第1章 冷轧生产工艺设备1.doc

第1章 带钢冷轧生产工艺与设备
在工业现代化进程中，钢铁工业一直处于基础产业的定位，而冷轧带钢的生产又是钢铁工业发展中的重要课题之一。冷轧带钢一般厚度为0.1~3mm，宽度为100~2000mm，产品规格繁多、尺寸精度高、表面质量好、机械性能及工艺性能均优于热轧板带钢。近年来国内外冷轧带钢产品的生产技术得到了很大发展，冷轧薄板产品属于高附加值钢材品种，是机械制造、汽车、建筑、电子仪表、家电、食品等行业所必不可少的原材料。
随着人民生活水平及物质需求的提高，钢材市场的需求结构发生了巨大变化，特别是冷轧和镀涂层深加工产品的生产能力、品种质量与市场需求差距甚大，矛盾突出。一方面，国产冷轧产品的市场占有率低，仅为50%左右；另一方面，冷轧带钢品种、规格不全，高难度、高附加值产品虽已部分试制成功，但产量低，还不能完全满足国内用户需求。此外，产品质量不能满足用户高精度要求。
冷轧带钢轧机最初是以可逆轧制方式进行生产的，但这种轧机的速度低，最高只有l0～l2m/s，产量低。因此，大规模、高效率地生产优质冷轧薄带钢，目前主要是在连续式冷连轧机上进行的。
1.1 带钢冷轧生产工艺
1.1.1可逆冷轧机生产工艺
可逆式轧制是指带钢在轧机上往复进行多道次的压下变形，最终获得成品厚度的轧制过程。可逆式轧机的设备组成较简单，是由钢卷运送及开卷设备、轧机、前后卷取机和卸卷及输出装置所组成。有的轧机根据工艺要求在轧制前或轧制后增设重卷卷取机。20世纪60年代之前，冷连轧生产能力尚未形成规模时，世界各国偏重于发展可逆轧制而大量建造可逆式冷轧机。1962年以后冷连轧生产得到了迅速的发展。
但是，实践证明可逆冷轧机的作用是连轧机或其他形式的冷轧机是不能替代的。而且，通过技术改造可逆轧制的工艺质量有了较大的改善和提高。因此，与连轧机一样，可逆轧机仍是现代冷轧带钢生产的重要组成部分。
可逆轧机的形式是多种多样的，常见的有四辊式、森吉米尔二十辊式、MKW型八辊式和HC轧机，可根据轧制带钢的品种和规格进行选用。
四辊式可逆冷轧机是一种通用性很强的冷轧机，因而在冷轧生产中占有较大的比重。其轧制品种十分广泛，除了冲压用冷轧板外，还可轧制镀锡原板、硅钢片、不锈钢板和高强合金钢板，产品厚度为0.15—3.5mm，宽度为600—l 550mm，最宽达1880mm，年生产能力一般约为10—30万t／a。下面以国内某1700可逆轧机为例说明可逆轧机的生产工艺。
可逆冷轧机各种产品的生产工艺流程框图如图1-1所示。
冷轧原料由半连轧或连轧热轧机组供给，热轧钢卷单卷重量较小。钢卷可在拼卷机组上切去头尾进行焊接拼卷，以提高冷轧工序的生产能力。
热轧带钢在冷轧前必须经过酸洗，目的在于去除带钢表面的氧化铁皮，使冷轧带钢表面光洁，并保证轧制生产顺利进行。
热轧带钢经酸洗后在可逆式轧机上进行奇数道次的可逆轧制，获得所需厚度的冷轧带钢卷。
图1-2是某1700可逆冷轧机的机组组成示意图。机组设备由链式运输机、开卷机、勾头机、三辊矫直机、轧机、前后卷取机、卸卷小车和输出斜坡道等组成。轧机由机架、支持辊及油膜轴承、工作辊及滚动轴承、液压平衡装置、电动压下装置和传动主马达等组成。

开卷机组
热轧原料板卷
初退火
酸洗机组
可逆冷轧机组
电解脱脂机组
脱碳退火机组
平整机组
成品退火机组
高温退火炉
涂膜拉伸回火
横剪机组
纵剪机组
热镀锡机组
塑料复层钢板机组
冷轧薄板
塑料复层板
冷轧板卷
冷轧带钢
冷轧硅钢片
镀锡板
包装出厂

