轧钢-中冶南方工程技术有限公司

轧制分学科发展康永林DevelopmentofRollingTechnologyKangYonglinLatestprogressinthefieldofrollingtechnologyathomeandabroadhasbeenanalyzedfirstly,whichincludesrollingtheory;manufacturingtechniquesandproductdevelopmentofplate,section,bar,wire-rod,hotandcoldstrips;latestprogressofslabcontinuouscastingandrollingtechnology;temperaturecontroltechnology;recentdevelopmentofstripprofileandflatnesscontroltechnologyandequipment;developmentofrollingequipment;predictionandcontrolofmicrostructuresandpropertiesofhotrollingproducts;friction,abrasionandhighefficiencylubricationtechnologyinrollingprocess;onlinedetectionandcontroltechniquesofsurfacequality,microstructures,properties,dimensionandshapeaswellasautomaticandintelligenttechnologiesinrollingprocess.Thedevelopmentofsomenewsteelgradesinrecentyearsathomeandabroadhasalsobeenintroduced.Secondly,applicationandeffectinsocialeconomydevelopment,trendsandcomparisonofpresentsituationathomeandabroad,strategicrequirementofrollingtechnologyhavebeenanalyzedbasically.Lastly,conclusionsofdevelopmentdirectioninthefieldofrollingtechnologyhasbeenproposed.一、引言轧制技术作为冶金工程技术中的重要组成部分，近年来随着中国和国际钢铁工业技术的进步，为了适应资源、能源和环境可持续发展的要求，以及汽车、家电、建筑等行业对产品质量、性能和精度需求的不断提高，在相关理论、工艺技术、装备结构与控制、新产品开发、新流程组合构成等方面不断取得新的进展，在同现代物理冶金技术、计算机与自动化技术、信息化与智能化技术、高精度快速检测技术、表面与界面工程技术等学科领域交叉、融汇过程中，通过持续创新，在不断展现其新的内涵的同时，得到充实和发展，在国民经济和社会发展中发挥着重要的作用。从近两年轧制学科技术发展的特点和趋势可以看出：(1)新一代控制轧制与冷却控制技术取得显著进展；(2)我国薄板坯连铸连轧技术取得新进展并形成一系列具有自主知识产权的技术成果；(3)超细晶钢的研究开发在国内外产生重要影响并进行了批量应用；（4）板形、板宽和板厚控制技术进一步发展；（5）积极开发和探索与高质量板坯连铸相适应的高效连铸连轧新技术；(6)轧制过程钢材组织、性能的预测与控制进一步实用化；(7)进一步研究开发利于环保的轧制过程摩擦、磨损与高效润滑技术；(8)轧制过程表面质量、组织性能及尺寸形状在线检测与控制技术取得新进展；(9)不断研究开发国家经济建设重点工程所需新钢种1并取得应用成效；(10)重视和发展轧制过程智能化技术。