现代长材轧钢厂：高效钢材轧制技术

现代长材轧钢厂概述

长材是指：(i) 钢筋；(ii) 型钢棒材，如圆钢、扁钢、方钢、六角钢等；(iii) 截面型钢，如角钢（等边和不等边）、槽钢、工字钢、T型钢和特殊型材等；(iv) 线材。轧制长材的轧机称为长材轧机。根据轧制产品，这些轧机称为商品棒材轧机、棒线轧机、轻型型钢轧机、钢筋轧机、轻商品轧机、特殊钢质量（SBQ）轧机和线材轧机等。

这些轧机产品范围通常为横截面小于中重型型钢轧机产品的型钢和截面型钢。线材轧机生产直径5-12.5mm的钢线材，盘重达2.5吨。轧制钢材质量范围涵盖低碳钢、中碳钢、高碳钢、微合金钢和低合金钢。

长材轧机设计需满足高速生产、产品微观组织质量、产品切换时间最短等性能要求。

现代长材轧机具有极大灵活性。通常为连续轧机，包含三组轧机架：(i) 粗轧组；(ii) 中轧组；(iii) 精轧组。输入材料通常为钢坯。若输入材料为钢锭，可通过辊底式加热炉将钢坯轧机与长材轧机结合。精轧侧也可与线材轧机结合以生产线材。

对长材质量、轧机灵活性和成本效益的要求日益增长，推动了新技术和工艺的发展。现代长材轧机为高速轧机，能以高生产率轧制特殊钢质量等级和工程钢的棒材和轻型型材，同时将投资和运营成本控制在合理水平。

轧机产品类型与布局

长材轧机可设计生产：(i) 单一产品如钢筋；(ii) 棒材；(iii) 型材；(iv) 盘条线材；(v) 多产品组合。部分钢筋和棒材可按需生产盘条，其他产品生产定尺。产品可为商品材或特殊钢质量材。

长材轧机也可设计为单流或双流。双流轧机在粗轧组双流轧制，中轧和精轧组为两套单流轧机架。

钢筋轧机可采用分孔轧制。可采用多分孔轧制（MSR），即从单根钢坯同时轧制两根或更多钢筋。分孔轧制常用于小直径钢筋。与传统单流连轧相比，MSR减少了轧制道次。

轧机能力因轧制产品、规格质量、输入材料规格长度、加热炉能力、轧制速率、最大轧制速度、班次/工作天数而异。长材轧机年产能通常30万-80万吨，钢筋轧机可设计超100万吨。

现代长材轧机通常安装在较高位置（距地面约+6米），以便油库等设施布置在地面便于操作维护。

轧机布局至关重要，性能高度依赖布局。设备间距离应最小化，但须满足工艺要求。图1展示连续长材轧机典型流程图。

图1 连续长材轧机典型流程图

这些轧机的技术装备旨在提升轧制产品质量特性、增强性能和运行一致性。现代轧机集成自动化系统，融合工艺与机电一体化。无人工控制，人工干预最小化。自动化水平通常达2级，部分配置3级。

热机械轧制技术

现代长材轧机也可设计用于热机械轧制，又称低温轧制，是在轧制过程中在线控制最终材料性能的方法。它涉及在轧机最后几道次、对应部分再结晶或抑制再结晶的温度范围内施加材料变形。因此，仅通过降低轧制温度即可直接在轧机获得具有改进冶金和力学性能的优质产品。一旦抑制再结晶，晶粒细化现象发生，成品技术性能改善。此外表面质量显著提升。热机械轧制优势包括：晶粒细化、避免脱机正火、提升低温韧性、渗碳钢热处理后性能更好、弹簧钢退火时间缩短、成品疲劳强度提升、微合金钢抗拉强度在线直接提高、脱碳层深度减小等。

