第26卷第4期2004年12月
文章编号:1672 4461(2004) 04 0004 04
甘 肃 冶 金
GANSU METALLURGY
Vol. 26 No. 4Dec. , 2004
线棒材生产现状及发展趋势
王快社, 刘军帅, 梁彦安, 周 鹏, 沈 洋
(西安建筑科技大学冶金工程学院, 陕西 西安 710055)
摘 要:介绍了目前国内外线棒材生产的最新技术和工艺, 分析了我国线棒材生产的现状, 并结合线棒材发展的新技术和新工艺, 指出我国线棒材生产健康发展应采取的对策。关键词:线棒材; 新技术新工艺; 现状; 对策中图分类号:T G333 7+2 文献标识码:A
Current Progress and Prospect of Wire Rod Production
WANG Kuai she, LIU Jun shuai, LIANG Yan an, ZHOU Peng, SHEN Yang
(M etallurgy Institute, Xi an U niversity of Architecture &T echnology, Xi an 710055, China)
Abstract:T his latest technolog y and process of w ire ro d production w er e introduced. T his paper also analy zed t he w ire rod production actuality in china, and the writer put their opinions in the countermeasur e of the productio n. Key words:w ire rod; new technolog y and process; actuality ; countermeasure;
1 我国线棒材发展现状
钢铁材料以其所具有的特性 较高的强度和韧性、易加工成型性、绿色可循环性在未来时期内仍将是重要的结构材料。随着我国汽车制造、电气机械、船舶制造工业的发展, 板材、管材在钢材中所占的比例将逐渐提高, 线棒材所占比例将有所下降, 但其绝对值仍在上升。而且线棒材生产结构将发生很大的变化。我国目前线棒材生产有如下特点。1. 1 产能高
我国线棒材无论是轧机数量, 还是产量均居世界第一位, 而且其产量还在以较快速度增长(年平均增长速度为15%左右) , 目前我国线棒材占钢材总产量的48%~50%。与此同时, 美国同期线棒材产量占钢材总产量的22%左右, 日本同期线棒材产量占钢材总产量的27%左右, 而且几年来产量相对平稳。因此我国线棒材无论是所占钢材总产量的比例还是绝对产量均高于美国和日本。1. 2 生产装备参差不齐
近年来我国小型轧机向连续化发展, 线材生产则趋向采用高速线材轧机, 到2002年6月底, 全国, 2100万t/a, 其中国产化设备超过40%。到目前为止, 全国共投产高速线材轧机约70台套(含线棒材复合轧机) , 设计产能超过1700万t/a 。国产化设备最高精轧速度可达90m/s 。
与此同时, 我国目前尚有一些落后的小型线材轧机再生产。据调查, 约有40%的小型型钢(线棒材) 生产线属于落后淘汰设备, 约30%的落后线材生产线应被淘汰。1. 3 管理水平逐年提高
近年来, 我国线棒材厂总体生产管理水平不断提高, 一般连续小型及高速线材轧机投产后2年左右即能达到或超过设计产量。2000年以后, 不少小型线材轧机的成材率达到97%, 一些实行负偏差轧制的轧机, 成材率约在98%以上。另外, 由于注重产品质量的提高, 开发了400MPa 级带肋钢筋。并且, 不少企业努力增加硬线生产比例, 特别是在扩大高强度低松弛预应力钢丝、钢绞线生产份额, 改善冷墩钢质量, 扩大产品规格上采取了多项措施。最近新投产的几套高速线材轧机, 可提供 5~25m m 线材, 直径公差达 0. 1m m, 椭圆度达0. 14mm, 可满足不同用户的需求。
第4期 王快社等:线棒材生产现状及发展趋势 金属制品是高速线材的深加工产品, 其使用价值优于热轧产品, 可节约金属30%~40%。据统计, 发达国家金属制品的产量已占线材产量的50%~70%。我国虽然线材产量占钢材总产量的21. 9%(居世界第一位) , 可用于金属制品的只占线材产量的30%, 很多高质量要求的产品仍靠进口。
5
护和备件需求, 延长了消耗件的寿命, 因此可大大提高产量、降低成本。钢坯头尾采用闪光焊连接, 闪光焊接后用力将钢坯端头对接, 焊接区的液态金属被挤出来, 保证了焊接区的质量。这种轧制方法由于消除了坯料间隔时间, 从而增加了纯轧时间, 提高了金属的收得率。
目前我国已有唐钢、涟钢小型轧机及邢钢二高线厂高线轧机分别引进了DANIELI 及NKK 无头轧制技术, 均取得了很好的效果。
2. 4 线棒材生产的定径减径机组
被称为21世纪高线发展必经之路的定径减径机组, 是20世纪90年代摩根公司开发成功的, 经过几年的发展, 技术更加成熟。目前具有代表性的机组有:摩根4机架RSM 机组, 达涅利的双模块机组TM B; 考克斯/达涅利减径定径机组RSB 。
摩根4机架定径减径机组技术核心是:在精轧机组后面配置定径/减径机组, 除了满足尺寸精度外, 全线单一孔形系列, 实现自由轧制。产品尺寸范围扩展到 5. 5~25m m, 每隔0. 1mm 生产一种产品。机组紧凑布置, 前两架为减径, 辊径为 230mm , 可与精轧机辊箱互换, 孔型为椭圆, 金属减面率为10%~20%。后两架为无导卫的定径机组, 辊径150mm, 中心距非常小, 孔型为近似圆-圆。成品最小可到5. 0m m 。精轧后的在线测径仪与辊缝调节系统配合, 可精确调整成品尺寸。共用孔型极大地简化了换规格的程序, 减少了辊环的库存量。单一孔型系统另一显著优点是, 只要简单地略微调整RSM 各架的辊缝, 就能生产出比名义尺寸略大或略小的产品, 可以为特殊用户提供任意产品, 即自由轧制。快速换辊、传动联轴器、流体管线都设计为快速对接, 提高了生产率。