下面，将对近两年国内外轧制技术领域的新进展、轧制技术学科发展特点、趋势以及在社会经济发展中的应用、成效进行具体分析，最后对轧制技术学科发展重点、趋势和前景并作简要总结。二、近两年轧制技术的新进展(一)轧制理论的发展从近年出现的各种轧制新技术可以看出，轧制理论的发展进步起着重要的基础作用，日本在轧制技术上处于世界领先地位，其突出的特点是在轧制理论方面的先行进步。对于轧制过程中金属材料的流动以及产生的尺寸、形状、负荷、温度、组织等发生的复杂变化进行高精度的分析，仅依靠建立在各种假设条件下的工程解析法、上限法和滑移线法已经远远不够，随着近年计算机和信息技术的快速发展，以三维有限元法(FEM)为代表的轧制过程大型数值模拟分析方法得到迅速发展。在轧制过程三维变形分析和组织性能分析的变形解析理论方面，包括板带轧制变形分析和型材轧制变形分析，基本形成了以三维刚塑性有限元、三维弹塑性有限元分析及其热力耦合分析为主的状态。金属板带轧制过程是一个非常复杂的弹塑性大变形过程。其中既有材料非线性，又有几何非线性，再加上复杂的边界接触条件，使变形机理非常复杂，难以用准确的数学关系式来进行描述。随着板带轧制技术的日益发展，人们对其在成形过程中的变形规律、变形力学的分析越来越重视。同时，有限元技术特别是大型有限元模拟软件日益成熟和完善，有限元法作为一种有效的数值计算方法已经被广泛应用于板带轧制过程的数值模拟分析。采用大型有限元分析软件，加之对具体轧制过程条件、材料特性以及边界条件的正确运用，人们可以对板材轧制形状、凸度以及平直度进行全面的分析，同时将轧机和轧辊的弹性变形同板材的塑性变形进行联立耦合求解分析。近年来，有限元模拟技术在板带轧制方面的应用日益广泛，不仅能揭示轧制过程中工件内的应力、应变、温度分布规律和几何形状的变化，而且能够模拟辊系变形，进而达到控制板形的目的。板带轧制过程模拟分析主要在以下几个方面：(1)采用弹塑性大变形有限元法的轧制过程力能参数模拟分析；(2)采用弹塑性大变形热力耦合有限元法的板带轧制过程应力场、应变场和温度场模拟及影响因素分析；(3)薄板及中厚板轧制过程板形动态模拟分析及预测；(4)精确模拟分析在板带轧制新技术中的应用。2006年6月在法国巴黎召开的第9届国际轧钢会议上，又有一批板带轧制过程的模拟分析及应用成果发表，例如，包含各种摩擦条件的热带轧制力模型的在线应用，新的宽带钢冷轧规程模拟优化方法等。针对棒线材和各种型材等产品尺寸形状精度分析预测，结合CAD/CAE和专家系统的轧制工艺与孔型设计优化，三维弹塑性热力耦合分析已得到更多的应用。将轧件变形解析与工具(轧辊)耦合，将轧制过程力学解析与温度解析及组织演变解析耦合，可以对轧制过程中缺陷的形成进行较精确的分析与预测，对工艺过程及孔型进行优化设计，同时还可以对轧机和轧辊进行负荷和变形分析，以得到高精度的产品尺寸形状。为适应对棒线材尺寸的高精度化、形状易变、低成本和高质量要求，已开发出三辊轧制、2Hi精密轧机和四辊轧机等多变量控制理论，三维刚塑性FEM已用于棒线材的孔型设计，并保证了产品的高精度。在大型H型钢生产线的实际测试分析基础上，利用三维热力耦合2有限元方法，计算模拟了H型钢轧制的全过程，得出了轧件各道次的变形情况和轧件三维温度场以及钢中残余应力的分布，为将来的H型钢控制轧制与控制冷却、组织与性能的演变与预测、新产品开发与工艺设计等提供仿真基础。在钢材轧制变形分析中，还建议采用计算时间短、更易理解的模拟三维解析法。在热轧方面，材质、预测控制十分重要，最近正在开发利用三维FEM对轧制加工成形建立新的解析模式，拟在超微细晶钢的开发中应用。此外，三维有限元分析方法，在轧制加工矫直过程的解析，轧件加热、冷却过程的理论解析等方面也得到应用。在一些研究中，将低碳钢和微合金钢热轧及冷却过程中的析出规律的实验观察分析和模型的建立作为钢的组织性能分析与预报的研究重点。