热连轧机热轧卷板轧制的重要方面

热轧带钢轧制的重要方面

厚度高于 200 毫米的连铸板坯用于制造热轧带钢。将板坯转变为厚度仅为几毫米的薄板/板材是扁钢轧制过程中最重要的阶段。这些操作在带钢热轧机 (HSM) 中进行。热轧卷是为了便于搬运和运输，以卷材形式生产的加长钢板/中厚板（带）。

现在的带钢轧机要么是传统的带钢轧机，要么是用于轧制连铸薄板坯的带钢轧机。传统HSM的主要功能是将半成品板坯重新加热到轧制温度，然后通过一系列由大电机驱动的轧机机架将它们轧得更薄更长，最后将加长的钢板/中厚板（带)，因为它易于处理和运输。

在 1960 年代和 1970 年代期间，HSM 被设计为具有 5 到 7 个粗轧机架的全连续轧机或四分之三连续轧机。目前的轧机采用 1 到 2 个粗轧机架，可实现 300 万吨 (Mt) 和 5.5 Mt 的年产量。

条带的厚度可达 25 毫米。在卷取机上生产内径为 750 毫米的热轧卷材，外径可达 2,600 毫米，卷材重量限制为每毫米宽度 22 公斤。热轧卷材用于冷轧，用于将带材纵剪成更小宽度的卷材，并剪切成直长的板材/板材。在过去的几十年里，用于热轧卷材轧制的 HSM 范围发生了显着变化，热轧带材的最小厚度从 1.8 毫米到 2 毫米降低到 0.8 毫米到 1.2 毫米。这种厚度的带钢早先只能在冷轧机中生产。

HSM 需要满足几个要求。这些要求是 (i) 高轧机可用性以及高生产率和高产量，(ii) 低维护，(iii) 低能耗，(iv) 通过满足紧密的厚度和轮廓公差来提高产品质量，以及 (v) 灵活轧制时间表，以确保较短的交货时间和较小批量的经济滚动。

传统带钢热轧机的基本设备是再加热炉、粗轧机架/机架、精轧机架、带钢的加速控制冷却 (ACC) 和卷取机（图 1）。离开粗轧机架后，板坯连续通过精轧机架，其厚度逐渐减小。随着钢变得更薄，它也会变得更长并且更快地通过轧辊。因为同一块钢的不同部分以不同的速度通过不同的轧辊，所以这个过程需要对每个机架的每个单独轧辊的速度进行非常密切的计算机控制。当它到达轧机末端时，钢可以以高达 20 m/sec 的速度行进。当长钢带从带钢轧机上下来时，它会被卷起并冷却。

图 1 热轧带钢厂的典型布局

机架间设备对于生产具有良好表面质量的热轧带钢也至关重要。重要的机架间设备包括 (i) 入口导轨和出口导轨，(ii) 工作辊冷却系统，(iii) 防剥落装置，(iv) 辊缝润滑系统，以及 (v) 机架间冷却和除氧化皮系统。所有这些设施的密切相互作用对于达到最佳结果是必要的。具有液压宽度调节功能的侧护板可确保在最短的时间内准确定位。导带区域的设计使所有易损件都可以快速更换。

通过优化喷嘴的选择和布置，提高了机架间冷却效率。辊缝冷却、辊缝润滑和改进的出口侧冷却系统的结合降低了辊温。这导致轧辊表面上的氧化层较薄，因此工作轧辊剥离较少。辊缝内的润滑可最大限度地减少摩擦，从而使轧制力降低 20% 至 30%。通过这种方式，可以重新分配轧制力以优化道次计划和更薄的最终带材规格。除此之外，还可以防止机架中的颤振或振动，从而延长轧辊的使用寿命。

热轧卷材在将卷材开卷、矫直和在剪切线上剪切成所需长度的直条后，生产薄板或板材。这些片材或板材通过其宽度比其厚度高几倍来识别。它们具有矩形截面，其中长度和宽度恰好是厚度的 100 倍以上。板材被定义为厚度不超过 5 毫米的矩形截面。厚度5毫米及以上长度的称为板。

在 HSM 中轧制的热轧卷材有几种钢种。除了低碳钢、高碳钢和冷轧钢等传统钢种外，HSM 还生产特殊钢的热轧卷。 HSM 还能够生产特殊钢的热轧卷材，例如管线钢、DP（双相）钢、TRIP（相变诱发塑性）钢、HSLA（高强度低合金）钢、IF（无间隙）钢，以及硅（Si）钢等。