现代长材轧机要求

• 高可用性、高生产率、高成材率。
• 低维护需求。
• 低能耗需求。
• 严格尺寸公差。
• 负公差（截面重量）。
• 全长尺寸无变化。
• 物理性能均匀。

轧制关键参数

粗轧、中轧、精轧组重要参数包括温度、面积压缩率、道次间时间、真应变和应变率。表1列出典型数值。因截面积在每组轧辊处逐步减小，轧件在各阶段速度不同。例如线材轧机将初始钢坯（如150mm方坯、10-12米长）逐步轧制成成品线材（最小直径5.0mm、长1.93km），精轧速度达120m/s。

表1 各轧制阶段典型参数
	单位	粗轧	中轧	精轧
温度范围	℃	1000-1100	950-1050	850-950
速度范围	m/s	0.1-1	1-10	10-120
道次间时间范围	毫秒	1600-10300	1000-1300	5-60
真应变范围		0.20-0.40	0.30-0.40	0.15-0.50
应变率范围	1/s	0.90-10	10-130	190-2000

成品尺寸质量由精轧机组轧机架决定。尺寸精度取决于初始坯料尺寸、轧制道次序列、温度、微观组织、轧辊表面质量、轧机架刚度和轧件/轧辊摩擦条件等因素。

现代长材轧机主要设备

设备分类：

• 轧件输送设备
• 加热炉
• 钢材轧制设备
• 热处理设备
• 剪切设备
• 轧件冷却及输送设备
• 包装设备
• 电气、控制与自动化设备
• 辅助设备与设施

钢坯由提升机送至轧机操作层。辊道常用于轧件移动，辊子通常采用群驱。

加热炉

现代长材轧机通常配备节能步进式或步进炉底式加热炉，常为计算机控制。这些炉能以所需生产率将钢坯均匀加热至目标温度，无滑块印痕和冷点。可接收冷热钢坯装炉。现代加热炉特点：(i) 优越的加热钢坯质量；(ii) 更高加热效率；(iii) 极低燃料消耗；(iv) 最小氧化皮损失，提高材料成材率；(v) 低脱碳，适合高品质钢级；(vi) 最大操作灵活性，即使低产率下也有良好工作条件。燃烧器调节比高，轧机因故停轧时炉子可维持最低燃料运行。

轧制设备

轧制设备包括轧机架、轧辊、轴承箱、轴承、传动装置、进出导卫。现代长材轧机常采用串联多轧机架以获高产率。轧机架分粗轧、中轧、精轧三阶段。粗轧机通常布置水平和垂直轧机架，可为悬臂或无轴承箱设计。中轧机也通常布置水平和垂直无轴承箱轧机架，配快换装置。精轧机采用水平垂直组合或水平可转换组合轧机架。

悬臂轧机架

悬臂轧机架为紧凑型，广泛用于各种尺寸和应用：(i) 水平垂直布置的单流轧机；(ii) 双流或多流轧机的分列中轧机组；(iii) 线材精轧机架。优势：(i) 基础小；(ii) 同类型轧机架盒式部件可互换，甚至水平垂直轧机架间也可互换；(iii) 小直径下高承载强度，适合高速线材精轧机；(iv) 最佳可及性；(v) 快速换辊和换架。

无轴承箱（HL）轧机架

现代长材轧机粗轧和中轧组常用HL轧机架。模块化设计允许HL轧机架盒式部件用于水平、垂直、可倾斜和万能等所有配置。轧机架尺寸因轧辊和轧辊颈尺寸、轧制道次表、道次型式、齿轮箱和电机特性而异。主要特点：部件紧凑刚性好、轧辊弯曲模量低、耐用多列调心滚子轴承配自动对中轴承箱、轴承箱无间隙平衡、辊梁设计便于导卫简单精确调整等。优势：(i) 减小基础深度和尺寸；(ii) 轧件满足形状和尺寸公差要求；(iii) 换架节省时间，换辊在轧制线外进行；(iv) 维护时间大幅减少，因部件少且易接近；(v) 自动轧缝调整；(vi) 运行灵活，同一轧机架单元可用于任何位置。

