首钢京唐冷轧设备技术综述.pdf

一重一重冶金工程事业部冶金工程事业部-JCH 1 首钢京唐首钢京唐冷轧冷轧设备设备技术技术 在钢铁产品的一般生产流程中，热轧钢材是基础，冷轧钢材为高端。当我们看完京唐公司的 2250 宽带钢热连轧机之后，很自然地就是要接着去看京唐公司的宽带钢冷连轧机。不过在参观之前，咱得先多少对冷轧钢板的知识有一点了解，否则啥也看不懂就没有意思了。现代化的薄板、带钢生产技术是一个国家钢铁工业发展水平的一项重要标志。薄钢板除了供汽车、农机、化工、食品罐头、建筑、电器等工业使用外，还与日常生活有直接关系，如家用电冰箱、洗衣机、电视机等都需要薄钢板。因而在工业生产比较发达的几个产钢大国中，薄板、带钢在钢材中所占的比例很大，一般达到或超过 50，特别是冷轧板占据很大部分，而热轧板的应用领域相对减少很多。钢板（带）如果按照生产方法来分类，第一类就是热轧钢板和钢带，第二类是冷轧钢板和钢带，而且热在先，冷在后，没有热轧钢板做为基板，就不能继续生产出冷轧钢板。按过去的习惯，钢铁业内通常把宽的钢板才称作“板”，窄的钢板要称为“带”，这与热轧钢材分宽窄本来是一样的。高端钢材价格也高，尤其是冷轧钢材价格远高于热轧钢材。只是近十几年来，由于高效率连轧机的出现，都把生产宽带钢与生产钢板卷等同起来看待，而且窄带钢也可以不再一根一根慢慢轧制，可以用宽带钢（钢板卷）快速纵剪一下子得到十几根，所以产品分宽窄的界限就被打破了。所以你要是跟业内人士谈业务，一下子说钢卷，一下子说宽带，其实是指同一种东西。不分热轧和冷轧产品，意思都一样。如果按照钢板的表面特征分类，在冷轧钢板及衍生品范围内，最主要的可分为几大类：一是冷轧光面板（包括硅钢板），二是镀层板（包括热镀板、电镀板），三是复合钢板，四是彩色涂层钢板。其中仅就镀层板来说，还要细分出镀锌板、镀锡板、镀铝板、镀铝锌硅板等若干个品种。按照卷板交货的应用品种上，冷轧钢板比较常见的主要有结构钢板（多用于制作其它镀层板和涂层板的基材，或制作大口径焊管），高端产品有汽车钢板、电工钢板（硅钢板）等。前面我们看到的“热连轧”过程，都是把钢坯加热到 1200以上进行热态轧制的。然而，当轧制的钢材越薄，在热轧过程中的“温降”也就越大，即冷却速度会更快，所以温度分布也不均匀，往往薄的钢板（带）首尾温差较大。这就给轧制厚度小而长度大的薄钢板（钢带）出了一个难题。尽管轧件全部都通过了同一架轧机碾压，但是往往成品钢材前后端因为温度不同，造成压下变形量实际有差异，使钢材前后端的性能出现显著差异，或尺寸超出公差范围。当厚度小于一定限度时（很薄时），轧制过程中的温降很剧烈，以致根本不可能在轧制周期之内保持热轧所需的温度。这时要获得热轧薄卷板就十分困难。因此，事实上存在着一个热轧厚度的下限值，当钢板厚度薄于这个值，热连轧机就没办法轧制了。上个世纪 70 年代初期，日本、法国、意大利、原西德等国曾经致力于在热连轧机的精轧机组后面，再增加第八、第九机架，用来生产更薄的 1mm 或 0.8mm 薄钢带，也就是企图使热轧钢带的加工“一步到位”。但是实践证明，从产品质量（工艺达不到）和设备（投资巨大）两方面来说这都是不可行的。一重一重冶金工程事业部冶金工程事业部-JCH 2 现代化的热连轧机目前设计可能轧出的最小厚度，也就是 1.2mm，尽管国内外皆如此，但是在实际生产中仍然很少生产 1.8mm 或 1.5mm 以下的热轧板卷。即使是在今天，首钢迁钢 2160 轧机和京唐 2250 轧机这样高水平的热连轧机组，也很少能直接生产这么薄的钢板。在热轧难关出现之后，人类的创造性思维又开始了：能不能在原有的热轧工艺之后，采用全新的方法来加工更薄的钢板或钢带呢？在需求指导下（现在时髦的说法是“在市场指引下”），终于研究发展出了低于“再结晶温度”的轧制方法冷轧工艺。在热轧钢材基础上进行新一轮的冷轧，可以获得硬度更高、性能更为优异的冷轧钢材产品。采用冷轧工艺，就不存在热轧温降与温度不均匀的弊病，可以得到厚度更薄、精度更高的冷轧带钢和冷轧薄板。用现代冷连轧宽带轧机加双机架的二次冷轧方式，已经可以生产厚度为 0.10.17mm 的冷轧薄板作为镀锡原板，即使不经过二次冷轧也能生产 0.23.5mm 厚的冷轧薄板。用现代化的可逆式轧机可以生产出0.153.5mm 厚的冷轧板，0.150.38mm 厚的板带为一般薄板，0.070.25mm厚的为较薄薄板，0.0250.05mm 厚的板带为极薄薄板。