馬江濤，劉明發(fā)，謝紅飆，趙恒亮，陳 榮，許秀梅，張立剛

(1.大連華銳重工集團股份有限公司，遼寧 大連 116013；2.燕山大學國家冷軋板帶裝備及工藝工程技術(shù)研究中心，河北 秦皇島 066004)

0 前言

異型鋼軋制技術(shù)屬于冶金工程技術(shù)學科，裝備制造業(yè)軋制設(shè)備領(lǐng)域，其產(chǎn)品以復(fù)雜斷面的鋼板樁、電梯導(dǎo)軌、托梁鋼等為典型代表。異型鋼產(chǎn)品作為高品質(zhì)鋼，因其附加值高、耐久性強、隔水性好、需求量大等特點，成為國內(nèi)外各大鋼研院所和鋼鐵企業(yè)競相研制生產(chǎn)的對象，成為鋼鐵冶金領(lǐng)域當前和未來一段時間的主流產(chǎn)業(yè)。

同時，在碳達峰、碳中和目標下，粗鋼供給有望逐年減少，倒逼焦炭和煤炭需求下降。鋼鐵行業(yè)能耗管控將加嚴。同時，碳達峰、碳中和目標將倒逼行業(yè)進行產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整，提升高端材料和優(yōu)特鋼占比，減少普通材占比；通過工藝升級，生產(chǎn)輕量化、高性能產(chǎn)品，增加產(chǎn)品市場競爭力，確保企業(yè)“減量不減效益”[1]。對于“十四五”期間，鋼鐵行業(yè)如何減污降碳，國家將差別化管控粗鋼產(chǎn)量，全面推動綠色發(fā)展，著重推動工藝流程結(jié)構(gòu)調(diào)整，防止粗鋼產(chǎn)量過快增長[2]。

然而，異型鋼截面復(fù)雜且呈現(xiàn)非對稱性，軋制難度極大。以熱軋U型鋼板樁為例，其難點一是鋼板樁鎖扣在軋制過程中溫降大，導(dǎo)致軋制負荷大；二是翼緣尺寸不好控制，軋機自動過鋼困難，成品表面存在拉絲、劃痕、耳子等缺陷[3]?；诋愋弯摂嗝嫘螤顝?fù)雜的特性，軋制過程中金屬變形不均勻，孔型設(shè)計存在較大困難，需要通過合理的孔型設(shè)計以及工藝制度來保證軋制的穩(wěn)定性[4]。

與美國紐柯、日本新日鐵等發(fā)達國家相比，國內(nèi)的異型鋼研究團隊在整條生產(chǎn)線的軋制工藝開發(fā)和成套裝備研制方面，未見有科技成果的集成產(chǎn)出，難以在高品質(zhì)鋼的重大戰(zhàn)略領(lǐng)域發(fā)揮示范和引領(lǐng)作用。

因此，以課題立項方式對生產(chǎn)線總體技術(shù)進行開發(fā)，攻克軋制工藝布置、系統(tǒng)性孔型設(shè)計等關(guān)鍵技術(shù)，解決異型鋼溫降大難以軋制、孔型填充效果差、截面連續(xù)變形不穩(wěn)定等難題，突破國外核心技術(shù)封鎖，扭轉(zhuǎn)長期進口國外設(shè)備的被動局面，實現(xiàn)高端裝備的國產(chǎn)化。

1 項目研發(fā)總體思路

異型鋼軋機既可以用來軋制扁鋼、圓鋼、方鋼等常規(guī)的簡單斷面型鋼產(chǎn)品，又能軋制鋼板樁、重軌、履帶板、門架槽鋼等復(fù)雜斷面的異型鋼產(chǎn)品，如圖1所示，是當前技術(shù)綜合性最強、軋制難度系數(shù)最大的成套裝備。異型鋼作為高端型鋼產(chǎn)品，是航空航天、海洋工程、重載鐵路、國防軍工等高端領(lǐng)域的關(guān)鍵基礎(chǔ)材料，是關(guān)系國家安全的重大裝備技術(shù)，必須進行專門的項目研發(fā)和技術(shù)攻關(guān)，如圖2所示為異型鋼在高端領(lǐng)域應(yīng)用。

圖1 復(fù)雜斷面異型鋼產(chǎn)品示意圖

圖2 異型鋼在高端領(lǐng)域的應(yīng)用

項目研發(fā)的總體思路如圖3所示，該項目通過核心技術(shù)和軋制工藝研發(fā)、電氣控制原理分析等關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)，形成包括理論、工藝和設(shè)備等在內(nèi)的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的成套核心技術(shù)，以滿足用戶對設(shè)備高性能的要求，并解決整條生產(chǎn)線的軋制工藝、孔型設(shè)計等諸多技術(shù)難題。