减径定径轧机（RSM）

RSM是当前长材轧机备受青睐的多功能轧制技术，也称精密定径轧机。现有常规轧机难以满足严格公差要求，仅能以牺牲效率为代价勉强实现，特别是损失轧机利用时间和降低成材率，有时甚至不可行或成本过高。常规粗轧和中轧中，成品公差主要受进入精轧段坯料截面变化影响。RSM利用三辊技术特点：变形时展宽小、变形效率高。RSM优势众多：安装在轧机线上用于将任意成品尺寸轧制至极严公差；可在负荷下调整每个轧缝且可全自动化。

导卫设备

导卫设备在轧机道次进出口引导轧件以实现平稳轧制。导卫须坚固、精准、稳定。导卫在保证轧件表面质量方面起关键作用。导卫须设计适应长材轧制中常见的各种坯料尺寸和形状。现代长材轧机进出口导卫通常采用辊式导卫。辊式导卫基于滚动摩擦设计，相对于基于滑动摩擦的静态导卫有诸多优势。辊式导卫比静态导卫能更快更准确地调整导卫元件。因轧件与导卫通过滚动摩擦工作的滚轮接触，可大幅提高工作元件（滚轮）耐磨性，减少划伤、折叠、拉痕等轧制缺陷。

轧辊

轧辊是轧机主要且昂贵的消耗品。用于轧机轧钢，性能取决于材料和服役负荷。轧辊设计受轧制力、轧辊强度和可用扭矩限制。表2列出长材轧机用轧辊类型。

表2 长材轧机用轧辊类型
序号	轧辊类型	表面硬度
1	锻钢0.75%C，粗轧机架轧辊	35
2	铸钢-0-0.5%Mo+Ni,Cr,Mn，强韧，抗热裂	30-42
3	珠光体球墨铸铁，强韧抗热裂，精轧轧辊	30-38
4	特种球墨铸铁，上述改进	35-40
5	高碳完全固溶+Ni和Cr的Adamite铸钢，耐磨好但需大量波动，粗轧轧辊	30-48
6	直碳无限冷硬铸铁，须避免温度波动，中轧轧辊	35-40
7	Adamite合金球墨铸铁，硬度渗透极好，需温度控制，硬度强度范围宽，精轧轧辊	35-50
8	直碳冷硬铸铁，高抗温变、断裂和表面龟裂，小截面轧辊	55-65
9	Adamite合金无限冷硬铸铁，改进直碳，椭圆和导卫轧辊	55-70
10	全硬合金无限冷硬铸铁，改进Adamite如Nironite	65-85
11	高合金冷硬铸铁，良好加工硬化，导卫轧辊	65-90
12	球墨铸铁，钢坯粗轧轧辊	55
13	球墨铸铁，棒材轧机大多数轧机架抗热裂，粗轧轧辊	60-65

轧制道次设计

轧制道次设计是长材轧制过程的关键部分，因长材在长材轧机成型轧辊间轧制。道次设计通常指在轧辊体上切削槽纹，轧件按序通过以获得目标截面形状和尺寸。主要目标：(i) 生产公差范围内正确截面、无缺陷、表面质量好、力学性能达标的产品；(ii) 轧制经济性，如最低成本下最大产率、最优能源利用、操作条件好、最小轧辊磨损。

轧辊轴承

轧辊轴承承受极高径向载荷和变化轴向载荷，运行速度从低到高。轴承需具备增强的接触面、材料强度、内部几何和保持架特性以适应这些工况。

轧辊轴承基本要求：(i) 高持续载荷能力；(ii) 低摩擦系数；(iii) 允许大而强轧辊颈的设计；(iv) 最小磨损；(v) 结构简单易维护；(vi) 高可靠性；(vii) 允许轧辊间快速简便互换的设计；(viii) 运行稳定性；(ix) 精密设计制造。轧辊轴承须提供高性能以减少轧机停机时间。

