日本軋鋼理論和技術(shù)發(fā)展簡(jiǎn)況

1、日本軋鋼理論和技術(shù)發(fā)展簡(jiǎn)況 【保護(hù)視力色】 【打印】【進(jìn)入論壇】【評(píng)論】 【字號(hào) 大 中 小】2007-01-31 10-49    自1953年日本鋼鐵產(chǎn)量超過(guò)戰(zhàn)前以來(lái)，經(jīng)濟(jì)高度發(fā)展，產(chǎn)量飛速提高。20世紀(jì)70年代初期產(chǎn)量超過(guò)了1億t，成為世界屈指可數(shù)的鋼鐵大國(guó)，其后產(chǎn)量一直保持在1億多噸，并努力使生產(chǎn)技術(shù)處于世界領(lǐng)先水平。    日本鋼鐵工業(yè)的發(fā)展以戰(zhàn)后從歐美各國(guó)引進(jìn)技術(shù)為基礎(chǔ)，通過(guò)迅速對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)和創(chuàng)新，開發(fā)了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的技術(shù)。在軋制工藝方面，20世紀(jì)60年代至70年代開發(fā)了高速軋制技術(shù)，20世紀(jì)70年代至80年

2、代開發(fā)了連續(xù)軋制技術(shù)，自20世紀(jì)80年代以后，開發(fā)了軋制尺寸精度高、產(chǎn)品質(zhì)量高和不受工藝過(guò)程約束的軋制技術(shù)及應(yīng)用這種技術(shù)的新型軋機(jī)。最近以適應(yīng)環(huán)保要求為目的的軋制工藝引人注目。以下主要就20世紀(jì)80年代以來(lái)日本開發(fā)的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的軋制技術(shù)的發(fā)展歷程進(jìn)行概述。    軋制理論和軋輥的發(fā)展    1 軋制解析    眾所周知，日本的軋制技術(shù)以理論為基礎(chǔ)，始終處于世界先進(jìn)水平。為解析板材軋制中的板材形狀和中間凸度的原理，對(duì)軋機(jī)的彈性變形條件和被軋材的塑性變形條件進(jìn)行了聯(lián)立求解。采用將彎曲和剪切撓曲的材料力學(xué)

3、模型進(jìn)行擴(kuò)展或校正的方法對(duì)各種類型軋機(jī)進(jìn)行解析的方法已基本確立。另一方面，關(guān)于材料的塑性變形，采用了三維解析法，使解析由二維理論向高精度解析發(fā)展。在解析法的發(fā)展方面，有采用數(shù)值計(jì)算法忠實(shí)解析變形的所謂三維解析法，有剛性和塑性FEM，有彈性和塑性FEM，尤其是還有為縮短計(jì)算時(shí)間而將上述方法進(jìn)行組合的解析法。    在孔型軋制方面，一般說(shuō)來(lái)純理論處理是極為困難的。作為一種簡(jiǎn)便的方法，雖然可以采用所謂的矩形換算法把孔型軋制替換為適當(dāng)?shù)木匦螖嗝娌牡谋馄杰堉?，但無(wú)法獲得高精度。提高精度用的實(shí)驗(yàn)式和半理論式在簡(jiǎn)單推測(cè)隨孔型和軋制條件變化時(shí)的變形特性和負(fù)荷特性方面依然是一種有效

4、的方法，但目前一般是采用FEM解析。由于FEM的出現(xiàn)，使材料的三維解析變得可能。它不僅可以用于板材的解析，而且還可以用于型材、棒線材和管材的軋制力、軋制載荷、軋制力矩和寬展的求解。三維FEM解析作為一種有效的解析工具已得到人們的認(rèn)可。    人們期待著今后能向軋制溫度解析和將軋制加工時(shí)的材料組織變化，尤其是將軋制缺陷解析系統(tǒng)組合起來(lái)的綜合軋制理論方面發(fā)展。    2 變形阻抗    變形阻抗值是計(jì)算軋制載荷和軋制力矩時(shí)的重要物理特性值。日本鋼鐵協(xié)會(huì)軋制理論研究會(huì)已對(duì)變形阻抗值的研究數(shù)據(jù)進(jìn)行了充實(shí)和收集，并

