轧制工艺基础

第二篇轧制工艺基础7轧材种类及其生产工艺流程轧钢生产慨述•轧钢生产的重要性•钢铁是广泛应用的一种材料。在工业、农业、交通、建筑、国防等部门钢铁材料所起的作用极为重要。•钢铁的生产水平是衡量一个国家现代化水平的重要标志。•在钢的生产总量中，除少部分用铸造和锻造法制成器件以外，其余90％以上的钢都需经轧制成材。•有些钢材虽然不经轧钢车间生产，但也需由轧钢车间提供坯料。•钢铁材料制品的生产方式，最主要的是轧制。轧制法生产效率高，产品种类多，生产成本低，适合于大规模生产。轧制技术的发展和进步•(1)生产过程缩短、紧凑。炼钢与轧钢的衔接形成连铸连轧。与传统的铸锭、开坯、轧材相比，生产周期短、工序少、能耗及其他消耗小。•(2)新技术越来越多地应用于轧钢生产。计算机控制、液压技术、板型控制、控轧控冷等技术使轧制过程向最佳化，轧制产品向最优化发展。•(3)塑性加工基础理论的发展使轧制过程模型化。建立各种生产条件下的轧制数学模型、综合力学模型，利用计算机控制生产过程，使工艺技术向工程科学迈进。•(4)利用最优化技术确定最佳参数和工艺制度，优化生产过程。以便优质、高产、低消耗、低成本地生产各种钢材。•(5)新技术和新工艺的应用，使轧制产品的质量、性能提高，满足了使用要求。7．1轧材的种类•按金属与合金种类的不同，可分为各种钢材以及铜、铝、钛等有色金属与合金材料；•按轧材断面形状尺寸的不同，又可分为各种规格的板材、带材、型材、线材、管材及特殊品种材料等。钢材的种类•各种钢材是应用最广泛的轧材，按钢种不同可分为普通碳素钢材、优质碳素钢材、低合金钢材及合金钢材等。•普碳钢Q235•优质碳素钢或碳素结构钢即是通常所称的“号钢”，例如45号钢•合金钢体系包括了合金结构钢、弹簧钢、易切削钢、滚动轴承钢、合金工具钢、高速铜、耐热钢和不锈钢等八大钢类共303个钢号。•随着生产和科学技术的不断发展，新的钢种钢号不断出现，尤其是普通低合金钢及立足于我国资源的新的合金钢种更得到迅速发展。现在我国已初步建立了自己的普通低合金钢体系，产量已占钢总产量的10%以上。有色金属及合金的轧材•在有色金属及合金的轧材中，通常应用较广的主要是铝、铜、钛等及其合金的轧材,其价格要比钢材贵得多。•纯铝强度较低，要加入其它合金元素制成铝合金才能做结构材科使用。•一般轧制铝合金可分为铝(L)、硬铝(LY)、超硬铝(Lc)、防锈铝(LF)及待殊铝(LT)等数种；•也可按热处理特点不同分为可热处理强化的铝合金和不可热处理强化的铝合金两大类，每类又各为很多不同的合金系。•铝合金的比强度大，某些铝合金的比强度及比刚度可赶上甚至超过了钢。•铜及其合金一般可分为紫铜、普通黄铜（Cu-Zn）、特殊黄铜、青铜及白银（Cu-Ni）等。它们具有很好的导电、导热、耐蚀及可焊等性能，故和铝材一样广泛应用于各部门。•钛及钛合金的力学性能和耐蚀性能高，比强度和比刚度都很大，因而是航空、航天、航海、石油化工等工业部门中极有发展前途的结构材料。•由于有色金属及其合金一般熔点较低，变形抗力较低，而尺寸和表面要求较严，故其型材、棒材及管材(坯)绝大多数采用挤压方法生产；•仅在生产批量较大，尺寸及表面要求较低的中、小规格的棒材、线坯和简单断面的型材时，才采用轧制方法生产。•有色金属板带材一般选用轧制方法生产。有色金属生产板带材•板带材是应用最广泛的轧材。板带占钢材的比例在各工业先进国家多达50一60%以上。•有色金属与合金的轧材主要是板带材。•板带材按制造方法可分为热轧板带和冷轧板带；按产品厚度可分为厚板,薄板和箔材。各种板带宽度及厚度的组合已超过5000种以上，宽度对厚度的比值达10000以上。•异型断面板、变断面板等新型产品不断出现：铝合金变断面板材、带筋壁板等在航空工业中广为应用。•板带材不仅作为成品钢材使用，而且也是用以制造弯曲型钢、焊接型钢和焊接钢管等产品的原料。型材和线材•钢的型材和线材主要是用轧制的方法生产。在工业先进国家中一般占总钢材的30一35%，我国达50％以上。