特殊钢轧制及二次加工的技术进步

zhd1998cn

1 前言
    日本在特殊钢条钢、带钢轧制及二次加工领域的制造工艺和产品质量方面都取得优良的业绩，技术水平保持着世界领先的地位。本文概括了特殊钢条钢、带钢轧制及二次加工技术的发展情况，并对日本大同特殊钢公司的技术成果进行介绍。
    2 特殊钢开坯轧制
    在特殊钢开坯轧制方面，2000年初，为了进一步提高生产效率，积极进行将非规模化开坯工厂集约成规模化开坯工厂，装备了新型加热炉、IH（感应加热装置）、中间保温炉等，使不锈钢、工具钢等难加工品种可以顺利生产。
     2005年以后，从满负荷生产状态下的风险管理观点出发，进行了大规模的设备更新，对使用20年以上的老化设备进行更新，其中特别将开坯轧机的主马达更新为交流马达。大同特殊钢公司在2008年4月将2台DC3100kW主马达更新为2台AC3400kW主马达。
    在日本国国外，采用了更为廉价的生产工艺，建立一台大型电炉－中等断面连铸机－一次热轧机－产品修整检验的生产作业线，并生产.30mm左右汽车用钢。
    2.1日本大同特殊钢公司扩大连铸化生产
    2002年大同公司建成了大断面（650mm×850mm）连铸机。其目的是提高过去因连铸中心偏析而难生产的高碳钢和42%Ni钢等工具钢的成材率和表面质量。该设备PHC为2流连铸机，为改善铸坯中心的质量，可以一面任意改变结晶器锥度，一面进行连铸。
    由于该连铸机与在线锻压技术相结合，可使过去模铸生产的钢锭实现连铸，并且由于在线锻压技术产生的铸锭中心锻压效果，使连铸坯直径从.240mm扩大到最大为.310mm，公司的连铸比由70%提高到80%。
    此外，过去对.85mm以上的棒材都是限定尺寸进行生产，现在为适应用户的要求，实现棒材尺寸最佳化，如图1所示，对.125mm以下的棒材，可生产尺寸间距为1mm的棒材，适应了用户对棒材尺寸细化的要求。
    2.2自由尺寸和自由轧制技术
    为实现满负荷生产，在停止超粗（.320～350mm）和特细（.70～85 mm）开坯尺寸的同时，将.80～160mm开坯尺寸轧制工艺改进为自由工艺，使开坯轧制节奏制约炼钢节奏的情况得到缓解，实现了连铸比的提高。轧制规格程序改进见图2。
    3 特殊钢棒材轧制
    在以结构钢为主的大批量生产的棒钢轧制领域，从上世纪80年代到90年代，普遍装备了2辊式、3辊式、4辊式定径轧机，实现了精密轧制、自由尺寸轧制、多周期轧制。
    在上世纪90年代出现了将加热炉燃料由重油改为液化天然气，并采用蓄热式燃烧技术。
    2005年以后生产处于满负荷状态，对主轧机以后的精整、热处理、产品修整检查等制约生产的瓶颈作业线的能力进行了强化。
    在工具钢扁钢这种小批量钢材轧制方面，为满足客户降低成本、缩短交货期和小批量的要求，装备了改进扁钢形状的特殊定径机，并实现了直接热处理工艺。
    3.1 棒材轧制-成品检验同步化
    大同公司知多小型轧钢厂在1980年～上世纪90年代初建立了世界上最早的“最佳尺寸轧制体系”（超精密轧制、自由尺寸、多周期轧制）和全数、全长、全断面的质量保证制度，满足了用户对交货期和质量的要求。2005年，在原有的轧制精整工艺粗棒材和细棒材交替轧制基础上，进一步修订轧制规格序列，实现了检验作业线同步化（图3）。轧制生产线上采用新式冷床，可防止影响2辊矫直能力的细棒材的弯曲现象，同时增加了主要检验热处理材的检验作业线，提高了快速检验能力。通过这些措施实现了轧制成品检验的直接化，由于生产等待时间进一步缩短，减少了轧制－检验工序之间的半成品库存量。此外，设置了产品检验后的立体仓库，提高卡车本地交货效率和对物流进行调整，从而精简了工作人员。
    3.2 “e级质量”体制的建立
    大同公司星崎棒钢轧钢厂为满足用户对工具钢扁钢产品交货期短、小批量供货、加工费减少等要求，以提高扁钢尺寸、形状精度和降低弯曲度为目的，于2000年开发出高刚性扁钢最佳尺寸轧机，开始了“e级质量”产品的生产。“e级质量”产品和传统产品断面比较见表1。“e 级质量”产品的高尺寸精度使用户减少了加工费用。“e 级质量”生产体制的另一个理念是适应短交货期的要求，这是通过热轧后直接热处理实现的。通过轧后冷却速度控制可得到易球化的母材，再配合最佳球化热处理工艺可省略轧后低温退火。该技术将轧制-热处理-检查设备直接配置和全工序管理系统进行组合，实现了轧制-热处理-检查工序的一体化。
   
