大規(guī)格圓棒生產(chǎn)線裝爐加熱及粗軋開坯防倒鋼研究

彭定軍 馮仁杰

(中鋼設(shè)備有限公司設(shè)計(jì)部/產(chǎn)品監(jiān)造部 北京100080)

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大規(guī)格圓棒生產(chǎn)線裝爐加熱及粗軋開坯防倒鋼研究

彭定軍①馮仁杰

(中鋼設(shè)備有限公司設(shè)計(jì)部/產(chǎn)品監(jiān)造部 北京100080)

結(jié)合三家大圓棒生產(chǎn)線(簡(jiǎn)稱XC、DY、HY)及五家大圓棒生產(chǎn)線(簡(jiǎn)稱XT、BG、DL、WX、SJZ)和某新建大圓棒生產(chǎn)線(簡(jiǎn)稱RC)情況，對(duì)大規(guī)格優(yōu)特鋼圓棒生產(chǎn)線裝爐加熱制度和可逆粗軋開坯軋機(jī)防倒鋼措施作了相應(yīng)探討。

優(yōu)特鋼大圓棒 坯料選擇 裝爐加熱制度 孔型系統(tǒng)及軋制規(guī)程 開坯防倒鋼措施

1 引言

先進(jìn)裝備制造業(yè)不僅對(duì)優(yōu)特鋼大圓棒內(nèi)部性能要求越來(lái)越高，而且對(duì)尺寸精度和表面質(zhì)量要求也越來(lái)越高，這不僅要求連鑄坯具有優(yōu)良的潔凈度和成份均勻性、軋機(jī)具有良好的性能及大壓下量的開坯，而且要從鋼坯的合理加熱和高溫?cái)U(kuò)散、粗軋可逆開坯軋制的穩(wěn)定性(孔型系統(tǒng)、軋制規(guī)程及導(dǎo)衛(wèi)方面)等方面做好優(yōu)化，以確保產(chǎn)品的尺寸精度和表面質(zhì)量。

從坯料選擇及裝爐加熱制度、粗軋開坯孔型系統(tǒng)及軋制規(guī)程兩方面進(jìn)行探討及實(shí)例介紹。RC大圓棒生產(chǎn)線采用在主軋跨布置牌坊開坯軋機(jī)加無(wú)牌坊連軋機(jī)的半連軋方式，軋線設(shè)計(jì)年產(chǎn)量100萬(wàn)噸，主要鋼種為軸承鋼、齒輪鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼、管坯鋼、優(yōu)碳鋼及錨鏈鋼等，面向汽車、石油、鍋爐及工程等行業(yè)。產(chǎn)品規(guī)格Ф45～220mm直條圓鋼棒材，定尺長(zhǎng)度4～12m，捆重2000～5000kg(直條捆狀交貨)，最大軋制速度～5m/s。

2 坯料選擇及裝爐加熱制度

2.1 坯料選擇

目前國(guó)內(nèi)各廠家所用連鑄坯大部分采用矩形坯，少數(shù)采用圓坯。矩形坯由于其斷面為矩形，自身始終處于穩(wěn)定狀態(tài)，不易發(fā)生傾翻和滑動(dòng)，便于軋制和輸送，因此受到各廠家的青睞。圓坯則是目前正在興起的一種坯料形式，由于其在凝固冷卻過(guò)程中溫度場(chǎng)比較均勻，斷面各點(diǎn)的組織狀態(tài)均處于對(duì)稱分布狀態(tài)，因此也得到了一些廠家的應(yīng)用，但由于圓坯自身的凝固特點(diǎn)，如何把夾雜物均勻分布在材料斷面的不同區(qū)域，是目前連鑄技術(shù)需要解決的問題[1]。早期20世紀(jì)80年代以前建設(shè)的用于合金鋼開坯的軋機(jī)完全以鋼錠為原料；近些年改造或新建的開坯機(jī)(如XC、XT、HY)，主要以大斷面的方坯、矩形坯或圓坯為原料，少數(shù)廠家(如BG、DY、DL)在用連鑄坯為原料的同時(shí)，還用一部分鋼錠[2]。