达涅利摩加沙玛提供的TMB 技术, 可使产量提高15%, 用于生产特殊钢线材。TM B 技术基于使用160mm 方坯为原料的线材轧机, 粗中轧, 为16机架, 其后3机架打压下考克斯定径机组, 一整架轧机灵活性和提高产品的精度, 后结双模块系统构成为预精轧机组有8/10架无扭轧机, 和布置在吐丝机前的4道次无扭精轧机组。从第一架轧机到预精轧的最后一道, 只采用一套孔型, 全部产品变化都在最后4道次的精轧机组完成, 产品范围为 4. 5~25mm 。在3机架的大雅下定径轧机中, 仅用一种规格的进料即可轧制尺寸范围很宽、公差精确的出口轧件, 实现双模块机组的前导孔型所需要的变形量。在4架精轧孔型中采用小变形量12%~16%, 可得到非常严格的公差。由于两组无扭轧机间安装了水2 线棒材生产技术的发展与进步
2. 1 注重改进轧前工序
为了生产优质线棒材, 首先要生产优质钢, 因而采用扩大转炉容量、增加精炼、在进加热炉前设置或预留 抛丸-超声波探伤 或 磁粉探伤-修磨 生产线。而采用超高功率电炉、精炼、连铸供坯的生产企业, 增加了300m 级别的高炉, 将热铁水对入废钢中冶炼, 不仅改善钢的制得纯净度, 同时可以节约能耗、缩短生产周期、降低氧化铁皮损耗、改进产品质量、提高金属收得率、降低生产成本。而采用自供坯的小型、线材轧机多力求采用热送钢坯, 以降低产品热耗。
2. 2 加热炉技术进步
2. 2. 1 步进式钢坯加热炉的普遍应用
20世纪80年代末到90年代初, 建设的连续式高速线材轧机多采用步进式加热炉; 90年代中期以后建设的钢坯加热炉多采用侧进侧出全梁式步进炉, 步距可调, 采用新型的低NOX 型烧嘴, 侧烧嘴采用带中心风的调焰烧嘴, 调节比可达1:10, 长度大于12m 的钢坯多设置端烧嘴, 以使钢坯加热温度更均匀。
2. 2. 2 蓄热式加热炉技术得到重视
近年来, 蓄热式燃烧技术在小型、线材车间逐步得到应用, 蓄热式燃烧系统由蓄热室和换向装置组成, 可将空气、煤气同时预热至1000 左右, 可使用高炉煤气等低热值燃料。蓄热式加热炉可节能约35%, 缩短钢坯加热时间, 降低烧损。
2. 3 无头轧制工艺
20世纪90年代中期, 由日本NKK 及意大利达涅利公司分别开发成功的无头轧制新技术, 引起了轧钢技术的一场革命。该技术具有产量高、成材率高、轧制稳定、降低消耗等优点。
无头轧制技术是指在加热炉出口侧将钢坯两端焊接起来, 轧制一根无限长的钢坯。这种轧制方法由于消除了钢坯之间的时间间隔, 消除了轧件的切头切尾, 消除了棒材生产线上的短尺/短尾或线材盘卷头尾修剪, 可按用户需要生产不同重量的盘卷, 减少咬钢次数, 使堵钢的可能性更小, 减少了停机时间, 3
6 甘 肃 冶 金 第26卷
考克斯/达涅利减径定径机组RSB 为三辊考克
控制冷却工艺的应用可在减少成本的同时, 显著提高产品质量。控冷处理后的普通低碳钢就能够替代微合金钢及低合金钢通过穿水淬火, 通过穿水冷却, 在线棒材表面形成粗大马氏体, 然后通过线材内部残余热量进行自回火, 从中心到表面逐渐扩散, 最终在冷床上空冷。即经过3个热处理阶段:淬火阶段、回火阶段、最终冷却阶段。2. 7 多种机型的运用
除传统轧机机型外, 近年来线棒材轧机大量采用了特色各异的多种机型。除了减定径机、双模块, 轧机和考克斯轧机外, 还有以下两种特殊机型。2. 7. 1 无牌坊机架
该机架的特点是:机架由4根拉杆承受轧制力, 轧制力分布在很短的回路内和较大的面积里。此外, 为了保证轴承座的刚度和从圆柱轴承到拉杆的短距离, 使机架和轴承座弯曲最小, 对机架的拉杆位置进行了优化, 无牌坊机架可靠性高, 轴向径向刚度高, 对实施低温轧制有利, 且产品尺寸公差小, 换辊时间短。适用于中、精轧机组。2. 7. 2 悬臂式机架
悬臂式机架采用芯轴加套NiCrCo 热处理辊环, 油膜轴承结构, 有水平式机架、立式机架、平/立可转换式机架。这种机型的特点是:轧辊辊颈直径增大约30%, 断面积增加约65%, 增强了关键部位的强度, 减少了应力集中; 该机型有固定的轧制线; 易于更换辊环, 维护及更换导卫方便; 重量轻, 可节约投资。这种机型适于作为小型或高线轧机的粗轧机架, 只需配置一种孔型即可。2. 8 自动控测技术
线材尺寸小、长度大、运行速度快, 因此极易产生振动、抖动和扭转等问题。这些问题的存在, 给用常规检测方法对轧件和成品的尺寸、形状的检测带来很大困难。
从20世纪90年代中期开始, 国外线材厂家开始借助于测径仪, 对轧件和成品的尺寸形状进行动态检测。对检测的结果和检测结果所对应的轧制状态进行相关性分析、归纳整理, 得出影响线材尺寸精度的内在规律, 并在此基础上形成可有效指导操作的指导文件和可融于控制、管理软件之中的应用软件, 从而能更好地对操作人员的调整给予定性定量两方面的指导, 以便操作人员在线材高速轧制时能及时掌握轧件及成品的尺寸精度变化情况。
国外有关提高线材尺寸精度的研究与应用, 目前已在原有的基础上, 利用测径仪动态检测轧件、成品的形状尺寸, 并对检测结果进行分析研究, 得出符,
斯轧机, 开始用于无缝和焊管的张力减径轧制。1991年开发出的最新减径定径机组RSB, 在轧制中
材料处于三向压应力作用下, 可充分发挥其塑性潜能, 尤其适合于轧制难变形金属。RSB 机组的主要优点有:可以获得好的产品质量(包括尺寸公差、表面质量和冶金性能) ; 产品种类齐全, 可在任何时间生产任何规格的产品; 能耗低, 比常规轧制方法可降耗30%左右; 后序加工费用低, 表面削去量减少; 采用备用机架换辊, 可提高有效作业时间; 提高了成材率。我国大冶钢厂和上钢五厂都引进了此种机型。2. 5 低温轧制工艺