现代 HSM 通常具有 (i) 高性能设备，(ii) 具有精确尺寸的高质量带钢表面，(iii) 改善钢的机械性能，(iv) 轧机和设备的高生产率，(v) 高可用产出，以及 (vi) 低生产成本。在 HSM 精轧机中，一项重要任务由称为活套的液压臂执行，该液压臂位于两个连续机架之间的中间，其目的是使带钢张力保持在恒定值。该机械系统具有特别不稳定的动态特性，这使得 HSM 中的控制问题变得棘手。

在 HSM 中轧制带钢的关键目标之一是在离开轧机的带钢凸度和平整度方面以最佳质量达到目标厚度。在减薄过程中，为了使带材中心和边缘之间的伸长率均匀，在带钢宽度上不断减小是非常重要的。如果不满足这个条件，就会产生内应力条件，导致平面度缺陷（中心翘曲或波浪边缘）。

近年来，随着钢铁用户端对更高产量、流程简化和自动化的需求不断增加，热轧卷材有望满足这些要求。正因为如此，热轧带钢的质量要求变得更加严格，不仅对钢材的性能提出了更高的精度要求，而且对厚度、宽度、平整度、型材等尺寸和形状的要求也越来越高。

轧制带材的形状以其横截面轮廓（冠部）和平整度为特征。带钢形状的精度是决定热轧带钢质量的重要参数。带材形状是决定轧制带材市场竞争力不可缺少的因素。由于带钢形状是质量的关键指标，因此板形控制技术是热轧带钢生产的核心技术。有几个因素会影响 HSM 中轧制带钢的形状。图2显示了带材的宽度方向分布，包括带材中心高度的带材凸度、轧辊局部磨损产生的高点和边缘掉落。为满足这些要求，热轧机轧制热轧卷需要复杂的技术。

图 2 热轧带钢的典型剖面

HSM 中的第一个主要操作是板坯的再加热。当板坯离开连铸机区时，温度高于900摄氏度。板坯在被送入再热炉之前在板坯场等待，其温度降低，在100摄氏度和800摄氏度之间波动。这平板是温暖的平板。板坯在送入再热炉前，在板坯场内冷却至环境温度，称为冷板坯。

该技术及其操作对加热炉很重要。加热炉的运行对金属产量、环境排放和成本非常重要。将板坯轧成热轧卷的可变成本中约有 30% 用于燃料气体。在加热炉中加热板坯时，通过在加热炉中装入高温的板坯（即热装）并将必要的再加热温度保持在尽可能低的水平，大大降低了对燃料能量的需求。后者是通过减少 HSM 轧制过程中的热损失来完成的。使用加热板可减少辐射损失。喷水时和除垢一样，也要注意对流损失。

与在加热炉中再加热板坯有关的重要问题是（i）在加热炉中存在直接的火焰接触，这会氧化板坯表面，导致由于结垢形成通常约 1% 的材料损失，以及（ii） ) 再热炉的惯性高。由于板坯温度的变化而调整再加热炉的运行需要时间。排气温度只能逐渐改变。

再加热炉不适于根据目标精轧机入口和出口温度对出料温度进行精确的、板坯到板坯的调节。这种缺乏灵活性是在再加热炉中加热板坯期间的缺点。由于不可能在板坯之间改变排出温度，因此连续的板坯通常被加热到足够高的温度以容纳需要最高排出温度的板坯。这通常是要轧成小厚度（即高热损失）或具有高精轧温度的板坯。结果，依次将其他板坯加热到比所需温度更高的温度。这不仅会导致过多的能量输入到板坯中，而且还会影响生产率，因为板坯要在辊道上等待冷却。因此在加热炉中有能量消耗，也有轧制能力的损失。 HSM 为克服再加热炉缺乏灵活性而提供的设施是 (i) 中转棒冷却和 (ii) 感应加热。

在 HSM 中轧制带材期间适用的基本概念是（i）轧辊和被轧材料之间的接触弧是圆的一部分，（ii）摩擦系数在理论上是恒定的，但实际上它是变化的沿着接触的弧线，（iii）被轧制的材料被认为在轧制过程中发生塑性变形，（iv）材料的体积在轧制之前和之后是恒定的（实际上，由于孔的特写），（v）假设轧辊的速度是恒定的，（vi）材料仅在轧制方向上延伸，并且在材料的宽度上没有延伸，以及（vii）横截面积垂直于滚动方向不变形。

在 HSM 中轧制带钢期间影响轧制过程的主要变量是 (i) 轧辊直径，(ii) 受冶金、温度和应变速率影响的材料变形抗力，(iii) 材料流动应力，(iv)轧辊与被轧材料之间的摩擦，以及 (v) 带材平面中存在前张力和/或后张力。