型钢的品种很多。按其用途可分为常用型钢（方钢、圆钢、扁钢、角钢、槽钢、工字钢等）及专用型钢（钢轨、钢桩、球扁钢、窗框钢等）。按其断面形状可分为简单断面型和复杂/异型断面型钢，前者的特点是过其横断面周边上任意点做切线一般不交于断面之中；后者品种更为繁多。见下页图示。按生产方法又可分为轧制型钢、弯曲型钢、焊接型钢。而用纵轧、横旋轧或楔横轧等特殊轧制方法生产的各种周期断面或特殊断面钢材，又分为螺纹钢、竹节钢、犁铧钢、车轴、变断面轴、钢球、齿轮、丝枉、车轮和轮箍等。钢材的品种•按轧制产品的断面形状分类•1型线材•型线材在钢材中品种最多。每种形状的断面又有很多不同尺寸规格。按其断面形状又可分为简单断面和复杂断面两大类。钢材的品种（续）•2钢板•钢板按厚度可分为厚板、薄板和箔材三大类•厚板；厚度为4—160mm以上，宽度为600一3500mm以上•(最宽可达5000mm)的钢板。•薄板：厚度为0.2—4.0mm的钢板。连轧机轧制的宽带钢宽度为600一2200mm，长度可达几百米至数千米。•箔材：厚度小于0.2mm以下的钢板。最薄可达0.02mm。钢材的品种（续）3钢管•空心封闭断面的钢材称为钢管。•最常见的钢管断面形状一般为圆形。也有很多种断面形状很复杂的异型钢管。•钢管一般多用轧制方法或焊接方法与拉伸方法生产。钢管的用途也很广，一般约占总钢材的8-10%。•规格：用外形尺寸（外径或边长）和内径及壁厚来表示。•断面：一般为圆形，但也有多种异型管材及变断面管。•分类：a.按用途可分为输送管、锅炉管、钻探用管、轴承钢管、注射针管等。b.按制造方法可分为无缝管、焊接管及冷轧与冷拔管等。•各种管材按直径与壁厚组合也非常多，其外径最小达0.1mm，大至4m，壁厚薄达0.01mm，厚至100mm。•随着科学技术的不断发展，新的钢管品种也在不断增多。钢材的品种（续）•4周期断面钢材•在同一钢材上沿纵向各部断面尺寸或形状不同，并作用期性变化的钢材称周期断面钢材。•这类钢材有些可在一殷轮机上进行轧制，最常见的有螺纹钢及肋骨钢。有些则必须在特殊结构的专门轧机上才能生产。•5特殊断面钢材•殊断面钢材常见的有车轮、轮箍和钢球、冷弯型钢和热轧型钢。•这些产品是在特殊结构的轧机上生产的。•轧制是生产钢材最主要的方法。其优点是生产效率高、质量好、金属消耗少、生产成本低，并最适合于大批量生产。•随着科学年术的进步和社会对金属材料需求量的增加，轧材品种必将日益扩大。7．2轧材生产系统及生产工艺流程•传统生产方法：以模铸钢锭为原料，用初轧机或开坯机将钢锭轧成各种规格的钢坯，然后再通过成品轧机轧戊各种钢材。•直到现在仍然在一些国家的钢材生产中占重要地位。•近二十年来迅速发展起来的连续铸钢技术，将钢水直接铸成一定断面形状和规格的钢坯，省去了铸锭、初轧等许多工序，大大简化了钢材生产工艺过程，其生产工艺流程示意如图6-2。•优点：不仅可以大大简化钢材生产工艺过程，而且有着节约金属、提高成材率、节约燃料消耗、降低生产成本、改善劳动条件、提高劳动生产率及改善枝晶偏析，提高钢材质量等许多优点。•连续铸钢与一般模铸生产过程的比较如图7-3所示。连铸坯与传统的初轧坯比较如表8-2。•1985年全世界连铸坯产量已超过3亿吨，连铸比已按近50％。丹麦、爱尔兰、卡塔尔连铸比已达100％，日本达91．1％，芬兰、奥地利、希腊等都达93%以上。各国连铸比都在迅猛上升。•钢坯连铸后与轧制如何连接是一个大问题。a.连铸坯经切断后可以经冷却处理再进行加热和轧制；b.或不经冷却即进行加热和轧制；c.也只经辊道保温及补偿均热而直接进行轧制(CC-DR)。•后者可大幅度节约热能达，提高成材率及简化工艺与设备，故近年来自日本实现宽带钢CC-DR以后，得到迅速发展钢材生产系统及其分类•钢铁联合企业，生产各种轧制产品的轧机必须组成各种专门生产系统。•按生产规模可分为大型、中型和小型生产系统•按产品种类可分为板带钢、型钢、合金钢和混合生产系统。1.