亓海燕,張同同,高振民,王俊海
(山東泰山鋼鐵集團(tuán)有限公司,山東 濟(jì)南 250000)
爐卷軋機(jī)由一架或多架可逆式四輥軋機(jī)和左右兩個(gè)卷取爐組成,采用卷軋、加熱保溫和可逆的方式軋制,具有適合小批量生產(chǎn)、生產(chǎn)靈活、節(jié)省資金和占地面積等特點(diǎn)。爐卷軋機(jī)特別適合生產(chǎn)難加工、軋制溫度區(qū)間窄的不銹鋼,因此最初作為不銹鋼專用軋機(jī),適宜的年產(chǎn)量在30~70萬(wàn)t。后期爐卷軋機(jī)不斷升級(jí)改造,吸收融合連軋機(jī)的新技術(shù),改進(jìn)和安裝新設(shè)備,逐漸發(fā)展成為現(xiàn)代化爐卷軋機(jī),產(chǎn)品質(zhì)量有了顯著提升,可生產(chǎn)的規(guī)格品種擴(kuò)大,除了生產(chǎn)不銹鋼板卷,還可生產(chǎn)高強(qiáng)鋼和專用板卷,可用于取代中厚板軋機(jī)[1-2]。泰鋼爐卷軋機(jī)的改進(jìn)是其中比較有代表性的例子,泰鋼將爐卷軋機(jī)與連軋機(jī)結(jié)合起來(lái),組成極有特色的爐卷軋機(jī)+三連軋的布局方式,發(fā)揮了二者共同的優(yōu)勢(shì),板形控制能力大大增強(qiáng),產(chǎn)品質(zhì)量較好和厚度規(guī)格增多,生產(chǎn)的碳鋼尤其是不銹鋼產(chǎn)品出類拔萃,馳名中外。本文簡(jiǎn)單敘述了爐卷軋機(jī)的發(fā)展?fàn)顩r、技術(shù)特點(diǎn)、布置方式等內(nèi)容,為廣大中小鋼鐵企業(yè)發(fā)展板帶生產(chǎn),走“品種與質(zhì)量”之路提供參考。
世界上第一臺(tái)爐卷軋機(jī)在20世紀(jì)30年代建于美國(guó),之后爐卷軋機(jī)的發(fā)展幾經(jīng)興衰。爐卷軋機(jī)第一次得到鋼鐵工廠的重視是在20世紀(jì)50年代,當(dāng)時(shí)特殊鋼的生產(chǎn)得到發(fā)展,世界共建有20臺(tái)左右爐卷軋機(jī),這對(duì)帶鋼的生產(chǎn)發(fā)揮了重大作用。之后隨著世界鋼鐵市場(chǎng)需求的變化,爐卷軋機(jī)的發(fā)展也隨之進(jìn)入停滯期或發(fā)展期。直到20世紀(jì)80年代后,爐卷軋機(jī)吸收連軋機(jī)的生產(chǎn)技術(shù),產(chǎn)品質(zhì)量提高,世界又新建8臺(tái)爐卷軋機(jī),其中包括6臺(tái)不銹鋼爐卷軋機(jī)。進(jìn)入20世紀(jì)90年代,爐卷軋機(jī)采用CVC、AGC及PC等技術(shù),生產(chǎn)控制穩(wěn)定性增加,產(chǎn)品寬度規(guī)格減少,厚度公差和板形有很大改善,質(zhì)量也有明顯提升,發(fā)展成為現(xiàn)代化爐卷軋機(jī),并可形成與連軋機(jī)互補(bǔ)的局面[1]。
大部分企業(yè)使用爐卷軋機(jī)來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的中厚板軋機(jī),國(guó)內(nèi)建有爐卷軋機(jī)生產(chǎn)線的鋼鐵企業(yè)主要有:安鋼、太鋼、南鋼、昆鋼、酒鋼、韶鋼、山鋼日照公司、泰鋼、中國(guó)臺(tái)灣Yieh聯(lián)合鋼鐵、江陰興澄特鋼、張家港浦項(xiàng)不銹鋼,其中安鋼、太鋼、南鋼、韶鋼、山鋼日照、江陰興澄特鋼產(chǎn)線生產(chǎn)寬板卷碳鋼,產(chǎn)品寬度規(guī)格可達(dá)3.52 m,可生產(chǎn)低合金鋼、造船板、管線鋼、壓力容器及鍋爐鋼、橋梁鋼等;酒鋼、中國(guó)臺(tái)灣Yieh聯(lián)合鋼鐵、張家港浦項(xiàng)不銹鋼生產(chǎn)線只生產(chǎn)不銹鋼,可生產(chǎn)200系、300系、400系不銹鋼等多個(gè)品種;泰鋼和昆鋼同時(shí)生產(chǎn)碳鋼和不銹鋼。
