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热轧带钢中热轧卷板轧制的重要方面


热轧带钢中热轧卷板轧制的重要方面

用200毫米以上的连铸板生产热轧带钢。在扁钢轧制过程中,将厚板转变为厚度只有几毫米的薄板是最重要的阶段。这些操作是在热轧带钢(HSM)中进行的。热轧卷板是为了便于搬运和运输而采用卷形生产的加长钢板/板(带材)。

目前的带钢热连轧机既可以是传统的热连轧机,也可以是生产连铸薄板的带钢轧机。传统HSM的主要功能是再热半成品板轧制温度,然后把它们卷薄,再通过一系列的轧机由大型汽车和最后卷起来延长钢板/板(带)的简单处理和运输。

在20世纪60年代和20世纪70年代,HSMS设计为完全连续的轧机或三分之一连续铣刀,其中包括5到7个粗糙的铣削架。现今的工厂实现年度生产范围300万吨(MT)和5.5米的半连续设置,1到2个粗糙的立场。

条带厚度为高达25毫米。热轧线圈在卷取卷上的内径为750毫米,外径高达2,600毫米,线圈重的限制为每毫米宽度为22千克。热轧线圈用于冷轧,条带切割成较小的宽度线圈并剪切成直线板/板。用于滚动热轧线圈的HSM的范围在最近几十年中经历了显着的变化,热轧条带的最小厚度从1.8毫米降至0.8mm至1.2mm。早期在冷轧机中仅生产这种厚度的条带。

高速切削机床要满足几个要求。这些要求是(i)高轧机可用性与高生产率和高产率,(ii)低维护,(iii)低能耗,(iv)通过满足紧密的厚度和型材公差来提高产品质量,以及(v)灵活的轧制计划以确保短交货时间和小批量的经济轧制。



常规热连轧机的基本设备包括加热炉、粗机架、精加工机架、带钢加速控制冷却(ACC)和卷取机(图1)。在离开粗机架后,板坯连续通过精加工机架,从而逐渐减少厚度。随着钢变得越来越薄,它也变得越来越长,并在轧辊中移动得更快。因为同一块钢的不同部分以不同的速度通过不同的轧辊,这个过程需要计算机非常密切地控制每个机架的每个轧辊的速度。当它到达轧机的末端时,钢可以以20米/秒的速度移动。当长钢带从带钢轧机出来时,它被卷起来,让它冷却。

图1热轧带钢典型布局

间间设施对具有良好表面质量的热轧带材也非常重要。重要的间间设备包括(i)进入引导和出口引导件,(ii)工作辊冷却系统,(iii)抗剥离装置,(iv)辊隙润滑系统,(v)间静止冷却和除垢系统。在实现最佳结果的情况下,所有这些设施的密切相互作用是必要的。具有液压宽度调节的侧护罩可确保在最短时间内进行精确定位。条带引导区设计成使得所有佩戴部件都可以快速更换。

通过优化的喷嘴的选择和布置,改善了间接冷却效率。辊间隙冷却,辊隙润滑和改进的出口侧冷却系统的组合降低了辊温。这导致辊表面上的较薄的氧化物层,其工作卷剥离较少。辊隙内部的润滑最小化摩擦,因此使滚动力降低20%至30%。以这种方式,可以重新分配用于优化通过时间表和更薄的最终条带仪表的滚动力。添加到这方面,防止支架中的抖动或振动,从而导致更长的卷营养服务。

热轧线圈在线圈的未磁盘上产生薄片或板,矫直和剪切在剪切线上到直线长度的所需长度。这些薄片或板通过其宽度识别,比其厚度高几倍。它们具有矩形部分,其中长度和宽度恰好是厚度的100倍以上。片材定义为厚度高达5mm的矩形部分。厚度为5mm,更高的长度称为板块。

热轧卷在高速轧制有几种钢的牌号。除了低碳钢、高碳钢和冷轧用钢等常规钢材外,在高速切削加工中还生产特殊钢的热轧卷材。高速钢还可以生产线管钢、DP(双相)钢、TRIP(相变诱导塑性)钢、HSLA(高强度低合金)钢、IF(无间隙钢)和硅(Si)钢等特殊钢的热轧卷材。

