日本21世纪轧钢技术发展及展望
2003-01-24 00:00 来源： 我的钢铁 作者：mysteel
一、日本20世纪后半期轧钢技术的进步
在20世纪50年代日本二战后的恢复时期，大量引进了国外先进技术发展钢铁工业，到60年代伴随经济的快速增长，钢铁工业亦迅猛发展，钢产量由1960年的2000万t跃升到1973年的1.2亿t，13年增长了5倍。在钢铁装备大型化和发展连铸的同时，轧钢装备亦实现了大型化、连续化和自动化。尔后由于世界第一次石油危机的影响，迄今产量一直徘徊在1亿t水平，技术进步重点转向节能、降耗、高效、低成本、高质量和多品种，以提高产品出日的竞争力。为此，除连铸比继续提高外，轧钢多种新技术亦得到了开发应用，兹分品种简介如下：
(1）中厚板 到80年代，中厚板轧制技术主要发展了通过 AGC+监控AGC的结合达到板厚的高精度化及通过平面形状的矩形化（MAS轧制法）达到成材率的提高。在板形凸度形状（平坦度）控制方面，1991年作为世界首创应用了四辊轧机，由于在实现板形高精度化的同时提高了凸度板形的高度控制，使每道次的压下量成倍加大。其效果是：(a)轧制道次减少，生产效率提高；（b）由于每次压下率的加大有利于钢板的低温韧性和抗拉强度等性能的提高。此外,为充分发挥控制凸度板形能力优秀的轧机的作用。需要高度的工艺计算机控制系统和高精度的数学模型．经过对“成品轧制压下适度计算”和“成品轧制压下适应控制计算”等轧机变形基本理论的研究使通用性强的高精度控制得到推广；同时使保证板形平坦且无残余应力的高性能矫平技术技术亦得到开发和应用。还有提高中厚板性能的控轧控冷技术（TMCP）亦于80年代得到应用。
(2)热轧薄板 大规模、高效率的宽幅薄带卷热连轧机为主力生产薄板的时代，如何适应用户多品种、小批量产品和及时供货成为重要课题。为了在轧制工艺不变下达到订货品种所要求的板形，开发成功带有板形凸度控制能力大的中间柔性辊的六辊轧机（HC）和四辊轧机（PC）并很快实用化。为了对板形和凸度同时控制，在串联轧制中可正确模拟板的凸度和板形变化特性的计算机控制亦得以实现。通过反映轧机变形特性的轧机延伸计算式的开发和应用，不仅板形、凸度控制达到高精度化，连AGC的控制亦成为可能，使板厚控制精度得到了飞跃式提高。
关于另一重大课题的板宽控制技术方面，陆续开发成功利用立辊的大幅减宽技术和精整压力技术等改变板宽的技术，均对加热后的板材具有减宽3003mm左右的能力，成为对板定可自由控制轧制的重要技术。加上在连铸方面实施板坯定宽度批量生产以提高生产效率和成材率，使多品种、小批量生产得以容易实现。
由于核宽控制精度直接影响钢板的成材率，除在粗轧机上采用油压规边控制技术外，在精轧机组亦进行了重要的技术开发。由于以上适于柔性生产的技术开发，使宽幅热带卷连轧生产中的加热制约、宽度制约和板厚变化制约等诸多工序制约得以缓解，真止成为生产自由度高的轧制方式。在适应多品种小批量生产方式的同时，并为连铸板坯的热送热装（HDR、HCR)提供了可能，从而对大幅节能作出了重要贡献。宽带卷热连轧最佳方式的无头轧制于1996年在川崎制铁的千叶厂实现它解决了过去存在的带卷前后端的质量和操作问题的同时，并因适用于极端生产、高润滑轧制和强制冷却等技术而受到人们的重视。
还有由美纽柯公司首先采用后并在欧美各国大量推广的薄板坯连铸连轧（CSP）在日本已少量采用，比此更为先进的由日本自行开发的薄带直接铸轧在新日铁光厂的不锈钢生产上已采用。最近采用的新技十还有精轧机组工作辊的复合轧辊化，由于它优良的高耐磨性对一次换辊轧制量的加大和自由轧制适用范围的扩大方面均作出了重大的贡献。
