新工艺技术在合金钢棒线材生产中的应用
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新工艺技术在合金钢棒线材生产中的应用 摘要：分析了目前我国棒线材市场优质合金钢棒线材稀缺形势下，用先进的新工艺技术改造合金钢棒线材生产线具有现实意义。这些新技术包括：连铸坯热送热装、脱头轧制和二次加热、精密轧制、低温精轧、单一孔型和“自由尺寸”轧制、直条棒材在线缓冷和刷毛刺、奥氏体不锈钢线材在线散卷固溶处理和盘卷在线环型炉固溶处理、不锈钢盘卷酸洗等技术。 关键词：合金钢；棒线材；生产工艺；新技术 1、前言 至2002年度，我国棒线材生产总量已约达8900万t，其中，连续式、半连续式棒材轧机和高速线材轧要贩产量已在60%以上。我国小型材和线材轧机装备，在数量、生产能力上，都已位居世界前列。这些轧机的建设，应用了很好先进的工艺和装备技术，但其绝大部分产品主要是建材和一般优质钢材，几套生产合金钢产品的生产线也存在着工艺不完全配套的问题。在这种情况下，一方面，建材和一般优质钢材产品必然在能力过剩的市场中进行激烈的拼争；另一方面，国家每年需花大量外汇进口优质合金钢产品，所以，我国小型、线材建设市场已从外延的生产能力建设进入应用新技术、降低生产成本、提高产品质量、以产顶进的时期。因此，引进、开发和应用先进和行之有效的新技术和新工艺，改造现有合金钢生产线，提高产品质量和降低生产成本，已成为合金钢棒线材生产研究所关注的问题。 2、合金钢棒线材生产中的新工艺和新技术 棒线材生产技术的发展和进步，都是围绕着提高产品质量和降低生产成本展开的。由于合金钢棒线材生产技术的复杂性，国外开发和应用了很多新工艺和新技术。现结合上海宝钢集团五钢公司不锈钢工程采用的新技术作一介绍。 2.1连铸坯热送热装技术 热送热装工艺有节能降耗、可提高加热炉产量、缩短生产周期等优点，所以，热送热装工艺也是合金钢轧机建设采用的新技术之一。 现在新建的很多钢厂都采用了炼钢-精炼-连铸-轧钢紧凑式布置生产工艺，轧钢加热炉与连铸出坯冷床间距离很近，为连铸坯热送提供了很好的条件，因此在连铸出坯冷床后设置了横移输送台架（兼缓冲储存用）、提升装置及保温输送辊道，实现了连铸坯直接热送热装。 除连铸因素外，仅从产品最终用途考虑，可以热送热装的钢种如表1所示。 表1 从产品最终用途考虑可以热送热装的合金钢品种
上海宝钢五钢公司不锈钢工程，连铸机最大生产能力为66t/h，5炉连浇；而轧机生产能力为80t/h，再加上棒线材轧机均采用减定径机组和单一孔型轧制，轧机更换孔型和换辊时间很短。技术装备完全具备了热送热装条件，只要生产组织适当，热送热装效果就会显现出来。 2.2脱头轧制和二次加热技术 由于受到合金钢材质和变形特性(温升)及粗轧机最低人口速度的限制，在轧制某些钢种时，粗、中轧机组必须脱开布置，不能形成全连续轧制。这种布置的特点是，钢坯在粗轧机组可以采用较高的粗轧速度，不受成品出口速度限制，轧制过程灵活，适合合金钢多品种生产。但是，由于轧制速度较慢，轧制时间较长，进中轧机组轧件的头尾温差加大，尽管采用了保温辊道输送以减少轧件头尾温差，但对不锈阀门钢等变形温度范围窄的钢种或易切削钢头尾温差要求较敏感的钢种，仍需要二次加热装置，以保证轧制过程的顺利进行。