现代高速加工通常具有(i)高性能的设备,(ii)带钢表面的高质量和精确的尺寸,(iii)钢材的机械性能提高,(iv)轧机和设备的高生产率,(v)高可用产量,(vi)低生产成本。在高速切削精轧机中,一个重要的任务是由一个叫做活套的液压臂来完成,它位于两个连续机架的中间,其目的是保持带钢张力在一个恒定值。这一机械系统是特别不稳定的动力学,使控制问题棘手的高速切削。

HSM中滚动条带滚动的关键目标之一是在离开磨机的条带的冠和平坦度方面实现具有最佳质量的目标厚度。在厚度降低期间,在条带宽上具有恒定的减小是非常重要的,以便在条带的中心和边缘之间具有均匀的伸长率。如果不满足这种情况,则产生内部应力条件,导致平坦度缺陷(中心扣或波浪边缘)。

近年来,随着钢用户对更高的成品率、流程化和自动化的需求日益增加,热轧卷板有望满足这些要求。正因为如此,对热轧带钢的质量要求变得更加严格,不仅对钢材的性能要求更高,对厚度、宽度、平整度、型材等尺寸和形状要求也更高。

轧制带钢的形状由其横断面轮廓(凸度)和其平整度表征。带钢形状精度是决定热轧带钢质量的一个重要参数。带钢形状是决定带钢市场竞争力的重要因素。带钢形状是衡量带钢质量的关键指标,因此板形控制技术是热轧带钢生产的核心技术。在高速轧制过程中,影响带钢形状的因素很多。图2显示了带钢沿宽度的分布,包括带钢凸度(表示带钢中心高度)、由轧辊局部磨损引起的高点和边降。为了满足这些要求,需要复杂的技术来轧制热轧卷在高速轧制。

图2了热轧带材的典型轮廓

高速钢的第一个主要操作是板坯的再加热。当板坯离开铸坯区时,温度在900℃以上,板坯在板坯场等待,然后被送入加热炉,板坯的温度降低,在100℃到800℃之间波动,此板坯为暖板坯。该板坯在送入加热炉前,先在板坯堆场内冷却至室温,称为冷板坯。

该工艺及其操作对加热炉具有重要意义。加热炉的运行对金属收率、环境排放和成本都有重要影响。在将板坯轧制成热轧卷板的可变成本中,大约30%花在了燃气上。在加热炉板坯再加热过程中,通过在加热炉内加装高温板坯(即热装),并尽可能降低必要的再加热温度,大大降低了对燃料能量的需求。后者是通过减少热轧过程中的热损失来实现的。使用加热板可以减少辐射损失。当喷洒水时,如在除鳞的情况下,还需要注意对流损失。

重要的问题在加热炉的加热板,(我)有直接接触火焰加热炉中氧化板表面产生通常大约1%的物质损失由于结垢,和(2)的惯性加热炉很高。由于板坯温度的变化而调整加热炉的运行需要时间。排放温度只能逐渐改变。

再加热炉不适用于精确的板坯,与瞄准进入和出口精加工研磨温度相对应的放电温度的平板调节。这种缺乏灵活性是在再加热炉中加热板坯期间的缺点。由于不可能将放电温度从平板变为板坯,因此通常将连续的板坯加热到足够高的温度以容纳需要最高放电温度的板坯。这通常是将要滚动到小厚度(即高热量损失)或高结束轧制温度的板坯。结果,序列中的其他板坯被加热到更高的温度,而不是所需的温度。这不仅会导致太多的能量输入到板坯中,而且它也会影响生产率,因为板坯要在滚筒台上等待冷却。因此,在再加热炉中有能量的支出,并且还存在滚动能力。HSM中提供的设施以克服再加热炉缺乏灵活性是(i)转移杆冷却,和(ii)感应加热。

热轧带钢轧制过程中适用的基本概念是:(i)轧辊与被轧制材料之间的接触弧是圆的一部分,(ii)摩擦系数在理论上是常数,但实际上它沿着接触弧变化,(iii)的材料被认为在轧制变形可塑性,滚(iv)材料的体积是不变的前后滚动(在实践中体积可以减少一点由于毛孔的特写),(v)的速度滚是假定为常数,(vi)材料只在轧制方向上延伸,在材料宽度上没有延伸,(vii)与轧制方向垂直的横截面积没有变形。

在带钢高速轧制过程中,影响轧制过程的主要变量是(i)轧辊直径,(ii)材料受冶金、温度和应变率影响的变形抗力,(iii)材料流动应力,(iv)轧辊与被轧制材料之间的摩擦,以及(v)带钢平面上的前张力和/或后张力的存在。