軋制厚度小于8 mm、寬度超過(guò)2 000 mm規(guī)格的鋼板時(shí),傳統(tǒng)中厚板產(chǎn)線和熱帶軋機(jī)產(chǎn)線生產(chǎn)難度大,卷取爐對(duì)帶鋼進(jìn)行卷取和保溫,因而軋制過(guò)程中可有效控制板帶的溫降,但鋼帶在卷取爐內(nèi)停留時(shí)間長(zhǎng),發(fā)生二次氧化,導(dǎo)致鋼帶表面氧化鐵皮厚,故爐卷軋機(jī)適應(yīng)小批量生產(chǎn)和多品種寬帶熱軋產(chǎn)品,特備適合生產(chǎn)慢節(jié)奏、不易氧化、難加工的不銹鋼和硅鋼等鋼種;另外,爐卷精軋機(jī)為可逆式軋機(jī),適應(yīng)各種厚度的板帶與不同壓下制度,生產(chǎn)較為靈活,生產(chǎn)效率較高,節(jié)省設(shè)備投資和占地面積;與傳統(tǒng)的中厚板軋機(jī)相比,爐卷軋機(jī)生產(chǎn)線產(chǎn)品尺寸公差更精確、機(jī)械性能也更穩(wěn)定,這種生產(chǎn)優(yōu)勢(shì)在競(jìng)爭(zhēng)激烈的板帶市場(chǎng)中增強(qiáng)了企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。
爐卷軋機(jī)主要由軋機(jī)本體、主傳動(dòng)系統(tǒng)、板厚與板形控制系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)、工作輥在線軋輥磨削裝置組成。兩個(gè)對(duì)稱分布的卷取爐是爐卷軋機(jī)的重要設(shè)備,主要作用是在軋制過(guò)程中按照設(shè)定的程序卷取板卷,爐內(nèi)加熱可補(bǔ)償板卷溫度,以滿足軋制要求。運(yùn)行時(shí),出口卷取爐的上導(dǎo)板抬起,下導(dǎo)板放下,板帶經(jīng)過(guò)精軋機(jī)軋制完第一道次后,經(jīng)過(guò)一對(duì)上下夾送輥和上下導(dǎo)板的引導(dǎo),帶頭插入該爐卷筒的槽口,槽口經(jīng)系統(tǒng)控制提前轉(zhuǎn)至零位等待,卷筒轉(zhuǎn)動(dòng),板帶纏繞成卷,當(dāng)帶尾軋制完后,帶尾由夾送輥制動(dòng)不會(huì)進(jìn)入卷取爐,而是反向進(jìn)行第二道次軋制,入口卷取爐的上導(dǎo)板抬起,下導(dǎo)板放下,帶尾再經(jīng)過(guò)上下夾送輥和上下導(dǎo)板進(jìn)入爐內(nèi)卷筒的槽口,卷筒轉(zhuǎn)動(dòng),板帶再次卷到卷筒上,依此重復(fù)軋制過(guò)程,軋到設(shè)定的帶鋼厚度后,入口卷取爐的上導(dǎo)板放下,下導(dǎo)板抬起,打開(kāi)通道,板帶穿帶進(jìn)入下一道工序。爐卷軋機(jī)及卷取爐示意圖見(jiàn)圖1[2-3]。
圖1 爐卷軋機(jī)及卷取爐示意圖
