熱連軋高效工藝控制技術(shù)及應(yīng)用

徐 寧，韓陶然

（天津市新天鋼聯(lián)合特鋼有限公司，天津 301500）

1 前 言

熱軋帶鋼是國家基礎(chǔ)建設(shè)的重要材料之一，具有韌性好、強(qiáng)度高、且易于成型等性能。部分熱軋帶鋼直接進(jìn)行卷管、冷彎、沖壓等使用，其余則需要冷軋、熱處理等深加工，進(jìn)一步提高帶鋼的尺寸和性能，具有廣泛地開發(fā)和利用價(jià)值。600 mm 以下帶鋼作為熱軋帶鋼的組成部分，是獨(dú)特的和不可替代的產(chǎn)品，相較于中寬帶，其不僅存在價(jià)格優(yōu)勢(shì)，而且在裁剪過程中能節(jié)約部分物料，面對(duì)整個(gè)行業(yè)競爭日益激烈的局面，能為企業(yè)降低生產(chǎn)成本和提高效益。

600 mm 以下帶鋼主要生產(chǎn)群體為民營、混合所有制企業(yè)，全國產(chǎn)線60 多條，主要分布在天津、河北、山西、遼寧、云南，陜西、福建等地區(qū)。經(jīng)調(diào)研，存在以下技術(shù)問題：（1）生產(chǎn)效率比較低下，帶鋼軋制速度9.0～16 m/s，日產(chǎn)量從2 000 t到6 500 t不等，沒有優(yōu)化生產(chǎn)工藝充分發(fā)揮裝備潛能，不能高效化生產(chǎn)。（2）較低的尺寸精度，厚度差0～0.20 mm，寬度差0～8 mm，影響了后續(xù)帶鋼加工的質(zhì)量，易造成下游客戶成材率偏低，如焊管時(shí)寬度不均，造成焊縫不齊或焊接不實(shí)等情況。（3）軋后冷卻裝置設(shè)置不合理，氧化鐵皮不能完全去除，致使下游廠家酸洗困難、成本上升等，力學(xué)性能不穩(wěn)定，致使下游客戶的成本性能波動(dòng)較大，出現(xiàn)不合格品。（4）加熱爐設(shè)備相對(duì)老舊，加熱能力有限且加熱質(zhì)量較差，同時(shí)燃料消耗及污染物排放量也與先進(jìn)設(shè)備存在較大差距。

2 全流程熱連軋高效工藝技術(shù)

2.1 高效除磷及控溫控軋技術(shù)

（1）在軋制過程，整個(gè)生產(chǎn)線首先需要經(jīng)歷3次除鱗。首先為爐后除鱗裝置，然后為粗軋除鱗，最后為精軋除鱗。爐后除鱗壓力≥14 MPa，粗、精除鱗壓力≥8 MPa，保證氧化鐵皮有效去除[1］。

（2）控溫控軋技術(shù)。在正常生產(chǎn)過程中，控溫控軋的主要目的是獲得細(xì)小的奧氏體晶粒，從而提高鋼材各項(xiàng)性能指標(biāo)。為了防止奧氏體晶粒長大，得到細(xì)小的珠光體、鐵素體組織，需要嚴(yán)格控制軋制溫度、各道次壓下量和軋制時(shí)間[2］。

2.2 粗軋過程的組織控制技術(shù)

粗軋包括E1-E3 三道次立輥和R1-R5 五道平輥。粗軋?jiān)趭W氏體區(qū)進(jìn)行軋制，奧氏體反復(fù)再結(jié)晶從而達(dá)到細(xì)化晶粒的目的。在生產(chǎn)條件允許的情況下，采用單道次、大壓下的方式，將對(duì)細(xì)化晶粒、提高性能起到重要推動(dòng)作用。粗軋的開軋溫度為1 100～1 220 ℃，為保證高效化生產(chǎn)，粗軋R5 終軋速度控制在2.2～2.3 m/s。為保證高溫大壓下滲透到鑄坯心部，同時(shí)考慮精軋機(jī)組軋制力，粗軋累積壓下率80%～85%，中間坯尺寸控制在28～35 mm。

2.3 中間坯保溫技術(shù)