用多辊冷轧机或窄带钢冷轧机可生产最薄达 0.001mm 的产品，也称为“极薄钢带”。我们常见同样规格（厚度）的钢板或钢带，冷轧产品的各项性能都全面超越了热轧产品。人们日常生活中接触的钢材制品（汽车、家用电器等），主要结构部件和外壳无一不用冷轧钢材。还有象硅钢片（silicon steel sheets，在冶金行业通称为“电工钢”，我们搞电力和电气行业的习惯称为“矽钢片”），属于精密合金产品，占世界钢材产量 1上下，硅钢片是上世纪初（1906 年）才代替低碳钢用来制造电机和变压器铁芯的，但是热轧产品性能不行，磁导率低、铁损高，到 60 年代后逐渐改为冷轧产品，目前国际市场上热轧硅钢片几乎已经消失，国内 30 多年来建设的所有冷连轧机生产的也全部都是高性能冷轧硅钢片。那么什么叫作“冷轧”呢？在金属学教科书上的说法是：加工温度低于该钢种在特定变形条件下的“再结晶温度”的压力加工，称为“冷加工”。物理名词“再结晶温度”与金属在退火时内在晶体的生长形态有关系，此处不具体解释了。铜和铝的再结晶温度大约是 200上下，纯铁的再结晶温度高到 450，而一般的“钢”因为含有碳或其他合金元素，或者含有其它杂质，再结晶温度还要比 450更高。所以，冷轧工艺的“再结晶温度”界限一定是略高于 450的。2009 年武汉科技大学发表过一篇通过退火工序试验来研究冷轧薄板再结晶温度的文章，验证了这个温度界限，通过实验数字得出的结论是：再结晶开始温度大约为 450，随着温度升高，钢板的硬度急剧下降；再结晶结束温度为 650时，硬度达到最低值；超过 650以后钢板硬度变化不大；根据“50平台差法”确定实验钢种的再结晶温度约为 550。而在实际工业上的习惯，称冷轧为“坯料事先不经过再加热的常温轧制过程”。然而尽管从 1.5mm 厚的热轧钢卷，要经过冷轧变为 0.25mm 至 1mm 的冷轧钢卷（厚度减少到原来的 16 到 11.5），看似变形量远不如热轧时大（从 230mm 厚的钢坯压制到 1.5mm 厚的钢板，厚度减少到原来的 1154），但是这种“冷”状态下的轧制变形是非常困难的。一重一重冶金工程事业部冶金工程事业部-JCH 3 冷轧工艺流程自身有许多困难，不仅需要后续建造具有巨大轧制功率的冷轧机，而且在前期热轧工序里还要采取很多特殊的辅助工艺技术。例如，冷轧的每个道次变形量不大，它与前面热轧工序所形成的钢的“合金化组成和晶粒度大小”两方面因素有密切关系，如果热轧时的终轧温度越高（例如到 840以上），变形强化系数就越低，晶粒就越均匀，在后面冷轧时每道次的变形量就能大一些，俗称“好轧”一些。我不是轧钢工艺专家，在此就不多解释了。冷轧薄板生产线作为钢铁生产最后一道工序，因其先进的工艺和技术、最高的产品定位及广阔的市场前景，成为衡量钢铁企业实力的重要依据。所以在 80 年代以后，国内各家国有或民营的钢铁企业都在具有热连轧钢板（带）之后，不遗余力地发展冷轧钢板（带）。冷轧板带钢产品极为广泛，具有代表性的产品有金属镀层板（镀锡板、镀锌板等）、深冲钢板（汽车板)、电工钢板与不锈钢板等，其全套工艺流程如下面这张图。冷轧板带全套产品的工艺流程，包含各主要产品类别，但是京唐公司冷轧厂不能生产不锈钢产品系列 上图当中的“酸洗热轧带”，也叫热轧酸洗板卷，是专门在冷轧厂酸洗线上生产出来的一种经过特殊处理（酸洗）的热轧钢材。热轧酸洗板卷是国内市场的新兴产品，其表面质量和使用要求介于热轧板和冷轧板之间，“性价比”较高。目前国内具备专业生产酸洗板能力的企业还不多，所以酸洗板市场有较大的容量和利润空间。在首钢旗下的迁钢公司冷轧作业部，就有这样一条年产 70 万吨的生产线。一重一重冶金工程事业部冶金工程事业部-JCH 4 深冲压冷轧薄钢板多半是采用铝脱氧的镇静钢，属于优质碳素结构钢，由于它的塑性非常好，具有优良的深拉延特性，在冲压模具内可以连续进行复杂变形、充满型腔，却不会开裂，所以被广泛用于需要比较复杂结构的深拉延（深冲压）的制品上。中国大规模发展汽车工业之后，自产深冲板远远不够用，所以很多钢铁企业都在十几年期间拼命扩展冷轧深冲汽车板的产量，对于国产品牌汽车的大发展立下汗马功劳。上图中有关电工硅钢和不锈钢的两部分，我就不介绍了，因为京唐公司到目前为止还没有轧制电工硅钢板卷（迁钢有此产品），也没有生产不锈钢板卷的能力，集中谈谈其它主要产品。带钢的冷轧工艺诞生于 19 世纪中叶的德国，当时还只能生产宽度 2025mm 的冷轧带钢。