炉卷轧机的发展与典型结构

炉卷轧机的发展与典型结构萧其林摘要：按照传统型、改造型、现代型三个阶段叙述了炉卷轧机的发展，并对炉卷轧机的典型布局与结构进行分析。关键词：炉卷轧机；发展；典型布局；结构1炉卷轧机的发展炉卷轧机，又称斯特克尔轧机（Steckel轧机）。自美国于1932年研制出第一台试验性炉卷轧机并于1949年正式应用于工业生产以来，到现要已有近70年。近70年来炉卷轧机经历了传统型、改造型、现代型三个发展阶段。随着现代冶金技术的发展和现代传动、控制技术的应用，炉卷轧机已步入了蓬勃发展时期。本文依照传统型、改造型、现代型三个阶段对炉卷轧机的发展予以阐述。1．1传统型炉卷轧机（1932～1960年）炉卷轧机发明于20世纪30年代。该发明解决了成卷热轧薄板轧制过程中温度降低太快的问题，使得带卷在轧制过程中进行可逆式的往复轧制，直到轧制过程完成，这就是所谓的炉卷轧制方法。图1-1为其示意图。图1-1炉卷轧机示意图1——带保温炉的卷取机；2——送料辊；3——四辊可逆轧机；4——升降导板图1-2炉卷轧机工艺设备布置图1-再加热炉2-除鳞机3-立辊轧机4-粗轧机5-辊道6-切头剪7-左卷取炉8-炉卷机9-右卷取炉10-冷却辊道11-地下卷取机１．１．１炉卷轧机生产工艺流程与设备布置炉卷轧机的生产工艺流程和设备布置如图１－２。板坯在连续式加热炉中加热后，通过高压水除鳞，然后在带立辊的四辊粗轧机上分别轧制一定道次，将板坯轧成厚１０～２０ｍｍ的带坯，在飞剪上切除头尾，然后送入炉卷轧机进行可逆轧制。当第一道带坯头部出炉卷轧机后，右边的升降导板抬起，将带坯的头部引入右边卷取炉的卷鼓中进行卷取。卷取炉卷鼓与轧机之间带钢的张力不大，其总张力为３００００Ｎ。当第一道轧件尾部一出轧辊，右边的夹送辊下降，整个机组反转，开始第二道轧制，此时左边的夹送辊和升降导板抬起，又将带钢导入左边的卷取炉进行卷取，如此反复轧制几道，即轧成所需要的带卷。由于每道轧制时轧件端部均需通过轧辊，因而每道次开始时都需以导入速度（０．５～２．５ｍ／ｓ）轧制，使轧件端部平滑进入卷鼓的槽口。导入后，卷鼓和轧机同步升速到正常轧制速度。而在每道次终了时，则必须及时制动，以防轧件尾部进入保温炉内。这样频繁改变的操作制度必须依赖自动控制才能实现，同时也限制了轧制速度的提高。一般轧件在炉卷轧机上轧制７～９道次，轧到要求的带卷厚度后，通过运输辊道冷却到卷取温度，在地下卷取机上卷成钢卷。1．1．2传统炉卷轧机的优点：１）轧制过程中可大幅减少钢板的温降；２）与经典的热连轧相比所需设备数量少，投资低；３）工艺道次较灵活，适合于生产批量不大而品种较多的产品；４）适合于低节奏、难加工的不锈钢及特种合金钢的生产。１．１．３传统炉卷轧机的缺点：１）由于是单机架多道次轧制，精轧时间长，二次氧化皮多，所轧制的产品表面质量较差，不能生产薄板；２）技术经济指标较低，各项消耗较高；３）轧辊易磨损，换辊频繁；４）工艺操作要求高，比连轧复杂。１．２改造型炉卷轧机（１９６０～１９８０）由于传统炉卷轧机所固有的工艺缺陷并存在产品表面质量差的弊病，从而阻碍了炉卷轧机的发展。６０年代，美国铁本公司（Ｔｉｐｐｉｎｓ，又译梯平斯）等通过对炉卷轧机的潜在能力和不足之处的研究，开始用现代控制技术来改造传统炉卷轧机，重新发展了自３０年代发明以来几乎被人遗忘了的炉卷轧机。１９８０年前后，发达国家纷纷兴建新的或改造旧的炉卷轧机，但主要还是用来专业化生产不锈钢和特种合金钢，仅有少部炉卷轧机生产碳素结构钢。在此阶段由于冶金轧制工艺和控制技术还没有发生质的飞跃，因此炉卷轧机的发展主要是停留在一般性的改进上，并没有发生根本性的变化。１．３现代炉卷轧机（１９８０～至今）进入８０年代后，冶金工业技术突飞猛进，近终型连铸技术、连铸连轧技术、现代控制技术、计算机技术、新型材料技术、数字传动技术、变频调速技术的普及应用使得冶金轧制工艺技术发生了质的飞跃，给炉卷轧机的发展带来了新的生机。１．３．