常规轧制的温度是在奥氏体区轧制, 低温精轧是指在最后几道次的形变发生在正火轧制工艺或热机精轧工艺对应的温度范围内。由于RSM 、TM B 和RSB 轧机的投入, 使轧件进吐丝机前再进行一次低温轧制(750~950 ) , 经低温变形后, 可得到均匀的细晶组织, 有利于改善产品性能。该轧制方法还适用于轧制双相钢线材。
为了得到均匀的细晶组织, 低终轧温度下形变率的控制是一个关键因素。在更多道次中采用大变形量的低温轧制会导致晶粒尺寸的不均匀, 这是由于超过了与应变能积累相关的总应变极限后, 产生了部分动态再结晶。因此, 两道次低温轧制的断面压缩率应在24%~31%, 四道次低温轧制的断面压缩率应在46%~57%。而对一些低温轧制和正火轧制均不能改善其性能的钢种, 如不锈钢、易切削钢等, 通过此机组生产, 可使轧件从头至尾保持稳定的轧制温度, 从而使产品的组织均匀性及尺寸公差得到保证, 生产效率显著提高。
低温轧制的优点:结构组织的细化将生产细化的晶粒尺寸; 避免碳钢发生正火; 改善了低温韧度; 可获得良好的力学性能; 提高疲劳强度; 较好的表面质量; 并通过控制冷却工艺使钢材得到理想的内部组织结构。
2. 6 控制冷却工艺
控制冷却的任务是通过控冷辊道速度和集管水量的控制实现轧件的加速冷却控制及实现轧件所要求的开冷温度、终冷温度和冷却速率。控制冷却的基本策略是, 根据轧件目标冷却速率, 确定单位集管流量; 根据目标开冷温度、终冷温度和冷却速率, 迭代计算控冷辊道速度和开启的集管数目, 其中辊道速度尽量大, 以减少轧件长度方向的开冷温度不均匀性, 但又需要考虑到控冷区前后辊道长度对轧件升降速的限制; 开启的集管组数受到瞬时最大水量
第4期 王快社等:线棒材生产现状及发展趋势 从而向实现整条轧制线工艺过程调整的闭环控制方向发展。
2. 9 TMC P 技术
T MCP 技术是以控轧控冷相结合为特点, 也就是低温轧制和在线热处理的综合处理手段。在控制形变组织的基础上, 又控制随后的的冷却速度, 从而获得理想的相变组织, 使轧材具有所需要的强度和韧性, 而这种性能是单独采用控制形变或单独采用热处理所无法达到的。
T MCP 技术要点是:将铸坯低温加热到1000 左右, 在具有较小晶粒的奥氏体区开始轧制; 在适当的Ar3温度附近的亚稳态奥氏体区或 + 两相区变形; 随后控制冷却, 使加工后未再结晶组织进行恒温转变, 通过晶粒内形变带上形成的大量晶核, 实现细晶铁素体的转变。在同样的形变量下, 横温转变温度越低, 铁素体的形核率越高, 组织晶粒越细, 从而得到高强度化和高韧性化。这样, 在材料的化学成分上就可相应地进行低碳化、低碳当量化, 从而对改善轧件的焊接性和降低脆性转化温度非常有利。特别是通过低碳化, 添加的微量元素Nb 在低温下易于固溶, 对改善材料性能更为有利。可以说, 该技术在通过控制轧制这一相变基础上, 又增加了一个通过控制冷却实现组织控制的自由度。TMCP 技术的实质, 是使传统的形变热处理工艺在轧制生产中在线完成, 从而轧制出高强度、高韧性、高焊接性的管线用钢和船板钢、高强度结构用钢。2. 10 带肋钢筋表面淬火及自回火-OTB 工艺为了适应目前在轧制过程中通过采用不同的工艺控制生产不同级别的产品这一趋势, 发展了一种表面淬火及自回火-QTB 工艺。
该工艺过程是在淬火阶段, 在棒材离开终轧机时, 需剧烈水冷, 在棒材表面形成冷硬层, 冷却速度高于形成马氏体速度, 以获得粗大马氏体; 在回火阶段, 热量从温度仍很高的棒材芯部传到已淬火表面, 使在第一阶段得到的马氏体得到自回火; 第三阶段是在冷床上, 棒材芯部未转换的奥氏体进行半等温相变。由于棒材表面形成了回火马氏体组织, 可提高其屈服强度约150MPa, 可代替影响材料韧性的进一步冷加工处理。产品在具有高强度的同时, 保证了足够的韧性, 产品质量好于热轧加空冷的微合金钢及低合金钢产品。由于碳当量较低, 采用QTB 工艺后的带肋钢筋还可以获得较好的焊接性能。
在此工艺中, 终轧温度、淬火时间、水流量是淬火工艺的关键参数, 淬火过程又决定了一个特定的回火温度, 这些因素决定了回火马氏体环面积所占, 7
性能。QTB 工艺的开发应用带来的经济效益是很明显的。据测算, 如果使用自供坯, 用低碳钢代替微合金钢, 可节省炼钢车间生产成本18%; 如果代替
低合金钢, 可节省成本8%。如果购坯轧制, 使用低碳钢代替微合金钢, 可节省生产成本15%; 代替低合金钢可节省成本6%。
3 我国线棒材健康发展应采取的对策
3. 1 改造或淘汰落后的生产线
开发低成本国产连轧(半连轧) 生产线, 改造或淘汰落后的生产线。为此, 应遵循以下原则:以连轧(半连轧) 生产线改造为主要目的, 淘汰现有多火成材的横列式轧和落后的复二重线材轧机。粗轧机组可采用灵活、快速粗轧技术, 与连铸衔接, 尽量采用热送热装技术; 不断开发、完善国产技术和装备, 以建设和生产的低成本与国外高装备水平生产线在产品质量和生产成本的优化组合上取得竞争优势。在建设方式上, 对资金不足的企业可分步实施。第一步先建成半连轧生产线, 待条件成熟时可将粗轧改成连轧形式。
3. 2 调整品种结构, 开发新产品
目前我国线材品种结构不尽合理, 中低档品种产量过剩; 高附加值、高技术含量的品种又缺乏, 需要从国外大量进口。如优质硬线的生产比例, 国外先进国家优质硬线比在20%左右, 我国不到10%; 我国合金钢及不锈钢线材比为1%~2%, 而国外在5%以上。因此希望采取措施, 发展和填补国内短缺空白品种, 如钢帘线用钢材、高应力弹簧用50CrV 、55SiCr 钢、超低碳不锈钢材等。3. 3 积极增加 级钢筋的产量
级钢筋是指强度为400MPa 的带肋钢筋, 在一般钢筋混凝土结构工程中使用 级钢筋, 与 级钢筋相比, 可节约钢材12%~14%, 可增加建筑物安全储备, 有显著的社会经济效益。而且 级钢筋由于碳当量低, 焊接方便, 焊接性能好。强屈比不小于1. 26, 适于抗震, 有利于地震区建筑物使用。国家已将 级钢筋作为推广项目, 而目前我国 级钢筋只占全部钢筋产量的4%左右, 远远满足不了市场需要。因此应大力发展 级钢筋的生产。