美国在 1887 年生产出宽度为 150mm 的低碳带钢，1880 年以后冷轧带钢生产在德国、美国发展很快，产品宽度不断扩大，产品质量也提高很多，冷轧板光洁度比热轧板高很多，性能好、品种多，通过一定的冷轧变形程度与冷轧后的热处理恰当配合，可以在比较宽的范围内满足用户的要求。我们可以通过图片来简要回顾一下冷轧机的发展过程。从单机架、小批量生产，如何发展到多机架连续作业的大工业生产方式。上世纪 80 年代照片：用这种小型单机架冷轧机生产冷轧窄带钢，是我国当时小作坊式生产的代表 原首钢在 1983 年兼并的北京冶金研究所（位于清河，曾改名首钢冶金研究院，后改制为“北京北冶功能材料有限公司”）里，有一套从德国进口的森德威（SINDWIG）20 辊极薄带冷轧机，是与森吉米尔（Sendzimir）轧机齐名的，在一重一重冶金工程事业部冶金工程事业部-JCH 5 国内也是最先进的。它生产的冷轧合金薄钢带属于国防应用的“高精尖”产品，其中一部分极薄的精密钢带产品，专供潜射导弹及航天火箭，如果用热轧方法是不可能生产出来的。但是国内外这类轧机的生产批量都不大，年产两三千吨都算多的。上世纪 80 年代照片：首钢冶金研究院 20 辊森德威薄带冷轧机正在生产极薄钢带 一重一重冶金工程事业部冶金工程事业部-JCH 6 中国进口的森吉米尔单机架 20 辊可逆式冷轧机，正在自动轧制 20 微米厚的超薄精密带钢 单机架、双机架乃至三机架的冷轧机，特别是轧制幅宽比较窄的带钢，生产效率都不高。但是这种生产模式至今也没有完全被淘汰，原因是它适合生产小规格、小批量的冷轧带钢产品，自然有它存在的意义和市场。可是对于特大型钢铁联合企业来说，这种小批量的生产模式就不适应了，大型企业考虑的是具有年产几百万吨的设备能力，如何高速度、高质量地生产出冷轧钢卷的问题。一重一重冶金工程事业部冶金工程事业部-JCH 7 三机架冷轧机组在生产冷带，这种轧制形式至今还存在于一些国内小钢厂 2003 年时我国某企业的冷轧带钢生产车间，还可以明显见到小批量、单卷的产品四处堆放 宽的冷轧薄板（钢带）是在热轧成卷带钢的基础上发展起来的。1920 年美国第一次用单机架冷轧机轧制出宽带钢，并且很快由不可逆式轧制跨入可逆式轧制。1926 年阿姆柯公司（ARMCO）巴特勒工厂建成世界上第一套三机架四辊串列式冷连轧机。日本稍慢一步，1938 年才在东洋钢板公司所属松下工厂安装了第一台可逆式冷轧机，开始生产冷轧薄板，1940 年在位于日本西部的广畑钢铁厂（新一重一重冶金工程事业部冶金工程事业部-JCH 8 日铁前身之一，现为新日铁分厂）建立了第一套四机架的 1420mm 冷连轧机。1951年苏联在新利佩茨克钢铁公司建设了一套 2030mm 全连续式的五机架冷轧机，年产达到 250 万吨。最有发展前途、代表大规模工业生产能力的，是连续式、不可逆运转的多机架冷轧机。冷轧机按轧辊的辊系结构，分为二辊式、四辊式和多辊式冷轧机，最多的有 30 多个轧辊 可逆式和连续串列式冷轧机架的布置形式 左为常见五机架四辊冷连轧机，右为五机架六辊冷连轧机（京唐冷轧用此型轧机）一重一重冶金工程事业部冶金工程事业部-JCH 9 国内几个钢厂典型的冷连轧机的轧辊布置 国内某钢厂的 SMS 五机架串联式冷轧机 一重一重冶金工程事业部冶金工程事业部-JCH 10 国内一般的冷轧钢卷成品（未包装），外观特征就是比热轧钢卷要光洁明亮 冷轧带钢经过平整，除了成卷出售，按其它规格交货之前都要根据用户要求进行剪切。按单张交货的要横切（业内通称为“开平板”），配备高速横切飞剪，可以生产整齐的盒装冷轧平板。按窄条带钢成卷交货的应纵切（业内通称为“纵剪带”），把宽带钢同时剪裁为几条乃至十几条窄带钢。无论是横切还是纵剪，成品冷轧钢材的生产速度都比一张一张或一条一条地单独轧制要快数十倍，生产效率大大提高。有了这种轧钢机和剪切设备，再也不需要那种分散式“小作坊”生产设备了。这种从一条生产线出来之后“一变三”（冷轧宽带钢卷、冷轧窄带、冷轧平钢板）的生产模式，真正体现了大工业的自动化、高效率的冷轧钢材生产。一重一重冶金工程事业部冶金工程事业部-JCH 11 武钢（天津）钢材加工有限公司剪裁线的纵剪机，正在把冷轧宽带钢剪成 10 条窄带 一卷冷轧宽带经过纵剪成为十一卷成品冷轧窄带，轧机效率提高数十倍 一重一重冶金工程事业部冶金工程事业部-JCH 12 冷轧钢卷切为平钢板（开平板）的原理图 一重一重冶金工程事业部冶金工程事业部-JCH 13 冷轧中宽带钢 首钢迁钢第一冷轧厂的冷轧宽带钢卷 冷轧板带生产的工序和工艺流程与产品紧密相关，随着产品的要求不同，工艺流程也有所不同。