图1.1 可逆冷轧机生产工艺流程图
图1-1 可逆冷轧机各种产品的生产工艺流程框图
图1-1 单机架可逆冷轧机各种产品的生产工艺流程图

图1-2 某1700可逆冷轧机的设备组成
l—大链子；2—开卷机；3—伸直机；4—活动导板；5—右卷取机；6—机前导板；
7—机前游动辊；8—压板台；9—工作辊；10—支持辊；11—机后游动辊；12—机后导板；
13—左卷取机；14—卸卷小车；15—卸卷翻钢机；16—卸卷斜坡道

经酸洗的热轧钢卷由中间库吊放到链式运输机的鞍座上，运输链把钢卷顺序运送到开卷位置上进行开卷。
开卷机为双推头胀缩式，锥头下方的液压升降台上升托起钢卷并使其孔径对准合拢的两个锥头，锥头插入内径后胀开并向前转动。
伸出的带头被下落的钩头机引入到三辊矫直机经过活动导板送入辊缝。钩头机有钳夹式和电磁式两种。
带头通过抬高或闭合的辊缝到达出口侧卷取机，插入卷筒的钳口中被咬紧，根据带钢厚度缠绕数圈后调整好压下和张力，然后压下轧前压力导板，施加乳液，起动轧机，根据轧制情况升速到正常速度进行第一道次轧制。
当钢卷即将轧完时，要及时操纵轧机减速停车，使带尾在入口侧卷取机卷筒上停位。卷筒钳口咬住带尾后，轧钢工依照规程分配第二道次压下，操纵员选好张力、给上浮液，轧机进行换向轧制。
根据钢种和规格，每个轧程进行3—7道的往复轧制。当往复轧制到奇数道次并达到成品厚度时，根据带尾质量情况辊缝抬高或闭合地进行甩尾。在卷取机卷筒上把带尾手工焊接到外圈钢卷上或用捆带扎牢，由卸卷小车把钢卷托运出卷筒，然后倾翻到钢卷收集槽上，标写卷号规格，即可吊运到下面工序继续生产。
在1700轧机上采用浓度约4％一10％的轧制油或轧制液的乳化液，经过滤冷却可循环使用。生产操作中通过调节润滑冷却剂的浓度、温度和流量，来保证轧制过程的良好润滑和冷却条件。
当前钢铁生产和加工企业都面临着许多挑战，这些挑战可概括为在最短的时间内以最低的成本将目标产品交付给用户，钢铁行业为应对这种挑战提供的一个解决方案就是建设经济、灵活的小型双机架可逆冷轧生产线。双机架可逆冷轧机近年来随着薄板坯连铸连轧的发展，从产量上看，采用一套双机架可逆冷连轧机轧制较薄的热轧钢卷，其产量可达100万t/a，与薄板坯连铸连轧比较匹配，而其投资却远远低于传统的五机架冷连轧。因此，有些公司预言双机架可逆冷轧机生产将代表21世纪的冷轧技术。双机架可逆冷轧生产线主要包括以下生产流程：推拉式酸洗线、两机架可逆冷轧机、罩式退火、平整机组（可采用双机架可逆冷轧机的平整模式）、热浸镀锌线（可实现在线彩涂）。
图1-3所示为双机架可逆冷轧生产线的平面布置及物流走向示意图。图中还显示了生产工艺所需的如下辅助支持设备：厂房、吊车和物料运输设备；酸再生厂；轧辊维修间；氮气发生站（可由第三方提供）；压缩空气、冷却水、脱盐水等的生产设备；废物处理厂、维修车间等。

图1-3 平面布置及物流走向示意图

双机架可逆冷轧机的配置如图1-4所示，主要包括1台开卷机，2台张力卷取机，2台冷轧机及其所属张紧装置和传感器。为保证厚度公差和板形质量，轧机一般配备完整的能保证质量的执行机构包括液压自动厚度系统（HAGC）、工作辊正负弯辊系统以及工作辊窜辊系统。