板带钢生产系统：连铸坯的采用使生产规模很大。•板坯初轧机将大钢锭轧成板坯，再由钢板轧机轧成中厚板或热带钢。•连铸机铸成板坯后再轧制成中厚板或热带钢。•一套现代化的宽带钢热连轧机年产量达300万-600万t。•但特厚板的生产往往还采用将重型钢锭压成的还作为原料。•近十多年来得到迅速发展的薄板坯连铸连轧工艺生产规模多在50万-300万t之间，以年产80万t-200万t者居多，可称为板、带生产的中、小型系统。2.型钢生产系统：规模往往并不很大。大型：年产100万t以上；中型：年产30万-100万t；小型：年产30万t以下。3.混合生产系统：在一个钢铁企业中可同时生产板带钢、型钢或钢管时，称为混合系统。•无论在大型、中型或小型的企业中，混合系统都比较多，其优点是可以满足多品种的需要。•但单一的生产系统却有利于产量和质量的提高。4.合金钢生产系统•由于合金钢的用途、钢种特性及生产工艺都比较特殊，材料也较为稀贵，产量不大而品种繁多，故常属中型或小型的型钢生产系统或混合生产系统。•由于有些合金钢塑性较低，故开坯设备除轧机以外，有时还采用锻锤。轧钢生产系统（续）发展方向•现代化的轧钢生产系统向着大型化、连续化、自动化的方向发展，生产规模日益增大。•但应指出，近年来大型化的趋向已日见消退，而投资省、收效快、生产灵活且经济效益好的中、小型钢厂在很多国家（如美、日及很多发展中国家）中却有了较快的发展。•一般碳素钢和合金钢基本的典型生产工艺流程，如图7-4及图7-5所示。碳素钢生产工艺流程•4个基本类型：a.采用连铸坯的工艺过程，其特点是不需要大的开坯机，无论是钢板或型钢一般多是一次加热轧出成品，或不经加热直接轧出成品。•显然这是先进的，也是当今最主流的生产工艺，现已得到广泛的应用。b.采用铸锭的大型生产系统的工艺过程：其特点是必须有强大的初轧机或板坯轧机，一般采用热锭装炉及二次甚至三次加热轧制方式。c.采用铸锭的中型生产系统的工艺过程，其特点是一般有Φ650-Φ900二辊或三辊开坯机，通常采用冷锭作业（现在也有采用热装的）及二次（或一次）加热轧制方式，这种工艺流程不仅用来生产碳索钢材、也常用以生产合金钢材。d.采用铸锭的小型生产系统的工艺过程：其特点是通常在中、小型轧机上用冷的小钢锭经一次加热轧制成材。所有采用铸锭的生产工艺都是落后的，已经或将要遭到淘汰。不管是哪种类型，其基本工序都是：原料准备（清理）-加热-轧制-冷却精整处理。合金钢生产工艺流程•可分为冷锭和热锭以及正在发展的连铸坯三种作业方式。•由于对合金钢材的表面质量和物理机械性能等技术要求比普通碳素钢高，并且钢种特性也较复杂，故其生产工艺过程一般也比较复杂。•除各工序的具体工艺规程会因钢种不同而不同以外，在工序上比碳素钢多出了原料准备中的退火、轧制后的热处理、酸洗等工序，以及在开坯中有时还要采用锻造来代替轧钢等。钢材的冷加工生产工艺流程•钢材的冷加工生产工艺流程包括冷轧和冷拔。•其特点是必须有加工前的酸洗和加工后的退火相配合，以组成冷加工生产线。有色金属（铜、铝等）及其合金轧材生产系统及工艺流程•铜、铝及其合金的轧材应用比较广泛，其生产系统规模却不大，一般是以重金属和轻金属分别自成系统进行生产的，在产品品种上多是板带材、型线材及管材等相混合，在加工方法上多是轧制、挤压、拉拔等相混合，以适应于批量小，品种多及灵活生产的特点和要求。•但也有专业化生产的工厂，例如电缆厂、铝箔厂、板带材厂等。•有色金属及合金的轧材主要是板带材，至于型材、管材乃至棒材则多用挤压及拉拔的方法生产。•板带轧制方法按轧制温度可分为热轧、温轧和冷轧；按生产方式可分为成块轧制和成卷轧制。•这两种轧制方法特点的比较如表7-3所示。•实际生产中应根据合金、品种、规格、批量、质量要求从设备条件选择生产方法及生产流程。•重有色金属及合金板带材常用的生产流程如图7-6所示。•铝合金板带材及箔材常用的生产流程如图7-7及图7-8所示。8轧制生产工艺过程及其制定•轧钢生产工艺过程：将钢