異型鋼產(chǎn)品在關(guān)系國家安全方面，具有重要戰(zhàn)略地位，掌握其核心技術(shù)意義深遠。因此，統(tǒng)籌考慮異型鋼軋制的顯著優(yōu)勢和關(guān)鍵難題，研究開發(fā)異型鋼軋制技術(shù)，具有重要性、緊迫性和必要性。

圖3 異型鋼軋制技術(shù)總體思路

在“雙碳”目標調(diào)控下，鋼鐵行業(yè)必定壓縮粗鋼產(chǎn)量，鼓勵綠色低碳技術(shù)研發(fā)，并加快科技成果轉(zhuǎn)化，以實現(xiàn)國內(nèi)國際雙循環(huán)下的相互促進和協(xié)調(diào)發(fā)展。而異型鋼作為高品質(zhì)鋼，在嚴控粗鋼產(chǎn)量的大環(huán)境下，勢必在綠色、低碳、環(huán)保中發(fā)揮示范和引領(lǐng)作用。

2 技術(shù)方案

項目擬突破國外重大裝備的技術(shù)封鎖，從基礎(chǔ)理論、軋制工藝、控制系統(tǒng)等方面開展系統(tǒng)性的技術(shù)創(chuàng)新與科技攻關(guān)，研發(fā)了全新的異型鋼生產(chǎn)線軋制工藝流程與系統(tǒng)性孔型設(shè)計技術(shù)。

項目提出了異型鋼生產(chǎn)線的總體布置方案，開發(fā)了異型鋼生產(chǎn)線的軋制工藝流程如圖4所示，以矩形坯為原料，經(jīng)粗軋機多道次可逆軋制后，通過精軋機組連續(xù)軋制成型。

圖4 異型鋼生產(chǎn)線軋制工藝流程

3 關(guān)鍵技術(shù)

異型鋼產(chǎn)品具有“異、特、高、奇”等典型特點，成品為截面非對稱軋制，且孔型內(nèi)金屬變形不均勻、尺寸控制范圍小。據(jù)研究顯示，異型鋼軋制在溫度<820 ℃時，材料變形抗力會陡然增加，導(dǎo)致軋制力過大，且產(chǎn)品易出現(xiàn)彎曲扭轉(zhuǎn)而不能軋制的狀況。因此，溫度控制條件嚴苛，成為高品質(zhì)異型鋼國產(chǎn)化的首要任務(wù)與核心難題。

從軋制工藝出發(fā)進行原因分析：異型鋼產(chǎn)品需連續(xù)軋制近20道次才能定型，其原料為矩形坯，出爐溫度可達1 250 ℃，終軋溫度需控制在820～840 ℃之間，其溫降范圍小于430 ℃，折算下來僅有不足22 ℃/道次，調(diào)節(jié)余量很小。產(chǎn)品溫降過大導(dǎo)致鋼種難以軋制，就成為了冶金領(lǐng)域的行業(yè)難題。

通過理論研究與技術(shù)攻關(guān)，在接近430 ℃的溫降范圍內(nèi)，快速完成連續(xù)軋制以匹配溫降要求，成為解決核心問題的關(guān)鍵，從4方面實現(xiàn)了重大突破。

3.1 減少軋制道次

綜合考慮材料性能、設(shè)備條件、延伸系數(shù)、厚差控制等影響因素，適當加大各道次壓下量，減少軋制道次，實現(xiàn)壓下率的合理分配。以鋼板樁為例，軋制道次由16道次降至12道次，減少了4個道次，單道次溫降調(diào)節(jié)量富裕，利于軋制工藝調(diào)控。

3.2 縮短軋制時間

構(gòu)建異型鋼生產(chǎn)線的總體技術(shù)方案，提出“2架粗軋機+6架精軋機”的全新工藝布局，取代“1架粗軋機+7架精軋機”的傳統(tǒng)布置型式。

構(gòu)建了“2+6”的全新軋制工藝理論，并繪制異型鋼生產(chǎn)線的軋制工藝流程簡圖如圖5所示，將粗軋機的軋制道次，由傳統(tǒng)單機架合理分配到兩架全新設(shè)備上；同時，軋機開口度調(diào)整方式實現(xiàn)了各道次輥縫依次調(diào)整向恒輥縫軋制的技術(shù)突破，能快速完成標高調(diào)整和孔型對正，提升軋制效率；此外，經(jīng)過精軋機組第5架精軋機后，異型鋼成品截面已基本成型，可推入替換輥道設(shè)備，抽走第6架精軋機，大幅縮短軋制時間，提升整條生產(chǎn)線的產(chǎn)能。