HSM 中的带钢轧制是一个复杂的过程，其中产品的质量受到一系列因素的影响，例如来料、机电设备、操作参数、润滑以及自动化和控制策略等。重要的质量参数是材料厚度、材料形状和表面以及应力分布的均匀性。为了优化成本效益和最大限度地利用材料，必须严格控制厚度公差，以使带钢能够尽可能接近最小允许厚度。只有将机电仪表设备与控制策略解决方案有机结合，才能有效优化产品质量。

有几个因素会影响线圈生产的调度。它们是 (i) 产品质量规范，(ii) 流程效率标准，(iii) 生产力，以及 (iv) 目标交货到期日。每块板坯都有几个重要的特性，例如宽度、厚度、等级（化学成分）、装料温度、脱落温度、总合力（减少板坯厚度所需的力）和规格（需要的带材厚度）生产）等。最重要的限制需要四个方面的平滑变化，即（i）宽度，（ii）总力，（iii）规格和（iv）在加热炉中的停留时间。

轧制计划在 HSM 带钢轧制中起决定性作用。传统上，最重要的因素是轧机中由磨损和热膨胀引起的轧辊轮廓的演变。由此推导出“棺材”时间表，这意味着开始时较窄，随着辊子上的热凸度增加而迅速积累到更宽的材料，然后随着辊子的磨损逐渐变窄。

轧制进度对轧机能力有重要影响。轧机计划包括减量、速度和温度计划。减量计划决定了轧制道次和每道次的减量。速度计划确定咬合速度、通过速度和最大滚动速度，而不改变电机的加速和减速。温度计划根据开轧温度通过冷却水流控制轧机房的温降和终轧温度。对轧制计划来说重要的问题是：（i）带钢的形状良好，凸度符合规格要求，（ii）轧机的产量，以及（iii）带钢的良好性能。轧制计划是为了保证HSM生产的带钢满足带钢尺寸、综合性能和微观组织的要求。

HSM 的工作辊能够承受极端的使用条件。离开加热炉时，板坯温度约为 1250 摄氏度。在轧制过程中，由于与带钢接触，轧辊表面从 50 摄氏度到 80 摄氏度（静止条件）加热到非常高的温度（500 摄氏度）在最初的支架中冷却到 600 摄氏度），只需一秒钟，然后喷水在大约 4 秒钟内将其冷却到 80 摄氏度。这些热变化促进了严重的热疲劳循环，影响深度为 1 毫米至 2 毫米。当轧辊表面升温直至轧辊表面塑性屈服（高温屈服强度和合金的热膨胀系数决定这一点）时，会产生纵向和周向压应力。在循环的冷却半程中，会产生拉伸应力并进一步发生屈服。图3显示了工作辊表面的热应力。

图 3 工作辊上的热应力及其影响

工作辊上的热应力如此之高，以至于在很短的工作时间后就会出现裂纹。这些裂纹大多在初始机架处的轧辊深处，但在最后一个精轧机架处大多较浅（图 3）。由于工作辊和支承辊之间的接触在每次旋转中产生的高应力（赫兹应力甚至高于 2,000 MPa），这些火裂纹也会生长和分支。随着带钢与轧机不同机架的轧辊接触冷却，赫兹应力随着轧制载荷的增加而增加。

此外，工作辊表面还遭受氧化和磨损过程。磨损是由压缩滚动载荷与轧辊和带钢之间沿接触角的滑动相结合产生的，特别是由于带钢表面存在氧化皮。该标尺由三层组成，外层为Fe2O3，中层为Fe3O4，内层为FeO，其室温平均硬度分别为1000HV、450HV和350HV。此外，这些层的厚度取决于带钢温度。温度在 1,150 到 1,250 摄氏度范围内的粗轧机台下的带钢含有大量的磨料 Fe2O3 氧化皮，而在最后的精加工机台下，温度在 850 到 950 摄氏度范围内的软氧化铁皮占主导地位。这是在 HSM 的不同机架上通常观察到的不同磨损模式的主要原因。

此外，每 2 分钟到 3 分钟就会对带钢的冷前缘和后缘产生高速冲击。此外，工作辊还会承受弯曲和扭转应力，在轧辊颈附近达到最大值。

HSM 中的工作辊性能取决于达到最小辊径后报废时每毫米轧制的吨数。它还取决于每次滚动运行后所需的磨损量或修整量。在运行结束时，对工作辊的表面进行无损检查，然后研磨以消除所有缺陷（表面裂纹）和最外层的劣化层。此后，在安装到轧机之前再次检查轧辊。使用每个工作辊对直到达到最小直径。因此，轧机中轧辊性能的任何改进都会对主要成本方面产生直接影响。这是因为（i）更好的带钢质量（表面和形状），（ii）更高的生产率（废弃前轧制吨数），（iii）减少轧辊更换次数和降低轧辊库存，以及（iv）改善轧辊的工作条件HSM轧辊。