１现代炉卷轧机的主要特点１）新流程随着薄板坯连铸技术的发展，国外出现了一批以生产中厚板为主、兼生产薄板卷的综合型炉卷轧机，它与炼钢炉、精炼炉、中薄板连铸机共同组成了新一代集约型的板带材生产线。９０年代以来，在全世界新建和改建炉卷轧机共１４台，其中以生产不锈钢为主的４台，生产不锈钢兼碳钢的３台，其余７台均以生产碳钢和低合金钢为主［１］，其具体情况见表１－１。表1-1国外90年代新建（或扩建）的生产碳钢的炉卷轧机序号国家及厂名投产年份年产量（万吨）轧机组成辊面宽（㎜）产品规格㎜（厚度×宽度）1美国，伊普斯科公司蒙特利埃厂1996125～150单机架34002.29～19×1219～2483（卷）6.35～50×1219～3149（板）2美国，俄勒冈公司波特兰厂1997年改造100单机架37592.29～25.4×1219～3048（卷）4.76～203.2×1219～3450（板）3美国，斯卡洛萨钢公司1996年改造100单机架28452～19×711～2642（卷）16～100×1219～2642（板）4加拿大，斯帝柯公司海米尔敦厂1997年改造100单机架30482～19×1219～2794（卷）16～50×1219～2794（板）5捷克，新歌特瓦尔德钢公司1999年100单机架18001.5～13×800～1600（卷）6泰国LPN公司1997年改造50单机架31242～19×1200～2200（卷）16～50×1200～2800（板）7土尔其，埃雷利公司1992年改造77双机架16764～20×508～1524（卷）10～40×508～1524（板）２）新工艺现代炉卷轧机采用了提高中间带坯进精轧机的厚度，在精轧机上采用高的压缩比，提高轧制速度，减少轧制道次，提高卷重，使轧制温度均匀化等新工艺。炉卷轧机的传统工艺与新工艺的主参数对比见表１—２。表１－２炉卷轧机传统工艺与新工艺的主参数对比主要工艺参数传统工艺新工艺最小产品厚度，㎜3.01.5最大卷重，t10～1228～34中间带坯厚度，㎜15～1725最大轧制速度，m/s5～710～14精轧最少道次7～95精轧温度，℃～750～900中间带坯温降速率，℃/s﹥31.7最大轧制力，Kn/mm12～1422.2３）新设备新设备的应用在现代炉卷轧机的关键部位得到了较好的体现，主要表现在以下五个方面：一是高刚度的轧机，将轧机允许的最大轧制力加大及刚度提高，使得轧机弹跳减少，其允许的最大轧制力比传统炉卷轧机提高了近１倍。二是卷取炉内的卷取芯轴采用带水冷芯轴的预热卷鼓，这种采用了新型设计和材料的卷鼓其表面温度可达９５０℃，卷取带钢厚度可达２０ｍｍ。三是采用了带有封闭式炉底和新型炉型的卷取炉，采用计算机控制炉内气氛，减少了热损和炉内氧化，提高了炉温控制精度和均匀分布度。四是采用了具有较短换向时间（约３Ｓ）的交流变频主传动电机，其加速与反转时间比直流电机减少。五是在炉卷轧机内设有在线轧辊修磨系统，轧辊不必更换就可在线进行修磨，通过轧制过程中轧辊表面的修磨，可改善带钢的表面质量和增加轧制量。４）新技术现代炉卷轧机全面引用了热带钢连轧的新技术，如坯料采用连铸坯或连铸薄板坯；加热炉采用步进式炉；采用了高效、高压水除鳞技术；粗轧机采用带立辊轧边的四辊可逆式轧机；在中间辊道中采用了保温技术；在炉卷轧机后设立了层流冷却系统；在地下卷取机上采用了液压踏步控制系统等等。更重要的是炉卷轧机还采用了下述新技术：一是液压厚度自动控制技术（ＨＡＧＣ－－ＨｙｄｒａｕｌｉｃＡｕｔｏｍａｔｉｃＧａｇｅＣｏｎｔｒｏｌ）ＨＡＧＣ系统通过计算机对轧件厚度进行自动控制，包括厚度控制、速度补偿、张力补偿、头尾补偿及测厚仪监控等功能。采用该技术生产的带钢其纵向厚度公差已达到或接近热连轧机±０．０５ｍｍ的水平，而传统炉卷轧机生产的带钢厚度公差为±０．２～０．４ｍｍ。〔２〕由于ＨＡＧＣ技术具有响应速度快、压下速度快、设定精度高、控制系统比较简单等特点，因而在现代炉卷轧机中得以应用。