图1-4 典型的双机架可逆冷轧机组
1.1.2连续冷轧机生产工艺
单机架可逆式轧机由于轧制速度低(最高轧制速度仅为l0—12m/s)、轧制道次多、生产能力低，只适于小批量、多品种及特殊钢材的轧制。因此，当产品品种规格较为单—、年产量高时，宜选用生产效率与轧制速度都高的多机架连续式轧制方式。在工业发达的国家中，它承担着薄板带钢的主要生产任务。
带钢冷连轧机组的机架数目，根据成品带钢厚度不同而异，一般由3-6个机架组成。当生产厚度1.0-1.5mm的冷轧汽车板时，常选用三或四机架冷连轧机组；对于厚度为0.25-0.4mm的带钢产品，一般采用五机架冷连轧机(四机架只能轧制0.4-1.0mm的板、带产品)，若成品带钢厚度小于0.18mm时，则需采用六机架冷连轧机组，但一般最多不超过六个机架（目前亦趋向只用5个机架）。
对于极薄产品或薄的不锈钢及硅钢板、带产品，则采用多辊式(如森吉米尔)轧机进行轧制。近年来，这些多辊式轧机已开始实现连续式轧制。
为了使冷轧生产达到高产、优质、低成本，在冷轧机的设计制造和操作上作了极大努力，并取得了很大的成就。到目前为止，冷连轧机大致经历了四个发展阶段，即60年代以前的常规式冷连轧机；70年代以后逐步发展为全连轧机(即冷连轧机本身实现的无头轧制)；联合(复合)式全连轧机(单一全连轧机与其它辅助工序的连续机组，如连续酸洗、连续退火等连接起来的联合机组)；最近正在发展中的完全联合式全连轧机组。
联合式全连轧机组的出现，是冷连轧机发展上的一个飞跃。它既具有单一全连轧机组的许多共同优点，同时又可省去许多重复设备和车间面积，特别是缩短生产周期。
随着轧制工序的连续化，冷连轧生产中的辅助工序也起了极大的变化，出现了一系列连续机组，如连续酸洗、连续电镀锌、连续热镀锌、连续镀锡、连续退火和连续横剪及连续纵剪机组等，使冷轧的生产率得到了极大的提高，一个现代化的冷连轧厂年产量可达l00—250万吨。
冷连轧带钢产品以热轧带钢为原料，因其表面有氧化铁皮，所以在冷轧前要把氧化铁皮清除掉，故酸洗是冷轧生产的第一工序。酸洗后即可轧制，轧制到一定厚度，由于带钢的加工硬化，必须进行中间退火，使带钢软化。退火之前由于带钢表面有润滑油，必须把油脂清洗干净，否则在退火中带钢表面形成油斑，造成表面缺陷。经过脱脂的带钢，在带有保护性气体的炉中进行退火。退火之后的带钢表面是光亮的，所以在进一步的轧制和平整时，就不需酸洗。带钢轧至所需尺寸和精度后，通常进行最终退火，为获得平整光洁的表面及均匀的厚度尺寸和调节机械性能要经过平整。带钢经过平整之后，根据定货要求进行剪切。成张交货要横切，成卷交货必要时则纵切。
综上所述，一般用途冷轧带钢的生产工序是：酸洗、冷轧、退火、平整、剪切、检查缺陷、分类分级以及成品包装。其工艺流程如图1-5所示。

图1-5 冷连轧生产工艺流程

1.1.2.1钢卷的酸洗
由于热轧卷终轧温度高达800—900℃，因此其表面生成的氧化铁皮层必须在冷轧前去除。目前冷连轧机组都配有连续酸洗机组。连续式酸洗有塔式及卧式两类，指的是机组中部酸洗段是垂直还是水平布置，机组入口和出口段则基本相同。
塔式的酸洗效率高但容易断带和跑偏，并且厂房太高（21—45米以上），因此目前还是以卧式为主。
酸洗机组的设备组成如图1-6所示