利用薄晶体透射和萃取复型分析技术在透射电子显微镜下对热轧低碳高强钢板进行观察发现，成品板中存在大量的、细小弥散的第二相析出粒子，热轧板中析出相的主要成分为Al2O3、MnS和AlN以及大量的碳化物。研究表明：在铁素体内析出了许多弥散沉淀粒子，粒子尺寸在30～50nm以下。另外，通过物理化学相分析方法对低碳高强钢成品板中析出的纳米颗粒进行分析，发现电解粉末中包含碳化物、硫化物、AlN及氧化物，从分析结果来看，钢中＜18nm的颗粒主要为碳化物。纳米级碳化物在低碳高强板中具有显著的析出强化作用。尺寸小于18nm的碳化物的结构、析出规律及强化机理有待于进一步深入研究。大量的研究表明：微合金钢中析出相的结构、形貌、数量以及分布对材料的性能有重要的影响。该类析出相具有以下特点：1)颗粒尺度通常在纳米级；2)其含量与基体含量相差悬殊，分析时基体对其干扰较大；3)在多元合金系中，即使化学成分相同，热加工工艺不同时，析出相的化学组成和空间分布具有不确定性。在众多的研究析出相的方法中，由于物理化学相分析方法可以对析出物的结构、粒度分布和质量分数作出定量分析，因而起着举足轻重的作用。(二)热轧扁平材、长材生产技术的发展1.热轧带钢生产新技术近年来，热轧宽带钢的生产中采用了一些新的工艺设备技术，主要包括：连铸坯热送热装技术、直接轧制技术、无头轧制和半无头轧制技术、板坯定宽压力机、带坯边部加热器、热卷箱及带钢无头轧制、精轧机组前设置立辊轧机、精轧机板形控制(凸度和平直度控制)、全液压卷取机等。连铸坯热送热装轧制技术在热轧带钢生产中已经普遍采用，日本、韩国的热轧带钢轧机铸坯热装比达到60%以上，最多可达80%，热装温度达到600℃以上。例如，日本JFE福山厂1780热带轧机热装率为65%，直接轧制率为30%，热装温度达到了1000℃。目前我国平均热装率为40%，先进生产线能够达到75%以上，平均热装温度为500~600℃，最高可到900℃。直接热装和直接轧制是当代热轧带钢轧制技术的发展方向，可以进一步提高节能效果，缩短生产周期，使连铸机和热轧机更紧密地联系在一起。国外新建的热轧带钢轧机一般优先考虑热装炉和直接热装炉工艺的实现，预留直接轧制工艺余地。为加热直接热装板坯，国外热轧带钢轧机专门采用一座加热炉进行加热。为了提高能源的利用效率，减少二氧化碳的排放，保护环境，日本的板坯热装炉技术普遍采用蓄热加热技术。我国一些板坯加热炉也开始采用蓄热式加热炉。热轧带钢的粗轧机组的布置形式，已经由过去普遍采用的连续式或四分之三连续式回归到半连续式，粗轧机的能力大为增强，控制手段先进可靠，大幅度减少了粗轧机组的建设投资和运行费用。无头轧制和半无头轧制技术是近年来发展的新技术。无头轧制主要应用在热轧带钢和棒线材生产中，半无头轧制主要用于薄板坯连铸连轧生产线。无头轧制技术可使板带全长的质量均匀稳定，它由轧机追尾控制技术、头尾焊接技术、高精度成品轧制技术和高速通板卷取技术等组成。无头轧制技术可以生产0.8~1.0mm带材，设备的磨损和废品率也有所下降，3可以降低生产成本2.5~3%。目前，日本无头轧制技术已用于1mm厚度薄板的稳定生产，其中关键的头尾焊接技术采用了感应加热焊接和激光焊接。JFE千叶厂3号2050mm热带钢轧机在世界上首次使用3卷位置热卷箱及热轧带钢无头轧制技术，主要设备包括3座步进梁式加热炉，3架粗轧机(R1为可逆式)，R3粗轧机和F1精轧机之间设3卷位置热卷箱，7机架PC精轧机，两台地下卷取机。通过对精轧第4～6机架采取小径单辊驱动的热连轧机，在大压下的同时实施出口穿水快冷工艺，获得较高抗拉强度、优良的抗疲劳性、加工性和焊接性的铁素体粒径2～5μm微细组织的热轧钢板。在薄带生产线上，除了批量轧制外，半无头轧制和快速产品切换(flyingproductchange,FPC)技术也具有很好的应用前景，它可以实现不同规格产品的快速切换同时保证较高的尺寸精度和较小的机架间的张力波动。半无头轧制高强度钢的最小厚度达到1.2mm，低碳钢的最小厚度可以达到0.8mm，生产宽度900~1600mm的薄带钢，双流连铸最大