5、采用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了研究。    在熱變形阻抗方面，采用考慮到多道次高速連續(xù)軋制時(shí)的累積應(yīng)變效應(yīng)的變形阻抗公式進(jìn)行計(jì)算后，顯著地提高了熱變形阻抗值的預(yù)測(cè)精度。為把考慮到材料組織變化的軋制理論進(jìn)行擴(kuò)展，希望能建立對(duì)材料的硬化、恢復(fù)和再結(jié)晶等現(xiàn)象同時(shí)進(jìn)行跟蹤的理論體系，積累一些與合金成分相對(duì)應(yīng)的能對(duì)冶金現(xiàn)象進(jìn)行定量化的數(shù)據(jù)。    在冷變形阻抗方面，通常是采用考慮到溫度和應(yīng)變速度相互關(guān)系的動(dòng)態(tài)變形阻抗公式進(jìn)行計(jì)算。    3 軋制潤(rùn)滑和軋輥    隨著冷軋速度的高速化(最大2800

6、mpm)，為獲得摩擦系數(shù)的定量值，開發(fā)了高速軋制模擬裝置和雙圓筒滑動(dòng)試驗(yàn)機(jī)，嚴(yán)格計(jì)算流入油膜的厚度，對(duì)軸與軸承等的熱膠著進(jìn)行了評(píng)價(jià)，提出了表面光澤度的推定和控制系統(tǒng)，并對(duì)軋制潤(rùn)滑油進(jìn)行了改進(jìn)。作為工作輥材質(zhì)，一般是將高碳Cr系鍛造材進(jìn)行表面淬火后，使微細(xì)碳化物在完全變?yōu)轳R氏體的基質(zhì)中大量析出，形成硬度高的組織，但由于軋制方面的要求越來(lái)越高，因此加快了對(duì)鍍Cr和噴鍍WCCo來(lái)提高耐磨性的研究和高速鋼及陶瓷新材質(zhì)的研究。軋輥表面的加工也從噴丸清理變?yōu)殡娀鸹庸ぃ虿捎秒娮邮图す馐冗M(jìn)行加工，使軋輥表面加工得更加均勻、軋輥形狀更加妥當(dāng)。    在熱軋過(guò)程中，確保材料的

7、咬入性能，提高軋輥的耐磨性，防止軸與軸承等的熱膠著是重要的課題。目前軋輥一般是使用高速鋼，但希望開發(fā)出高載荷軋輥和軋制工具，以適應(yīng)更大的壓下軋制要求。    提高軋輥和軋制工具的耐磨性、抗事故性和抗桔皮狀缺陷性是軋制技術(shù)飛速發(fā)展所不可缺少的重要技術(shù)，從減輕環(huán)保壓力的觀點(diǎn)來(lái)看，這些技術(shù)要素今后也是很重要的。    鋼板    1 連續(xù)軋制和直接連接軋制    日本自1968年開發(fā)了森吉米爾式多輥軋機(jī)的全連續(xù)式串列式冷軋機(jī)(TCM)和1970年開發(fā)了四輥軋機(jī)的全連續(xù)式TCM以來(lái)，

8、軋機(jī)的連續(xù)化已取得很大的進(jìn)展。目前日本國(guó)內(nèi)的主要軋機(jī)都實(shí)現(xiàn)了完全連續(xù)化。由于完全連續(xù)軋機(jī)的技術(shù)可以和軋機(jī)的上下工序連接，因此1986年開發(fā)出了酸洗TCM連續(xù)退火成套設(shè)備。完全連續(xù)化的開發(fā)包括了軋制生產(chǎn)計(jì)劃可以隨意變化、穩(wěn)定焊接技術(shù)、帶材穩(wěn)定移動(dòng)技術(shù)、前進(jìn)方向可變裝置等。在冷軋的連續(xù)化之后，1996年首次在世界上開發(fā)出了熱軋的連續(xù)化技術(shù)。它是在粗軋結(jié)束后將前后軋材在進(jìn)入精軋機(jī)前進(jìn)行焊接，使精軋機(jī)在無(wú)切頭切尾的狀態(tài)下進(jìn)行無(wú)頭軋制的技術(shù)，解決了產(chǎn)品前后端部的質(zhì)量問(wèn)題，同時(shí)使極薄鋼板和新材質(zhì)鋼板的生產(chǎn)技術(shù)變得有可能。    自1989年將50100mm厚的薄板坯連鑄機(jī)和軋