图1-6 酸洗机组

入口段设备（图1-6a）包括：热轧钢卷的运送，（运输链）及上卷小车（图中的1）,开卷机（图中的2），夹送辊及矫直辊（图中的3），带夹送辊的飞剪（图中的4），松套夹送辊（图中的5），焊机（图中的6），S形张力辊（图中的7），跑偏控制（图中的8），带钢夹持辊（图中的9），入口活套（图中的10）。
工艺段设备（图1-6b）包括：酸洗段（图中的11），清洗段（图中的12），带钢干燥器（图中的13），工艺段还包括：酸液再生，废水处理及酸气抽风系统。
出口段设备（图1-6c）包括：出口活套（图中的14），夹送辊（图中的15），锁边机（图中的16），切边及碎边机（图中的17），双S张力辊（图中的18），带夹送辊飞剪（图中的19），涂油机（图中的20），夹送辊（图中的21），张力卷取机（图中的22），卸卷小车及运输链（图中的23）。
1.1.2.2冷连轧机组
图1-7为传统的五机架冷连轧机机组，经过酸洗处理后的热轧带卷用吊车吊至上料步进梁送到钢卷小车以装到开卷机，通过开卷刮刀，夹送辊将带头送到矫直辊并准备进入轧机实现穿带过程，带钢以穿带速度逐架咬入各机架（逐架建立机架间张力），当带头进入卷取机卷筒并建立张力后机组开始同步加速至轧制速度（20～35米/秒），并进入稳定轧制阶段，各自动控制系统相继投入，稳定轧制段占整个轧制过程的95%以上，在带钢即将轧完时轧机自动开始减速以使带尾能以低速（2米/秒左右）离开各个机架避免损坏轧辊及带尾跳动，带尾进入卷取机后自动停车，卸卷小车上升，卷筒收缩以便卸卷小车将钢卷卸出并送往输出步进探，最终由吊车吊至下一工序。传统冷连轧机由于存在穿带—加减以及减速—通尾的过程使产量及产品质量受到影响，特别是加减速阶段张力波动大，工艺参数不稳定，其厚差往往要比稳定轧制大一倍，因此现代冷连轧基本上采用全连续无头冷连轧（图1-8），为了实现“无头”轧制，在冷连轧机组前后增加了许多设备，包括：二套开卷机（以保证连续供料），夹送辊，矫直辊，剪切机及焊机，张力辊，入口活套等，这与前面所述的酸洗机组入口段设备（图1-6a）相类似。此外，为了连接入口段和冷连轧机组还需加上一些导向辊，纠偏辊，张力辊及S辊等。

图1-7 某1700常规带钢冷连轧机组设备布置示意图
1—钢卷小车；2—拆捆机；3—步进式粱；4—开卷机；
5—辊式压紧器；6—测厚仪；7—测厚仪；8—液压压下；
9—助卷机；10—钢卷小车；11—张力卷取机

图1-8 连续式冷连轧机

为了实现全连续轧制还需在冷连轧机组出口段加上夹送辊，飞剪及二台张力卷取机（或联合式卷取机以便于卷取机的轮换使用）。
正是由于需要增加许多入口段设备，而这些设备又和酸洗机组入口段类同，因此必然会提出将酸洗机组和冷连轧机组联机的想法，进而直接采用酸洗机组与冷连轧联机的无头轧制方式，（如图1-9），无头轧制取消了穿带，加速等过程（仅在开始时需要穿带），冷连轧机组基本上一直以稳定轧制速度运行。为此在入口和出口段增加了一些设备以完成钢卷的焊接和切断，为了保证焊接时冷连轧机组仍保持高速运行，在入口处增加了大容量活套从而保证了无头轧制。
焊缝进入各机架时机组要适当减速以免焊缝磕伤轧辊。
连续式冷连轧或酸洗—轧机联合机组都需要增加动态变规格的功能以及适用于存在带钢情况下的快速换辊装置。
冷连轧采用大张力方式轧制，并对工艺润滑给予特别的注意以保证具有稳定而且较小的摩擦力（轧辊与轧件间），这可以使轧制力减小，保证足够大的压下率。