(3）冷轧薄板 利用串联冷轧机对提高成材率、大幅节能和适用严格用户的高质量要求方面进行了多项硬件技术开发。明显提高冷轧薄板成材率的技术当数串联冷连轧技术，它于 1971年实用化。尔后又陆续实现了酸洗和冷轧的连续化以及酸洗、冷连轧和连续退火的连续化。
为了确保严格的板宽精度，在硬件技术方面实现了压下装置由电动改为油压、支撑辊轴承由油膜轴承改为滚动轴承、驱动电机由直流电机改为交流电机等多项改进。在软件技术方面积极开发了高精度模拟技术和非干涉多变数控制技术等。还采用了控制板边规整的单斜坡工作辊的柔性轧机和4辊轧机，均效果明显。此外并开发成功对板形控制能力强的六辊轧机。为了控制复合板形还开发成功在辊长方向控制热凸度的区间凸度控制技术和在加减速时仍可高精度检查板形的接触式形状检测器，使板形精度大幅提高。还有为提高生产效率正研究高速轧制技术，生产镀锡和原板的薄尺寸冷轧板已达每分钟2800m的水平。此外在工作辊材质方面已开发成功高合金轧辊和复合轧辊。
(4）棒、线材 为供棒、线材精密轧制和尺寸可调轧制的轧机硬件和控制技术均已开发成功。棒钢轧制方面的三辊、三辊及四辑的轻压下精轧机已实用化；线材轧制方面的三辊精轧机（轧速80m/a）和二辊精轧机（轧速120m／s）及四辊轧机亦均实用化。应用此类轧机使精密轧制（公差±0.lmm）和尺寸可调轧制（可调直径的2－10％，公差±0.2mm）较易实现。在轧钢控制方面，棒钢的机架间张力+出口高多变数控制系统和线材的可调轧机AGC（对成品尺寸的多变数控制）系统亦开发成功，使精密轧制、less Downtime轧制自动化等少依赖熟练工人的操作得以实现。
(5）无缝钢管 在管坯穿孔方面开发成功可减轻曼内斯曼穿孔特有的切断变形，使难加工钢种和高扩孔薄壁管的穿孔较易实现的高交叉角穿孔法。在轧管方面采用了防止轧管机管端增加壁厚的油压压下装置，提高了质量。在高合金钢轧管方面，开发成功了工具润滑技术，使穿孔和自动轧管过程中的氧化铁皮减少，加上表面被复金属陶瓷以延长表面缺陷减少，现相关的润滑剂亦在开发中。
二、21世纪轧钢新技术的展望
回顾以日本为中心的上述轧钢技术的进步，主要是通过工艺的连续化以大幅度提高了生产效率。即在连续化工艺下为保证用户所需各种规格、尺寸精度和不同材质产品达到了高效生产，同时亦开发了高度化的轧钢控制技术。
日本钢铁工业作为21世纪可持续发展的行业并为了保持世界领先地位，面对的4个主要课题及发展方向和主要内容如下：
(1)为保日本市场的成熟化应大力开发新产品和开拓新市场。主要新产品方向是各种高强度钢材（中厚板、型钢和线材）、高强度且易加工钢板、高耐蚀性钢板、低温韧性钢板、高级电工钢板和生态产品（环境负荷小且易再生利用）；新市场的方向为钢屋、兆级船舶、超轻型汽车；新技术为超级金属和先进的加工利用技术等。
(2）为适应国际竞争激化应大力降低成本和开发高附加值产品及有利缩短制造周期的管理技术。主要有：充分发挥设备的性能并长寿命化、提高资源能源利用效率、加强工艺诊断和质量检测、减少产品质量波动、完善加工利用技术、工序，在控制和管理上加强IT技术应用、实施绿色产品标志、完善流通系统，加强物流控制等。
(3）为适应地球生态环境问题，应大力开发节能技术：省资源工艺、降低环境负荷技术和资源循环利用技术。主要有；新炼铁工艺（DIOS法）、电磁力利用技术、新型焦炉(SCOPW21）、利用废塑料技术；生产与环境和谐的钢铁产品。