其中除了冷轧环节之外，在热轧当中所没有的酸洗、退火工艺也是大家不容易见到、非常感兴趣的。一重一重冶金工程事业部冶金工程事业部-JCH 14 冷轧板带钢产品是以热轧板带钢作为原料，因其表面有钢板在精轧后冷却期间或存放期间形成的氧化层（我们称之为“三次铁皮”，以区别钢坯在加热炉内生成的“一次铁皮”，以及粗轧之后在中间坯表面生成的“二次铁皮”），所以在冷轧开始之前要把这一层比较密实的氧化层清除掉。由于冷轧的工艺不再加热，也就不可能使氧化层开裂并用高压水冲去（即所谓“热态”清除），所以得用新的方法做“冷态”清除。所谓“酸洗”就是在冷态下用一种化学方法清除金属表面氧化铁皮的过程，通常也叫化学酸洗，根据不同的金属基材，分为采用盐酸、硫酸、硝酸、磷酸、氢氟酸等不同种类。清洗热轧板卷表面通常用的是盐酸（HCI)，世界各国的盐酸酸洗机组用的盐酸浓度都不超过 20。酸洗是冷轧生产的第一道工序。下面这张示意图是用盐酸清洗热轧钢卷表面，除了盐酸与氧化铁皮直接发生溶解作用、使其脱落之外，盐酸溶液与氧化铁皮相遇，同时从缝隙渗入基体（钢板）后与铁相遇，这两种情况下都会发生反应，生成氢气，氢气的膨胀会产生一种机械剥离作用，能把氧化铁皮从钢板表面加速“扒”下来。但是这也意味着，酸洗速度必须非常快，否则钢板就会出现被强酸局部溶解（腐蚀）的新问题。随后还必须立即用冷高压水对钢卷进行冲洗，祛除酸液残留，防止腐蚀。在酸洗过程中，热轧钢板表面的氧化铁皮迅速减少 因此现代化的大批量冷轧钢卷生产都是把酸洗设备与冷轧设备连接在一起，在钢铁业内通常被称为“酸轧机组”，从酸洗工序到冷轧工序之间的过渡非常短，在酸洗后以最快的速度进行冷轧，几乎不停留。冷轧完之后的钢卷也是尽快给它“再穿衣服”（冷轧板或板卷要直接密封包装，或加工为镀层板、涂层版），隔绝空气，就能避免冷轧之后的基板被再次氧化。酸洗槽里要砌筑专门的“耐酸碱瓷砖”，是以石英、长石、粘土为主要原料制成的耐腐蚀衬砌。早期的酸洗槽都比较深，在 1 米到 1.2 米左右，称为“深槽酸洗”。70 年代后逐步应用“浅槽酸洗”，深度降到 0.4 米到 1 米之间。1983 年德国人发明了“浅槽紊流酸洗”，酸液深度小于 400mm，有很多好处，例如酸洗时间缩短一重一重冶金工程事业部冶金工程事业部-JCH 15 到原来的 65、酸洗后每平方米的残留物50mg 等，所以现代冷连轧几乎都选择这种浅槽紊流酸洗方法。宝钢某酸轧机组的酸洗槽正在进行防腐施工（砌筑耐酸碱瓷砖）太钢不锈冷轧厂的卧式酸洗槽 一重一重冶金工程事业部冶金工程事业部-JCH 16 带钢在酸洗槽（揭开盖子）内通过时的景象 酸洗机组分为连续卧式、连续塔式和半连续式（也叫推拉式或推式）三种，它们各有特点。连续式酸洗的工艺是先要把每一个热轧钢卷展开，再把前一个钢卷与后一个钢卷之间的头尾都焊接起来，使带钢本体连续地通过酸洗槽。因而设备庞大，投资偏高，各个环节的生产节奏必须完全同步，组织生产不灵活，一旦中途停止后重启机组很是麻烦（需要全线从头到尾重新“引带”，引带也叫穿带，京唐一冷轧1700 酸轧机组仅酸洗线穿带一次要花费 45 小时，五机架轧钢机和卷取机再穿带要 2 小时，合计 67 小时，还要耗用数十人力），但是它非常适合大批量地进行同种钢卷酸洗作业，与后面的冷连轧机可以“无缝接续”，生产效率很高，带钢的平直度也好。一重一重冶金工程事业部冶金工程事业部-JCH 17 马钢 2130 冷酸连轧机组穿带：热轧带钢通过入口段，牵引而出，即将进入酸洗段（二十冶图片）一重一重冶金工程事业部冶金工程事业部-JCH 18 首钢迁钢公司冷轧厂酸轧机组正在进行穿带作业的场景（视频截图）连续式酸洗由于各段（原料准备段、酸洗工艺段、成品段）工作速度上有差异，既要保持各段工作状态的相对独立性，又保持钢带不停顿地连续酸洗，因此无论是卧式还是塔式，都要在每两段之间（进口出口）设立活套车（在我国台湾称为“环圈车”），以“活套”的形式储备宽带钢，储量不固定，尤其是在装钢卷、焊接和卸钢卷时，酸洗机组就使用活套车里的储备钢卷。水平活套小车的结构和原理示意图，酸洗机组一般要配两组活套 一重一重冶金工程事业部冶金工程事业部-JCH 19 酸洗槽下方安装水平活套，充分利用空间（武钢三冷轧）塔式机组的酸洗塔有的高达 30 米，还分为单塔、双塔和多塔，对酸液密封要求较高，绝对不能在空中外溢（否则可是“空中飞来横祸”啊）。