年产80万吨合金钢小型棒材生产车间工艺设计的综述

年产80万吨合金钢小型棒材生产车间工艺设计的综述1.引言小型棒材一直是我国消费量最大的钢材品种，并且一直以较高速度增长，近20年来，小型棒材产量占钢材的总产量的23.5%~27.7%。本文综述了我国棒材生产工艺及设备状况，介绍了我国近年来棒材生产工艺及设备的发展，分析了我国棒材生产的需求和发展趋势。2.我国棒材发展现状钢铁材料以其所具有的特性—较高的强度和韧性、易加工成型性、绿色可循环性在未来时期内仍将是重要的结构材料。随着我国汽车制造、电气机械、船舶制造工业的发展，板材、管材在钢材中所占的比例将逐渐提高，线棒材所占比例将有所下降，但其绝对值仍在上升。我国目前线棒材生产有如下特点：（1）产能高我国线棒材无论是轧机数量，还是产量居世界第一位，而且其产量还在以较快速度增长（年平均增长速度为15%左右），我国是小型、线材生产第一大国，也是消费第一大国，目前我国线棒材占钢铁总产量的48%~50%。与此同时，美国同期线棒材产量占钢铁总产量的22%左右，日本同期限棒材产量占钢铁总产量的27%左右，而且几年来产量相对平稳。因此我国线棒材无论是所占钢材总产量的比例还是绝对产量均高于美国和日本。（2）管理水平逐年提高近年来，我国线棒材厂总体生产管理水平不断提高，一般连续小型及高速线材轧机投产后两年左右即能达到或超过设计产量。3生产技术发展概况国外棒线材生产工艺的发展集中在工艺的短流程、轧材性能的高品质化、品种规格的多样化、控制手段的智能化等方面。结合课题年产80万吨棒材计划，其生产工艺应主要考虑连铸坯直接热装、提高开坯及粗轧能力、增加坯料重量、实现低温轧制和控制轧制、逐步实现全线平/立交替无扭轧制、小规格多线切分轧制、轧后多段穿水冷却、高刚度轧机和高精度轧制以及轧制大盘卷。(1)连铸坯热送连铸坯热送连铸连轧是当今冶金工业的发展方向。实现热送热装可作为连铸连轧的第一步,热送连铸坯的温度400℃,即能达到一定的节能效果。采用直接热装的优点是:①减少加热炉燃料消耗,提高了加热炉的产量,可降低燃料消耗30%~45%。中国钢铁工业10年来产量翻了一番,而钢铁工业总能耗仅增加了34%,这是10年来中国钢铁工业持续增长的一个重要原因。其中采用连铸连轧带来的能源大量节约是功不可没的。②减少加热时间及金属消耗,一般可比冷装减少0.1%~0.3%的金属消耗。③减少了钢坯库存量、厂房面积和起重设备,减少人员、降低建设投资和生产成本。④缩短了生产周期。⑤生产实践经验表明,直接热装还可以减少钢坯表面裂纹,提高金属收得率。(2)低温轧制低温轧制是将钢坯加热到低于常规加热温度进行的轧制。现代钢铁生产由连铸到精轧过程中，大约总能耗的70%~80%用于加热炉的燃料（指冷坯加热）。采用低温轧制的主要目的是为了大幅度降低钢坯加热能耗，减少金属烧损。根据测算，在1100℃范围内，钢坯温度提高100℃，加热炉燃料提高18%~20%，金属烧损增加1%~2%。但降低加热温度，实现低温轧制，相应的加大轧机强度和增加电机功率，综合平衡后仍可节能20%。实现低温轧制的关键是开坯轧机的能力问题。只要开坯轧机有足够的能力，在轧机塑性允许的范围内，适当降低钢坯的加热温度，实现轧钢节能是完全可行的，且经济效益较热送热装更为明显。低温轧制的优点：结构组织的细化将生产细化的晶粒尺寸；避免碳钢发生正火;改善了低温韧度；可获得良好的力学性能；提高疲劳强度；较好的表面质量；并通过控制冷却工艺使钢材得到理想的内部组织结构。（3）控制冷却工艺控制冷却的任务是通过控冷辊道速度和集管水量的控制实现轧件的加速冷却控制及实现轧件所要求的开冷温度、终冷温度和冷却速率。控制冷却的基本策略是，根据轧件目标冷却速率，确定单位集管流量；根据目标开冷温度、终冷温度和冷却速率，迭代计算控冷辊道速度和开启的集管数目,其中辊道速度尽量大，以减少轧件长度方向的开冷温度不均匀性，但又需要考虑到控冷区前后辊道长度对轧件升降速的限制；开启的集管组数受到瞬时最大水量的限制。