中間坯保溫可使中間坯在輥道上行走減少溫降，經(jīng)測(cè)量，溫降小于20 ℃左右。該技術(shù)可減少電機(jī)負(fù)荷和電耗，降低精軋的軋制力，減少精軋軋制事故，同時(shí)鋼坯通條均勻的溫度分布，將提高生產(chǎn)效率的整體質(zhì)量。保溫罩設(shè)置在粗軋出口處，保護(hù)罩內(nèi)側(cè)設(shè)有耐熱鋼板，耐熱鋼板與保護(hù)罩外殼之間設(shè)有硅酸鋁纖維氈制成的保溫材料，耐高溫的硅酸鋁纖維，耐熱溫度能達(dá)到1 350 ℃左右；同時(shí)隔熱性能好，硅酸鋁材料比其他保溫制品導(dǎo)熱率低25%以上[3］。

2.4 精軋組織控制和軋制節(jié)奏優(yōu)化

粗軋包括E4-E5 兩道次立輥和F1-F9 九道平輥；F1和F2為二輥軋機(jī)，F(xiàn)3-F9為四輥軋機(jī)。根據(jù)鋼種的不同，控制精軋溫度或終軋溫度有所不同，終軋溫度對(duì)各項(xiàng)性能的影響很大。終軋溫度高，晶粒細(xì)化不是很明顯，且易出現(xiàn)異常的組織；終軋溫度低，帶鋼的強(qiáng)度有所提高，但延伸性能會(huì)受到影響。精軋壓下率分配主要保證鋼帶尺寸和板形，二輥軋機(jī)在負(fù)荷和工藝運(yùn)行范圍內(nèi)，采用較大的壓下率。

為了提高測(cè)控精度，在精軋機(jī)后面配置了測(cè)厚儀和側(cè)寬儀，在軋制過程中實(shí)施反饋控制。

為實(shí)現(xiàn)高效軋制，常規(guī)產(chǎn)品終軋速度由12～14 m/s提升到16～18 m/s，同時(shí)優(yōu)化軋制節(jié)奏，實(shí)現(xiàn)精軋兩支鋼間隔最小距離軋制。同時(shí)設(shè)置防追尾報(bào)警系統(tǒng)，進(jìn)E1 前兩支中間坯頭尾間距約1.5 m，防止節(jié)奏過快追尾。

優(yōu)化后帶鋼精軋系統(tǒng)速度匹配合理，軋制力和電流負(fù)荷完全滿足高效化生產(chǎn)的要求，軋制速度和軋制節(jié)奏在同行業(yè)650軋線達(dá)到較高水平[4］。

2.5 軋輥渦流探傷技術(shù)

軋輥是軋機(jī)上的重要工藝件，軋輥在使用后會(huì)出現(xiàn)不同程度的裂紋等表面缺陷，這些缺陷嚴(yán)重地影響著軋輥的安全使用，甚至造成嚴(yán)重的事故隱患。因此在軋輥檢測(cè)和車磨時(shí)使用軋輥渦流探傷技術(shù)，及時(shí)消除表面和內(nèi)部缺陷。

在磨輥間現(xiàn)場環(huán)境和正常使用條件下，RE-2600 系列軋輥?zhàn)詣?dòng)探傷設(shè)備質(zhì)量可靠、運(yùn)行穩(wěn)定，連續(xù)使用壽命大于5 a。RE-2600B 結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

檢測(cè)前的準(zhǔn)備工作：操作者應(yīng)按計(jì)算機(jī)人機(jī)對(duì)話檢測(cè)菜單（中文）的提示，在液晶觸摸屏上輸入每支被檢軋輥的有關(guān)參數(shù)，建立起軋輥檔案數(shù)據(jù)庫。以后在軋輥的每次磨削和檢測(cè)時(shí)，除了輸入當(dāng)時(shí)該軋輥的磨削加工等參數(shù)外，其他數(shù)據(jù)也會(huì)自動(dòng)提供、顯示，并保持各種數(shù)據(jù)的連續(xù)性。在軋輥檢測(cè)時(shí)，當(dāng)表面和內(nèi)部缺陷信號(hào)超過設(shè)定值時(shí)，設(shè)備發(fā)出報(bào)警指示且儀器面板顯示缺陷位置和大小。檢測(cè)完成后，檢測(cè)探頭自動(dòng)返回原始位置，儀器以二維坐標(biāo)和直方圖的兩種方式顯示裂紋與軟點(diǎn)的級(jí)別及其所處位置的分布，并自動(dòng)存儲(chǔ)所有檢測(cè)結(jié)果，可供查詢、追溯或打印輸出。

