川崎钢铁公司热带轧机无头轧制技术
发布时间：2008-03-01
1996年，川崎钢铁公司千叶厂投产了世界上首套连续热带轧机即3号热带轧机，在这套轧机的精轧机人口侧，先将中间坯连接在一起，然后再经过精轧进行连续轧制。传统工艺中，热轧机组的轧制周期为2min左右，而新工艺中的连续精轧时间可长达20～30min，且该工艺实现了无头轧制。
到目前为止，公司仍在不断调整无头轧制工艺，使之有序地过渡到标准化生产模式。目前，由间歇式轧制很难生产的厚度在1.2mm以下的超薄热轧带钢，在采用无头轧制工艺后，已经能够进行标准化生产。
现将川崎钢铁公司这几年所获得的生产经验总结如下：
(1)采用川崎钢铁公司研制的感应加热法将轧件连接在一起，这种方法不仅能够在正常尺寸范围内获得足够大的轧制强度，而且能够经受薄带钢精轧的考验。
(2)川崎钢铁公司为无头轧制工艺研制了地下卷取机，可进行速度在1000 m／min以上的高速带钢的剪切和速度在1000m／min以上的超薄带钢的卷取。
(3)以大于1000m／in的高速进行精轧，即便是超薄带钢也能确保温度在奥氏体区域范围内，并且所轧带钢的质量较好。
(4)采用无头轧制工艺所获得的生产率和收得率有了显著提高。
近年来，在钢铁行业中，小钢厂有了很大的发展。在小钢里，中间坯直接由连铸机提供(或由轧机提供)，隧道炉长达数百米，布置在热带轧机人口处，可将中间坯均匀加热到大约1100℃温度，以便进行精轧。这一与温度有关的特点，使得小钢厂不仅能降低生产成本，而且能够生产出厚度在1.2mm以下的超薄带钢。
无头轧制的目的
无头轧制工艺是在精轧机的人口侧，将中间坯连接在一起，然后进行连续轧制，一般来讲，其目的可分为下面4个方面：
(1)消除带钢轧制过程中的不稳定部分，使质量稳定，并提高收得率。
在轧制带钢的头尾两端时，由于张力没有作用，因此在这种不稳定状态下，就会造成产品缺陷，如带厚、凸起变形和带钢波纹，从而导致质量和收得率下降。在无头轧制工艺中，将约10个中间坯连接在一起，并进行精轧，从而完成一个无头轧制过程。这意味着，除第一个轧制的头部和最后一个轧件的尾部以外，由于带钢一直受到拉伸载荷的作用，因此从精轧机到带卷箱没有任何类型的变形缺陷。
(2)当轧制薄带材时，生产稳定，生产率提高。轧制薄带材时，当带钢尾端经过精轧机时容易产生褶皱，而褶皱又会造成轧辊损坏，这样就需要更换轧辊，因此就会减少生产时间，并增加轧辊加工费用。由于薄带钢在高速通过输出辊时极易产生剧烈跳动，很难保证适合的精轧机轧制速度，因此不能获得所期望的薄带材生产率。
相比之下，采用无头轧制时，由于张力作用在带钢的整个长度上，在无头轧制中，中间坯之间的轧制间距可定义为零。
(3)超薄和宽薄产品的生产，其尺寸适用范围超过了采用传统技术生产的薄产品。
在间歇式轧制工艺中，由于经常发生尾端褶皱，而难以进行正常轧制，因此还不能生产厚度在1.2mm以下、宽度为1250mm以上的产品。
相比之下，由于轧件从头至尾一直保持着张力作用，因此在这种稳定状态下，无头轧制能够轧制出间歇式轧制所难以生产的带钢尺寸，即在轧制厚度为1.2mm的带材时，宽度可超过1250mm，或轧制厚度为0.8～1.2mm带时，没有什么问题。
(4)采用润滑轧制和强冷轧制可获得更好的轧材性能。在间歇轧制工艺中，当进行润滑轧制时，为了防止带钢咬人困难，一般不对带钢头部进行润滑，这样就降低了收得率，并妨碍标准化操作。