爐卷軋機(jī)生產(chǎn)線比較典型的布置方案見(jiàn)圖2[4]。
圖2 爐卷軋機(jī)布置示意圖
第一種方案是單機(jī)架爐卷軋機(jī)式:兩個(gè)卷取爐對(duì)稱分布,中間布置一架帶立輥的四輥可逆軋機(jī)。主要用于生產(chǎn)厚度規(guī)格為4.5~50 mm的中厚板,年產(chǎn)量30~50萬(wàn)t。例如安鋼3 450 mm、南鋼3 500 mm、韶鋼3 450 mm產(chǎn)線的布置。這種類型的軋機(jī)產(chǎn)線適合軋制100~150 mm厚度的板坯,軋制道次適當(dāng)減少,無(wú)需布置專門的粗軋機(jī)。由于只有一臺(tái)軋機(jī),因而相對(duì)投資較少,占地面積小。
第二種方案是雙機(jī)架串聯(lián)爐卷軋機(jī)式:兩個(gè)卷取爐對(duì)稱分布,中間布置兩架四輥可逆軋機(jī)和一架立輥軋機(jī)。世界上這種布置的爐卷軋機(jī)產(chǎn)線數(shù)量較少,例如昆鋼1 725 mm、捷克NOVAHUT1725 mm產(chǎn)線,年產(chǎn)量70~100萬(wàn)t。這種布置使軋機(jī)和卷取爐內(nèi)卷筒間及軋機(jī)間實(shí)現(xiàn)微張力控制,利于生產(chǎn)薄規(guī)格板卷;減少了卷取和開(kāi)卷的次數(shù),軋制效率提高,板卷長(zhǎng)度方向上的溫度和力學(xué)性能的均勻性也提高,氧化鐵皮減少,帶鋼表面損傷減輕[5-6]。
第三種方案是傳統(tǒng)布置形式:一架帶立輥的可逆四輥粗軋機(jī)后面布置一架帶兩個(gè)卷取爐的爐卷軋機(jī)??缮a(chǎn)不銹鋼或碳鋼板帶,年產(chǎn)量在80萬(wàn)t左右[7]。酒鋼1 500 mm產(chǎn)線等采用的這種方案。
第四種方案是五機(jī)架式:一架帶立輥的可逆四輥粗軋機(jī),后面布置一架帶兩個(gè)卷取爐的爐卷軋機(jī),緊跟著三架連軋機(jī),和第二、三種布置都適用于常規(guī)厚度板坯軋制。芬蘭Outokumpu1 800 mm產(chǎn)線最先使用這種布置[8],泰鋼1 800 mm產(chǎn)線在2015年也改用了這種布置。其主要目的是擴(kuò)大產(chǎn)量,年產(chǎn)能可提高至約110萬(wàn)t;其次是爐卷軋機(jī)本身固有的問(wèn)題導(dǎo)致板帶的厚度公差波動(dòng)較大,使用熱連軋機(jī)可改善板形問(wèn)題,均勻板帶厚度。
現(xiàn)代化爐卷軋機(jī)由于采用了熱連軋機(jī)的新技術(shù),產(chǎn)品質(zhì)量有了很大提高,板形和厚度的控制能力都有了大幅度增強(qiáng),但由于爐卷軋機(jī)本身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)固有的特點(diǎn),與熱連軋機(jī)相比,生產(chǎn)工藝和產(chǎn)品仍存在諸多問(wèn)題,比如帶鋼頭尾溫差大,性能不均,板坯厚度規(guī)格受限;產(chǎn)品表面劃傷、異物壓入等缺陷較多。
爐卷軋機(jī)產(chǎn)線的產(chǎn)品規(guī)格大部分都在3.0 mm以上,低于1.2 mm的板帶產(chǎn)品目前尚未見(jiàn)有報(bào)道,而熱連軋機(jī)已經(jīng)可生產(chǎn)0.8 mm厚的板帶。對(duì)冷軋來(lái)說(shuō)熱軋板帶越薄越好,這樣冷軋道次減少,成本降低,成材率也提高。這使得爐卷軋機(jī)與冷軋生產(chǎn)無(wú)法得到較好的配合。