高速轧制带钢是一个复杂的过程,产品的质量受到一系列因素的影响,如进料、机电设备、操作参数、润滑、自动化和控制策略等。重要的质量参数是材料厚度、材料形状和表面以及应力分布的均匀性。为了优化成本效率和最大限度地利用材料,有必要对厚度进行严格的公差,以使带材轧制尽可能接近最小允许厚度。只有将机械、电气、仪表设备以及控制策略解决方案有机地结合起来,才能有效地优化产品质量。

有几个因素影响线圈的生产的调度。这些是(i)产品质量规范,(ii)工艺效率标准,(iii)生产力和(iv)目标交付截止日期。每个板块具有几个重要的特性,如宽度,厚度,等级(化学成分),充电温度,降温温度,骨料力(减小板坯厚度所需的力),并测量(条带的所需厚度)制作),其中。最重要的限制需要四个方面的平滑变化即(i)宽度,(ii)骨料,(iii)仪表,(iv)在再加热炉中的停留时间。

轧制规程对带钢高速轧制起着决定性的作用。传统上,最重要的因素是轧机内轧辊因磨损和热膨胀引起的型材的演变。由此产生的“棺材”时间表,这意味着开始窄,迅速建立到更宽的材料,因为热冠对轧辊增加,并逐渐退色回窄,因为轧辊磨损。

轧制规程对轧机的生产能力有重要影响。轧制规程包括减速、速度和温度规程。缩减计划决定轧制孔型和每个孔型的缩减量。速度计划决定咬入速度,通过速度和最大滚动速度没有变化的加速度和减速的电机。温度表根据开始轧制温度,通过冷却水流量来控制轧机房的温度差和终轧温度。轧制规程中重要的问题是(i)带钢的形状良好,凸度满足规格要求;(ii)轧机的成品率;(iii)带钢的良好性能。轧制规程是为了保证在高速加工中生产的带钢满足带钢的尺寸、综合性能和显微组织要求。

高速钢的工作辊能够承受极端的使用条件。离开加热炉,板坯的温度大约是1250度C .滚动期间,由于接触地带,轧辊表面从50摄氏度升温至80摄氏度(静止的条件),高温(500摄氏度至600摄氏度在初始站)仅在1秒,水会在4秒内将其冷却到80摄氏度。这些热变化促进了严重的热疲劳循环,影响深度为1毫米至2毫米。纵向和周向压应力的产生是由于轧辊表面加热,直到轧辊表面塑性屈服(高温屈服强度和合金的热膨胀系数决定了这一点)。在冷却周期的一半,拉伸应力产生和进一步屈服发生。图3显示了工作辊表面的热应力。

图3工作辊的热应力及其影响

工作辊上的热应力非常高,在短时间内,裂缝的模式显现出来。这些裂缝在初始支架处的卷中大部分深处,但在最后一整理台上大部分浅(图3)。由于在工作辊和备用辊之间的接触中的每旋转中产生的高应力,这些火裂纹也会生长和分支(赫斯氏辊均高于2,000MPa)。随着条带冷却与轧机的不同支架的卷有接触,赫兹·强调随着轧制载荷而增加。

此外,工作辊表面还遭受氧化和磨料磨损过程。磨损是由压缩轧制载荷与辊与带钢沿接触角滑动联合产生的,特别是由带钢表面氧化鳞的存在产生的。该量表由三层组成,外层为Fe2O3,中间层为Fe3O4,内层为FeO,室温平均硬度分别为1000 HV、450 HV和350 HV。此外,这些层的厚度依赖于带钢温度。在1150℃至1250℃的粗加工台架下的带钢具有大量的研磨性Fe2O3垢,而在850℃至950℃的最后精加工台架下,以软FeO垢为主。这是在高速切削机床的不同机架上观察到不同磨损模式的主要原因。

此外,高速碰撞与冷的领先和后边缘的带钢发生每2分钟至3分钟。此外,工作辊还可以承受弯曲和扭转应力,在滚动颈附近达到最大值。

HSM中的工作辊性能取决于在达到最小辊直径后滚动丢弃时每毫米轧制的吨。每次滚动后,它也取决于所需的磨损量或敷料。在运行结束时,工作辊的表面被非破坏性检查,然后研磨以消除所有缺陷(表面裂缝)和最外层劣化的层。在此之后,在安装在磨机中之前再次检查辊。使用每个工作辊对,直到实现最小直径。因此,轧机中轧制辊行为的任何改善都会对主要成本方面的直接影响。这是因为(i)更好的条带质量(表面和形状),(ii)更高的生产率(丢弃前轧制),(iii)减少滚动辊变化和下辊库存的数量,(iv)改善的工作条件HSM滚动辊。