有几种改善带材机械性能的方法。这些方法包括合金化、热处理、控制轧制和加速控制冷却。最有希望提高带钢质量的方法是控制轧制和随后的加速控制冷却 (ACC)。在 ACC 过程中，通过提供给带材热表面的冷却环境（水）去除热量，从而从轧制热量中进行冷却。在这种情况下，带钢表面的进水方式和进水速度对带钢的最终性能有很大影响。

ACC 系统设计为顶部和底部的层流系统，并结合了管线侧水箱系统。冷却区分为所需的冷却组，包括用于快速冷却的强化冷却组、用于定期冷却的普通冷却组和用于精细温度控制的冷却组，以实现 DP 和TRIP 钢。层流冷却和封边系统的结合防止了带钢边缘的过度冷却，从而最大限度地减少了带钢宽度上的应力差异。

在 HSM 中将板坯加工成热轧带钢过程中涉及的几个步骤很复杂，并且涉及机械和自动化技术。 HSM 中带钢的热轧不仅需要机械解决方案，还需要适当的控制技术。 HSM的轧制过程可以通过标准的软件和自动化体系结构进行控制，该体系结构包括四个自动化级别，分别是0、1、2和3级。

在过去的 40 年到 50 年中，HSM 的先进控制和建模解决方案的使用经历了各个方向的多次发展。其中包括 (i) 自 1970 年代以来已为精轧机提出的多变量控制技术的使用，现在它被认为是用于控制通用轧机与下游活套或下游卷取机的综合工具，(ii) 开发各种模型，以便根据材料温度和轧制过程预测材料特性，并应用用于调节卷取温度的控制，（iii）开发用于补偿摩擦现象的先进控制技术，（iv）开发模型和控制器以改善材料平整度和轮廓，以及 (v) 开发最近引入的转向控制技术，以通过减少鹅卵石的可能性来提高生产率水平。

可靠的自动化系统对于磨机的机械和液压设备的高性能是必不可少的。自动化系统将根据轧机限制、能源消耗、设备劣化和轧机生产率来决定轧机设置，计算高质量带钢的轧制计划。轧制计划由每块待轧板坯的数学模型计算，以考虑轧机固有的差异，例如进入轧机的两块板坯之间可能存在的温度差异及其影响达到相同最终厚度所需的轧制力的差异，或工作辊的磨损受到板坯的影响，其对轧制带钢厚度的影响。

自动化系统不是 HSM 性能的唯一决定因素。然而，对于任何给定的机械和电气设备配置，只有通过高性能控制和自动化才能实现磨机的潜在性能。自动化系统的基本数据包括（i）入口板坯的几何和物理数据（尺寸和钢材质量），（ii）带钢的目标数据（厚度、宽度、温度和轮廓等）和（iii）轧机数据和 HSM 的限制。

HSM 中应用的自动化技术通常分为四个级别，分别称为级别 0、1、2 和 3（图 4）。所有这些自动化级别都需要分层协作才能实现最佳性能。为实现磨机的最高生产率水平，需要在磨机中实施多项控制技术、物理现象数学模型和优化算法。

图 4 带钢热轧机的自动化水平

对 1 级自动化系统和执行器的引用是通过数学模型为每条待轧钢带计算的，以考虑到轧机固有的差异。例如，进入轧机的两块板坯之间可能存在温度差异，这种差异对达到相同最终带钢厚度所需的轧制力的影响，或者工作辊的磨损会受到影响，带钢钢带及其对钢带厚度的影响。

2 级自动化特别注意从板坯进入轧机到热轧卷生产和离开 HSM 的时间跟踪带钢。对每条轧制钢带的跟踪考虑了整个轧机中的所有钢带。它可以进行测量采集并管理磨机设置和调整运行的所有操作。有三个因素会影响工厂的设置。这些是（i）滚动策略，（ii）数学模型和（iii）模型采用。

3 级主要用作带钢热轧机的调度器。它获取工厂的订单并将其组织成轮次，通常为 100 到 200 个工件，这些工件符合为工厂制定的调度规则。除了 HSM 本身，第 3 级还考虑了上游和下游流程以及库存区域。 HSM 中使用的调度规则基本上是轧机的全局模型，它使调度员能够组织轮次，以便在轧机设备施加的约束内实现所需的质量参数。