從鋼坯銷售的市場(chǎng)考慮及RC廠區(qū)自身軋鋼系統(tǒng)鋼坯的適應(yīng)性出發(fā)，此生產(chǎn)線經(jīng)論證后決定采用圓坯。從軋制角度講，保證產(chǎn)品的內(nèi)在質(zhì)量主要是保證產(chǎn)品的壓縮比，不同鋼種最低壓縮比的要求不同，選擇坯料時(shí)即要考慮滿足壓縮比的要求，本生產(chǎn)線定位軸承鋼、齒輪用鋼等高附加值產(chǎn)品，工藝水平高而且覆蓋面廣，需采用高倍壓縮比來(lái)保證產(chǎn)品的使用性能，如生產(chǎn)Ф110mm軸承鋼時(shí)壓縮比≥15(作為套圈使用時(shí))，生產(chǎn)Ф140mm齒輪鋼時(shí)壓縮比≥10，經(jīng)計(jì)算后使用煉鋼連鑄Ф450mm斷面圓坯。

2.2 裝爐加熱制度

鋼坯加熱的目的不僅是為了提高鋼的韌性、降低變形抗力以滿足軋制需求，還要起到改善鋼坯表面裂紋及內(nèi)部組織和性能的作用，通過(guò)高溫加熱的擴(kuò)散作用使組織均化，消除疏松及成份偏析，因此合理的裝爐加熱制度是優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)和低耗的首要條件。合金鋼冷裝時(shí)，需升溫速度慢、保溫時(shí)間長(zhǎng)，一般情況下，加熱產(chǎn)量比普通鋼種低20%～30%。特別是軸承鋼，為使其枝狀晶內(nèi)的碳化鉻均勻化，高溫?cái)U(kuò)散加熱溫度高、時(shí)間長(zhǎng)、加熱爐的小時(shí)產(chǎn)量至少比普通鋼種降低50%。實(shí)踐表明常規(guī)軸承鋼連鑄坯冷裝時(shí)如加熱速度過(guò)快，容易引起坯料斷裂或軋制時(shí)產(chǎn)生橫向開裂，故一般在600℃以下時(shí)，要進(jìn)行緩慢加熱，即降低加熱速度，當(dāng)加熱到較高溫度時(shí)(700℃以上)，此時(shí)塑性提高，便可快速加熱，提高加熱速度以便提高產(chǎn)能，同時(shí)還可減少氧化和脫碳，防止晶粒度過(guò)大等缺陷。總之，裝爐加熱制度必須充分考慮軸承鋼的特殊要求。

針對(duì)上述情況，RC大棒軋線采用“加熱爐+保溫爐(預(yù)熱爐)”的裝爐及加熱方式。通常情況下，熱送連鑄坯通過(guò)入爐輥道實(shí)現(xiàn)熱裝，入爐輥道一側(cè)設(shè)置鋼坯上料兼卸料臺(tái)架，另一側(cè)還設(shè)置1座鋼坯保溫爐(預(yù)熱爐)，當(dāng)熱送的連鑄坯暫時(shí)有富余時(shí)，可將其從保溫爐爐一端托入進(jìn)行保溫緩沖，最晚在該爐次輸送結(jié)束前，將其托出隨該爐次正常進(jìn)入加熱爐。在保溫爐中的坯料輸出時(shí)，上游熱送的連鑄坯可利用鋼坯上料兼卸料臺(tái)架卸下暫時(shí)堆放。另外，常規(guī)冷坯通過(guò)上料兼卸料臺(tái)架步進(jìn)機(jī)構(gòu)逐支放到入爐輥道，輸送到加熱爐實(shí)現(xiàn)冷裝；對(duì)于堆冷至室溫的個(gè)別敏感性鋼種的冷坯，如軸承鋼或彈簧鋼等，為保證高溫?cái)U(kuò)散時(shí)間及小時(shí)產(chǎn)能要求，則通過(guò)保溫爐(預(yù)熱爐)另一端入爐輥道側(cè)上料臺(tái)架步進(jìn)機(jī)構(gòu)逐支放到入爐輥道，輸送到保溫爐(預(yù)熱爐)實(shí)現(xiàn)冷裝，冷坯被快速預(yù)熱到500～650℃后，保溫爐步進(jìn)機(jī)構(gòu)將其逐支托到加熱爐入爐輥道，最終輸送到加熱爐實(shí)現(xiàn)熱裝。為配合上述缺陷敏感性鋼種的堆冷，在坯料跨鋼坯上料兼卸料臺(tái)架旁設(shè)置了連鑄坯緩冷坑，具備存儲(chǔ)幾個(gè)爐號(hào)的連鑄坯的能力，可將鋼坯在800℃持續(xù)保溫，緩冷坑的長(zhǎng)×寬×深為8.5×3.2×2m，數(shù)量8個(gè)，每個(gè)緩冷坑可裝載一個(gè)爐號(hào)(或約150t)連鑄坯，對(duì)高品質(zhì)下線連鑄坯進(jìn)行緩冷，以減輕冷卻過(guò)程出現(xiàn)的缺陷。