二次加热装置为一套中频电感应加热炉，由2-3个感应线圈组成，其中辅以夹送辊，保证 由于中频电感应加热装置功率较大，一般情况下只对热加工温度范围窄的材质使用，生产其他产品时，使用空过辊道，以节省电能。 2.3精密轧制技术 合金钢棒线材轧机除了使用高刚度无扭轧制技术外，棒、线材减定径机组作为在线产品质量控制的一个重要方面，也越来越受到厂家重视。 棒材减定径机组通常为3—5架，前两架用于轧件延伸变形，后几架用于轧件定径。4机架轧机的孔型为椭-圆-圆-圆系统。使用减定径机组后，产品的尺寸公差可控制在±0.1mm内，甚至达到±0.05mm，椭圆度可控制在60％-80％，达到二次冷加工时所能达到的公差值，因此可省略或简化一些机械加工工序。 目前有二辊定径机和三辊、四辊减定径机组。 四辊减定径机有4个轧辊(2个传动辊，2个被动辊)，4个轧辊成90°，轧辊为碳化钨辊环，可自动调整辊缝，整机架更换轧辊。通常2架、3架或4架成一组，轧机呈垂直-45°-垂直-45°布置，由调速电机单独传动。四辊减定径机已在实际生产中使用，但因其供货套数较少，对其尚缺乏更深的认识。 二辊式定径机(因各公司专利不同而称RSB、HPR或TEKISUN轧机等)通常由平/立/平3架高刚度轧机组成，孔型系统为椭-圆-圆，采用小压下量轧制，起定径规圆作用。由于其设备结构相对简单，造价较低，因而在一些生产线上得到应用，但因变形量较小，故不利于进行热机械轧制。 三辊减定径机主要指KOCKS轧机，其3个轧辊互成120°，通过1台电动机驱动。最新一代的KOCKS三辊轧机具有下列特点：(1)液压预应力机架，碳化钨辊环，轧机刚度高；(2)轧辊可由偏心套径向同步调整和轴向调整；(3)轧辊和导卫遥控调整，调整方便，仅用3-5min；(4)整机架换辊，换辊时间5min； (5)轧辊和导卫装置在轧辊间可由计算机辅助设定和调整，因而KOCKS三辊减定径机具有轧制产品尺寸精度高，表面质量好、可实现低温控轧工艺、生产效率和灵活性高，适应于合金钢多品种生产的特点，近年来应用较多。 为解决线材高速轧制时轧件过大的温升对提高轧制速度的限制，并提高轧件精度，近年来，将高速线材轧机的10架无扭机组拆开分2组布置，其间设置水冷段，有的还增设切头飞剪。机架总数多增至12(8+4)架，前8架压下，后4架减定径。其主要特点：(1)最小产品规格可达φ5.0mm，甚至更小；(2)产品尺寸精度提高至±0.05mm，椭圆度达0.1mm；(3)简化孔型系统，可实现设定直径±0.3mm范围内自由规格轧制，减少轧辊库存量；(4)可准确控制精轧温度，有利于低温(至750℃)轧制，改善产品冶金、力学性能，有利于合金结构钢、弹簧钢和轴承钢等缩短热处理周期，甚至替代热处理。 2.4低温精轧技术 低温精轧是在成品轧制的最后2-4道次，控制轧件温度(在Ar3附近)和变形量，改善产品组织和性能的一种控制轧制方法。 低温轧制(开轧温度约950℃)是一种能节省能源、细化晶粒、减少烧损和金属脱碳的有效方法。但是，一方面受设备等因素制约，另一方面采用低温轧制，变形组织不易发生回复再结晶，铸坯组织中的金属夹杂物和偏析组织在变形中形成“带状组织”更趋严重，材料性能趋向性增大，对疲劳韧性影响较大，所以，该技术正在推广和不断完善中。 另一种控轧方法是在最终成品道次前的几架轧机对轧件进行控冷后，再进行轧制，以使轧件在精轧前即具有较细的晶粒组织，精轧后晶粒得到进一步细化，进而改善产品的组织和性能。但是，此种方法必须在水冷后至轧制前留有足够的等温空间，以使轧件断面上的温度均匀，否则轧后将出现“混晶组织”，影响产品性能。而这往往受轧线长度和投资等的限制，在具体轧线上实施很困难。