图1-9 酸洗-冷连轧联合机组

1.1.2.3退火工序
由于冷连轧过程带钢存在加工硬化，因此根据成品的要求需增加退火工序（有些精整处理线中含有退火段，则不必通过专门的退火工序）。
退火有罩式炉退火（成卷）和连续退火线二种，前者较为灵活，设备投资少，因此用得较为广泛，但对于某些要求表面好的成品则必须采用连续退火线。
连续退火线包含了电解清洗，退火，冷却，平整及重卷多个工序。
连续退火机组从设备组成看与其他处理线相同，包括：入口段设备；工艺段设备；出口段设备。
其中入口段和出口段设备与酸洗线大同小异，工艺段则根据不同的处理要求布置不同的工艺设备，对于连续退火线，其工艺段包括清洗及退火，退火段可以是竖式的亦可以是水平式的。
近年来有一种联合趋势，即将多个操作，例如退火，平整，张力矫直，切边等合在一个机组中使需要先后处理的工序在一个机组中一次完成，避免多次重复开卷和卷取。
1.1.2.4带钢平整
为了获得良好的板形及较高的表面光洁度，平整是一个重要的工序，平整实际上是一种1～5%小压下率的二次冷轧，并实现恒延伸率控制，使带钢板形改善，机械性能提高。除采用四辊平整机外目前在精整处理线中所用的张力矫直机亦能明显改善板形。
1.1.2.5精整处理线
包括横切，纵切，平整，重卷等机组。精整处理线是进一步提高冷轧带钢附加值的重要工序，亦是为冷轧产品适用于各种用途而进行的深加工处理。
1.2.1.6镀层处理线
包括镀锡镀锌，镀锌铝以及彩镀等，是冷轧产品进一步深加工的主要工序，由于冷轧产品镀层后的用途各异，因而亦将影响镀层机组设备的组成以及工艺段的布置。
仅镀锌而言就有GAIVanized steel 镀层（以锌为主，含0.05～0.2%铝在406～493℃温度范围操作），GAIValume，（镀层55％重量铝，43.5%锌及1.5％硅，在560～610℃温度范围内进行操作），Galfan（5%铝，0.1%mushmetal，其余为锌，在406～482℃范围内进行操作）以及Aluminized steel（即100％用铝，在704℃温度操作等）。不同成分镀层产品用于不同的领域（汽车，建筑，家电等）。镀锌线除了入口段和出口段外，工艺段往往还包括了清洗，退火，镀锌，平整（平整机和张力矫直），化学处理等工序。
其他镀锡及彩镀线亦有多种配置，以适用于各种用途，其差别亦仅仅在工艺段的布置上。
1.2带钢冷轧机设备
作为冷轧厂的主要设备，冷连轧机组的发展曾经经历过三机架，四机架，甚至采用六机架冷连轧，但目前广泛应用的典型布置还是五机架冷连轧。近年来由于薄板坯连铸连轧的应用，热轧带钢成品厚度逐步减薄，从1.8→1.5→1.2→1.0甚至开始试验0.8mm的新工艺，因此冷轧机组亦开始出现新的强力二机架可逆连轧等方案。
冷连轧机随着板形控制技术的发展，轧机在结构上有了许多变化。
板形控制实际上是设定及控制各机架的有载辊缝形状（即轧出带钢的断面形状）使带钢沿宽度方向获得均匀延伸，因此通过改变以下参数都能达到这一目的:
(1)在线改变轧辊辊型（凸度）
(2)在线改变轧辊辊系的弯曲变形（弯辊装置）
(3)改变轧辊辊系的横向刚度
因此随着板形控制技术的发展，轧机设备上出现了一些新的结构。
1.2.1 VC辊
图1-10 VC轧辊
1—芯轴；2—套筒；3—油室；4—油路；5—旋转
连接器；6—操作盘；7—控制设备；8—泵站；9—轧辊
这是比较早（1977）出现的板形控制方法，即在支撑辊内设有液压内腔通过改变内腔中的油压而使支撑辊改变其辊型（轧辊凸度），这是日本住友开发的辊型在线可变轧辊，避免了因生产不同的产品而频繁更换带有不同辊型的支撑辊，如图1-10所示。VC辊的优点是：
(1)减少支撑辊换辊次数，同时避免了储存多个不同辊型的轧辊；
(2)可补偿轧辊磨损及热辊型；
(3)对现有轧机进行改造比较方便，仅需用VC辊代替原有支撑辊即可。
从1977年到1986年世界各国共计使用了200多套VC辊，但VC辊其缺点是：
(1)VC辊制造较困难；
(2)高压旋转接头及油腔密封维护难；
(3)调节轧辊凸度的量较小。
近年来VC辊有所改进，称为新VC辊。
1.2.2修形辊
即在支撑辊辊面靠二端处有一个锥形Taper，使支撑辊和工作辊间接触长度缩短，这将有利于增强轧辊辊系的横向刚度，加大弯辊力的效果，并减少有害接触长度，对带钢边部减薄有很大的好处，其不足之处在于修正锥形曲线是固定的，因此对于不同宽度的带钢效果有所不同。
1.2.3 CVC轧辊系统
CVC即连续变化凸度轧辊系统（图1-11）。CVC辊是德国西马克公司于1982年推出的板形控制方法，其原理是在上下工作辊上磨成一定曲线，（互成180°放置），当轧辊相对串动时可实现辊缝形状的在线调节。
其优点是：
(1)调节能力较大，一对CVC辊可以满足不同宽度带钢的需要
(2)轴间串动机构相对说不太困难
因此目前应用比较广泛，特别是用于冷轧时可以在轧制过程中调节而不仅是用于设定。