9、機(jī)直接連接的緊湊式軋機(jī)誕生以來(lái)，其建設(shè)數(shù)量逐年增加，目前在日本以外的國(guó)家中至少已建設(shè)了50套。緊湊式軋機(jī)的特征是設(shè)備投資少、交貨期短，可進(jìn)行沒(méi)有水冷滑軌造成黑印的等溫軋制，如果采用長(zhǎng)的板坯，還能進(jìn)行半無(wú)頭軋制，可以預(yù)計(jì)今后其應(yīng)用將越來(lái)越廣，同時(shí)能進(jìn)一步提高產(chǎn)品質(zhì)量。另外，將來(lái)帶鋼連鑄機(jī)應(yīng)用的趨勢(shì)引人關(guān)注。    2 新型軋機(jī)    關(guān)于軋機(jī)輥距的控制，軋輥?lái)?xiàng)彎裝置是關(guān)鍵。眾所周知，日本以20世紀(jì)70年代后期出現(xiàn)的六輥?zhàn)兯佘垯C(jī)(HC軋機(jī)、UC軋機(jī))為契機(jī)，開發(fā)了交叉輥薄板軋機(jī)(PC軋機(jī))、雙軸承座頂彎裝置(DCWRB)、在小直徑工作輥上

10、裝有側(cè)支撐輥的六輥FFC軋機(jī)、ZHi軋機(jī)、多輥型CR軋機(jī)、KT軋機(jī)、軋輥本身具有可變凸度型的VC軋輥、TP軋輥、NIPCO軋輥，還有采用在線磨削的軋輥磨床(ORC)等，這些新型裝備為世界軋制設(shè)備的發(fā)展做出了很大的貢獻(xiàn)。另外，還研究開發(fā)了采用1機(jī)架多道次軋制技術(shù)的各種軋機(jī)，但其應(yīng)用僅限于特殊材的軋制。    3 板材中心凸度部分和板材形狀的控制    板材軋制時(shí)的中心凸度部分和板材形狀的控制是對(duì)同一現(xiàn)象進(jìn)行控制的技術(shù)。由于前者的控制精度在數(shù)微米至數(shù)十微米就可以了，而后者的控制精度應(yīng)在01m或小于01m，因此被視為不同的技術(shù)。在對(duì)比較厚的

11、鋼板進(jìn)行熱軋時(shí)要控制板材的中心凸度部分，冷軋時(shí)要將中心凸度部分比率保持一定，在考慮形狀后進(jìn)行薄壁化軋制。雖然這是常規(guī)操作法，但由于板材端部容易產(chǎn)生三維變形，因此開發(fā)了控制邊緣凸度的技術(shù)。例如，有采用立輥軋機(jī)減少邊緣損失的方法；在軋機(jī)上下輥之間使圓盤狀水平輥向板的兩邊擠壓，一面約束寬度一面進(jìn)行軋制的方法；還有采用帶有錐度工作輥的軋機(jī)和交叉輥軋機(jī)進(jìn)行軋制的方法。因此，可以預(yù)計(jì)今后仍將積極利用三維變形的技術(shù)來(lái)控制板材中心凸度部分。    在形狀控制方面對(duì)板厚(軋輥間隙形狀)控制的精度要求非常嚴(yán)，這是因?yàn)橹灰刂凭扔幸稽c(diǎn)點(diǎn)的偏差，板材就會(huì)出現(xiàn)板厚偏差很大的形狀缺陷。陡度