另外有最新研究表明，生產(chǎn)軸承鋼時(shí)，只要在連鑄時(shí)采用二次電磁攪拌、輕壓下等技術(shù)，能分別減輕成分偏析、消除中心疏松，使碳化物充分均勻和破碎，從而在開坯加熱時(shí)，無(wú)需長(zhǎng)時(shí)間高溫?cái)U(kuò)散加熱，采用普通的加熱工藝即可[2]。

3 粗軋開坯孔型系統(tǒng)及軋制規(guī)程

近年新建的開坯機(jī)多是單機(jī)架，主要有Φ850mm、Φ1000mm兩種規(guī)格，半連軋采用Φ850mm開坯機(jī)加6～8架連軋機(jī)，圓鋼和管坯產(chǎn)品主要有Φ50～180mm；或采用Φ1000mm開坯機(jī)加6～8架連軋機(jī)，圓鋼和管坯產(chǎn)品主要有Φ90～300mm。某新建的RC生產(chǎn)線產(chǎn)品規(guī)格Ф45～220mm，跨度較大，粗軋中間坯斷面的需求數(shù)較多，進(jìn)而開坯系統(tǒng)所選的孔型數(shù)和粗軋輥輥身長(zhǎng)度需求量也較大，故采用Φ950mm開坯機(jī)加12架連軋機(jī)，鋼坯出爐后進(jìn)入粗軋機(jī)進(jìn)行9～13道次往復(fù)軋制(根據(jù)鋼種變形抗力大小可靈活選定)，采用機(jī)前翻鋼的軋制工藝。

生產(chǎn)中小規(guī)格圓棒時(shí)，粗軋開坯機(jī)將圓坯軋制成方坯190×190mm2斷面的中間方坯，生產(chǎn)較大規(guī)格圓棒時(shí)，粗軋開坯機(jī)將圓坯軋制成方坯200×200～260×260mm2斷面的中間方坯。由于中間方坯種類較多，所以配置有6個(gè)孔槽(見圖1)，第1、2和3孔槽充分考慮了前6個(gè)道次軋件的斷面尺寸，第4、5和6孔槽充分考慮了中間方坯斷面的需求數(shù)及中間坯的尺寸，上述粗軋開坯系統(tǒng)所選用的孔槽數(shù)量盡量精簡(jiǎn)，進(jìn)而使得粗軋輥輥身長(zhǎng)度需求量少，輥身剩余空間可用來(lái)布置備用孔槽。合理的孔型系統(tǒng)及軋制規(guī)程是粗軋開坯過(guò)程中軋件不易出現(xiàn)倒鋼、扭轉(zhuǎn)等情況的前提，另外還需輔以必要的防倒鋼措施。

圖1 RC生產(chǎn)線粗軋開坯機(jī)配輥圖

4 粗軋開坯防倒鋼措施

倒鋼是大壓下量開坯軋制的普遍難題，特別是使用圓坯的情況下，更容易倒鋼。圓坯在首道次(或未翻鋼情況下軋制兩道次)軋制后，軋件截面呈鼓形，由于鼓形圓弧邊立起來(lái)不穩(wěn)定，通常情況下可在推床的倚靠下順利實(shí)現(xiàn)翻鋼，并使用推床靜態(tài)夾持但存在局限性，在軋制過(guò)程中，軋件不穩(wěn)定的狀態(tài)還是會(huì)明顯暴露出來(lái)，極易發(fā)生扭轉(zhuǎn)或倒鋼，輕的情況是先有輕微的扭轉(zhuǎn)，隨著軋制的往復(fù)進(jìn)行，扭轉(zhuǎn)越來(lái)越顯著，最終倒鋼，情況嚴(yán)重時(shí)立即倒鋼。另外，開坯軋制孔型系統(tǒng)或軋制規(guī)程的局部不精確、鋼坯加熱的不均透都增加了軋制時(shí)的不穩(wěn)定型。結(jié)合RC試生產(chǎn)階段的跟蹤情況，就開坯軋制防倒鋼措施方面作如下實(shí)例列舉及總結(jié)：