      表1  断面尺寸（e级质量和传统质量的对比）
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                         e级质量    传统质量
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    尺寸/mm    厚度     25.27       26.11
               宽度    106.25      108.00
    不平度/mm            0.02        0.29
    瓢曲/mm              0.15        1.00
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    “e 级质量” 生产体制产生的效果：
    （1）缩短交货期：由过去的约3个月缩短至1个月；
    （2）小批量化：平均订货批量比原来减少30%；
    （3）尺寸、形状、弯曲公差减小为原来的1/3。
    棒材制造厂也取得很多效果。由于产品质量提高使钢材成材率提高；由于热处理能力增强，热处理可在本厂完成以及生产单元集约化使生产成本降低；库存量减少；物流成本降低。2006年多功能热处理炉投入使用，可利用轧钢余热进行不锈钢的固溶处理，进一步扩展了轧制－热处理工序的范围，扩大了短交货期生产体制。
    4 特殊钢线材轧制
    上世纪80年代初引入无扭线材轧机，开创了高速轧制、高生产率的“创量技术”，90年代引入了棒材最佳尺寸轧机，实现了尺寸可调、精密轧制，进入“创形技术”领域。21世纪则进入了以省去或简化软质化、热处理、酸洗等工序的、以高功能线材制造为主的“创质技术”时代。
    “创质技术”即在采用控制轧制和控制冷却时，将精轧无扭轧机、线材最佳尺寸轧机进行更新，增加轧机负荷，同时，增强在线水冷能力。此外，将控制冷却的环形辊道由原来的70m延长到100m以上，并在保温罩上安装补热装置，可更加自由地控制线材温度的下降速度。
    在因“创质技术”普遍应用而产生的理论解析模拟技术方面，在原来的3元FEM应力-应变分布解析的基础上，又加入了组织控制因素。此外，广泛应用模拟压力加工过程的热模拟装置也是不可忽视的。
    4.1两相区恒温轧制技术
    知多线材厂于1993年开发出高质量特殊钢线材轧机的线材最佳尺寸系统（精密轧制、自由尺寸轧制、多周期轧制），使“创形技术”得到发展。
    近年来为满足用户对“创质技术”的要求，1998年更新了粗轧机组，同时利用现有的基础更新了H-V6连轧机、马达和控制系统，并且安装了可在800℃下进行轧制的高刚性轧机见图4。
    2001年为实现从粗轧到最终精轧进行两相区恒温轧制，以控制精锻分散化引起的加工发热，在NTM（无扭轧机）前设置2架PFM（预精轧机），在CSM（紧凑型定径轧机）前设置RM（减径轧机）。使NTM的平均面缩率由原来的20%减少到15%，同时还安装了感应加热装置进行补充加热，并强化了中间机架到精轧机架的水冷却区的冷却能力，通过对粗轧机到精轧机整个区域的窄温度范围管理，实现了两相区的恒温轧制（LTIR：低温恒温轧制技术）。
    在常规轧制情况下，钢的组织全部为片层状组织（HRC40左右），为获得球化组织需进行长时间退火（20小时左右），不得不消耗大量的能量。而利用Acm点（880℃）以下的γ＋θ（奥氏体＋渗碳体）两相区恒温轧制技术可得到近似的球化组织（HRC33左右），这样可使球化退火时间减少近40%。
    4.2 高级钢线材轧制技术
    大同公司星崎线材厂的不锈钢及高合金钢、钛材等高级钢线材的月产量约1000t，过去生产这些难加工产品由于轧制裂纹等缺陷需进行手工处理，增加了生产成本，延长了交货时间。该厂为提高高级线材的竞争力，在2002~2003年强化了第1中间轧机前感应加热装置的能力并安装了3辊轧机。