造成這種現(xiàn)象的原因是板帶縱向(尤其是頭尾)與橫向溫度不均勻[9]。由于爐卷軋機(jī)本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),軋制時(shí)板帶頭尾不進(jìn)卷取爐,另外卷取爐內(nèi)卷筒溫度也低于板帶溫度,致使板帶未得到加熱保溫的一段長(zhǎng)度和纏繞到卷筒上的一段長(zhǎng)度溫度低70~80 ℃,而連軋機(jī)頭尾溫差一般在30 ℃以內(nèi)。這樣板帶頭尾溫度特別是頭部溫度過(guò)低,變形抗力大,AGC來(lái)不及反應(yīng),導(dǎo)致頭尾部過(guò)后一段鋼帶的厚度偏差大,板形也很差。同時(shí),板帶長(zhǎng)度方向的力學(xué)性能也因此不均勻。圖3為生產(chǎn)某鋼帶時(shí)測(cè)厚儀顯示結(jié)果,顏色越接近橙色表示板帶厚度偏差越大,越接近綠色表示板帶厚度越均勻。由圖3可見(jiàn),鋼卷頭部長(zhǎng)度約20 m的范圍內(nèi),厚度偏差較大,鋼卷橫向上厚度也不均勻。
圖3 測(cè)厚儀顯示鋼卷厚度和板形照片
對(duì)于爐卷軋機(jī)生產(chǎn)線的產(chǎn)品,其表面質(zhì)量常見(jiàn)的問(wèn)題就是麻面缺陷(見(jiàn)圖4)。當(dāng)異物落入并被壓入板帶表面后,異物黏附在表面或脫落,形成暗面或亮面麻面缺陷。造成這種缺陷的原因有很多:①加熱爐的溫度一般為1 100~1 250 ℃,板坯在加熱爐內(nèi)會(huì)形成一層厚約0.5~1.0 mm的氧化鐵皮,經(jīng)過(guò)高壓水除鱗后,氧化鐵皮有殘余,尤其碳鋼的氧化敏感性遠(yuǎn)大于不銹鋼(碳鋼在整個(gè)軋制過(guò)程中不停生成氧化鐵皮),并且板帶在進(jìn)入卷取爐內(nèi)加熱保溫時(shí),也會(huì)生成氧化鐵皮,板帶由下上導(dǎo)板進(jìn)入卷取爐槽口時(shí)與卷筒摩擦,氧化鐵皮粘到卷筒上,使卷筒表面形成較多積瘤,板帶頭尾與導(dǎo)板接觸時(shí)導(dǎo)板也會(huì)粘到少量氧化鐵皮,再次軋制時(shí)這些氧化鐵皮可能脫落;②由于爐卷軋機(jī)的固有特性,卷筒長(zhǎng)期處于800 ℃以上的高溫環(huán)境,盡管其材質(zhì)為耐熱鑄鋼,但仍會(huì)發(fā)生氧化,形成一層表面氧化層,氧化層可能脫落;③爐卷軋機(jī)有兩個(gè)卷筒,卷筒內(nèi)襯為耐火材料制成,在使用過(guò)程中由于軋機(jī)振動(dòng)等原因,導(dǎo)致耐材脫落。
圖4 板帶頭尾麻面照片
頭尾劃傷是爐卷軋機(jī)板卷產(chǎn)品的另一大缺陷(見(jiàn)圖5)。因?yàn)榘鍘ь^尾進(jìn)、出卷筒槽口時(shí),需要從卷取爐下、上導(dǎo)板滑過(guò),導(dǎo)板上沒(méi)有類似輥道的可轉(zhuǎn)動(dòng)輥,板帶頭尾與導(dǎo)板全部為相對(duì)摩擦,該過(guò)程中有大概率產(chǎn)生劃傷缺陷。
圖5 板帶頭尾劃傷照片