(4）为适应全球经济一体化，从企业经营上应加强企业重组和企业会计国际标准化。 具体内容为加强国内国际钢铁企业的协作和重组，有效发展海外钢铁生产和开展国际技术支援等。
具体在轧钢技术方面，关键应抓好高质量、尺寸高精度、多品种、小批量、高效率、节能降耗和省力化、减少工序、缩短生产周期、实现低成本、积极开发新产品和新工艺，并努力降低环境负荷。按品种分类的技术如下：
(1）中厚板：(a)产品的高附加值化(全平钢板、无残留应力钢板和尺寸高精度钢板）；(B)推广TMCP以保优质、高精度和节约铁合金；(C)根据材质预测技术设计新品种和新工艺。
(2）热轧薄板:(a)发展高品质、高尺寸精度产品；(b)扩大和提高高强度钢板的生产；(c)开发在钢种、品种统一下的小批量生产技术；(d)推广薄带直接铸轧技术；（e）开发全板质量均均的技术；(f)通过IT化以实现无人操作的技术。
(3）冷轧薄板:(Z)轧制全自动控制和轧辊成组更换；(b)完全按调度自由化生产;(c)高精度化；（d）高速化（解决轧辊和表面润滑技术）。
(4)型钢：(a)大力提高生产效率并保尺寸精度和轧制稳定（应保装置精度提高、非正常部位最小比和轧辊的长寿化）；(b)积极采用TMCP技术；(c)大力进行新产品开发。
(5）棒、线材：（a）高尺寸精度；（b）提高材质性能；(c)轧制自动化;(d)尺寸自由调整；（e）采取和上下工序的连续生产工艺；(f)为用户提供可简化加工工序的产品。
（6）无缝钢管：(a)表面无缺陷的高品质和高尺寸精度产品；(b)钢质高级化;(c)对高合金钢自动轧管技术进一步从工具和润滑上改进。
总的看来其共通点为；（a）提高产品精度和质量；(b)通过TMCP以提高钢材性能并取代部分热处理。以此为基础,还需要发展以下的通用技术：
(1)材质预测模拟技术的进一步发展。为适应经济增长对钢铁需求的扩大，作为和用户直接打交道的轧钢工序必须重视技术创新。特别是钢铁企业和用户建立了供应链（SCM）系统后。以IT技术及时交流信息并力争缩短交货期的条件下，通过材质预测模拟技术以提高生产效率是十分必要的。为此，应通过轧制变形、温度模式和组织变态、析出和再结晶等模式以快速对材质预测模拟的技术，应进一步加速开发并使之完善。
（2）进一步发展依靠轧制以提高钢材性能的技术根据开发中的超级金属项目（超微细结晶金属材料）和超高强度结构材料项目(SEX－21），都说明轧钢时加大压力和采用TMCP均可使结晶微细化，从而可使钢材的强度和使用寿命提高1倍。据此，作为创新工艺已提出反复重合轧制的轧钢法(ARB法)、连续ECAP法、行星轧机多辊轧制法和高强度附加轧制法等方案。今后应合理利用上述技术，以大幅提高钢材的质量和性能。
（3）对环保问题的适应。为改善生态环境，轧钢工序亦应重视节能工艺和制造生态产品相关技术的开发和应用。
三、小结
总之，预测21世纪日本的经济、社会系统将发生以下的重大变革：(a)重自由平等的社会，即个性和特性将受到重视；(b)物质生产方面为重视具有特色的多品种、高品质产品按少量而即时生产的时代，产业结构将进行调整以适应之;(c)通过SCM使用户与工厂生产相连系并达到流通最佳化，将成为企业提高竞争力的核心；(d)制造业将成为对用户的服务业；(e)先进国家的制造业将生产价高而好卖的产品。
根据上述预测的经济、社会变革，加上国际经济一体化带来的市场竞争激化和使产业信息化的IT革命．经济社会环境将有重大变化。但钢铁作为支承现代化文明的基础原材料仍是不可缺少的，其重要性在21世纪亦会毫不动摇。轧钢技术为把如此重要的材料以效率更高和质量更好的方式提供给全社会。这是一项崇高而重大的历史使命。