12、在05以下，就可以視為形狀良好，延伸率偏差為62×105(62Iunit)，1mm板厚的壓下量偏差為006m。因此，實(shí)現(xiàn)高精度軋制當(dāng)然離不開軋輥的局部矯直和材料的橫向移動(dòng)所產(chǎn)生張力的緩和穩(wěn)定作用，但在軋制過(guò)程中使軋輥間隙形狀和板材的中心凸度部分一致是控制形狀的基礎(chǔ)。軋輥撓曲、熱凸度、母材形狀、機(jī)械試驗(yàn)值的偏差和軋輥磨耗等會(huì)對(duì)軋輥間隙形狀和板材中心凸度部分產(chǎn)生影響。為精確控制形狀，必須對(duì)從低次函數(shù)到高次函數(shù)這一大范圍內(nèi)的形狀偏差進(jìn)行修正，因此將新型軋機(jī)的形狀控制傳動(dòng)裝置進(jìn)行組合，采用多變量控制理論等復(fù)雜而又精密的控制方法進(jìn)行形狀控制的趨勢(shì)將進(jìn)一步增大。   

13、; 4 板厚控制    隨著鋼板加工自動(dòng)化程度的提高，為排除加工過(guò)程中的故障，用戶對(duì)鋼板制品的板厚精度要求越來(lái)越高。將支撐輥的油膜軸承替換為滾柱軸承，采用高性能油壓壓下裝置消除和控制軋輥偏心已取得很大的發(fā)展。作為軋機(jī)用傳動(dòng)裝置，所有AC傳動(dòng)裝置都形成了標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字化控制。AC傳動(dòng)裝置的優(yōu)點(diǎn)是，在結(jié)構(gòu)上已完全采用電刷、單機(jī)容量增大，在性能方面已達(dá)到高精度、高應(yīng)答化、可變速度范圍擴(kuò)大。    在以往的板厚控制裝置中有自動(dòng)測(cè)量調(diào)整裝置(AGC)、監(jiān)視AGC、FFAGC和游標(biāo)尺AGC。在最新的串列式軋機(jī)中，在此基礎(chǔ)上還開發(fā)了軋機(jī)速度數(shù)字化控制、軋

14、輥偏心控制、機(jī)架間的無(wú)干擾控制和在線板厚變化控制等技術(shù)。尤其是為使連續(xù)式軋機(jī)能在不停機(jī)的情況下對(duì)軋機(jī)入口側(cè)依次焊接的鋼種、板厚、板寬不同的材料進(jìn)行連續(xù)軋制，因此通過(guò)抑制張力過(guò)度變化，協(xié)調(diào)地改變各機(jī)架的軋輥位置、軋制速度等在線板厚變化控制技術(shù)是很重要的。由此可大幅度減少板材穿過(guò)軋機(jī)和切頭切尾落料造成的軋輥損傷和板材等外品，同時(shí)提高對(duì)小批量訂貨的適應(yīng)能力。另外，它也是緊湊式軋機(jī)實(shí)施無(wú)頭軋制所不可缺少的技術(shù)。    5 平面形狀和板寬控制    在厚板和熱軋鋼板生產(chǎn)工藝中，板寬澆注技術(shù)在20世紀(jì)80年代就已確立其基本技術(shù)。在厚板生產(chǎn)方面有大

15、幅度提高合格率的平面形狀控制新技術(shù)MAS(MizushimaAutomaticPlanViewPatternControlSystem)軋制法和附設(shè)的接近水平軋機(jī)的立輥軋機(jī)設(shè)備。MAS軋制就是對(duì)各種鋼板在軋制終了后的平面形狀控制變化量進(jìn)行預(yù)測(cè)，根據(jù)預(yù)測(cè)的變化量，給出軋制過(guò)程中板坯厚度形狀，最終將平面形狀變成矩形的方法。熱軋時(shí)實(shí)現(xiàn)將連鑄機(jī)和軋機(jī)有效直接連接的板坯寬度定徑技術(shù)、大幅度提高熱軋鋼板寬度精度的熱軋板寬度控制技術(shù)、精軋時(shí)利用機(jī)架間的立軋機(jī)和張力控制來(lái)提高尺寸精度的技術(shù)、尤其是采用冷軋TCM和冷軋工藝線的板寬控制技術(shù)等都是日本開發(fā)的領(lǐng)先于世界水平的獨(dú)有技術(shù)。  