因此，在粗、中、预精轧机组中采用与常规轧制工艺相同的轧制温度，使轧件进入最终轧制前是完全的再结晶组织，而在最后几道次对轧件的温度和变形量进行控制，以直接影响产品的最终组织，这即为低温精轧的关键。 低温精轧工艺设备的布置，根据轧制产品的品种、轧制速度和轧件直径，在中轧或预精轧机组出口布置2段水冷箱，并留有45-50m的等温恢复辊道；同时，在轧机出口侧布置1-2组冷却水箱，进行产品轧后控制冷却。对于大规格产品(≥φ36mm)，由于轧件温度恢复均匀时间较长，为节省空间，冷却水箱可布置在中轧机组之前；在生产小规格产品时，冷却水箱可空过，而生产大规格产品时，其后机架依次甩掉，轧件即可采用穿水冷却工艺，以节省投资。 为了保证工艺的稳定性和产品的质量，目前已经开发了专门的控制冷却系统，由计算机统一进行闭环控制。根据生产产品的钢种、直径和轧制速度，计算机选用不同的冷却参数，通过调节水量，来调节轧件的冷却温度。低温精轧的另一个参数为变形量。2道次、4道次低温轧制的截面压缩率分别应在24％-31％、46％-57％。而在更多道次中采用低温轧制，由于变形温升和积累的变形能增加，会使轧件内部发生局部动态再结晶进而导致晶粒组织不均，所以应予避免。 2.5单一孔型轧制和“自由尺寸”轧制技术 由于棒线材轧机配有减定径机组，棒、线材全部规格都采用从减定径机组轧出，因此产品精度高。更换规格时，只需调整或更换减定径机的轧辊和孔型，其上游轧机依次空过，即可进行生产，更换规格时间短，效率高，导卫装置和生产备件也少。 “自由尺寸”轧制：当采用减定径机轧制时，仅调整减定径机的辊缝，即可生产相邻规格产品，因而可大大缩短更换产品规格的时间。对于KOCKS三辊轧机，产品直径调整范围达到产品名义直径的9％；对于线材TEKISUN减定径机，“自由轧制”尺寸范围达±0.3mm。 采用“自由尺寸”轧制，可大大减少孔型数量和机架更换次数，减少备用轧辊和导卫装置数量；而且可大大提高轧机生产率，并保持较高的产品精度。 单一孔型轧制和“自由尺寸”轧制技术都是通过改进工艺操作来提高生产效率，降低生产成本，因而适合合金钢多品种生产的需要。 2.6直条棒材在线缓冷技术 在现有国内生产车间中，直条棒材缓冷收集有多种方法，如冷床人口分段飞剪切成定尺长度后直接在冷床输入辊道人口侧或出口侧收集；在冷床入口侧设置专用快速通过冷床，经分段后的棒材快速送往冷剪或砂轮锯定尺分段，再送往缓冷收集处收集。前一种方法设备简单，但实际操作中受轧制速度和棒材人箱排放不好的影响，很难正常操作；后一种设备较多，但受投资和场地限制，实施有一定困难。 目前又设计了一种缓冷收集方式，即轧件上冷床采用较短的倍尺长度，快速通过冷床后由冷剪或砂轮锯定尺分段，直接由设在定尺机后的缓冷收集箱收集缓冷。 根据设计结果，在轧件人冷床温度为950℃、定尺长度为6m，倍尺长度为36m的情况下，φ20mm以上棒材进缓冷箱的温度可保持在470℃左右，即可满足马氏体棒材缓冷要求。 这种缓冷收集工艺为：链式输送机把定尺剪后的成层棒材依次送往半开盖的缓冷箱。当收集到规定数量后，挡块升起以挡住后续棒材继续进入缓冷箱。然后缓冷箱移出，箱盖闭合，准备好的空箱移到收集位置。为了减少棒材间的擦伤和使装箱收集整齐，设置了专门的导向装置和合适的缓冷箱内耐火材料形状。 2.7直条棒材在线刷毛刺技术 当出冷床的倍尺棒材由砂轮机定尺分段后，成层棒材的两端头都留有金属飞刺，给打捆成型和后续精整工序等带来很大不便。在线去除毛刺，不但捆形外观整齐美观，而且可简化其后的精整工序，有利于提高棒材包装质量。