但是这个高大的酸洗塔割裂了厂房内的吊车通道，设备维修不便，停机后重新穿钢带很困难。而卧式机组虽然占地面积比较大，设备结构却相对简单，维护也方便。全世界年产100200 万吨以上的冷轧生产线都使用卧式酸洗机组，因此我国钢铁企业也由于引进技术的原因，只有很少几套塔式机组，多使用卧式酸洗机组。首钢京唐公司的冷轧生产线也都是连续卧式酸洗。而推拉式（半连续式）酸洗工艺，前后两个热轧钢卷之间并不焊接，每卷带钢都用夹送辊依次“咬入”，推送向前，酸洗后这个钢卷要再次卷起来，它是逐卷间断地通过酸洗机组的。它的设备相对简单，投资低，适合灵活组织不同的冷轧板卷生产，重新启动机组时不用“引带”。它的缺点也比较明显，一是钢卷不是直接从酸洗工序进入冷轧工序，多了一道卷取，因而钢卷还有在过渡期间再次被氧化的危险；二是生产效率低，产品的平直度也差一些，可能每一个钢卷之间都有差异。我国的推拉式酸洗机组已经完全国产化，年生产能力都超过 50 万吨。在首钢的一重一重冶金工程事业部冶金工程事业部-JCH 20 迁钢公司冷轧厂，就有一套年产 70 万吨的推拉式热轧宽带酸洗机组，在不久前的 2012 年 9 月 27 日顺利完成首卷热轧酸洗卷的生产。半连续式（推拉式）酸洗机组示意图，只卷一个钢卷，不需要活套 连续卧式酸洗机组示意图，水平活套存储的带钢长度可以达到酸洗槽的四倍以上，容量很大 连续塔式酸洗机组（单塔）示意图，这里用的活套都是立式的（储存的钢带在塔架或地坑中伸展）一重一重冶金工程事业部冶金工程事业部-JCH 21 立式活套结构示意图 左面是有地坑的活套，在同样占地面积下可以储存更多带钢，但是设备复杂；右面是无地坑活套 经过酸洗后的钢卷就进入冷轧过程。根据成品厚度的不同，连续式冷轧机组的机架总数各异，轧制越薄的带钢，机架数就越多。早期的三机架带钢冷连轧机，主一重一重冶金工程事业部冶金工程事业部-JCH 22 要用来生产 0.6mm2.0mm 厚的汽车钢板，所用原料厚度为 2.5mm4mm，总压下率达 60。四机架带钢冷连轧机是从五、六十年代开始发展，适应性较强，生产规格扩大到厚度为 0.35mm2.7mm，总压下率达 7080，逐渐取代了三机架带钢冷连轧机。四机架带钢冷连轧机的辊身长度约 1400mm2500mm。五机架冷连轧机严格来说是从四机架延伸出来的，它的辊身长度与四机架是基本重叠的。以前我一直很奇怪，为什么中国没有六机架的冷连轧机呢？机架多一个不是可以分散压下量么。但是后来才知道，60 年代国外发展六机架冷连轧机是为了专门生产宽度不超过 1450mm 的镀锡原板，产品可以薄到 0.09mm 以下！这些年以来为了生产特薄的镀层钢带（仅厚 0.065mm0.15mm），很多冷轧企业已经在四机架或五机架冷轧机之外，增加了一套两机架或三机架的“二次冷轧机组”，形成了“两步走”工艺，这些特薄带钢的产量又不是动辄需要百万吨级，所以平时开动五机架冷连轧就够用了，很少再建造轧速极高（超过每秒 40 米）的六机架机组。具体到冷连轧机的实际应用，关键在一个“连”字上。常规的五机架带钢冷连轧机的最末一架水平轧制速度高达每分钟 15002250 米（每秒 37.5 米），速度极快，因此四机架或五机架冷轧机怎样与它前后的设备在如此高速下能“和谐一体”运行，情况是很复杂的。上世纪 60 年代出现的冷轧生产方法，只是在若干架冷轧机前面装设两台开卷机、两台轧后张力卷取机和自动穿带装置，并采用快速换辊、液压压下、弯辊装置、计算机自动控制等新技术。但是它并未与冷轧工序前面的酸洗工序连接，也没有与后面的退火工序连接。而且这样的冷轧只是轧制机架“连续排列”而已，带钢依然是一卷一卷单独进行轧制的，并不能真正做到连轧。真正的连续轧制是在此后近 10 年才出现，是采用“无头轧制”方式实现的。按照冷轧带钢生产工序及设备组合的特点，钢铁业界的专家们把“全连续式冷轧机”分成三类：第一类名为“单一全连续轧机”，是我刚分配到首钢参加工作的那一年（1971 年）在原日本钢管公司（NKK）的福山钢厂出现的，在常规的冷连轧机前面增设了焊接机、活套等机电设备，使热轧钢卷通过这种“无头轧制”的方式，第一次实现了不间断地连续冷轧。冷轧之后的带钢无限长，得另用剪切机按定尺切断，并重新卷成冷轧钢卷。这种单纯轧制工序的连续化，称为单一全连续轧制，也称为“全连续无头轧制”。第二类可以称为“联合式全连续轧机”，最早是 1982 年在新日铁的广畑厂投产的。