现代长材轧机通常采用圆锥滚子轴承，因其倾斜滚子能同时承受径向和轴向力。轧机用四列和双列圆锥滚子轴承。

张力控制

钢材在连续轧机多架同时轧制时，轧机架速度须受控以确保无张力轧制。控制张力的主要方法：无张力轧制速度控制系统和人工监控各电机电流。可使用挑棒台辅助保持轧件在轧机架间无张力。挑棒台用下方劝导辊形成挑棒，挑棒高度由桌背槽内热金属检测器监测。这是垂直挑棒。也存在水平挑棒，挑棒在轧制线侧平台形成。

热处理设备

轧制钢筋和线材通常配备热处理设备。钢筋轧制时，钢材离开最终轧机架，经短冷却装置水急冷（淬火）进行表面硬化。此时表层转变为马氏体而心部保持奥氏体。线材轧制时，受控冷却输送系统是实现各钢级线材目标性能的关键设备。速度、风机功率和输送机盖板位置的最佳组合，使单系统内可实现快冷和慢冷模式，处理广泛工况。此能力使线材轧机能生产广泛的普通碳素钢、合金钢、不锈钢和其他特种钢级。“强制冷却”时，最大功率吹风、开盖、松散线圈快速冷却以获得层状珠光体。“延缓冷却”时，关盖、低速、无风机输送线圈，维持温度范围以获得铁素体/珠光体组织。结果改善了热轧态线材性能，使更多钢级可直接使用，减少或消除球化退火等后续工艺。

剪切设备

长材轧机用热剪进行头尾剪切、夹钢切割和定尺。不同速度范围的曲柄式、旋转式和组合剪用于优化头尾剪、夹钢切割和定尺。根据轧机需求，剪切机可配合夹送辊和辅助切碎剪使用。

轧机可用多种剪切机在轧制过程、精轧机架出口、冷却床前冷剪切产品。视产品形状和材质，可用剪切机在钢材通过轧机时剪切头部，通常为飞剪。剪切刀片平行于钢材移动切割。多流钢筋轧制中，轧机需剪切机提供洁净钢材头部以避免分孔架夹钢。某些钢级如易切钢需修剪头部防止头部裂纹张开缠绕轧辊。

鼓式剪常用于扁钢、圆钢等简单形状产品。刀片安装在旋转圆筒上，设定“超前”速度以最小化钢材“弯折”。

冷却床冷却至环境温度后，钢材需剪切成销售长度。大多数产品在冷却床后经冷剪切割。小截面产品成排离开冷却床，冷剪一次切割一排。剪切截面大小取决于最大切割力额定值。刀片行程须足够大以适应最大高度产品。压料装置也须通过此高度并移入位置夹持产品。型钢使用成型剪切刀片及成型入料辊或导板将产品对准刀片形状。

冷却床

长材使用多种冷却床。长材钢材进入冷却床滑至耙齿第一缺口。初始缺口由格栅铸件提供连续支撑。设定间距的长条缺口支撑钢材移出格栅铸件后。钢材通过偏心凸轮驱动交替板提升、移动、缩回循环在冷却床移动（如从右向左）。重复此循环移动轧机送出的钢材。冷却床长度由最大出轧钢材长度决定，按销售长度优化以最小化切头损耗。宽度按轧机生产率（吨/小时）和冷却所需时间确定。

现代长材轧机采用步进式冷却床。可动架式冷却床旨在均匀风冷轧制棒材和轻型型材，并从入口分相向出口侧输送。棒材和轻型型材前端在出口侧整平，定数轧件送冷剪定尺切割和捆扎或堆叠。可动架式冷却床通常为步进梁设计。机构确保棒材和轻型型材在齿耙上均匀定位。设计考虑轧机精轧机架送出的最小和最大规格棒材、轻型型材及各规格所需冷却时间。架式冷却床设计取决于预切定尺钢材，使其减速、横向输送跨越冷却面，确保极宽长度范围的棒材、轻型型材尽可能保持直线，在冷却面末端按冷剪要求预定包收集，最终输送至辊道送冷剪。