屈服420級(jí)別以下的卷軋板帶,頭尾麻面與劃傷缺陷長(zhǎng)度基本在9 m左右,并隨著板帶強(qiáng)度升高,板帶頭尾麻面的長(zhǎng)度也隨之增加,管線鋼、高強(qiáng)板和鎳系鋼的缺陷長(zhǎng)度最大能達(dá)到15 m。卷軋板帶頭尾麻面與劃傷缺陷的改判比例非常大,比如南鋼爐卷軋機(jī)產(chǎn)線一件200 m的軋件,普板卷軋頭尾麻面劃傷改判長(zhǎng)度為18 m,改判率為9%,高強(qiáng)板卷軋頭尾麻面劃傷改判長(zhǎng)度為30 m,改判率為15%,不僅影響非計(jì)劃指標(biāo),還會(huì)影響合同兌現(xiàn),給企業(yè)造成較大損失。
板帶經(jīng)過(guò)卷取爐和卷取機(jī)都可能出現(xiàn)擦傷缺陷(見(jiàn)圖6)。這是因?yàn)樵诰砭o和開(kāi)卷過(guò)程中,板帶所受的軸向力或環(huán)向力大于板帶層與層間的靜摩擦力,層與層間發(fā)生相對(duì)滑動(dòng),因而在彼此接觸的點(diǎn)或面上產(chǎn)生一定深度的擦傷(見(jiàn)圖7)。爐卷軋制時(shí)使用活套壓制板帶,控制板帶運(yùn)行速度;精軋結(jié)束后一般要求尾部低速拋鋼,來(lái)減輕擦傷的程度和范圍。
圖6 板卷擦傷原理示意圖
圖7 帶鋼表面擦傷照片
其他還有頭尾穿帶過(guò)程中存在失張,容易出現(xiàn)鐮刀彎,剮蹭側(cè)導(dǎo)板;鋼帶在卷取爐內(nèi)停留時(shí)間長(zhǎng),鋼帶表面發(fā)紅;導(dǎo)板黏結(jié)的氧化鐵皮硌傷板帶頭尾等問(wèn)題,此處不再一一詳述。
爐卷軋機(jī)最開(kāi)始使用時(shí)由于本身設(shè)計(jì)上的瑕疵,再加上操作技術(shù)較為落后,生產(chǎn)的板帶表面質(zhì)量差,厚度偏差大,板形也很差,19世紀(jì)80年代后問(wèn)世的爐卷軋機(jī)不斷升級(jí)改造,使用了許多連軋機(jī)工藝與設(shè)備方面的新技術(shù),盡管其本身固有的問(wèn)題短時(shí)法得到根本解決,但生產(chǎn)的板帶產(chǎn)品質(zhì)量已經(jīng)有了很大改善,生產(chǎn)穩(wěn)定性及對(duì)厚度和板形的控制能力大大提高。
為使用爐卷軋機(jī)生產(chǎn)更薄規(guī)格的產(chǎn)品,需要改善或解決板帶頭尾溫差大的問(wèn)題,常規(guī)措施有增大壓下量以減少卷取和開(kāi)卷的次數(shù)、增大軋速、縮短軋機(jī)與卷取爐的距離、應(yīng)用交流變頻技術(shù)減少軋制反轉(zhuǎn)時(shí)間和提高軋機(jī)的可逆反向加速度、減小卷筒直徑以改變板卷與卷筒直接接觸的面積等。為改善爐卷軋機(jī)板帶產(chǎn)品的表面質(zhì)量問(wèn)題,對(duì)加熱爐出來(lái)的板坯進(jìn)行一次除鱗,精軋前利用高壓水進(jìn)行二次除鱗,水壓提高到20~24 MPa,來(lái)減少板帶表面的氧化鐵皮,及時(shí)清理或更換卷筒與導(dǎo)板,減少麻面和劃傷缺陷的數(shù)量;使用CVC工作輥傳動(dòng)技術(shù)和工作輥彎輥技術(shù)改變輥縫的基本形狀,調(diào)整凸度和楔形,改善板帶寬度方向上的厚度均勻性;使用液壓AGC技術(shù)控制板帶縱向上的厚度均勻性,減少厚度公差,均勻板形等。
除了對(duì)生產(chǎn)技術(shù)升級(jí)外,還對(duì)生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行合理的改造,如飛剪前安裝熱卷箱,調(diào)換鋼帶頭尾順序;縮小卷筒直徑以減少板帶頭尾與卷筒接觸的面積;安裝除塵設(shè)備以吸附灰塵和氧化鐵皮粉末;或在軋機(jī)與卷取爐之間安裝加熱設(shè)備,但要預(yù)留出相機(jī)的位置等。