3. 4 跟踪世界前沿, 积极引进和消化国外先进技术
目前发达国家在线棒材的生产中, 研究和开发了大量的先进技术和设备, 并在生产中取得了良好的效益。为了使我国的线棒材生产能够持续健康发展, 必须对现有的先进技术进行消化和吸收, 尽快国产化, 增加我国线棒材的竞争力。如加强钢质的净
()
第4期 冉 伟:浅析电解液成分对铅电解的影响
表4 2002年电解液成分配置技术参数
项目结果
骨胶(kg) 0. 6~0. 8
木质素(kg) 0. 4~0. 6
游离酸(g/L) 70~90
铅液浓度(g/L) 95~105
产量(kg) 580~620
29
6 结 论
本电解液成分配置经过9个月的生产验证表明, 这种电解液成配置和用量、加入方法对阳阴两极化作用更加强烈, 能加速阳极的溶解, 极表面强烈吸附, 析出加速, 析了铅致密光滑短路现象减
表5 2003年电解液成分配置技术参数
项目
骨胶(kg)
-萘酚(g)
明胶粉(g) 70
游离酸(g/L) 120
铅液浓度产量(g/L) 100
(kg) 870
少, 电解时可获得理想的指标和满意的析出铅质量。产量有较大的提高, 而且降低了添加剂的单解条件, 为强化生产创造了条件。
随着生产条件的深化, 通过加强管理, 这一有实用性配方的应用, 为铅电解的稳产高产提供了技术依据, 为今后我公司生产实现达产达标、创造更大利润提供了指导, 值得进一步推广应用。
收稿日期:2004 07 22
作者简介:冉 伟(1971 ) , 男, 助理工程师, 1994年毕业于西安矿业学院机电专业。
结果0. 35~0. 5100~120
铜银较难保证, 两个系统生产月产量最高到700. 5t 。
改进后添加剂的使用方法为:骨胶、 -萘酚均制成水溶液, 每小时加1次, 使其均匀扩散到电解液中, 发挥最佳效果, 阴极结晶光滑致密, 表面光洁呈灰白色, 合格率均达到国际一级, 在一个系统生产的情况下月产量达627t 。
(上接第7页)
化, 进一步扩大连铸坯热送热装比例, 进一步推动连铸直接扎制的开发和运用, 依次降低线棒材的成本。要强化计算机控制和计算机管理技术; 要开发和应用线棒材的组织和性能预报工作; 密切注视国外先进技术和装备发展, 要不断创新。
[6] 宋加. 我国小型和线材生产概述[J]. 轧钢, 2003, 2:
28~31.
[7] M assimo Lestani, A lfredo Poloni. T he Endless Welding
Roiling Process[J].M etallurg ical Plant and T echnolo gy, 2001, 2:46~53.
[8] Dag N Sollander. New Interstand Dimension Control for
Ro d and M ilis [J].M etallurgical Plant and T echnolo gy, 1999, 2:42~45.
[9] Stephen M ark Shore. T he L atest Developments in Reduc
ing/Sizing M ill T echnolog y[J].M etallurg ical Plant T ech nology , 1999, 1:50~57.
[10] M assimo L estani, Roberto Nini. T he T win Module Block
(T M B) for Rolling Specialty Steel Wire Rod[J]. M etal lur gical Plant and T echnolog y, 2002, 2:46~57.
[11] 刘雅政, 等. 有效控制产品质量的轧制技术[J].轧钢,
2003, 93:19~23.
[12] 祁
341.
[13] 肖福仁, 等. 冷却速度对低碳微合金钢组织的影响
[Z].新一代钢铁材料研讨会, 北京:2001, 357~362.
[14] 李建设. 全国轧钢生产会议论文集:小型连轧生产线
全数字控制的研究和实践[C]. 北京:冶金工业出版社, 2002:380~383.
[15] 王守荣, 等. 全国轧钢生产会议论文集:浅谈第4代高
速线材轧机的技术改造[C]. 北京:冶金工业出版社, 2002:291~294.
收稿日期:2004 04 10
作者简介:王快社(1966 ) , 男, 副教授, 工学硕士, 西安交通大学在职博士, 现从事金属材料加工工程科研与教学工作。
4 结 语
基于节省资源和环保要求, 钢材的生产越来越重视先进技术和装备的使用。因此线棒材生产的发展应在满足市场需求的同时, 不但要关注节能和环保, 而且要通过研究、引进、消化先进的工艺、技术和
装备等手段, 降低成本, 生产高质量、高附加值的产品。今后我国线棒材生产应着重开发和消化吸收的技术和工艺有:无头轧制工艺、高精度轧制技术、棒材低温轧制技术、控制冷却工艺、自动控测技术、T MCP 技术、在线热处理技术等。参考文献:
[1] 戴宝昌, 等. 重要用途线材制品新技术[M ].北京:冶金
工业出版社, 2001.
[2] 小指军夫. 控制轧制控制冷却 改善材质的扎制技
术发展[M ]. 北京:冶金工业出版社, 2002.
[3] 张寿荣. 2l 世纪的钢铁工业及对我国钢铁工业的挑战
[J].天津理工学院学报, 2000, 3:16~24.
[4] 国外机械工业基本情况 重型机械[M ].北京:机械
工业出版社, 2002.
[5] 翁宇庆. 调整品种结构、优化轧钢工艺、提高国产钢材
的市场竞争力[J]. 轧钢, 2000, 6:3~9.