1)制定完善的開坯軋制規(guī)程，合理分配各道次壓下量，才能防止因軋件變形不均勻引起的扭轉(zhuǎn)。試生產(chǎn)軋制Φ400mm→方坯190×190mm2中間坯時(shí)，在不改變槽深及側(cè)壁傾角情況下，首先采用11道次軋制，但效果較差，倒鋼比例較高，現(xiàn)場(chǎng)分析后首先從軋制規(guī)程中軋件通過(guò)孔槽的“1～6”次序進(jìn)行調(diào)整，倒鋼比例略有下降，但仍偏高；于是改從壓下量分配上進(jìn)行調(diào)整，嘗試采用13道次和15道次軋制。綜合軋件通過(guò)孔槽次序和道次壓下量?jī)煞矫娴男拚罱K確定效果明顯改觀的13道次軋制規(guī)程；

2)優(yōu)化孔型系統(tǒng)，特別是針對(duì)粗軋開坯機(jī)前翻鋼后第三道次前圓弧截面軋件，設(shè)計(jì)具備合理孔槽深度和側(cè)壁傾角的箱型孔，才能使軋件受到良好的夾持作用，有效防止倒鋼。正式投產(chǎn)約三個(gè)月后，結(jié)合生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)積累和理論分析，在將原設(shè)計(jì)“1～6”孔槽深度相應(yīng)增大5～30mm不等、側(cè)壁傾角減小約10°后，很快實(shí)現(xiàn)了將之前Φ400mm→方坯190×190mm2穩(wěn)定軋制的13道次的軋制規(guī)程簡(jiǎn)化為軋制9道次；在連鑄坯斷面由Φ400mm增大至Φ450mm后，Φ450mm→方坯190×190mm2也實(shí)現(xiàn)了11道次軋制，目前兩者合計(jì)的穩(wěn)定過(guò)鋼量已達(dá)萬(wàn)噸；

3)推床推鋼面設(shè)置自由側(cè)立輥，并在咬鋼、穩(wěn)定軋制和拋鋼階段實(shí)施動(dòng)態(tài)側(cè)壓力，對(duì)軋件始終保持有效引導(dǎo)及夾持，見圖1。粗軋開坯機(jī)導(dǎo)衛(wèi)原始設(shè)計(jì)為固定式，下導(dǎo)板和下衛(wèi)板為固定組合式，即7塊導(dǎo)板與衛(wèi)板為整體鑄造而成，形成與粗軋配輥相對(duì)應(yīng)的6個(gè)通道，見圖2。

圖2 固定組合式導(dǎo)衛(wèi)

圖3 分體組合式導(dǎo)衛(wèi)

在固定組合式導(dǎo)衛(wèi)的基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)深入討論后作出部分調(diào)整，改為下導(dǎo)板和下衛(wèi)板分體組合式，即取消原固定在衛(wèi)板上的7塊導(dǎo)板，而采用可拆卸的導(dǎo)板系統(tǒng)，在機(jī)前和機(jī)后推床端部(靠近軋機(jī)側(cè))焊接舌形延伸導(dǎo)板，實(shí)現(xiàn)軋件隨推床/下導(dǎo)板系統(tǒng)同步移動(dòng)時(shí)的動(dòng)態(tài)導(dǎo)入，見圖3和4。

圖4 分體式下導(dǎo)板

在上述型式的導(dǎo)衛(wèi)情況下，粗軋順利投產(chǎn)，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)景見圖5和6，但在后續(xù)試生產(chǎn)過(guò)程中反映出導(dǎo)板強(qiáng)度不足的情況。

圖5 固定組合式導(dǎo)衛(wèi)實(shí)景

圖6 固定組合式導(dǎo)衛(wèi)實(shí)景

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)算，重新設(shè)計(jì)了下導(dǎo)板，加高加厚了舌形延伸導(dǎo)板，同時(shí)取消了粗軋上導(dǎo)衛(wèi)，見圖7和圖8。

加固后的下導(dǎo)板與推床端部推板高度基本達(dá)到平齊，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)景見圖9和10。