去毛刺是在横移输送台架上设置的去毛刺机上进行的，根据棒材直径大小，采用2种去毛刺 2.8线材在线散卷固溶处理 对于最终使用质量要求不是很严格的奥氏体不锈钢，如弹簧、钢绳和一些要求强度高而韧性要求不很高的产品，以及作为最终热处理前的预处理工序，都可采用在线散卷固溶处理。 上海宝钢五钢公司采用的散卷固溶处理方式为：在摆动段辊道后的辊道上、下方设置一段高压水喷嘴，长约10m。当线圈进入喷淋段后，辊道上、下方同时喷水，使此时组织为奥氏体的线圈快速冷却而达到固溶的要求。用后的冷却水在辊道下方收集，由泵提升送至水处理站循环使用。 这种直接利用轧制余热进行的奥氏体不锈钢固溶处理，对于某些钢种可作为最终热处理，也可作为有高质量要求钢种的预处理而缩短最终固溶处理时间，因而可节省能源，降低成本。 2.9奥氏体不锈钢盘卷在线环型炉固溶处理 为了充分利用轧制余热，减少离线固溶处理二次加热的能耗，得到良好固溶状态的奥氏体不锈钢盘卷，采用了在线环型炉处理工艺。
奥氏体不锈钢热装盘卷在环型炉的热处理能力为60t/h，与轧线生产能力相匹配。热装盘卷
环型炉固溶热处理工艺流程：收集好的热态奥氏体不锈钢线材盘卷或卷取好的大盘卷由环型炉装料机将盘卷送人环型炉中，盘卷在炉中加热并保温至1050-1080℃，之后由卸卷机取出， 在线热处理炉的特点：(1)节省能源，降低生产成本；(2)缩短产品交货周期；(3)盘卷与炉子间无相对运动，可避免盘卷划伤。 2.10 不锈钢盘卷酸洗技术 目前大部分市场要求不锈钢盘卷酸洗后交货，而国内不锈钢盘卷生产厂现有酸洗工艺技术和能力与轧机不配套；为了保证生产工艺的完整性和用户对不锈钢盘卷交货的要求，配套建设不锈钢酸洗线也是一个不可或缺的工序。 传统不锈钢酸洗采用氢氟酸/硝酸的混酸酸洗工艺，酸洗速度和质量较好，但在废水排放中有硝酸盐、亚硝酸盐和6价铬，并有NOx气体产生，而这些污染物对环境影响很大，治理需很大投资，为此，国外开发了新的CLEANOX酸洗工艺，采用CLEANOX专利酸洗剂和硫酸，不采用硝酸，既可加快酸洗速度，又不降低产品酸洗质量，而且，酸洗总成本费用低于传统酸洗费用。但由于CLEANOX酸配方为专利，只能从德国Henkel公司采购，目前这种酸洗的应用范围还不广泛，对其效果有待进一步证实。 目前不锈钢酸洗线多采用隧道式全连续、全封闭布置，盘卷在处理过程中包括定位、在槽处理时间等全部实现了自动控制，从而保证了酸洗产品表面质量和作业环境，提高了机组作业率。此外，综合考虑了废酸再生和污染物处理，注意了对环境的保护。 3、结语 我国轧钢技术发展的重点是继续坚持品种结构调整方针，树立精品意识，努力开发市场急需的高附加值产品，把主要精力放在产品更新换代和以产顶进上。据此，今后我国棒线材轧机改造的任务还很重。 目前我国棒线材生产总体上是普通棒线材在数量上、技术水平上都有了很大提高，今后生产能力的形成主要是竞争复二重轧机的市场和降低生产成本；而合金钢棒线材生产的技术水平相对发展较慢。新建工艺完整、技术装备水平高的生产线是提高产品质量和应用新技术的一种理想途径，但是，由于合金钢生产工艺复杂，建合金钢生产线投资高，完全靠新建是不现实的。所以，各生产厂家应结合各自的实际情况，开发和利用高新工艺技术，逐步改造和完善合金钢生产线，提高产品质量；同时，由于高新技术发展很快，新技术、新工艺将得到不断地开发和应用，因此，了解和认识新的生产工艺技术，掌握轧钢技术发展方向，是每个轧钢工作者共同关心的课题。 (作者：中冶京诚工程技术有限公司张增全） |