捷. 线材减定机组的生产技术 全国轧钢生产
会议论文集[C].北京:冶金工业出版社, 2002:335~
第26卷第4期2004年12月
文章编号:1672 4461(2004) 04 0004 04
甘 肃 冶 金
GANSU METALLURGY
Vol. 26 No. 4Dec. , 2004
线棒材生产现状及发展趋势
王快社, 刘军帅, 梁彦安, 周 鹏, 沈 洋
(西安建筑科技大学冶金工程学院, 陕西 西安 710055)
摘 要:介绍了目前国内外线棒材生产的最新技术和工艺, 分析了我国线棒材生产的现状, 并结合线棒材发展的新技术和新工艺, 指出我国线棒材生产健康发展应采取的对策。关键词:线棒材; 新技术新工艺; 现状; 对策中图分类号:T G333 7+2 文献标识码:A
Current Progress and Prospect of Wire Rod Production
WANG Kuai she, LIU Jun shuai, LIANG Yan an, ZHOU Peng, SHEN Yang
(M etallurgy Institute, Xi an U niversity of Architecture &T echnology, Xi an 710055, China)
Abstract:T his latest technolog y and process of w ire ro d production w er e introduced. T his paper also analy zed t he w ire rod production actuality in china, and the writer put their opinions in the countermeasur e of the productio n. Key words:w ire rod; new technolog y and process; actuality ; countermeasure;
1 我国线棒材发展现状
钢铁材料以其所具有的特性 较高的强度和韧性、易加工成型性、绿色可循环性在未来时期内仍将是重要的结构材料。随着我国汽车制造、电气机械、船舶制造工业的发展, 板材、管材在钢材中所占的比例将逐渐提高, 线棒材所占比例将有所下降, 但其绝对值仍在上升。而且线棒材生产结构将发生很大的变化。我国目前线棒材生产有如下特点。1. 1 产能高
我国线棒材无论是轧机数量, 还是产量均居世界第一位, 而且其产量还在以较快速度增长(年平均增长速度为15%左右) , 目前我国线棒材占钢材总产量的48%~50%。与此同时, 美国同期线棒材产量占钢材总产量的22%左右, 日本同期线棒材产量占钢材总产量的27%左右, 而且几年来产量相对平稳。因此我国线棒材无论是所占钢材总产量的比例还是绝对产量均高于美国和日本。1. 2 生产装备参差不齐
近年来我国小型轧机向连续化发展, 线材生产则趋向采用高速线材轧机, 到2002年6月底, 全国, 2100万t/a, 其中国产化设备超过40%。到目前为止, 全国共投产高速线材轧机约70台套(含线棒材复合轧机) , 设计产能超过1700万t/a 。国产化设备最高精轧速度可达90m/s 。
与此同时, 我国目前尚有一些落后的小型线材轧机再生产。据调查, 约有40%的小型型钢(线棒材) 生产线属于落后淘汰设备, 约30%的落后线材生产线应被淘汰。1. 3 管理水平逐年提高
近年来, 我国线棒材厂总体生产管理水平不断提高, 一般连续小型及高速线材轧机投产后2年左右即能达到或超过设计产量。2000年以后, 不少小型线材轧机的成材率达到97%, 一些实行负偏差轧制的轧机, 成材率约在98%以上。另外, 由于注重产品质量的提高, 开发了400MPa 级带肋钢筋。并且, 不少企业努力增加硬线生产比例, 特别是在扩大高强度低松弛预应力钢丝、钢绞线生产份额, 改善冷墩钢质量, 扩大产品规格上采取了多项措施。最近新投产的几套高速线材轧机, 可提供 5~25m m 线材, 直径公差达 0. 1m m, 椭圆度达0. 14mm, 可满足不同用户的需求。
第4期 王快社等:线棒材生产现状及发展趋势 金属制品是高速线材的深加工产品, 其使用价值优于热轧产品, 可节约金属30%~40%。据统计, 发达国家金属制品的产量已占线材产量的50%~70%。我国虽然线材产量占钢材总产量的21. 9%(居世界第一位) , 可用于金属制品的只占线材产量的30%, 很多高质量要求的产品仍靠进口。
5
护和备件需求, 延长了消耗件的寿命, 因此可大大提高产量、降低成本。钢坯头尾采用闪光焊连接, 闪光焊接后用力将钢坯端头对接, 焊接区的液态金属被挤出来, 保证了焊接区的质量。这种轧制方法由于消除了坯料间隔时间, 从而增加了纯轧时间, 提高了金属的收得率。
目前我国已有唐钢、涟钢小型轧机及邢钢二高线厂高线轧机分别引进了DANIELI 及NKK 无头轧制技术, 均取得了很好的效果。
2. 4 线棒材生产的定径减径机组
被称为21世纪高线发展必经之路的定径减径机组, 是20世纪90年代摩根公司开发成功的, 经过几年的发展, 技术更加成熟。目前具有代表性的机组有:摩根4机架RSM 机组, 达涅利的双模块机组TM B; 考克斯/达涅利减径定径机组RSB 。
摩根4机架定径减径机组技术核心是:在精轧机组后面配置定径/减径机组, 除了满足尺寸精度外, 全线单一孔形系列, 实现自由轧制。产品尺寸范围扩展到 5. 5~25m m, 每隔0. 1mm 生产一种产品。机组紧凑布置, 前两架为减径, 辊径为 230mm , 可与精轧机辊箱互换, 孔型为椭圆, 金属减面率为10%~20%。后两架为无导卫的定径机组, 辊径150mm, 中心距非常小, 孔型为近似圆-圆。成品最小可到5. 0m m 。精轧后的在线测径仪与辊缝调节系统配合, 可精确调整成品尺寸。共用孔型极大地简化了换规格的程序, 减少了辊环的库存量。单一孔型系统另一显著优点是, 只要简单地略微调整RSM 各架的辊缝, 就能生产出比名义尺寸略大或略小的产品, 可以为特殊用户提供任意产品, 即自由轧制。快速换辊、传动联轴器、流体管线都设计为快速对接, 提高了生产率。