圖5 軋制工藝流程簡圖

3.3 系統(tǒng)性孔型設(shè)計

開發(fā)出“孔型設(shè)計+軋制模擬+孔型修正”三位一體和“輸入+輸出”全方位覆蓋的系統(tǒng)性孔型設(shè)計新技術(shù)如圖6所示，改善熱態(tài)金屬在軋輥孔型中的填充效果，提高金屬的延伸率和寬展性能，從而解決復(fù)雜斷面的孔型設(shè)計難題；通過創(chuàng)建剛塑性變形分析模型，形成涵蓋軋制力、坯料變形趨勢、溫度場等因素的多品種數(shù)據(jù)庫，研究分析斷面結(jié)構(gòu)、金屬流動規(guī)律、等效應(yīng)力和溫度場等重要參數(shù)，并根據(jù)結(jié)果反饋指導(dǎo)軋輥孔型設(shè)計、斷面孔型設(shè)計、導(dǎo)衛(wèi)附件設(shè)計等關(guān)鍵技術(shù)，為研判并確定壓下規(guī)程、軋制道次等提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。

圖6 系統(tǒng)性孔型設(shè)計新技術(shù)

3.4 軋機微張力控制技術(shù)

建立涵蓋坯料厚度、材料性能、軋制速度等參數(shù)的微張力控制模型，研發(fā)出軋機微張力控制技術(shù)如圖7所示，應(yīng)用在精軋六連軋機組設(shè)備上，具有張力預(yù)控、力矩檢測、壓力補償?shù)裙δ?，使坯料按各架機組間的微小張力進行軋制，從而消除腹板折疊、腿外側(cè)壓等質(zhì)量頑癥，解決了復(fù)雜斷面的連續(xù)變形難題，保證了坯料截面形狀與軋輥孔型的一致性。

圖7 軋機微張力控制技術(shù)

4 技術(shù)創(chuàng)新成果

(1)構(gòu)建了軋制工藝理論。提出了全新的“2+6”軋制工藝布局,可在430 ℃溫降范圍內(nèi)實現(xiàn)溫度精確控制，縮短了軋制時間，確保了異型鋼快速完成連續(xù)軋制以匹配溫降要求，解決了溫降過大導(dǎo)致產(chǎn)品無法軋制的行業(yè)難題。

(2)研發(fā)了系統(tǒng)性孔型設(shè)計技術(shù)。開發(fā)了“設(shè)計+模擬+修正”三位一體的系統(tǒng)性孔型設(shè)計新技術(shù)，實現(xiàn)了孔型設(shè)計輸入到軋制成型輸出的全方位覆蓋，改善了熱態(tài)金屬在軋輥孔型中的填充效果，攻克了異型鋼各類復(fù)雜斷面產(chǎn)品的孔型設(shè)計難題。

(3)研發(fā)了微張力控制技術(shù)。建立了微張力軋制模型，實現(xiàn)了精軋六連軋機組的各架軋機間按微小張力進行軋制，消除了異型鋼在軋制過程中的截面變形不均勻等缺陷，解決了復(fù)雜斷面的連續(xù)變形難題。

5 成果應(yīng)用

研發(fā)的異型鋼軋制核心技術(shù)，已在國內(nèi)某型鋼廠異型鋼生產(chǎn)線投產(chǎn)應(yīng)用如圖8所示，經(jīng)現(xiàn)場考察及用戶驗證表明：本項目設(shè)備運行可靠、性能穩(wěn)定，應(yīng)用了大量的最新技術(shù)，滿足安全、環(huán)保等各項國家標準，實現(xiàn)了鋼板樁、門架槽鋼等高端品種的成功開發(fā)和批量生產(chǎn)。

圖8 國內(nèi)某鋼廠投產(chǎn)應(yīng)用的異型鋼軋制技術(shù)

6 結(jié)束語

本文持續(xù)推進核心裝備與關(guān)鍵技術(shù)的創(chuàng)新優(yōu)化和功能升級，在保證高效率、低成本、質(zhì)量穩(wěn)定的同時，突破了異型鋼產(chǎn)品多樣化、定制化、多品種穩(wěn)健生產(chǎn)的行業(yè)難題。研發(fā)的軋輥間隙調(diào)整、升降擋板孔型對正、自動翻鋼、軋機輥縫調(diào)整、高效尾料收集、平移碼垛等新技術(shù)陸續(xù)問世，相繼在國內(nèi)多個異型鋼車間推廣應(yīng)用，實現(xiàn)了異型鋼產(chǎn)品的批量化生產(chǎn)。

研發(fā)的異型鋼軋制技術(shù)，突破了國外裝備技術(shù)及軋制工藝的技術(shù)壟斷，提升了我國高品質(zhì)異型鋼的自主研發(fā)、制造和配套能力，支撐了高端裝備國產(chǎn)化的國家戰(zhàn)略實施，具有廣闊的市場前景和應(yīng)用推廣價值。