操作人員使用系統(tǒng)狀態(tài)校驗(yàn)裝置定期對(duì)檢測(cè)設(shè)備實(shí)施動(dòng)態(tài)校驗(yàn)（時(shí)間間隔以1 個(gè)月為準(zhǔn)）。假如兩次校驗(yàn)之間的間隔時(shí)間超過1個(gè)月，儀器會(huì)自動(dòng)在顯示屏上顯示應(yīng)及時(shí)進(jìn)行校驗(yàn)的提醒。通過校驗(yàn)，可監(jiān)控檢測(cè)系統(tǒng)狀態(tài)的穩(wěn)定性，提高檢測(cè)結(jié)果的可靠性。每次校驗(yàn)的時(shí)間都在此后的檢測(cè)報(bào)告中得到記錄與顯示，并在新的校驗(yàn)之后予以刷新。校驗(yàn)報(bào)告中有對(duì)標(biāo)準(zhǔn)傷的校驗(yàn)值、應(yīng)該達(dá)到的標(biāo)稱值。

應(yīng)用軋輥渦流探傷技術(shù)可確定磨輥后輥面裂紋和軟點(diǎn)缺陷位置、深度，對(duì)磨削量、換輥頻次、軋輥冷卻工藝、軋輥質(zhì)量起到良好的科學(xué)指導(dǎo)作用。應(yīng)用后隨機(jī)抽取1個(gè)月軋輥渦流探傷記錄，工作輥每月磨輥次數(shù)約650次，深度＞0.5 mm有5次，缺陷比例占0.77%，發(fā)現(xiàn)后放入帶處理區(qū)重新進(jìn)行車磨。如果在生產(chǎn)中未發(fā)現(xiàn)磨輥缺陷，極大可能造成軋輥掉快、壓痕印缺陷，嚴(yán)重影響產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

2.6 ACC層流冷卻的優(yōu)化控制技術(shù)

層流冷卻布置在精軋機(jī)組之后、地下卷取機(jī)組之前，用來將帶鋼由終軋溫度按一定冷卻制度冷卻到卷取溫度，以改善帶鋼的性能和表面質(zhì)量。冷卻區(qū)段共有11 個(gè)區(qū)，其中2 個(gè)為精調(diào)區(qū)，9 個(gè)為粗調(diào)區(qū)。粗調(diào)區(qū)中則含上集管和下集管，每個(gè)粗調(diào)區(qū)含有上集管4根，下集管12根。精調(diào)區(qū)同樣含有上集管和下集管，每個(gè)精調(diào)區(qū)含有上集管8 根，下集管16 根。冷卻區(qū)有效長度45 m，總水量2 900 m3/h。在各冷卻區(qū)段、粗調(diào)區(qū)出口和精調(diào)區(qū)出口，全部都設(shè)有水嘴，并交叉布置各處，冷卻效率得以提高。

根據(jù)操作方式的不同，層流冷卻共有3 種方式：全自動(dòng)方式（無人工干預(yù)）、半自動(dòng)方式（計(jì)算機(jī)設(shè)定、人工動(dòng)態(tài)調(diào)整）和手動(dòng)操作方式。按照各種產(chǎn)品冷卻要求不同，可以有不同的冷卻策略。冷卻策略通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行設(shè)定，分別可設(shè)定前段冷卻、中間冷卻、間隔冷卻、后段冷卻和頭尾不冷卻等，分別適應(yīng)不同級(jí)別、不同金相組織的鋼種。層冷出口溫度與熱軋帶鋼的性能有著密切關(guān)系，其優(yōu)劣的體現(xiàn)也主要是控制系統(tǒng)對(duì)出口溫度的把控。

操作工既可以通過人機(jī)界面輸入相關(guān)參數(shù)后自動(dòng)獲取典型規(guī)格的冷卻規(guī)程，還可以保存和調(diào)用冷卻規(guī)程。監(jiān)控及操作站（上位計(jì)算機(jī)）采用DELL工業(yè)計(jì)算機(jī)，人機(jī)界面基于SIEMENS 監(jiān)控軟件WINCC7.0搭建。層冷基礎(chǔ)自動(dòng)化PLC與層冷過程自動(dòng)化、精軋區(qū)PLC、卷取區(qū)PLC 通過工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行通訊，并預(yù)留與其他控制區(qū)域通訊的接口。