在20世纪50年代日本二战后的恢复时期，大量引进了国外先进技术发展钢铁工业，到60年代伴随经济的快速增长，钢铁工业亦迅猛发展，钢产量由1960年的2000万t跃升到1973年的1.2亿t，13年增长了5倍。在钢铁装备大型化和发展连铸的同时，轧钢装备亦实现了大型化、连续化和自动化。尔后由于世界第一次石油危机的影响，迄今产量一直徘徊在1亿t水平，技术进步重点转向节能、降耗、高效、低成本、高质量和多品种，以提高产品出日的竞争力。为此，除连铸比继续提高外，轧钢多种新技术亦得到了开发应用，兹分品种简介如下：
(1）中厚板 到80年代，中厚板轧制技术主要发展了通过 AGC+监控AGC的结合达到板厚的高精度化及通过平面形状的矩形化（MAS轧制法）达到成材率的提高。在板形凸度形状（平坦度）控制方面，1991年作为世界首创应用了四辊轧机，由于在实现板形高精度化的同时提高了凸度板形的高度控制，使每道次的压下量成倍加大。其效果是：(a)轧制道次减少，生产效率提高；（b）由于每次压下率的加大有利于钢板的低温韧性和抗拉强度等性能的提高。此外,为充分发挥控制凸度板形能力优秀的轧机的作用。需要高度的工艺计算机控制系统和高精度的数学模型．经过对“成品轧制压下适度计算”和“成品轧制压下适应控制计算”等轧机变形基本理论的研究使通用性强的高精度控制得到推广；同时使保证板形平坦且无残余应力的高性能矫平技术技术亦得到开发和应用。还有提高中厚板性能的控轧控冷技术（TMCP）亦于80年代得到应用。
(2)热轧薄板 大规模、高效率的宽幅薄带卷热连轧机为主力生产薄板的时代，如何适应用户多品种、小批量产品和及时供货成为重要课题。为了在轧制工艺不变下达到订货品种所要求的板形，开发成功带有板形凸度控制能力大的中间柔性辊的六辊轧机（HC）和四辊轧机（PC）并很快实用化。为了对板形和凸度同时控制，在串联轧制中可正确模拟板的凸度和板形变化特性的计算机控制亦得以实现。通过反映轧机变形特性的轧机延伸计算式的开发和应用，不仅板形、凸度控制达到高精度化，连AGC的控制亦成为可能，使板厚控制精度得到了飞跃式提高。
关于另一重大课题的板宽控制技术方面，陆续开发成功利用立辊的大幅减宽技术和精整压力技术等改变板宽的技术，均对加热后的板材具有减宽3003mm左右的能力，成为对板定可自由控制轧制的重要技术。加上在连铸方面实施板坯定宽度批量生产以提高生产效率和成材率，使多品种、小批量生产得以容易实现。
由于核宽控制精度直接影响钢板的成材率，除在粗轧机上采用油压规边控制技术外，在精轧机组亦进行了重要的技术开发。由于以上适于柔性生产的技术开发，使宽幅热带卷连轧生产中的加热制约、宽度制约和板厚变化制约等诸多工序制约得以缓解，真止成为生产自由度高的轧制方式。在适应多品种小批量生产方式的同时，并为连铸板坯的热送热装（HDR、HCR)提供了可能，从而对大幅节能作出了重要贡献。宽带卷热连轧最佳方式的无头轧制于1996年在川崎制铁的千叶厂实现它解决了过去存在的带卷前后端的质量和操作问题的同时，并因适用于极端生产、高润滑轧制和强制冷却等技术而受到人们的重视。
还有由美纽柯公司首先采用后并在欧美各国大量推广的薄板坯连铸连轧（CSP）在日本已少量采用，比此更为先进的由日本自行开发的薄带直接铸轧在新日铁光厂的不锈钢生产上已采用。最近采用的新技十还有精轧机组工作辊的复合轧辊化，由于它优良的高耐磨性对一次换辊轧制量的加大和自由轧制适用范围的扩大方面均作出了重大的贡献。