在无头轧制中，由于从无头轧制组中第一个带卷的头端到最后一个带卷的尾端经过精轧机时，能够对其全长提供润滑，因此可以进行稳定的润滑。关于强冷轧机在精轧机出料侧的热输出辊道上的情况与润滑轧制相似。
热带无头轧制的主要技术
千叶厂3号热带钢轧机主要设备如下。
中间坯连接设备位于r3机架的出口侧。开卷箱作为中间坯连接的起始点，可连续为无头轧制输送中间坯。切头剪位于开卷箱和连接设备之间，用于剪掉前一个轧件的尾端和后一个轧件的头端，以便在轧材宽度方向上能够均匀地连接。
中间坯连接设备安装有感应加热器，可自动运行。它与被连接的中间坯一起运行，并能在20m的行程内对轧件进行加热和镦焊。由连接设备出口侧的一台去毛刺机除掉镦焊所造成的毛刺。
地下卷取机安装有一台高速带钢剪切机，用于切断连续供给卷取的带钢。
应该注意的是，虽然这些技术具有共同点，但要采用无头轧制，必须首先实现从加热炉到卷取机的完全自动化。换言之，热轧生产线的全部自动化技术构成了无头轧制的基础，并成为实现无头轧制工艺的基本技术。
1 开卷箱
由于需用开卷箱卷取的轧件的厚度为20～50mm，温度为800～1000℃，所设计的开卷箱能够卷取硬轧件，最大卷取速度为340m／min，最大开卷速度为150m／min，二者均具有高速工作的性能。就设备而言，开卷箱最明显的特点就是装有两台拆卷器，并设置有三个托卷位置，以在无头轧制期间对开卷时间起到缓冲器的作用。此外，在开卷箱的出料侧还装有一个矫直辊和张拉辊。开卷箱的操作完全实现自动化。
a 卷取速度控制
为了实现无头轧制，必须通过提高开卷箱的卷取速度来缩短中间坯的卷取时间。此外，由于卷取是靠与开卷箱串联的粗轧机加速完成的，因此还必须在卷取期间，使开卷机与粗轧机的速度保持高度一致。因此，在弯曲辊、成形辊和托卷辊处均采用交流电机，并采用数字asr控制。
目前，轧件端部的卷取速度为200m／min，然后卷取速度达到250m／min，当与粗轧机串联的开卷箱进行卷取时，开卷箱的超前比要视粗轧机的速度而定。
b 三辊接触
为使卷取稳定，采用三辊接触法。托卷辊a固定，不能上升和下降，成形辊和托卷辊b可移动。用托卷辊a和成形辊进行卷取，直到带卷直径达到1300mm。当带卷直径达到1300mm时，带卷就与成形辊、托卷辊a和托卷辊b三辊相接触，当带卷直径超过1300mm时，则对托卷辊b进行位置控制，根据带卷直径的要求，将其降低到所需位置，从而避免带卷与下面的弯曲辊之间相互干扰。同时成形辊紧压住带卷，这样就可在三辊支撑下完成卷取。采用三辊接触法，可极大地提高带卷卷取的稳定性。
c 压下辊
为了防止在2号位置等待期间轧件末端冷却，开卷箱在1号位置将把轧件末端紧紧地卷在带卷上，呈带卷曲线形。因此，在开卷箱上安装压下辊，当带卷与拆卷器接触，开始拆卷时，压下辊便向带卷施压，从而防止带卷转动。
d 弯曲辊提升控制
带卷内圈形成后，当带卷达到规定的直径时，弯曲辊提升，继续卷取。这时特别是当卷取厚度超过40mm的硬轧件时，必须根据piw的要求将弯曲辊提升后再进行卷取，同时由弯曲辊向带卷辊加压力。为了达到这一目的，设计了弯曲辊提升控制装置。当plw达到4.6kg／mm(直径为1110mm)时，开始提升弯曲辊。如果在轧件厚度为40mm时不采取提升控制，则带卷就会形成弹簧形。当采用弯曲辊提升控制后，轧件才能进行正常卷取。通过采用弯曲辊提升控制，对于厚度为40mm，温度为900℃的低温轧件的卷取，基本上就没有什么问题了。