在咬鋼階段，推床/下導(dǎo)板系統(tǒng)對(duì)軋件施加較小的側(cè)壓力，保證順利咬鋼；穩(wěn)定軋制階段，保持相對(duì)較大的側(cè)壓力并鎖定；臨近拋鋼階段，則需降低側(cè)壓力，以避免推床靠近軋機(jī)端偏載造成“八字形”永久變形，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)景見圖11。

圖7 分體組合式導(dǎo)衛(wèi)

圖8 分體式下導(dǎo)板

圖9 固定組合式導(dǎo)衛(wèi)實(shí)景

圖10 固定組合式導(dǎo)衛(wèi)實(shí)景

圖11 推床引導(dǎo)及夾持軋件實(shí)景

5 結(jié)語(yǔ)

1)大規(guī)格連鑄坯通過(guò)熱送熱裝和冷裝兩種方式送進(jìn)加熱爐，以鋼種按不同要求采取不同的加熱制度加熱至開軋溫度，出爐后被送往粗軋二輥可逆開坯機(jī)往復(fù)軋制，為優(yōu)特鋼大圓棒連軋階段提供多品種、多規(guī)格的中間坯料，此主體裝爐加熱制度及半連軋工藝流程，是目前先進(jìn)、靈活的生產(chǎn)技術(shù)。

2)RC生產(chǎn)線在粗軋孔型系統(tǒng)及軋制規(guī)程優(yōu)化的基礎(chǔ)上，注重往復(fù)軋制過(guò)程中的引導(dǎo)及夾持環(huán)節(jié)，軋件在軋制過(guò)程中變形均勻，變形滲透性好，孔槽對(duì)軋件側(cè)壁的扶持性好，軋件不易出現(xiàn)倒鋼、扭轉(zhuǎn)等情況，保證了合格的中間方坯的生產(chǎn)，最終輸送至連軋機(jī)組生產(chǎn)出優(yōu)良內(nèi)部性能、外形尺寸和表面質(zhì)量的圓鋼，以滿足市場(chǎng)需求，目前該工程已經(jīng)順利投產(chǎn)，正在達(dá)產(chǎn)中，車間生產(chǎn)工藝和裝備成熟可靠，達(dá)到先進(jìn)水平，主要特點(diǎn)如下：

(1)采用Φ450mm大斷面圓坯，最小成品規(guī)格Φ45mm，產(chǎn)品壓縮比大、組織均勻；產(chǎn)品規(guī)格Φ45～220mm范圍大，生產(chǎn)線具有廣泛的適用性；

(2)爐區(qū)采用“加熱爐+保溫爐(預(yù)熱爐)”的裝爐及加熱方式， 軋線采用Φ950mm粗軋二輥可逆軋機(jī)加連軋機(jī)的半連軋技術(shù)，可靈活適應(yīng)多品種、多規(guī)格的生產(chǎn)要求。

[1]徐旭東，滕濤．關(guān)于大棒材粗軋開坯軋制工藝的研究[A]．第八屆(2011)中國(guó)鋼鐵年會(huì)論文集[C]．北京：冶金工業(yè)出版社，2011.

[2]李新林，彭兆豐．我國(guó)長(zhǎng)材軋制技術(shù)與裝備的發(fā)展[J]．軋鋼，2011(5)：33-40.

Research on Charging & Heating and Rough Rolling Billet Anti-tipping Measures of the Big Round Bar Production Line

Peng Dingjun Feng Renjie

(Engineering Department & Product Supervising Department of SINOSTEEL Equipment & Engineering Co., Ltd. ,Beijing 100080)

Combined with conditions of three big round bar production line with the actual investigation, five big round bar production line with theoretical understanding and a certain new big round bar production line, Corresponding researches have been made on charging & heating system and rough rolling anti-tipping measures of high-quality & special steel big round bar production line.

High-quality & special steel big round bar Billet selection Charging & heating system Pass & rolling schedule Rough-rolling anti-tipping measures

彭定軍，男，1979年出生，2006年畢業(yè)于北京科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院材料加工工程，碩士，工程師，一直從事軋鋼工藝設(shè)計(jì)、工廠設(shè)計(jì)、工程設(shè)計(jì)

TG335

B

10.3969/j.issn.1001-1269.2014.01.019

2013-11-04)