(3）冷轧薄板 利用串联冷轧机对提高成材率、大幅节能和适用严格用户的高质量要求方面进行了多项硬件技术开发。明显提高冷轧薄板成材率的技术当数串联冷连轧技术，它于 1971年实用化。尔后又陆续实现了酸洗和冷轧的连续化以及酸洗、冷连轧和连续退火的连续化。
为了确保严格的板宽精度，在硬件技术方面实现了压下装置由电动改为油压、支撑辊轴承由油膜轴承改为滚动轴承、驱动电机由直流电机改为交流电机等多项改进。在软件技术方面积极开发了高精度模拟技术和非干涉多变数控制技术等。还采用了控制板边规整的单斜坡工作辊的柔性轧机和4辊轧机，均效果明显。此外并开发成功对板形控制能力强的六辊轧机。为了控制复合板形还开发成功在辊长方向控制热凸度的区间凸度控制技术和在加减速时仍可高精度检查板形的接触式形状检测器，使板形精度大幅提高。还有为提高生产效率正研究高速轧制技术，生产镀锡和原板的薄尺寸冷轧板已达每分钟2800m的水平。此外在工作辊材质方面已开发成功高合金轧辊和复合轧辊。
(4）棒、线材 为供棒、线材精密轧制和尺寸可调轧制的轧机硬件和控制技术均已开发成功。棒钢轧制方面的三辊、三辊及四辑的轻压下精轧机已实用化；线材轧制方面的三辊精轧机（轧速80m/a）和二辊精轧机（轧速120m／s）及四辊轧机亦均实用化。应用此类轧机使精密轧制（公差±0.lmm）和尺寸可调轧制（可调直径的2－10％，公差±0.2mm）较易实现。在轧钢控制方面，棒钢的机架间张力+出口高多变数控制系统和线材的可调轧机AGC（对成品尺寸的多变数控制）系统亦开发成功，使精密轧制、less Downtime轧制自动化等少依赖熟练工人的操作得以实现。
(5）无缝钢管 在管坯穿孔方面开发成功可减轻曼内斯曼穿孔特有的切断变形，使难加工钢种和高扩孔薄壁管的穿孔较易实现的高交叉角穿孔法。在轧管方面采用了防止轧管机管端增加壁厚的油压压下装置，提高了质量。在高合金钢轧管方面，开发成功了工具润滑技术，使穿孔和自动轧管过程中的氧化铁皮减少，加上表面被复金属陶瓷以延长表面缺陷减少，现相关的润滑剂亦在开发中。
二、21世纪轧钢新技术的展望
回顾以日本为中心的上述轧钢技术的进步，主要是通过工艺的连续化以大幅度提高了生产效率。即在连续化工艺下为保证用户所需各种规格、尺寸精度和不同材质产品达到了高效生产，同时亦开发了高度化的轧钢控制技术。
日本钢铁工业作为21世纪可持续发展的行业并为了保持世界领先地位，面对的4个主要课题及发展方向和主要内容如下：
(1)为保日本市场的成熟化应大力开发新产品和开拓新市场。主要新产品方向是各种高强度钢材（中厚板、型钢和线材）、高强度且易加工钢板、高耐蚀性钢板、低温韧性钢板、高级电工钢板和生态产品（环境负荷小且易再生利用）；新市场的方向为钢屋、兆级船舶、超轻型汽车；新技术为超级金属和先进的加工利用技术等。
(2）为适应国际竞争激化应大力降低成本和开发高附加值产品及有利缩短制造周期的管理技术。主要有：充分发挥设备的性能并长寿命化、提高资源能源利用效率、加强工艺诊断和质量检测、减少产品质量波动、完善加工利用技术、工序，在控制和管理上加强IT技术应用、实施绿色产品标志、完善流通系统，加强物流控制等。
(3）为适应地球生态环境问题，应大力开发节能技术：省资源工艺、降低环境负荷技术和资源循环利用技术。主要有；新炼铁工艺（DIOS法）、电磁力利用技术、新型焦炉(SCOPW21）、利用废塑料技术；生产与环境和谐的钢铁产品。
(4）为适应全球经济一体化，从企业经营上应加强企业重组和企业会计国际标准化。 具体内容为加强国内国际钢铁企业的协作和重组，有效发展海外钢铁生产和开展国际技术支援等。