把第一类单一全连续轧机再与其他生产工序的机组连接起来，就能得到这种第二类联合式全连续轧机。这里的联合还有两种不同形式，一是“后连”，冷连轧机与后面的连续退火机组联合，即为“退火联合式全连轧机”；二是“前连”，即与前面的酸洗机组联合，就成为“酸洗联合式全连轧机”（也就是我们常说的“酸轧机组”，Continuous Discaling Continuous Mill，缩写为“CDCM 机组”）。目前世界上酸洗联合式全连轧机最多，发展也最快，它是全连轧的一个发展方向。首钢顺义、迁钢、京唐的冷连轧机都是这种 CDCM 机组，而且从酸洗到冷轧之间都是采用水平活套，不用立式活套。一重一重冶金工程事业部冶金工程事业部-JCH 23“联合式全连续轧机”冷轧生产线（CDCM 机组，即酸轧联合机组）示意图 第三类是“全联合式全连续轧机”，1986 年首次出现在新日铁的广畑厂。别瞧所用汉字名称里只多了开头一个“全”字，它却是冷轧带钢生产划时代的技术进步，标志有关冷轧板带的设计、研究、生产、控制及计算机控制技术进入一个新的时代。它是把单一全连续轧机与前面的酸洗机组和后面的连续退火机组都连接起来，包括清洗、退火、平整、检查工序全部纳入，整个机组采用了先进的自动控制系统，能够同步顺利生产，板厚精度控制在 1以内，过去冷轧板带从投料到产出成品需要 12 天，而采用全联合式全连续轧机，只需 20 分钟。该机组也称为“酸洗冷轧退火连续生产线”，缩写是“FIPL 机组”。“全联合式全连续轧机”冷轧生产线（FIPL 机组）示意图 京唐第一冷轧厂紧接在酸洗线后面的五机架冷连轧机，全部为六辊 UCM 轧机，由日本“MitsubishiHitachi Metals Machinery Inc.”（三菱日立制铁机械有限公司）制造。整个“酸轧机组”都是这家公司建造的。这套冷连轧机可比我 1995 年在宝钢冷轧厂看到的 2030mm 五机架四辊冷连轧机的技术先进多了。三菱-日立公司在五机架六辊 UCM 冷连轧机上应用的新技术 六辊冷轧机有三组轧辊，分别是支撑辊、中间辊和工作辊，每组上下各有两只，这种轧机的基本特点就是支撑辊直径大，而与带钢相接触的工作辊直径小，中间辊和工作辊在轧制过程中都可以随时控制横移，能够克服带钢边部减薄及消除任何部位的“波浪”纹，实现精确控制，所以适合轧制薄带钢材和其它变形抗力大的金属材料。它的基本结构形式有两种，一是德国 SMS 公司开发的“CVC 轧机”，工作辊的外廓被磨成S形瓶状曲线，上下辊磨削程度相同，互相错位180度布置，一重一重冶金工程事业部冶金工程事业部-JCH 24 使上下辊形状互相补充。二是日本日立制作所开发的“HC 轧机”，中间辊为平辊，不需要根据原料情况把轧辊用数控机床磨削成复杂的辊型，所以生产准备时间短，轧辊备件也较少，操作简单，容易控制。冷轧钢板的板形缺陷主要就是各种波浪纹 CVC 冷轧机（图中为四辊）依靠 S 形瓶状辊的抽动来调整板形，但是控制边部能力差一些 一重一重冶金工程事业部冶金工程事业部-JCH 25 HC 型六辊冷轧机几个辊上的受力和调整 京唐公司所用的 UCM 轧机（Universal Crown Mill，万能凸度控制轧机）是日立三菱公司从原有日立的 HC 轧机（High Crown，高性能轧辊凸度）基础上发展改进来的，它具有横向刚度大、板形控制能力强等优点。它与 HC 轧机相比，采用更小的工作辊直径，其中间辊不仅能轴向移动，还设有正弯辊，工作辊设有正负弯辊，它的进一步改变是增加了工作辊的轴向移动，功能有很大改进。通过适当改变中间辊和工作辊的接触长度，可以改变作用于中间辊和工作辊的压力分布规律，消除由于轧制力引起对带钢横向厚度差的影响，因此对带钢的凸度和平坦度控制效果更好，特别适合控制带钢的复合浪形，适合轧制薄规格、硬质、大压下率的产品。国内还有宝钢 1550 毫米冷连轧机、武钢 2140 毫米冷连轧机、宝钢的 1730 毫米酸洗冷连轧机都是用 UCM 轧机。我国的重机老大“一重”结合 CVC 轧机和 HC 轧机的特点，开发出一种国产化率100的“VCMS 大规格六辊冷轧机”。至少到 2010 年为止，国内通过非引进方式建设国产大型六辊冷连轧机，选用的都是一重自主研发、设计制造的 VCMS 轧机，例如鞍钢的 1780 毫米、2130 毫米、1500 毫米冷连轧机，梅钢的 1420 毫米冷连轧机，武钢的 1550 毫米酸轧机组等。