市场需求的拉动下不断进行新品开发，其对高效低成本的追求客观上促进了新技术的开发。
　　无缝钢管的生产技术
　　近年来由于油气开发转向深海和CO2、H2S含量较高的恶劣环境，促进了13Cr等高合金钢管的开发。
　　为适应13Cr等高合金钢管的生产，有关方面开发出交叉穿孔技术和扩管穿孔技术，有利于抑制穿孔时伴生的剪断形变和简化工序。由于回程连续轧管技术可生产表面性能好、壁厚精度高的超大径无缝钢管，逐步代替了芯棒轧管机。连续轧管的薄壁化和速度控制技术的采用已经基本解决了管端壁偏厚的问题。外径压下时产生的内部张力问题，则通过研究轧辊形状和张力的影响，采用了15°配置的斜辊机和4辊减径机得到解决。
　　焊管的生产技术
　　在电焊管生产方面，近10年来的技术进步主要表现在：生产范围扩大，建成可生产管线用高强度、高变形焊管的电焊管机组，对生产厚壁管的电焊管机组的改造也已完成；在提高焊接可靠性技术方面，除提高已开发的焊接控制系统的精度外，还开发了气体保护焊技术；在提效降本方面的重大突破是开发出柔性成型轧机，已用于中小径管的生产；激光焊接在合金管和厚壁管的生产中得到了应用，复合成型管在汽车部件上得到应用，高频加热减径和在线热处理技术等也在电焊管生产中得到应用。
　　在UOE钢管生产方面，为了适应主流管线的变化而不断开发出质量优异且生产效率高的产品和设备。近年由于天然气开发转向边远地区和深海，为实现耐高压和小型化，要求UOE钢管向高强度方向转变。在成功开发出相关的炼钢技术，并在中厚板生产中应用TMCP技术后，UOE管生产企业也开发出配套的成型技术，使X80、X100、X120各级产品陆续实现了批量生产。

zzc2125

跟踪先进技术，调整产品结构。