具体在轧钢技术方面，关键应抓好高质量、尺寸高精度、多品种、小批量、高效率、节能降耗和省力化、减少工序、缩短生产周期、实现低成本、积极开发新产品和新工艺，并努力降低环境负荷。按品种分类的技术如下：
(1）中厚板：(a)产品的高附加值化(全平钢板、无残留应力钢板和尺寸高精度钢板）；(B)推广TMCP以保优质、高精度和节约铁合金；(C)根据材质预测技术设计新品种和新工艺。
(2）热轧薄板:(a)发展高品质、高尺寸精度产品；(b)扩大和提高高强度钢板的生产；(c)开发在钢种、品种统一下的小批量生产技术；(d)推广薄带直接铸轧技术；（e）开发全板质量均均的技术；(f)通过IT化以实现无人操作的技术。
(3）冷轧薄板:(Z)轧制全自动控制和轧辊成组更换；(b)完全按调度自由化生产;(c)高精度化；（d）高速化（解决轧辊和表面润滑技术）。
(4)型钢：(a)大力提高生产效率并保尺寸精度和轧制稳定（应保装置精度提高、非正常部位最小比和轧辊的长寿化）；(b)积极采用TMCP技术；(c)大力进行新产品开发。
(5）棒、线材：（a）高尺寸精度；（b）提高材质性能；(c)轧制自动化;(d)尺寸自由调整；（e）采取和上下工序的连续生产工艺；(f)为用户提供可简化加工工序的产品。
（6）无缝钢管：(a)表面无缺陷的高品质和高尺寸精度产品；(b)钢质高级化;(c)对高合金钢自动轧管技术进一步从工具和润滑上改进。
总的看来其共通点为；（a）提高产品精度和质量；(b)通过TMCP以提高钢材性能并取代部分热处理。以此为基础,还需要发展以下的通用技术：
(1)材质预测模拟技术的进一步发展。为适应经济增长对钢铁需求的扩大，作为和用户直接打交道的轧钢工序必须重视技术创新。特别是钢铁企业和用户建立了供应链（SCM）系统后。以IT技术及时交流信息并力争缩短交货期的条件下，通过材质预测模拟技术以提高生产效率是十分必要的。为此，应通过轧制变形、温度模式和组织变态、析出和再结晶等模式以快速对材质预测模拟的技术，应进一步加速开发并使之完善。
（2）进一步发展依靠轧制以提高钢材性能的技术根据开发中的超级金属项目（超微细结晶金属材料）和超高强度结构材料项目(SEX－21），都说明轧钢时加大压力和采用TMCP均可使结晶微细化，从而可使钢材的强度和使用寿命提高1倍。据此，作为创新工艺已提出反复重合轧制的轧钢法(ARB法)、连续ECAP法、行星轧机多辊轧制法和高强度附加轧制法等方案。今后应合理利用上述技术，以大幅提高钢材的质量和性能。
（3）对环保问题的适应。为改善生态环境，轧钢工序亦应重视节能工艺和制造生态产品相关技术的开发和应用。
三、小结
总之，预测21世纪日本的经济、社会系统将发生以下的重大变革：(a)重自由平等的社会，即个性和特性将受到重视；(b)物质生产方面为重视具有特色的多品种、高品质产品按少量而即时生产的时代，产业结构将进行调整以适应之;(c)通过SCM使用户与工厂生产相连系并达到流通最佳化，将成为企业提高竞争力的核心；(d)制造业将成为对用户的服务业；(e)先进国家的制造业将生产价高而好卖的产品。
根据上述预测的经济、社会变革，加上国际经济一体化带来的市场竞争激化和使产业信息化的IT革命．经济社会环境将有重大变化。但钢铁作为支承现代化文明的基础原材料仍是不可缺少的，其重要性在21世纪亦会毫不动摇。轧钢技术为把如此重要的材料以效率更高和质量更好的方式提供给全社会。这是一项崇高而重大的历史使命。