冷却后型钢通常在辊式矫直机矫直，冷剪切割成销售长度后堆叠或捆扎。角钢堆叠采用两下一上排列。捆扎后移至发运区。

精整区解决方案

轧机精整区棒材和型钢精整有多种方案。典型棒材轧机含带规距冷剪，型钢轧机含矫直机送冷剪。正确的层准备是生产率关键，通过型材给料系统实现。高产率时也用飞剪式冷剪。高产率用多线矫直机。理念是矫直冷却床长度以减少给料操作、更好利用矫直辊驱动。棒材在轧辊下正确对中和居中至关重要。近期改进：(i) 型钢自动给料入矫直机；(ii) 安装在托架上的轧辊组快速更换、电动轧缝调整；(iii) 整体单元安装在可移出轧制线进行维护的平台上，无需停产。此外为预对中冷却床出口辊道上的钢材层，通常设链式传送和小车式提取系统，使钢材按所需中心距从床耙退出并通过小车轻柔沉积在出口辊道保持此状态。

捆扎与堆叠

轧机捆扎堆叠段也有多种方案。典型方案为简单捆扎机，型钢常用磁力堆叠机。所有操作须机械化自动化，包括短棒剔除、标签理想扫描位置标签。通常特别关注捆包最终形状，棒材和型钢最优排列。堆叠机设计因需求而异。轻型型钢精密堆叠用悬挂摆动系统，轻中型型钢用底部磁力堆叠系统。

计棒系统由基于光学原理的自动计棒和形成捆包的分离系统组成。分离系统由三个固定链式传送装置组成，计棒系统安装其间。光学装置配合链传动装置上脉冲发生器对通过的每根钢材计数记录，无重叠或重复读取。

现代长材轧机配备捆包扎带机。设计用于连续运行，扎带机用商用规格铁丝，机头液压驱动。打包机气动驱动，用不同宽度商用钢带。打包可采用卡扣或焊接。

电气与自动化系统

轧机电气系统含变压器开关设备、直流和交流电机、电机变频驱动、电机控制中心、现场传感器仪表执行器、控制面板、操作台、控制室等。

轧机自动化旨在以最少人工干预实现可靠轧制。自动化级别可为1级或2级。1级为基础自动化级，含可编程逻辑控制器（PLC）、人机界面（HMI）操作监控、SCADA系统、工艺和生产控制计算机，集中或分布式拓扑，通过现场总线和局域网互联。

轧机自动化执行多功能：

• 主操作台，含管理功能模式和轧制速度计算。
• 轧机架间级联速度调节。级联控制用压缩概念（R因子）计算轧机级联速度参考。该参数直接关联轧制基础，简化设置和操作控制。生产中挑棒张力控制自动调整R因子，确保轧机架间最小材料应力。
• 冲击速度下降补偿。穿钢头部时系统加速轧机架，减小材料冲击轧辊时的速度下降。钢材进入轧机架后控制恢复轧机级联速度参考。
• 轧机架间最小张力/挑棒控制。轧机架间张力/挑棒控制减小材料沿轧机应力，有助于提高产品尺寸精度。
• 剪切控制用于剪切工艺。轧机剪切性能精度对提高成材率和避免钢材进入轧机架出现问题至关重要。
• 自动夹钢检测通常设计为帮助操作员快速应对突发事件并持续跟踪钢材。夹钢发生时系统自动反应最小化影响，命令上游剪切机切碎堵塞钢材，阻止加热炉送入下一钢坯。

辅助设备

现代长材轧机辅助设备包括：加热炉后除鳞设备、夹送辊、轧辊冷却设备、轧辊/轧机架更换设施、产品矫直设备、取样检验切割设施、润滑设施、液压气动设施、轧辊装拆设施、轧辊车削设施、导卫准备设施、存储搬运设施、通讯设施、水处理设施、氧化皮池等。