图1-11 CVC辊

1.2.4 HC轧机
HC轧机（图1-12）是日本日立公司于70年代推出的六辊轧机，其中间辊可串动。目前已发展出多种形式：中间辊窜动的HCM六辊轧机；工作辊和中间辊均能窜动的HCMW六辊轧机；中间辊带辊型曲线的HC—CVC六辊轧机。

图1-12 HC轧机
1—支撑辊；2—中间辊；3—下工作辊；4—工作辊弯辊装置

HC轧机的优点是：
（1）板形控制能力强，HC轧机仅需不太大的弯辊力即可较好的调节带钢波形度；
（2）可消除工作辊与支撑辊边部的有害接触部分，使带钢边部减薄现象减轻，并可减少裂边；
（3）由于工作辊辊径减少（比常规四辊少30%左右），因此可加大压下量，实现大压下量轧制，并减少能耗；
（4）采用标准无凸度轧辊就能满足各种带宽的带材轧制，减少了轧辊备件。
20世纪70年代至1987年，世界上已建立了180多架HC轧机。HC轧机至今仍是一种较流行的机种。
1.2.5 DSR动态板形辊
DSR辊是法国克里西姆公司20世纪90 年代推出的新的板形控制方法，目前已在我国宝钢2030冷轧机上应用。
DSR辊（图1-13）由固定辊轴，金属外套筒及套筒内七个液压控制压块组成，通过调整每个压块的压力，改变支撑辊与工作辊间压力分配来调节辊缝形状。这一方法目前尚未达到大量推广的阶段，但具有很多特点。

图1-13 DSR辊

1.2.6 UPC轧机
UPC轧机是德国MDS研制的万能板形控制轧机，是继HC、CVC技术之后又一种可改善板形的轧辊横移式轧机。其原理是将普通四辊轧机的工作辊磨成雪茄型，大小头相反布置，构成一个不同凸度的辊缝。
UPC目前投产的台数不及HC轧机和CVC轧机那么多，最早使用UPC技术的是德国克虏伯1250mm轧机和芬兰2000mm轧机。
1.2.7 冷连轧机设备布置方案
由于各种机型的出现，在连轧机布置上产生了一系列方案（图1-14）,主要有以下几种：
（1）传统的五架四辊轧机（液压压下，弯辊及热辊型调节系统）；
（2）CVC四辊轧机（加上液压串辊），可以是部分或全部轧机采用CVC技术；
（3）HC六辊轧机（加上中间辊串辊装置），可以是部分或全部轧机采用HC轧机，当全部采用HC轧机时往往只用四个机架组成冷连轧机；
（4）混合型冷连轧机，采用HC轧机，CVC轧机及传统四辊轧机的组合（图1-15）。
图1-14 辊系配置

图1-15 混合配置

目前不少轧机采用了后一种作法，以充分发挥每一种机型轧机的优点。对于六辊HC轧机设在哪一架上亦有不同方案，一般常用的还是设在第一架（加大第一架压下量）及最后一或二架（提高板形控制能力），剩余机架可用CVC，其它辊面曲线的辊系或普通四辊轧机（带弯辊装置）以方便各机架出口带钢凸度的控制。
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