达涅利摩加沙玛提供的TMB 技术, 可使产量提高15%, 用于生产特殊钢线材。TM B 技术基于使用160mm 方坯为原料的线材轧机, 粗中轧, 为16机架, 其后3机架打压下考克斯定径机组, 一整架轧机灵活性和提高产品的精度, 后结双模块系统构成为预精轧机组有8/10架无扭轧机, 和布置在吐丝机前的4道次无扭精轧机组。从第一架轧机到预精轧的最后一道, 只采用一套孔型, 全部产品变化都在最后4道次的精轧机组完成, 产品范围为 4. 5~25mm 。在3机架的大雅下定径轧机中, 仅用一种规格的进料即可轧制尺寸范围很宽、公差精确的出口轧件, 实现双模块机组的前导孔型所需要的变形量。在4架精轧孔型中采用小变形量12%~16%, 可得到非常严格的公差。由于两组无扭轧机间安装了水2 线棒材生产技术的发展与进步
2. 1 注重改进轧前工序
为了生产优质线棒材, 首先要生产优质钢, 因而采用扩大转炉容量、增加精炼、在进加热炉前设置或预留 抛丸-超声波探伤 或 磁粉探伤-修磨 生产线。而采用超高功率电炉、精炼、连铸供坯的生产企业, 增加了300m 级别的高炉, 将热铁水对入废钢中冶炼, 不仅改善钢的制得纯净度, 同时可以节约能耗、缩短生产周期、降低氧化铁皮损耗、改进产品质量、提高金属收得率、降低生产成本。而采用自供坯的小型、线材轧机多力求采用热送钢坯, 以降低产品热耗。
2. 2 加热炉技术进步
2. 2. 1 步进式钢坯加热炉的普遍应用
20世纪80年代末到90年代初, 建设的连续式高速线材轧机多采用步进式加热炉; 90年代中期以后建设的钢坯加热炉多采用侧进侧出全梁式步进炉, 步距可调, 采用新型的低NOX 型烧嘴, 侧烧嘴采用带中心风的调焰烧嘴, 调节比可达1:10, 长度大于12m 的钢坯多设置端烧嘴, 以使钢坯加热温度更均匀。
2. 2. 2 蓄热式加热炉技术得到重视
近年来, 蓄热式燃烧技术在小型、线材车间逐步得到应用, 蓄热式燃烧系统由蓄热室和换向装置组成, 可将空气、煤气同时预热至1000 左右, 可使用高炉煤气等低热值燃料。蓄热式加热炉可节能约35%, 缩短钢坯加热时间, 降低烧损。
2. 3 无头轧制工艺
20世纪90年代中期, 由日本NKK 及意大利达涅利公司分别开发成功的无头轧制新技术, 引起了轧钢技术的一场革命。该技术具有产量高、成材率高、轧制稳定、降低消耗等优点。
无头轧制技术是指在加热炉出口侧将钢坯两端焊接起来, 轧制一根无限长的钢坯。这种轧制方法由于消除了钢坯之间的时间间隔, 消除了轧件的切头切尾, 消除了棒材生产线上的短尺/短尾或线材盘卷头尾修剪, 可按用户需要生产不同重量的盘卷, 减少咬钢次数, 使堵钢的可能性更小, 减少了停机时间, 3
6 甘 肃 冶 金 第26卷
考克斯/达涅利减径定径机组RSB 为三辊考克
控制冷却工艺的应用可在减少成本的同时, 显著提高产品质量。控冷处理后的普通低碳钢就能够替代微合金钢及低合金钢通过穿水淬火, 通过穿水冷却, 在线棒材表面形成粗大马氏体, 然后通过线材内部残余热量进行自回火, 从中心到表面逐渐扩散, 最终在冷床上空冷。即经过3个热处理阶段:淬火阶段、回火阶段、最终冷却阶段。2. 7 多种机型的运用
除传统轧机机型外, 近年来线棒材轧机大量采用了特色各异的多种机型。除了减定径机、双模块, 轧机和考克斯轧机外, 还有以下两种特殊机型。2. 7. 1 无牌坊机架
该机架的特点是:机架由4根拉杆承受轧制力, 轧制力分布在很短的回路内和较大的面积里。此外, 为了保证轴承座的刚度和从圆柱轴承到拉杆的短距离, 使机架和轴承座弯曲最小, 对机架的拉杆位置进行了优化, 无牌坊机架可靠性高, 轴向径向刚度高, 对实施低温轧制有利, 且产品尺寸公差小, 换辊时间短。适用于中、精轧机组。2. 7. 2 悬臂式机架
悬臂式机架采用芯轴加套NiCrCo 热处理辊环, 油膜轴承结构, 有水平式机架、立式机架、平/立可转换式机架。这种机型的特点是:轧辊辊颈直径增大约30%, 断面积增加约65%, 增强了关键部位的强度, 减少了应力集中; 该机型有固定的轧制线; 易于更换辊环, 维护及更换导卫方便; 重量轻, 可节约投资。这种机型适于作为小型或高线轧机的粗轧机架, 只需配置一种孔型即可。2. 8 自动控测技术
线材尺寸小、长度大、运行速度快, 因此极易产生振动、抖动和扭转等问题。这些问题的存在, 给用常规检测方法对轧件和成品的尺寸、形状的检测带来很大困难。
从20世纪90年代中期开始, 国外线材厂家开始借助于测径仪, 对轧件和成品的尺寸形状进行动态检测。对检测的结果和检测结果所对应的轧制状态进行相关性分析、归纳整理, 得出影响线材尺寸精度的内在规律, 并在此基础上形成可有效指导操作的指导文件和可融于控制、管理软件之中的应用软件, 从而能更好地对操作人员的调整给予定性定量两方面的指导, 以便操作人员在线材高速轧制时能及时掌握轧件及成品的尺寸精度变化情况。
国外有关提高线材尺寸精度的研究与应用, 目前已在原有的基础上, 利用测径仪动态检测轧件、成品的形状尺寸, 并对检测结果进行分析研究, 得出符,
斯轧机, 开始用于无缝和焊管的张力减径轧制。1991年开发出的最新减径定径机组RSB, 在轧制中
材料处于三向压应力作用下, 可充分发挥其塑性潜能, 尤其适合于轧制难变形金属。RSB 机组的主要优点有:可以获得好的产品质量(包括尺寸公差、表面质量和冶金性能) ; 产品种类齐全, 可在任何时间生产任何规格的产品; 能耗低, 比常规轧制方法可降耗30%左右; 后序加工费用低, 表面削去量减少; 采用备用机架换辊, 可提高有效作业时间; 提高了成材率。我国大冶钢厂和上钢五厂都引进了此种机型。2. 5 低温轧制工艺