在自動(dòng)化系統(tǒng)的控制下，根據(jù)加熱情況、軋制溫度、速度等各項(xiàng)工藝和設(shè)備參數(shù)，經(jīng)過各種模型精確運(yùn)算，控制各段冷卻設(shè)備的集管組形態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)帶鋼層冷出口溫度的控制，具備后續(xù)品種開發(fā)所需的各項(xiàng)手段。

2.7 高效卷取控制技術(shù)

卷取是帶鋼生產(chǎn)主要工序最后一個(gè)工序，影響軋制效率高低和卷形的質(zhì)量兩個(gè)方面，而且這兩個(gè)方面互相矛盾，卷取速度越高，卷型越差。在高效化生產(chǎn)前期，為滿足高效化生產(chǎn)，終軋速度在16～18 m/s，卷取速度控制在最大5.5～6.5 m/s，時(shí)常發(fā)生卷型扁卷、塌卷的問題，帶卷對(duì)角線差達(dá)到120～160 mm，運(yùn)輸帶鋼時(shí)容易造成散包和磕傷。另外對(duì)客戶放卷加工造成一定的困難。為此，攻關(guān)組對(duì)張力五輥進(jìn)行改造，輥徑由350 mm 改為250 mm，輥間距由20 mm 提高至40 mm。使帶鋼在五輥夾緊時(shí)帶鋼彎曲角度達(dá)到35°，較改造前提升了10°，達(dá)到提高帶鋼在卷取機(jī)與五輥之間形成的張力。

優(yōu)化后，對(duì)厚度≤2.5 mm 規(guī)格各種寬度產(chǎn)品橫、豎向?qū)蔷€差隨機(jī)抽檢中均在35 mm 之內(nèi)，明顯縮小。解決了高速卷取技術(shù)瓶頸后，高效化生產(chǎn)得以滿足，卷取質(zhì)量得到了保證。

2.8 機(jī)器人打碼技術(shù)

機(jī)器人激光打碼機(jī)器人工作原理是由機(jī)器人帶動(dòng)激光器運(yùn)動(dòng)到鋼卷合適的位置上進(jìn)行激光刻印，把二維碼、條碼、生產(chǎn)規(guī)格、牌號(hào)等內(nèi)容打到鋼卷表面。系統(tǒng)采用激光打碼，可以在熱軋帶鋼卷表面打印二維碼及條形碼。通過上位系統(tǒng)可以自動(dòng)完成更改打碼內(nèi)容、發(fā)送開始打碼等信號(hào)，系統(tǒng)檢測(cè)到打碼完成后進(jìn)行后續(xù)程序操作，如圖2 所示。通過精整設(shè)置多維度激光機(jī)器人系統(tǒng)，該系統(tǒng)可取代人工，接受來自MES 系統(tǒng)發(fā)送的卷號(hào)、卷重等信息，通過控制激光打碼機(jī)運(yùn)動(dòng)完成打碼作業(yè)。同時(shí)，應(yīng)用成品掃描系統(tǒng)，在國內(nèi)鋼帶生產(chǎn)中首次實(shí)現(xiàn)了通過二維碼、條碼識(shí)別技術(shù)，讀取鋼帶的全流程生產(chǎn)工藝、性能參數(shù)、物流跟蹤等信息的功能，便于售后跟蹤和質(zhì)量追溯。機(jī)器人打碼參數(shù)：牌號(hào)，日期、班次、標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)格、廠名、二維碼信息、每次打包時(shí)間。

圖2 激光打碼機(jī)器人工作過程

3 結(jié) 語

在技術(shù)升級(jí)改造方面，結(jié)合現(xiàn)有裝備和工藝模型，在兩條產(chǎn)線上集中開發(fā)了多項(xiàng)核心關(guān)鍵技術(shù)和工藝，帶鋼生產(chǎn)效率得到大幅提高，同時(shí)產(chǎn)品質(zhì)量和客戶滿意度也得到顯著提高。在產(chǎn)品開發(fā)方面，應(yīng)用上述核心關(guān)鍵技術(shù)后，可以通過優(yōu)化工藝的方法調(diào)整產(chǎn)品的尺寸精度和力學(xué)性能，從而以低成本的方式生產(chǎn)高品質(zhì)的精品帶鋼系列產(chǎn)品，進(jìn)一步提升了產(chǎn)品的附加值以及市場競爭力。