e 3个位置/2个拆卷器系统
3个位置/2个拆卷器系统是开卷箱最重要的特性。在无头轧制中，已由开卷箱开卷的后一轧件的头端赶上前一轧件的尾端，这样两轧件就被引入连接设备，进入连接位置，连接设备一边行走一边进行连接。在前一轧件的头端开始开卷后，而尾端离开开卷箱前，开卷箱必须完成后一轧件的卷取，并开始拆卷、放开。因此，当前一轧件的带卷很小时，必须在拆卷后立即开始卷取后一轧件。但此时还未开始输送。为了达到这一目的，采用一种3位置开卷箱。
首先，工作状态为：位置3处的带卷还剩余一段长度，等候在位置2的带卷正在拆卷，通过对剩余带卷直径的计算，自动确定拆卷时间。当前一带卷的尾端离开开卷位置时，位置2带卷的头端同时开始移动。此外，位置1处已经开始卷取。后一轧件的头端正在位置2处出发，追赶前一轧件的尾端。控制后一轧件的位置，从而使之与前一轧件保持一个规定的距离，以便于安装在连接设备前面的切头机进行剪切。剪切完成后，控制后一轧件，使其置于连接设备的连接位置(两轧件的尖端对准，仅留一很小的间隙)。此时，位置1继续卷取。位置2处的带卷传送到位置3，同时，位置1处的带卷前进到位置2，然后，位置2的带卷等候下一次拆卷。
值得注意的是，位置1处也设置了一台拆卷器，这样位置1处也能够进行开卷。
f 矫直辊和张拉辊
由于轧件头尾两端的弯曲在连接时起负作用，因此在开卷箱的出料侧设置矫直辊，以便将轧件的端头弯曲矫直。为了控制后一轧件，使之赶上并准确连接定位，必须对后一轧件进行快速加速和减速，并进行精确的速度控制，因此，在矫直机前安装了张拉辊。当带卷直径变小时，张拉辊还具有控制开卷力的功能。
2 轧件连接设备
千叶厂3号热带轧机的连接设备是快速连接型。为了实现快速连接，在连接位置前后均安装有升降台。轧件由升降台支持，随着连接设备规定的程序升降。
感应加热装置加热正在连接的端头，夹紧装置夹住轧件，镦焊装置对夹紧的轧件进行镦焊，通过连接设备内的这3部分装置，即可将轧件连接在一起。另外安装的对中装置，消除了前后轧件端头横向不对中问题。感应加热器是为该生产线轧件连接而专门研制的一套装置。对于厚度为20—40mm，宽度为800～900mm的轧件，这台高性能的感应加热器能够在3～5s内将轧件端头的温度升高到连接温度。
采用感应加热方式进行的原理如下。在前一轧件的尾端和后一轧件头端之间留有一条小的缝隙，在这种状态下，当交变磁场加到轧件厚度方向时，感应电流集中在感应加热装置无磁通量的方向上以及正在连接的轧件端面上，感应电流产生的焦耳热可以将两轧件的端面温度升高，随之进行焊接，从而完成连接过程。
3 高精度轧制节奏控制技术
无头轧制工艺中轧制节奏控制的最重要作用就是准确确定轧件出炉的时间，从而使后一轧件恰好在连接设备起始位置赶上前面正在轧制的轧件。如果后一轧件从加热炉出来太早，则必将处于等待状态，这样就会出现冷却问题。如果后一轧件从加热炉中出来太迟，就会造成连接不上。因此时间计算必须准确。
由于这个原因，必须提高下列数值的计算精度：每架轧机轧制时间的计算，辊稳定位变化次数及侧导卫打开的计算，卷取及开卷箱带卷放开时间的计算，以及其他计算。为使轧件继续连接，要在加热炉出料前，提前计算好连接设备内每一轧件之间的出炉间隔，并将出炉时间调节到最佳。还应提供反馈控制功能，以便反映随后出炉的轧件的预定时间与实际时间的差，从而进一步提高控制精度。目前，开卷箱处等待时间的实际偏差已经降至±3s以内，有助于实现稳定的无头轧制。