一重号称它的 VCMS 机型是 UCM 系列的改进，既然它对原来的 HC 轧机也有相关继承性，这个说法也可以认同，从VCMS 轧机已经成功打入国际市场的情况看，这种轧机确实具有一定的竞争力。一重一重冶金工程事业部冶金工程事业部-JCH 26 六辊冷轧机结构示意图 冷轧机多采用小辊径，优点是减小接触区、减小轧制力、减小弹性变形，有利轧薄 一重一重冶金工程事业部冶金工程事业部JCH 27 五机架冷连轧机的作业示意图 轧制后的卷取，采用回转式双卷筒形式的卡罗塞尔卷取机（Carrousel），这是世界上最先进的冷轧带钢卷取机，它的内部驱动系统很复杂，目前世界上能生产这种卷取机的厂家没几个。Carrousel 卷取机的结构示意图 一重一重冶金工程事业部冶金工程事业部-JCH 28 欧洲某钢厂可卷取直径 2.5 米 45 吨重钢卷的冷轧双卷筒卡罗塞尔卷取机 卡塞罗尔卷取机在整个冷连轧生产线的最后位置，但是距离最后一架冷轧机非常接近 冷轧钢卷的表面很光滑，看似无暇，但是它遇到水汽、暴晒等不利环境因素，仍然会氧化生锈。一重一重冶金工程事业部冶金工程事业部-JCH 29 对于非 FIPL 机组”如常用的 CDCM 机组（酸轧机组）来说，冷轧卷“落地”暂存的时间不会很长，它要根据销售合同制定出的生产作业计划，尽快地通过下一步的退火工艺环节，正式完成商品化之前的所有加工步骤。因此只需要用涂油设备在冷轧钢卷的外表面轻抹一层防锈油（轧后涂油），油量不大，主要作用是隔离水汽，防止在运输途中和仓储中氧化生锈。冷轧钢卷为什么要经过“退火”呢？以前在冷轧钢板（带钢）时，都是使用速度比较慢的可逆式冷轧机，当钢板由厚变薄降低到一定厚度之后，由于带钢本身在加工过程中逐渐硬化、积累应力，中途必须进行退火，使带钢软化，消除应力，恢复钢的塑性变形能力，然后才能进一步轧制或平整。如果再后续轧制几道后，还得再一次退火。因此生产作业费时，退火也费时，工艺不连续，按单位产量折算的综合能耗比较大。现在大批量生产冷轧带钢主要都改用排列紧密的高速冷连轧机，轧制作业耗时极短，因此在轧制过程中不另设中间退火工序，而是在带钢轧至所需尺寸及精度以后，才进行最终退火，消除积累在带钢内的应力，全程只有一次退火，综合能耗也比较低。根据我在京唐公司现场的观看，一冷轧的 1700mm 冷连轧机在轧制完成后，是对冷轧钢卷进行直接打捆的（简单地打一道包装钢带），并未送去退火，而是到再次开卷完成镀锌作业、冷轧钢带变成为镀锌钢卷以后，再进入连续退火炉的。不过，我在这里还是按照通常的流程习惯述说，以生产出冷轧钢卷做为一个完整产品的诞生，先讲一下什么是最终产品交付之前的退火。退火之前由于冷轧带钢表面有防锈油，先要把油脂清洗干净，哪怕这钢卷才涂了薄薄一层油，没过俩小时，也必须把油清理掉，否则在退火时在带钢表面会形成油斑，造成新的表面缺陷。经过“脱脂”的带钢，装到带有保护性气体的炉子里退火。退火后的带钢表面极为光亮，犹如镜面，在进一步的轧制、或平整、或涂镀的时候，就不须二次酸洗。现在各国钢铁企业对冷轧钢卷都采用“罩式退火”和“连续退火”两种不同的退火方式。所谓罩式退火，是指已经卷好的钢卷不再展开（紧卷方式），依旧以“抱团”样式放入坐卧在地的“罩式退火炉”里码垛，退火后直接吊出，保持原来的捆扎形态不变，这种工艺比较简单，组织生产灵活，适于小批量多品种生产，但是总体生产效率低，退火质量差，能耗高。钢卷装进罩式退火炉里又分为“紧卷退火”和“松卷退火”两种形式。紧卷退火应用最为广泛，在钢铁厂里几乎都是这种工艺。而松卷退火要配套一套松卷机组，仅用于有特殊要求的热处理。罩式退火炉本身还有单垛式和多垛式两种类型，常见的都是单垛式。罩式炉的加热方式，还分为“辐射管加热”和“直接火焰加热（直接加热式）”，直接加热式使用最多。另一种连续退火，是象前面酸洗、冷轧工序的“无头轧制”一样，把钢卷拆捆，再次展开、焊接起来，连续穿越有几层楼高的立式退火炉，从头走到尾，退火后的钢卷再重新剪裁、卷好，就可以送去打捆包装了。罩式退火炉根据内部用的保护性气体种类的不同，又分为普通罩式退火炉与全氢罩式退火炉两种。普通罩式退火炉在退火作业时，每炉一般以 45 个左右的钢卷为一垛，将带钢加热到一定温度保温后再冷却，燃料主要是焦炉煤气。上世纪 70 年代普通罩式一重一重冶金工程事业部冶金工程事业部-JCH 30 退火炉主要采用高氮低氢的氮氢混合型保护气体，氢气的体积占 24，氮气的体积为 9698。化学性质很稳定的氮气是很好的冷却气体，还可以使加热中的钢卷隔绝氧气，避免再次受热氧化。