常规轧制的温度是在奥氏体区轧制, 低温精轧是指在最后几道次的形变发生在正火轧制工艺或热机精轧工艺对应的温度范围内。由于RSM 、TM B 和RSB 轧机的投入, 使轧件进吐丝机前再进行一次低温轧制(750~950 ) , 经低温变形后, 可得到均匀的细晶组织, 有利于改善产品性能。该轧制方法还适用于轧制双相钢线材。
为了得到均匀的细晶组织, 低终轧温度下形变率的控制是一个关键因素。在更多道次中采用大变形量的低温轧制会导致晶粒尺寸的不均匀, 这是由于超过了与应变能积累相关的总应变极限后, 产生了部分动态再结晶。因此, 两道次低温轧制的断面压缩率应在24%~31%, 四道次低温轧制的断面压缩率应在46%~57%。而对一些低温轧制和正火轧制均不能改善其性能的钢种, 如不锈钢、易切削钢等, 通过此机组生产, 可使轧件从头至尾保持稳定的轧制温度, 从而使产品的组织均匀性及尺寸公差得到保证, 生产效率显著提高。
低温轧制的优点:结构组织的细化将生产细化的晶粒尺寸; 避免碳钢发生正火; 改善了低温韧度; 可获得良好的力学性能; 提高疲劳强度; 较好的表面质量; 并通过控制冷却工艺使钢材得到理想的内部组织结构。
2. 6 控制冷却工艺
控制冷却的任务是通过控冷辊道速度和集管水量的控制实现轧件的加速冷却控制及实现轧件所要求的开冷温度、终冷温度和冷却速率。控制冷却的基本策略是, 根据轧件目标冷却速率, 确定单位集管流量; 根据目标开冷温度、终冷温度和冷却速率, 迭代计算控冷辊道速度和开启的集管数目, 其中辊道速度尽量大, 以减少轧件长度方向的开冷温度不均匀性, 但又需要考虑到控冷区前后辊道长度对轧件升降速的限制; 开启的集管组数受到瞬时最大水量
第4期 王快社等:线棒材生产现状及发展趋势 从而向实现整条轧制线工艺过程调整的闭环控制方向发展。
2. 9 TMC P 技术
T MCP 技术是以控轧控冷相结合为特点, 也就是低温轧制和在线热处理的综合处理手段。在控制形变组织的基础上, 又控制随后的的冷却速度, 从而获得理想的相变组织, 使轧材具有所需要的强度和韧性, 而这种性能是单独采用控制形变或单独采用热处理所无法达到的。
T MCP 技术要点是:将铸坯低温加热到1000 左右, 在具有较小晶粒的奥氏体区开始轧制; 在适当的Ar3温度附近的亚稳态奥氏体区或 + 两相区变形; 随后控制冷却, 使加工后未再结晶组织进行恒温转变, 通过晶粒内形变带上形成的大量晶核, 实现细晶铁素体的转变。在同样的形变量下, 横温转变温度越低, 铁素体的形核率越高, 组织晶粒越细, 从而得到高强度化和高韧性化。这样, 在材料的化学成分上就可相应地进行低碳化、低碳当量化, 从而对改善轧件的焊接性和降低脆性转化温度非常有利。特别是通过低碳化, 添加的微量元素Nb 在低温下易于固溶, 对改善材料性能更为有利。可以说, 该技术在通过控制轧制这一相变基础上, 又增加了一个通过控制冷却实现组织控制的自由度。TMCP 技术的实质, 是使传统的形变热处理工艺在轧制生产中在线完成, 从而轧制出高强度、高韧性、高焊接性的管线用钢和船板钢、高强度结构用钢。2. 10 带肋钢筋表面淬火及自回火-OTB 工艺为了适应目前在轧制过程中通过采用不同的工艺控制生产不同级别的产品这一趋势, 发展了一种表面淬火及自回火-QTB 工艺。
该工艺过程是在淬火阶段, 在棒材离开终轧机时, 需剧烈水冷, 在棒材表面形成冷硬层, 冷却速度高于形成马氏体速度, 以获得粗大马氏体; 在回火阶段, 热量从温度仍很高的棒材芯部传到已淬火表面, 使在第一阶段得到的马氏体得到自回火; 第三阶段是在冷床上, 棒材芯部未转换的奥氏体进行半等温相变。由于棒材表面形成了回火马氏体组织, 可提高其屈服强度约150MPa, 可代替影响材料韧性的进一步冷加工处理。产品在具有高强度的同时, 保证了足够的韧性, 产品质量好于热轧加空冷的微合金钢及低合金钢产品。由于碳当量较低, 采用QTB 工艺后的带肋钢筋还可以获得较好的焊接性能。
在此工艺中, 终轧温度、淬火时间、水流量是淬火工艺的关键参数, 淬火过程又决定了一个特定的回火温度, 这些因素决定了回火马氏体环面积所占, 7
性能。QTB 工艺的开发应用带来的经济效益是很明显的。据测算, 如果使用自供坯, 用低碳钢代替微合金钢, 可节省炼钢车间生产成本18%; 如果代替
低合金钢, 可节省成本8%。如果购坯轧制, 使用低碳钢代替微合金钢, 可节省生产成本15%; 代替低合金钢可节省成本6%。
3 我国线棒材健康发展应采取的对策
3. 1 改造或淘汰落后的生产线
开发低成本国产连轧(半连轧) 生产线, 改造或淘汰落后的生产线。为此, 应遵循以下原则:以连轧(半连轧) 生产线改造为主要目的, 淘汰现有多火成材的横列式轧和落后的复二重线材轧机。粗轧机组可采用灵活、快速粗轧技术, 与连铸衔接, 尽量采用热送热装技术; 不断开发、完善国产技术和装备, 以建设和生产的低成本与国外高装备水平生产线在产品质量和生产成本的优化组合上取得竞争优势。在建设方式上, 对资金不足的企业可分步实施。第一步先建成半连轧生产线, 待条件成熟时可将粗轧改成连轧形式。
3. 2 调整品种结构, 开发新产品
目前我国线材品种结构不尽合理, 中低档品种产量过剩; 高附加值、高技术含量的品种又缺乏, 需要从国外大量进口。如优质硬线的生产比例, 国外先进国家优质硬线比在20%左右, 我国不到10%; 我国合金钢及不锈钢线材比为1%~2%, 而国外在5%以上。因此希望采取措施, 发展和填补国内短缺空白品种, 如钢帘线用钢材、高应力弹簧用50CrV 、55SiCr 钢、超低碳不锈钢材等。3. 3 积极增加 级钢筋的产量
级钢筋是指强度为400MPa 的带肋钢筋, 在一般钢筋混凝土结构工程中使用 级钢筋, 与 级钢筋相比, 可节约钢材12%~14%, 可增加建筑物安全储备, 有显著的社会经济效益。而且 级钢筋由于碳当量低, 焊接方便, 焊接性能好。强屈比不小于1. 26, 适于抗震, 有利于地震区建筑物使用。国家已将 级钢筋作为推广项目, 而目前我国 级钢筋只占全部钢筋产量的4%左右, 远远满足不了市场需要。因此应大力发展 级钢筋的生产。