16、0; 鋼管    在最近20年的發(fā)展中，首先應(yīng)舉出的是無(wú)縫鋼管用鋼坯的連續(xù)澆鑄技術(shù)。隨著圓鋼坯質(zhì)量的提高和制管技術(shù)的進(jìn)步，采用熱擠壓法生產(chǎn)的13Cr鋼和奧氏體系不銹鋼已改變了軋制方式。最近已開發(fā)了圓坯連鑄和制管、熱處理直接連接的技術(shù)。    1 穿孔軋制    使用方鋼坯的PPM(壓力輥穿孔機(jī))已被替換為使用圓鋼坯的斜輥穿孔機(jī)。在穿孔方法變化中值得注意的是圓錐形穿孔機(jī)和被稱作交叉穿孔機(jī)的交叉輥穿孔機(jī)的發(fā)展。圓錐形穿孔機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是具有旋轉(zhuǎn)鍛造的效果和抑制圓周方向剪切變形的作用，因此可以抑制鋼管內(nèi)面的缺陷，可用

17、于難加工性材料的穿孔，尤其是可以用于擴(kuò)孔和薄壁穿孔。采用普通穿孔機(jī)時(shí)，壁厚外徑比(TD)的極限為大約6，而采用圓錐形穿孔機(jī)時(shí)能進(jìn)行TD為32的薄壁管穿孔。    2 拉伸軋制    芯棒式無(wú)縫管軋機(jī)已向大型化和緊湊化方向發(fā)展。機(jī)架數(shù)由79機(jī)架減為45機(jī)架，穿孔機(jī)和芯棒式無(wú)縫管軋所需的能源消耗共計(jì)可減少20左右。    在芯棒式無(wú)縫管軋機(jī)的控制技術(shù)中，為減少其后在張力減徑機(jī)中管端壁厚的切頭損失，開發(fā)了管端預(yù)先減薄成形技術(shù)，即用芯棒式無(wú)縫管軋機(jī)預(yù)先將管端減薄的成形技術(shù)，并在鋼管軋機(jī)上首次采用了油壓壓下裝置。&

18、#160;   3 減徑軋制和定徑軋制    雖然在最終調(diào)整外徑的減徑軋制和定徑軋制方面沒(méi)有值得特殊介紹的技術(shù)發(fā)展，但大口徑定徑機(jī)有許多也采用了三輥式定徑機(jī)。采用三輥的缺點(diǎn)是輥距無(wú)法變更，因此機(jī)架的臺(tái)數(shù)多，但最近出現(xiàn)了輥距可變的軋機(jī)，還提出了四輥減徑機(jī)的想法。今后芯棒式無(wú)縫管軋機(jī)和定徑機(jī)及張力減徑機(jī)的直接連接技術(shù)也將引起人們的關(guān)注。    以上所述的鋼管領(lǐng)域中的高合金穿孔用芯棒的開發(fā)和芯棒及毛管坯導(dǎo)槽潤(rùn)滑劑的開發(fā)等與摩擦學(xué)技術(shù)有很大的相互關(guān)系，因此希望長(zhǎng)壽命化技術(shù)有進(jìn)一步的發(fā)展。   