控制冷却工艺的应用可在减少成本的同时，显著提高产品质量。控冷处理后的普通低碳钢就能够替代微合金钢及低合金钢通过穿水淬火，通过穿水冷却，在线棒材表面形成粗大马氏体，然后通过线材内部残余热量进行自回火，从中心到表面逐渐扩散，最终在冷床上空冷。即经过3个热处理阶段：淬火阶段、回火阶段、最终冷却阶段。(4)切分轧制切分轧制是在轧制过程中，用轧辊或其他设备将轧件沿纵向分成两条或多条轧制，从而将延伸系数减小到原来的1/2，1/3或1/4与传统的单线轧制相比，生产同样的产量切分轧制的轧件长度短，延伸系数小，轧制道次减少，从而减少纯轧时间。切分轧制的主要优点:①可采用较大规格尺寸钢坯，直接轧制小规格产品，减少钢坯规格种类；②对小断面钢材可采用较低的轧制速度；③用同样尺寸坯料生产同样规格产品，采用切分轧制，可以减少道次；④用切分轧制可均衡大小规格产品的生产能力，而常规轧制由于大小规格产品小时产量相差悬殊，造成加热炉和主电机选择困难。（5）无头轧制工艺20世纪90年代中期，由日本NKK及意大利达涅利公司分别开发成功的无头轧制新技术，引起了轧钢技术的一场革命。该技术具有产量高、成材率高、轧制稳定、降低消耗等优点。无头轧制技术是指在加热炉出口侧将钢坯两端焊接起来，轧制一根无限长的钢坯。这种轧制方法由于消除了钢坯之间的时间间隔，消除了轧件的切头切尾，消除了棒材生产线上的短尺、短尾或线材盘卷头尾修剪，可按用户需要生产不同重量的盘卷，减少咬钢次数，使堵钢的可能性更小，减少了停机时间，而且稳定轧制使设备受的冲击减少，减少设备维护和备件需求，延长了消耗件的寿命，因此可大大提高产量、降低成本。钢坯头尾采用闪光焊连接，闪光焊接后用力将钢坯端头对接，焊接区的液态金属被挤出来，保证了焊接区的质量。这种轧制方法由于消除了坯料间隔时间，从而增加了纯轧时间，提高了金属的收得率。【5】（6）轧后多段穿水冷却轧件从精轧机轧出后采用穿水冷却工艺是提高产品综合机械性能的重要手段，主要用于螺纹钢的轧制。穿水冷却装置由数个冷却箱组成，水冷箱是由微机与温度检测装置和各种阀门组成的闭环调节系统，达涅利公司提供的穿水冷却设备为一段正体式有四个通道。精轧机组输出的轧件，进入水冷箱，进行在线余热淬火处理，即轧件经过水冷箱水冷，使其表面温度急剧降低到300℃左右。由于急剧冷却，在轧件表面形成马氏体组织，然后芯部热量散出对表面马氏体组织产生回火作用，形成回火马氏体。芯部为细晶粒的珠光体+铁素体组织，该组织结构能显著地提高棒材的屈服强度和韧性，并具有良好的可焊性。【4】4设备发展趋势及国内各家棒材生产厂家的生产状况对比4.1近年来,国际上小型轧机的发展趋势是:(1)轧机多为平—立辊连续布置，全线无扭轧制。精轧机出口速度为10一25m/s,最高达36m/s。每套轧机的年产量30—60万t，个别工厂达80万t。(2)一般为单线生产，有的为棒线复合轧机，多数钢厂采用各种类型的高刚度轧机。（3）以连铸坯为原料，连铸坯的断面为100mm×100mm一220mm×220mm，单重为1~3t。连铸坯的热装技术日臻成熟。(4)大多采用步进式加热炉，并用微机控制。(5)广泛采用切分轧制法生产较小断面钢筋。（6）控轧、控冷技术逐渐推广。(7)采用高效率的精整设备。【3】4.2国内各家棒材生产厂家的生产状况对比（1）河北唐钢唐山钢铁股份有限公司1994年由意大利达涅利公司引进了具有90年代先进水平的全连续式棒材生产线,设计年产量60万吨。其中精整设备除了冷剪、打包机为达涅利制造外,其余均为国内配套制造,电气及自动化控制系统由美国通用电气公司提供。加热炉为全梁步进式加热炉,产量为150t/h,步进周期为45s,燃料为重油和煤气。加热炉使用部分热送热装连铸坯。而转炉煤气与重油混烧技术的采用使唐钢首次将转炉煤气全部回收利用。粗、中、精轧机组分别设置6轧机,实现全连续无扭轧制。粗轧机为悬臂式BSS轧机,规格为ø685×4、ø510×2;中、精轧机为短应力线整体更换轧机,规格为ø460×6、ø430×2、ø365×4。