二是板形自动控制技术（ＡＦＣ—ＡｕｔｏｍａｔｉｃＦｌａｔｎｅｓｓＣｏｎｔｒｏｌ），该系统采用了四辊轧机的ＣＶＣ技术（ＣｏｎｔｉｎｕｏｕｓｌｙＶａｒｉａｂｌｅＣｒｏｗｎ）或六辊ＨＣ技术（ＨｉｔａｃｈｉＨｉｇｈＣｒｏｗｎＣｏｎｔｒｏｌ）。该系统通过控制宽度的液压轧辊位置系统，控制平直度和板形断面的工作辊弯辊系统、减少轧辊磨损和板带边形变的工作辊窜辊系统，应用预先设定的计算机模型对辊缝实时调整，从而使板形和公差值得以改善。采用该技术的炉卷轧机能使９９．５％的板卷能够达到１／２ＡＳＴＭ或ＪＩＳ标准，９８％卷长达到１／４ＡＳＴＭ或ＪＩＳ标准公差。〔３〕１．３．２现代炉卷轧机存在的主要问题尽管现代炉卷轧机作了上述的许多改进，使其功能、质量和技术水平有了明显提高，但限于炉卷轧机自身工艺结构所固有的原因，与现代热连轧生产薄带卷相比，仍存在以下问题：１）由于板带纵向（特别是头尾）和横向温度不均，而现有的弥补措施又不能从根本上改善，使得其最小轧制厚度受到限制，＜１．２ｍｍ的带卷生产目前仍难以在炉卷轧机上实现，而现代热连轧技术已可生产出０．８ｍｍ的热轧带卷。２）薄带卷的表面质量稍差。这是由于单机架多道次轧制和炉卷内二次氧化皮去除困难所致。尽管采取了改善表面行之有效的在线磨辊和强化除鳞等措施，炉卷轧机生产的薄带卷的表面质量仍比现代热连轧机生产的稍逊。３）由于炉卷轧机的生产量一般为１００万ｔ／年，与生产量高的热连轧相比，在生产薄带卷时其成本也略高一点。１．３．３炉卷轧机的发展趋势虽然炉卷轧机在现阶段还存在上述问题，但并没有因此而阻碍其发展，随着技术、工艺的进步，炉卷轧机将会不断得以完善并得到更加广泛的应用，其影响是长远和巨大的。１）由于炉卷轧机采用了以现代热带钢连轧（包括快速冷却、板形及厚度控制、高精度尺寸控制、表面自动检测等）为标志的现代轧钢技术，其与中薄板连铸机组成的集约型连续化工艺生产线将会占据更多的中厚板和带卷市场份额，传统的板材轧机将失去竞争能力。２）炉卷轧机用来生产薄带卷，能够在轧制中很好地控制温度，同时得到较好的平直度和板形。在机架任何一边的热轧卷取使温度能够得到很好保持，消除了一般可逆式轧机所带来的温度损失和随之而来的轧机负荷增加及板形问题。〔４〕３）在计算机自动化方面，全新的炉卷轧机采用了一级和二级计算机过程控制，与现代化热连轧机的控制类似，其过程控制将扩展到后续工序，人工智能技术得到应用，轧机将根据不同的材质和轧制力选择与之相应的控制模型。１．４我国炉卷轧机的现状与发展除首钢、太钢等公司在８０年代分别引进了２０３０、１４００、１５４９三条二手炉卷轧机生产线外，我国的炉卷轧机基本上是空白。“十五”期间，国家规划酒钢和昆钢各上一条炉卷轧机生产线，其中酒钢的１７５０炉卷轧机已进入合同实施阶段。除此之外，南京钢厂、安阳钢厂的炉卷轧机项目均已通过立项，开始或即将启动。随着上述新的炉卷轧机生产线的建成投产，预计将会有更多的中等规模钢厂或大型钢厂在传统板材轧机的改造中，采用中薄板连铸机和炉卷轧机的集约化模式。因为采用该模式一是投资省（约为同规模常规热连轧机投资的６０％）〔５〕、见效快、建设周期短；二是占地面积少；三是有利于产品结构与品种的调整。２炉卷轧机的典型布局与结构２．１炉卷轧机的典型布局炉卷轧机最具代表性的典型布局如图２—１所示。２．２按照机架排列的布局方案按照炉卷轧机机架的排列方式有以下几种布局方案，见图２—２图２—１炉卷轧机的典型布局ＷＢＦ—再加热炉ＤＳ—除鳞机Ｅ—轧边机（立辊轧机）ＣＳ—切头剪ＲＲ—可逆式粗轧机ＨＣ—卷取炉ＦＭ—炉卷轧机（Ｓｔｅｃｋｅｌ轧机）ＬＣ—层流冷却ＤＣ—地下卷取机图2-2按机架排列的布局方案２．２．１双机架粗轧前置式（方案１）本方案为炉卷轧机的一种应用较广的布局，该方案将带有立辊轧机的粗轧机布置在炉卷轧机的前面，精轧道次由炉卷轧机完成。本方案兼顾考虑了轧制效率与品种规格。采用这种布局形式可以轧制生产２ｍｍ的热轧薄板，其年产量在８０～１００万吨左右，投资费用适中，大多数钢厂都选择此种方案。２．２．２单