3. 4 跟踪世界前沿, 积极引进和消化国外先进技术
目前发达国家在线棒材的生产中, 研究和开发了大量的先进技术和设备, 并在生产中取得了良好的效益。为了使我国的线棒材生产能够持续健康发展, 必须对现有的先进技术进行消化和吸收, 尽快国产化, 增加我国线棒材的竞争力。如加强钢质的净
()
第4期 冉 伟:浅析电解液成分对铅电解的影响
表4 2002年电解液成分配置技术参数
项目结果
骨胶(kg) 0. 6~0. 8
木质素(kg) 0. 4~0. 6
游离酸(g/L) 70~90
铅液浓度(g/L) 95~105
产量(kg) 580~620
29
6 结 论
本电解液成分配置经过9个月的生产验证表明, 这种电解液成配置和用量、加入方法对阳阴两极化作用更加强烈, 能加速阳极的溶解, 极表面强烈吸附, 析出加速, 析了铅致密光滑短路现象减
表5 2003年电解液成分配置技术参数
项目
骨胶(kg)
-萘酚(g)
明胶粉(g) 70
游离酸(g/L) 120
铅液浓度产量(g/L) 100
(kg) 870
少, 电解时可获得理想的指标和满意的析出铅质量。产量有较大的提高, 而且降低了添加剂的单解条件, 为强化生产创造了条件。
随着生产条件的深化, 通过加强管理, 这一有实用性配方的应用, 为铅电解的稳产高产提供了技术依据, 为今后我公司生产实现达产达标、创造更大利润提供了指导, 值得进一步推广应用。
收稿日期:2004 07 22
作者简介:冉 伟(1971 ) , 男, 助理工程师, 1994年毕业于西安矿业学院机电专业。
结果0. 35~0. 5100~120
铜银较难保证, 两个系统生产月产量最高到700. 5t 。
改进后添加剂的使用方法为:骨胶、 -萘酚均制成水溶液, 每小时加1次, 使其均匀扩散到电解液中, 发挥最佳效果, 阴极结晶光滑致密, 表面光洁呈灰白色, 合格率均达到国际一级, 在一个系统生产的情况下月产量达627t 。
(上接第7页)
化, 进一步扩大连铸坯热送热装比例, 进一步推动连铸直接扎制的开发和运用, 依次降低线棒材的成本。要强化计算机控制和计算机管理技术; 要开发和应用线棒材的组织和性能预报工作; 密切注视国外先进技术和装备发展, 要不断创新。
[6] 宋加. 我国小型和线材生产概述[J]. 轧钢, 2003, 2:
28~31.
[7] M assimo Lestani, A lfredo Poloni. T he Endless Welding
Roiling Process[J].M etallurg ical Plant and T echnolo gy, 2001, 2:46~53.
[8] Dag N Sollander. New Interstand Dimension Control for
Ro d and M ilis [J].M etallurgical Plant and T echnolo gy, 1999, 2:42~45.
[9] Stephen M ark Shore. T he L atest Developments in Reduc
ing/Sizing M ill T echnolog y[J].M etallurg ical Plant T ech nology , 1999, 1:50~57.
[10] M assimo L estani, Roberto Nini. T he T win Module Block
(T M B) for Rolling Specialty Steel Wire Rod[J]. M etal lur gical Plant and T echnolog y, 2002, 2:46~57.
[11] 刘雅政, 等. 有效控制产品质量的轧制技术[J].轧钢,
2003, 93:19~23.
[12] 祁
341.
[13] 肖福仁, 等. 冷却速度对低碳微合金钢组织的影响
[Z].新一代钢铁材料研讨会, 北京:2001, 357~362.
[14] 李建设. 全国轧钢生产会议论文集:小型连轧生产线
全数字控制的研究和实践[C]. 北京:冶金工业出版社, 2002:380~383.
[15] 王守荣, 等. 全国轧钢生产会议论文集:浅谈第4代高
速线材轧机的技术改造[C]. 北京:冶金工业出版社, 2002:291~294.
收稿日期:2004 04 10
作者简介:王快社(1966 ) , 男, 副教授, 工学硕士, 西安交通大学在职博士, 现从事金属材料加工工程科研与教学工作。
4 结 语
基于节省资源和环保要求, 钢材的生产越来越重视先进技术和装备的使用。因此线棒材生产的发展应在满足市场需求的同时, 不但要关注节能和环保, 而且要通过研究、引进、消化先进的工艺、技术和
装备等手段, 降低成本, 生产高质量、高附加值的产品。今后我国线棒材生产应着重开发和消化吸收的技术和工艺有:无头轧制工艺、高精度轧制技术、棒材低温轧制技术、控制冷却工艺、自动控测技术、T MCP 技术、在线热处理技术等。参考文献:
[1] 戴宝昌, 等. 重要用途线材制品新技术[M ].北京:冶金
工业出版社, 2001.
[2] 小指军夫. 控制轧制控制冷却 改善材质的扎制技
术发展[M ]. 北京:冶金工业出版社, 2002.
[3] 张寿荣. 2l 世纪的钢铁工业及对我国钢铁工业的挑战
[J].天津理工学院学报, 2000, 3:16~24.
[4] 国外机械工业基本情况 重型机械[M ].北京:机械
工业出版社, 2002.
[5] 翁宇庆. 调整品种结构、优化轧钢工艺、提高国产钢材
的市场竞争力[J]. 轧钢, 2000, 6:3~9.
捷. 线材减定机组的生产技术 全国轧钢生产
会议论文集[C].北京:冶金工业出版社, 2002:335~