提高带钢力学性能的方法有多种。这些方法包括合金化、热处理、控制轧制和加速控制冷却。提高带钢质量最有希望的方法是采用加速控制冷却(ACC)控制轧制。在ACC过程中,通过冷却环境(水)除去提供给带钢热表面的热量,从轧制热量中进行冷却。在这种情况下,在带钢表面加水的方法和加水速度对带钢的最终性能有很大的影响。

ACC系统被设计为一个层流系统,在顶部和底部,包括一个线侧头罐系统。冷却区域分为银行所需的冷却由强化冷却银行更快的冷却,正常冷却银行定期冷却,冷却银行良好的温度控制以达到所需的冷却模式和卷取温度的DP钢和旅行。层流冷却和边缘屏蔽系统的结合防止了带材边缘的过度冷却,从而最大限度地减小了带材宽度上的应力差。

在HSM中处理板坯到热轧带材过程中涉及的几个步骤是复杂的并且涉及机械和自动化技术。HSM中的条带热轧不仅需要机械解决方案,还需要适当的控制技术。在HSM中轧制过程可以控制在标准软件和自动化架构中,包括四个自动化级别,即分别为0,1,2和3。

在过去的40年到50年里,高速切削的先进控制和建模解决方案的使用在不同的方向上得到了几个发展。这些包括(i)多变量控制技术的使用,自20世纪70年代就被提出用于精轧机,现在它被认为是控制通用机架与下游活套或下游卷筒的统一工具,(ii)开发各种模型,以根据材料温度和轧制过程预测材料特性,并应用控制来调节卷取温度,(iii)开发用于补偿摩擦现象的先进控制技术,(iv)开发模型和控制器,以改善材料的平整度和轮廓,以及(v)开发转向控制技术,最近已引入,以提高生产力水平,减少鹅卵石的可能性。

可靠的自动化系统对于工厂的机械和液压设备的高性能是必要的。自动化系统是决定研磨机设置,该机械设置计算高质量带的滚动时间表,考虑到磨机限制,能耗,设备劣化以及轧机生产率。滚动时间表由每个板的数学模型计算,以便考虑到磨机固有的方差,例如,进入研磨机的两个本构板之间的温度差异以及其影响差异对实现相同的最终厚度所需的滚动力,或者工作辊的磨损通过板坯滑动,并且其轧制厚度的厚度的影响。

自动化系统并不是高速切削性能的唯一决定因素。然而,对于任何给定的机械和电气设备配置,只有通过高性能控制和自动化才能实现轧机的潜在性能。自动化系统的基本数据包括(i)入口板的几何和物理数据(尺寸和钢质量),(ii)带钢的目标数据(厚度、宽度、温度和型材等)和(iii)轧机数据和高速切削的极限。

高速切削加工中应用的自动化技术通常分为0、1、2、3四个级别(图4)。为了达到最佳性能,所有这些自动化级别需要分层协作。为了达到最高的生产效率水平,需要在磨机中实现一系列的控制技术、物理现象的数学模型和优化算法。

图4热轧带钢自动化水平

为了考虑轧机固有的方差,1级自动化系统和致动器的参考资料由每个要轧制的带钢的数学模型计算。例如,可能有可能两板之间的温差进入磨机,以及这种差异对轧制力的影响需要达到同样的最终带厚度、或一个工作辊的磨损是主题,由带带,它对带钢厚度的影响。

二级自动化特别注意跟踪带钢从板坯进入轧机到热轧钢卷生产和离开高速钢的时间。跟踪每条被轧制的带钢需要考虑整个轧机的所有带钢。它能够测量采集和管理所有的操作,其中轧机设置和适应是运行。有三个因素有助于工厂的建立。这些是(i)滚动策略,(ii)数学模型和(iii)模型采用。

第3级主要作为热轧带钢的调度程序。它取轧机的订单簿,并将其组织成轮,通常是100到200个工件,这些工件符合为轧机制定的调度规则。以及HSM本身,三级考虑上游和下游过程和库存区域。在高速切削加工中使用的调度规则基本上是一个轧机的全局模型,它使调度程序能够在轧机设备施加的约束下组织round,从而达到所需的质量参数。


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