14#、16#和18#轧机均为平-立可转换轧机。全线轧机呈平-立交替布置。1#～10#轧机采用电流记忆法微张力轧制,11#～18#轧机采用7个立活套实现无张力轧制,轧线采用计算机自动控制,实现单线全连轧。同时,该厂采用低温轧制技术,钢坯开轧温度仅为950℃。另外,用165mm×165mm方坯轧制ø12mm和ø14mm带肋钢筋时采用3线切分,生产ø16mm带肋钢筋时采用2线切分。（2）安徽马钢马钢公司新建的60万吨全连续棒材生产线于1998年12月正式投产,至1999年3月底已生产近8万吨圆钢和带肋钢筋。该生产线的主要工艺技术及关键设备由意大利POMINI公司提供,电控技术及主要电控设备由瑞典ABB电气公司提供,加热炉及其前后辅助设施由马鞍山钢铁设计院自行设计。轧机具有20世纪90年代国际先进水平。加热炉是侧进侧出梁底步进式加热炉为双框架结构,内部尺寸为23.8m×16.8m,额定产量150t/h,最高产量170t/h,燃料为高、焦炉混合煤气。全线共18架轧机,粗、中、精轧机组各6架,均为无牌坊、短应力线、高刚度“红圈”轧机,呈平-立交替布置。1#～10#轧机间实现微张力轧制,10#～18#轧机间采用立式可控活套,实现无张力轧制,从而全线实现了无扭、微张力或无张力轧制。第14架和第16架轧机为平-立可转换轧机。该轧机采用大断面连铸坯“一火成材”,开轧温度仅为950℃,并且1～4架轧机在国内首次采用了平辊轧制,选用的两种规格方坯,只需调整1～4架的辊缝在第5架即可实现孔型共用。生产ø12mm、ø14mm、ø16mm螺纹钢筋时采用2线切分轧制技术,轧制Á12mm规格也可采用3线切分。精轧机组后设有穿水冷却装置,热轧件按Thermex工艺冷却。（3）湖南涟钢涟钢新建的年产40万吨全连续棒材生产线于2001年4月12日正式投产。其主要工艺技术、机械设备、电气及自动控制装置由国外提供,加热炉及其前后辅助设施由重庆钢铁设计院设计。轧机具有20世纪90年代国际先进水平。加热炉采用炉内悬壁辊侧进侧出步进梁式加热炉,有效尺寸为19.04m×12.76m,步进周期40s。采用煤气加热,额定产量为130t/h(冷装)、150t/h(热装)。全线共20架轧机,呈平-立交替布置。初轧机为ø550mm×4、ø450mm×2闭式轧机,中轧机(7#～12#)为Á450mm×2闭式轧机和ø450mm×4高刚度轧机,精轧机(13#～20#)为ø350mm×8高刚度轧机。1#～11#轧机间实现微张力轧制,11#～20#轧机间采用立式可控活套,实现无张力轧制。16#、18#为平立可转换式机架。该生产线采用了低温轧制技术、切分轧制技术和无头轧制技术。开轧温度仅为950℃。轧制ø14mm和ø16mm带肋钢筋时,采用2切分,轧制ø12mm规格时采用3切分。另外在第一道轧制前设置了由意大利达利涅公司引进的无头轧制技术,焊接机运行速度与第一道同步,焊接周期为45s,同时可完成去毛刺任务,焊接处材质与母材性能完全一致。全线共4台飞剪,倍尺飞剪由计算机控制,以保证入冷床的倍尺不至于过短,提高了冷床利用率。定尺剪为精度较高的冷定尺剪。包装阶段采用了自动计数装置。（4）河北石钢石钢公司引进的60万吨棒材连轧生产线,2000年3月18日进行热负荷试车,同年5月开始试生产。该生产线的工艺设计、轧线的机械设备设计由意大利TECHINTPOMINI公司负责,电气控制系统由德国SIEMENS公司完成,加热炉设计由法国STEINHEURTEY公司完成,生产线的工厂设计由北京钢铁设计研究总院完成。整条生产线具有90年代末期国际先进水平,并为将来实现热送热装、高线大盘卷生产、型材生产、无头轧制、在线测径等工艺和技术预留了足够的位置。加热炉是单排装料侧进侧出加热炉,有效面积为24m×12.8m,燃烧高、焦炉混合煤气,额定加热能力150t/h,最大产量为170t/h。入炉辊道中设有坯料称重测长装置。加热炉装配有汽化冷却系统和二级燃控系