    3辊轧机的特征见表2。中间感应加热装置的主要参数见表3。3辊轧机是以120°角的间隔配置的3个轧辊进行轧制的方法，该轧机的导入使中间轧制道次由11道增加到13道次，减少了各道次的面缩率。同时由于3辊轧机的特点使轧制自由面的拉应力得到缓解。
   
         表2          星崎厂线材轧机的技术参数
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    形式                       常规驱动
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    机架数      6架
    轧辊直径    φ500
    马达        DC250kW×1  DC350kW×2  600/1200转/分钟
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    表3   感应加热装置的技术参数
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    位置         技术参数
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    M42之前    1400Kw,1kNz
    M42之后    600 Kw,9.9kNz
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    该工厂在原有的可逆式粗轧机进行高速轧制的基础上，采用可使轧件表层温度差减小，延伸率良好的椭圆－方孔型粗轧孔型轧制法，抑制了粗轧阶段轧件的温降，同时由于在中间轧机采用感应加热装置进行补偿加热和3辊轧机的使用，使轧制裂纹得到控制，大大提高了高级钢线材的质量竞争力。
    此外，为提高钛制品和高合金钢的表面质量，该厂还导入了钢坯加热用的感应加热炉，采用还原性气氛，抑制了高合金钢晶界氧化和钛材氧化富集层的产生，使不良品减少，工艺得到改进。
    5 特殊钢带钢热轧技术
    在特殊钢热轧带钢领域，可以看到从不锈钢的一般产品向高合金钢等高附加值产品的生产发展过程。为提高对轧制温度的控制能力和提高形状－尺寸精度采取了种种改进措施，提高了产品质量和生产率，从而降低了成本。与此同时，还进一步提高了AOD真空精炼技术和高合金连铸技术等轧制之前的生产技术水平。另一方面，具有热轧设备，并自费购买原料的各个厂家从成本核算考虑，转变为由其它厂家提供原料，从而推进了原料供给厂家的集约化进程。
    5.1再建高级带钢热轧生产线
    过去，大同公司高级带钢热轧生产是在涩川厂进行的。为了扩大高级带钢生产和提高生产效率以及降低成本，又购入热轧带钢轧制－酸洗设备，安装在星崎厂并于2001年投入使用。表4是新旧轧制设备的对比。
   
       表4             新、旧带钢轧机的技术参数
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                      从前（涩川厂）            现在（星崎厂）
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    轧机形式          传统形式       可逆式炉卷轧机
    加热炉            保护气氛       可控制的保护气氛（H/N混合，N，Ar）
    产品     宽度     最大450mm      最大750mm
             重量     最大2.2t       最大7.0t
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    为提高以高合金为代表的高级带钢的质量，装备了可防止加热时晶界氧化的无氧化气氛电加热炉，防止轧制过程中轧件温度下降，并能进行恒温轧制的可逆式炉卷轧机。轧机的特点是生产特殊钢带钢中间宽度的产品，厚度为2.6～6.0mm、宽度为250～750mm。由于新生产线安装在星崎厂，使名古屋地区形成了联合生产体系，改善了物流状况，缩短了交货时间，压缩了库存数量。2007年，为了建立高合金带钢的稳定生产体制和适应更高级带钢的生产，对炉卷轧机进行改造（高速、高刚性、提高保温能力），形成了高效率的生产体制。改造后可以稳定生产过去难生产的高Ni钢、双相SUS钢、Mg合金等高级带材。这些高级带材的热加工性和制造的技术要点见图5和表5。
   