19、 型鋼    以第一次石油危機(jī)為契機(jī)，型鋼生產(chǎn)也由轉(zhuǎn)爐鑄錠開坯，變?yōu)檗D(zhuǎn)爐連鑄。型鋼的軋制技術(shù)有采用軋制工字梁用異形坯生產(chǎn)多系列型鋼的技術(shù)和采用板坯軋制H型鋼的技術(shù)，型鋼軋機(jī)用的坯料已改為連鑄坯料。最近10年，鋼軌、鋼板樁和H型鋼等大型型鋼的軋制技術(shù)已取得了顯著的發(fā)展。    1 外部尺寸一定的H型鋼    隨著建筑結(jié)構(gòu)件生產(chǎn)技術(shù)的高度發(fā)展，斷面性能高且經(jīng)濟(jì)性好的外部尺寸一定的H型鋼采用斜輥軋制的方法和縮小H型鋼腰部高度的軋制方法已應(yīng)用于實(shí)際。前者在精軋前為使腰部外部尺寸保持一定，擴(kuò)大了腰部?jī)?nèi)部尺寸；后者為

20、在精軋機(jī)內(nèi)使腰部高度保持一定，縮小了腰部高度。結(jié)果，能在線變更水平輥寬度的輥身寬度可變水平輥和立輥軋機(jī)孔型深度可變的偏心立輥軋機(jī)也應(yīng)用于實(shí)際。另外，由于在萬(wàn)能軋機(jī)上采用了油壓壓下裝置，因此軋機(jī)變得非常緊湊。隨著斷面的大型化，普通的單臂式矯直機(jī)已無(wú)法滿足要求，開發(fā)了雙臂式矯直機(jī)，但由于存在著占地空間大和軋輥更換操作復(fù)雜的問(wèn)題，因此需進(jìn)一步改善。    2 寬幅鋼板樁    以往寬幅鋼板樁以400mm寬的U形鋼板樁為主，一般是使用連鑄板坯在34架的二輥式軋機(jī)上由810個(gè)孔型反復(fù)軋制而成。還開發(fā)了在H型鋼軋機(jī)作業(yè)線上不更換H型鋼軋制用機(jī)架，

21、只更換軋輥生產(chǎn)鋼板樁的方法。另外，隨著工程的大型化和提高施工效率的需要，600mmU形鋼板樁和900mm寬的帽形鋼板樁已能商業(yè)化生產(chǎn)。    3 鋼軌    鋼軌一般是在數(shù)架二輥式軋機(jī)上采用孔型軋制的方法進(jìn)行生產(chǎn)的。隨著對(duì)產(chǎn)品尺寸、質(zhì)量要求的不斷提高和降低軋輥成本的需要，采用萬(wàn)能軋機(jī)進(jìn)行中軋和精軋的技術(shù)已成為主流。鋼軌的磨損主要是線路曲線部與車輪凸緣部的摩擦磨損，因此在1994年將鋼軌全部換成上部整個(gè)斷面經(jīng)在線熱處理后的鋼軌，作為防止磨損的措施。    另外，以阪神大地震為契機(jī)，在厚板生產(chǎn)領(lǐng)域發(fā)展的TMC

22、P法和氧化金屬噴鍍技術(shù)已開始應(yīng)用于建筑用鋼材的生產(chǎn)，TMCP極厚H型鋼、低屈服比外部尺寸一定的H型鋼和耐火H型鋼已能商業(yè)化生產(chǎn)。    棒鋼和線材    在棒鋼和線材軋制中為追求提高生產(chǎn)率、提高尺寸精度和產(chǎn)品質(zhì)量滿足市場(chǎng)需求，開發(fā)軋機(jī)的尺寸可調(diào)軋制和控冷控軋等新功能的工作取得了進(jìn)展。    1 無(wú)頭軋制    棒線材產(chǎn)品的種類非常多，因此開發(fā)了一種熱方坯焊接后連續(xù)軋制的設(shè)備(配置了直流式對(duì)焊機(jī)和去毛刺裝置)，該設(shè)備投資小、無(wú)短尺和尺寸不齊現(xiàn)象、實(shí)現(xiàn)大單重卷、可消除軋廢時(shí)間、增加產(chǎn)量等。其應(yīng)用范圍今后將進(jìn)一步擴(kuò)大。    2 高速軋制和控制冷卻    線材精軋的特征是變形速度快、從孔型間通過(guò)的時(shí)間短，由于設(shè)備緊湊，因此軋制后必須快速冷卻，它也可作為控制材質(zhì)的手段。