氢气是一种比空气轻而且渗透性很强的气体，密度小，传热系数大，所以导热能力比氮气更强，在发电厂的大功率发电机组轴向都比较长，中间不易散热，所以经常用氢气冷却称为“氢冷发电机”），效果极好。而罩式退火炉里堆垛的钢卷非常紧密，每一层带钢的缝隙比发电机定子和转子的间隙还要狭小，所以渗透性极强的氢气是这种退火炉里最好的冷却气体。少量的废氢气经过回收净化还可以补充当燃料用。不过，氢气冷却一旦发生泄漏就有爆炸的危险（氢气与空气混合物的爆炸下限为 4），所以普通罩式退火炉采用高氮低氢的设计是有道理的，还要设专门的监测系统以保证安全。后来随着冷却技术的提高，氮气越用越少，氢气比例日益提高，最终演化出了采用全氢气的罩式退火炉。我国的鞍钢冷轧厂在 50 年代曾经引进过苏联设计的这种早期传统罩式炉。70 年代建设武钢“一米七轧机”的时候，引进了由德国 LOI 公司制造的“分流冷却罩式炉”，也叫做“混氢强对流罩式炉”（HNX 罩式炉）。为了弥补普通罩式炉的缺陷，又充分发挥它投资建造灵活、可分批进行退火的优点，在 70 年代末、80 年代初，分别由奥地利著名的 EBNER（艾伯纳）公司开发出 HICONH2 炉（强对流全氢退火炉）、德国 LOI 公司开发出 HPH 炉（高功率全氢退火炉）。这两种 100使用氢气的全氢罩式退火炉，生产效率比普通罩式炉提高一倍，冷轧钢卷退火之后的深冲性能良好，有较高的表面光洁度，所以在全世界范围内得到迅速推广和应用。我国的宝钢和武钢曾经先后两次从 LOI公司引进了外冷式的高功率全氢罩式炉，经过武钢生产实践的对比，HPH 炉比原来的 HNX 炉退火时间能缩短 40 小时，生产率提高 4060。全氢罩式退火炉的优点是：采用大功率、大风量的循环风机，加速气体循环，强化了对流传热；采用全氢气作为保护气氛，充分发挥氢气质量轻、渗透能力强、导热系数大、还原能力强的优势，同时氢气消耗量很低；采用气水冷却系统，冷却快速，提高了生产效率，大大改善钢卷退火质量。全氢炉原来主要分布在欧洲各国，90 年代全世界此类退火炉达到 500 多座，逐渐扩展到世界 20 多个国家和地区。90 年代以后，我国各钢厂的罩式退火炉也逐渐采用高氢型保护气体（75氢气25氮气），或全氢型保护气体（氢气的体积为 100），生产效率大幅度提高，退火质量明显改观，能耗大幅下降。随着冷轧板性能的日益提高，普通的氮氢型罩式退火炉正在逐渐被淘汰。全氢炉仅使用极少量的氮气，不再当作保护气，而是在退火开始及结束前用于清扫密封（绝对不能让氢气与空气混合以免爆炸）的，因此氮气用量比传统氮氢型的罩式炉减少 14左右。以前我第一次看到罩式退火炉的照片，不知道它的外罩为什么分为两种样式，这次到京唐一冷轧参观的时候，我才近距离第一次仔细看清了罩式退火炉两种外罩的异同，原来加热要用“加热罩”，冷却时罩上的却是“冷却罩”。一重一重冶金工程事业部冶金工程事业部-JCH 31 单垛型罩式退火炉，内部可以装 4 个冷轧钢卷 一重一重冶金工程事业部冶金工程事业部-JCH 32 燃气全氢罩式退火炉全貌剖视图 一重一重冶金工程事业部冶金工程事业部-JCH 33 欧洲某钢厂的奥地利艾伯纳公司制造的冷轧带卷全氢罩式退火炉，右边白色的是加热罩，正在提升的是内罩 罩式退火炉的简要工艺过程 一重一重冶金工程事业部冶金工程事业部-JCH 34 罩式退火炉的各个操作环节图示 罩式退火炉对带钢卷的加温，在加热罩里同时用辐射、传导、对流三种方式进行，最高到850 一重一重冶金工程事业部冶金工程事业部-JCH 35 直接加热式的罩式退火炉内部结构，最下面两层一共用 8 只烧嘴，隔着内罩给钢卷加热 一重一重冶金工程事业部冶金工程事业部-JCH 36 把加热罩换为冷却罩之后，用风扇控制“空冷”速度，降到 380后改为“水冷”降温 一重一重冶金工程事业部冶金工程事业部-JCH 37 全氢罩式退火炉在处理冷轧钢卷的不同外观：左 1 冷却，左 2 加热，左 3 起吊内罩，右二内罩扣合 全氢罩式退火炉比普通罩式退火炉性能好的根本原因，在于 100使用氢气。氢气是非常活跃的一种气体，热传导性好，渗透力强，其传热速度比氮气快，强化了对流传热，加热时，内罩壁的热量对带钢卷每一层之间的传热（冷却时方向相反）速度要比普通罩式退火炉快得多，因此使用全氢、强对流循环，炉温比较均匀，对于卷得很紧的带钢卷也能获得满意的加热或冷却效果，从而大大缩短了加热或冷却处理的时间。一般全氢罩式退火炉生产效率比普通罩式退火炉高 4