                 表5       加工硬化钢带钢轧制的技术要点
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    产品（化学组成）            钢带钢轧制中的问题             轧制的技术要点
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    ①铬镍铁合金                                         进行大压下、短时间轧制
    53Ni-18Cr-18Te-5Nb-AlTi     高变形抗力              （在轧制区间保持高温）   
                                                         高精度轧机
                                                         高轧制速度
                                                         小直径工作辊
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    ②奥氏体-铁素体钢SUS        大量δ-铁素体
    5.5Ni-23.5Cr-2.8Mo-0.13N    σ相脆化
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    ③Mg合金                    内部氧化                 电加热器＋可控保护气氛
    Mg-3Al-1Zn                  保持低温（200～450℃）   非常低温的轧制
                                                         用炉卷机保持低温
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    目前，正在充分发挥该生产线上各个设备和各种技术的优势，进一步开发WASPALOY（56Ni-19Cr-13Co-4Mo-3Ti-1.3Al）等难加工钢号的带钢，并扩大规格范围。今后在满足用户要求的同时，积极地把新领域用带材的开发工作进行下去。
    6  特殊钢二次加工
    一般来说，将轧制的棒材、线材加工成光亮棒材、线材的工艺叫做2次加工。2次加工可分为热处理、表面处理（除鳞、皮膜处理）、冷加工（拉拔、剥皮，车削）几大类。
    2次加工技术的进步，除了是为满足用户提出的高质量要求进行技术开发，在很大程度上是由于近年来对企业社会责任（CRS）意识的提高，积极进行保护环境的努力和力求压缩库存、缩短交货期的努力。以下对各个类别2次加工的应用技术和今后发展动向进行论述。
    6.1热处理
    在热处理方面，为压缩库存、缩短交货期，各企业推进了在线热处理技术和热处理的替代技术，前者是热轧和热处理或热处理和除鳞工序的直接连接，后者是采用控制轧制技术使热处理工序省略或缩短处理时间。
    （1）热轧后直接热处理
    热轧后直接热处理的想法很早以前就有了。线材热轧后不冷却，以盘卷热状态进入固溶处理炉完成热处理的方法，在日本从上世纪80年代开始就已经实用化了。把这种将带着热轧后余热的轧件在与轧制设备紧密相连的热处理炉进行热处理的操作叫做直接热处理，见图6。
    近年来，在线材生产中，通过将轧制中轧件温度和热处理温度以及热处理时间进行适宜组合的方法，扩大了热轧直接固熔处理炉的应用范围。热轧直接固熔处理炉用于铁素体不锈钢直接退火处理就是一个例子。但是这种应用是有制约条件的。为使轧制周期与热处理周期相匹配，轧件应是可以急冷的材质，并且应是可以与用户联合管理到用户进行的最终产品热处理的产品项目。扩大直接固熔处理炉的应用范围目前仍在发展中，它要求对钢的材质特性有深入的了解，还要求进一步密切与用户的协作关系。