2015年,泰鋼爐卷軋機(jī)1 800 mm生產(chǎn)線在西馬克公司的建議下對(duì)其生產(chǎn)技術(shù)及設(shè)備進(jìn)行了一次重大升級(jí)改造。原本的傳統(tǒng)軋線布置被換為五機(jī)架式,即1+1+3模式,拆除爐卷軋機(jī)之后的部分層流冷卻裝置換成了三架連軋機(jī)。技術(shù)升級(jí)主要表現(xiàn)為使用自動(dòng)化控制系統(tǒng),采用CVC plus串輥系統(tǒng)以增加產(chǎn)量和改善板帶的幾何產(chǎn)品質(zhì)量;使用液壓型爐卷活套,配有強(qiáng)力液壓缸實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)位置/力控制,以保持恒定的帶材張力,提高穿帶穩(wěn)定性,特別是針對(duì)鋼帶頭尾部分,利于縮小鋼卷整體溫度差異,提高生產(chǎn)效率。
泰鋼該升級(jí)改造取得顯著成果:軋制提速20%以上,同時(shí)廢鋼率大大降低,在重新開(kāi)工后的三個(gè)月內(nèi)由3.1%縮小為0.2%;35%以上的帶材厚度薄至2~3 mm,頭尾的厚度偏差控制在50 μm,內(nèi)部厚度偏差控制在15 μm,經(jīng)過(guò)優(yōu)化調(diào)試后厚度指標(biāo)幾乎達(dá)到常規(guī)熱軋標(biāo)準(zhǔn);軋線產(chǎn)能達(dá)到100萬(wàn)t/年,可以生產(chǎn)普碳鋼、低合金高強(qiáng)鋼、奧氏體、鐵素體、馬氏體、雙相不銹鋼和刀具鋼等多個(gè)品種和規(guī)格產(chǎn)品,其中不銹鋼產(chǎn)品知名度享譽(yù)海內(nèi)外,奧氏體不銹鋼獲中國(guó)不銹鋼行業(yè)名牌產(chǎn)品,06Cr13熱軋鋼帶獲中國(guó)鋼鐵協(xié)會(huì)冶金實(shí)物質(zhì)量“金杯獎(jiǎng)”和中國(guó)冶金行業(yè)品質(zhì)“卓越產(chǎn)品”,鐵素體不銹鋼產(chǎn)能國(guó)內(nèi)名列前茅。
爐卷軋機(jī)具備廣泛的市場(chǎng)適應(yīng)性。一方面國(guó)內(nèi)外對(duì)不銹鋼的需求持續(xù)快速增長(zhǎng),但不銹鋼生產(chǎn)能力和規(guī)模還遠(yuǎn)不能滿足當(dāng)前和未來(lái)的消費(fèi)需求;另一方面,世界鋼鐵市場(chǎng)從大批量、單品種向小批量和多品種傾斜,這些既給爐卷軋機(jī)帶來(lái)了挑戰(zhàn),更帶來(lái)了機(jī)遇,使其擁有較好的發(fā)展前景。
盡管現(xiàn)階段爐卷軋機(jī)仍存在較多問(wèn)題,但因其比較適應(yīng)當(dāng)前的鋼鐵市場(chǎng),在未來(lái)較長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)在生產(chǎn)熱軋中厚卷板方面尤其是生產(chǎn)不銹鋼方面會(huì)繼續(xù)發(fā)揮重要作用。應(yīng)該繼續(xù)改進(jìn)爐卷軋機(jī)的不足之處,進(jìn)一步發(fā)展卷軋生產(chǎn)工藝,擴(kuò)大品種及規(guī)格范圍,挖掘爐卷軋機(jī)的潛力,增強(qiáng)爐卷軋機(jī)在軋鋼工業(yè)上的競(jìng)爭(zhēng)力。