4 连续精轧技术
在无头轧制工艺中，正常情况下，连续轧制中间坯一般为6～10件，最多15件。其关键技术是快速厚度变换及高精度厚度控制，厚度快速变换使之能够应付随意选择厚度的带钢间的连接，高精度厚度控制使之能够连续获得目标厚度，直到无头轧制序列的最后一个中间坯。
为使厚度快速变换稳定而开发的技术包括：高精度设定，能正确地预测压下机构的目标位置和其他参数；高精度跟踪技术，能确保每个机架的压下时间与轧件厚度快速变换位置相吻合，所有机架均设置高速液压压下机构，这样就可将改变辊缝所需要的时间缩至最短，从而避免了收得率的降低；物料控制和多变式活套挑控制技术，随着厚度快速变换，能够消除机架与体积速度变化相关的张力波动。
在连续轧制超薄带钢时，对每一个机架带钢的厚度控制精度必须比传统产品的要高，这样能够保持精确的厚度。为了预测变形力度和其他性能，必须达到比过去更高的精度水平，因此采用了高灵敏度厚度控制，及轧机恒定变量控制，绝对值agc及其他控制技术。另外，在f4机架后的所有机架的出料侧均安装有x射线厚度仪，以修正那些未被agc完全修正的细小厚度偏差。
5 高速剪切及地下卷取机
已经在连续轧制中采用的冷轧带钢剪切技术只能在带钢速度降低到约400m／min后才能工作。在间歇式热轧过程中，带钢端头卷取速度不超过800m／min。与这些结果相对比，无头轧制工艺需要解决的主要技术问题就是要以最大速度1200m／min的高速剪切带钢，且在带钢最小厚度为0.8mm时没有褶皱缺陷。
为无头轧制工艺研制的高速带钢剪切技术采用了这样一种方法，即预先让上下滚筒旋转起来，其回转线速度与带钢运行速度相同，当滚筒的缝隙在带钢剪切位置处闭合时，则剪切带钢。换言之，由于滚筒的分别旋转及切开／闭合，使高速带钢剪切得以实现。剪切机还具有精确调节旋转速度的功能，这样，当带钢到达剪切位置时，就能使上下滚筒的刀片位于能够剪切的位置；其另一个功能就是当刀片位于剪切位置时，滚筒闭合而无时间延迟，从而形成为一个高剪切精度的紧凑装置。
高速喂料装置安装在辊道辊子上，作为上导板使用，以防止下一轧件的头端在剪切后跳跃。该导板能够使带钢中心浮动，提高带钢的刚度，同时减少带钢运行时的阻力，显著提高了薄材的喂人性能。
卷取全自动作为另一项重要技术已经实现了。由于采用无头轧制工艺后，没有时间调节张拉辊缝和其他操作参数，而在传统的工艺中，这些问题却不可避免地需要由操作工来解决，因此说全自动是一项必不可少的重要技术。在3号热带轧机的建设中推动了自动化进程。该轧制线的张压辊压下机构引用了油压伺服压下装置，能够精确地调节张拉辊的压紧力。此外，由于开发了自动化卷取控制系统，用于不同的张拉模式和张力控制，因此实现了完全自动化和稳定卷取。
无头轧制工艺的应用效果
采用无头轧制工艺所扩大了的尺寸使用范围。采用无头轧制工艺，能够生产出厚度在1.2mm以下的超薄带钢，以及厚度为1.2mm，宽度超过1250mm的宽薄带钢。
除了能够生产厚度为1.0mm的带钢外，采用无头轧制工艺还能以标准化方式生产厚度为1.2mm，宽为1500mm的产品，而没有丝毫问题。
此外，与传统产品相比，带钢具有极高的r值(lankford值)，因此可具有极好的深冲性能，还可以采用无头轧制工艺中的润滑轧制进行生产。