    现在，正在尝试用直接热处理方法对棒材实施淬火-回火等热处理工艺，直接热处理技术的开发有了进一步的发展。可以认为，今后会将轧制温度、组织控制和直接热处理工艺组合起来，把直接热处理技术进一步向前推进。
    （2）热处理和除鳞设备的直接连结
    热处理和除鳞设备的直接是通过运送设备将热处理设备和酸洗设备直接连结来实现的。大同公司有3条热处理和除鳞设备直接的生产线。设备的直接省略了中间的搬运过程，其效果是，缩短交货时间、节省工时、并且可以防止钢材搬运时产生的缺陷。大型热处理设备和酸洗设备能否实现直接与设备的布局有很大关系，可以说是一个工厂设备工程学问题。
    （3）热处理省略或短时间化
    由于轧制过程中温度控制系统的进步带动了控制轧制技术的进步，从而有时可以省略原有的2次热处理。现在渗碳钢和一部分铁素体不锈钢省略原有退火工序的生产工艺已经实用化。在省略热处理工序时应当认真调查用户对钢材的使用方法，并且要弄清钢材产品特性是由哪个热处理阶段决定的。此外，虽然不能省略热处理，但使过去需要长时间进行的轴承钢球化退火工艺缩短时间，也可以说是控制轧制发展的结果。
    （4）纯氮炉
    在环境保护方面，省略热处理和轧后直接热处理的实用化发挥了节能的效果，这是不言而喻的。另外，在热处理炉气氛方面进行了新的尝试，并达到了实用化的程度。通常，在热处理时使用的是一氧化碳和氢气等还原性气体，但是，这些气体除了排放出二氧化碳之外，还具有爆炸和中毒的危险。现在只使用氮气的可完全防止氧化和脱碳的高气密性的连续热处理炉已经实用化，企业的环保意识将会推动这种热处理炉的应用。
    6.2表面处理（酸洗、皮膜处理）
    在酸洗工艺方面，正在积极进行环境保护的技术开发。由于社会的要求，工厂排水中溶解氮量和NOx气体含量都有强制性规定。
    （1）不用硝酸的酸洗工艺
    不锈钢的氧化铁皮组成具有含Cr的致密的复杂化学结构，通常的化学除鳞工艺复合使用硫酸、硝酸、盐酸和熔盐。不使用硝酸和熔盐的酸洗法有电解酸洗法，该方法在带钢普遍使用。但是，和带钢同样是热处理－酸洗后出厂的线材却很少使用这种酸洗法。对带钢和线材进行电解处理时，需要先开卷拉直，然后再卷取的工序。但对可以用酸浸方法进行酸洗的线材来说，电解酸洗成本较高，生产效率较低，这是线材不用电解酸洗法的一个重要原因。
    在这种情况下，对于线材，为通过酸洗前的预除鳞来减少酸洗时硝酸用量，使用了在盘卷状态下就可以进行处理的喷丸机。酸洗前的预除鳞的效果是，酸洗时间缩短、效率提高。此外，还有容易回收作为炼钢原料的氧化铁皮等次生效果。图7是线材在盘卷状态下进行喷丸处理的示意图。另外，氢氟酸和硝酸混合使用时各个酸浓度分析技术的提高、解析除鳞能力与各酸浓度的关系、开发高效酸的使用方法等方面也都在进行工作。
    （2）NOx去除系统
    目前在汽车相关领域中正在进行NOx去除系统的研究和应用，采用的方法有，利用触媒进行电解的方法和利用尿素水溶液、氨水的方法。可以认为，今后这些技术将积极用于酸洗设备。
    （3）图像处理NOx传感器
    一般来说，硝酸处理槽是一个可能对环境造成损害的装备，由于过剩反应会产生大量NOx气体，所以要进行严格的温度管理和操作图表管理。在NOx检测方面，开发出一种可应对紧急异常情况的NOx检测机并已经实用化，该检测机利用的是针对NOx的红褐色的图像处理传感器。
    （4）保护膜处理
    从钢材使用保护膜种类的变化可以看出保护膜技术对环保问题的解决过程。在1990年以后停止采用人们关注的产生破坏臭氧层物质（1，1，1-三氯乙烷）的保护膜工艺。之后，由于有关大气污染的环境标准的修改，使用的保护膜由过去的主流材料聚氟乙烯系树脂和氯化树脂改为对环境无害的无机盐水溶性保护膜。
    6.3冷加工（拉拔、剥皮、车削）
    由于开展提高质量、压缩库存和提高生产率的研究，条钢冷加工技术有了很大进步。
    在质量提高方面，随着以图像处理传感器为代表的传感器技术的快速发展，各厂都开发了利用传感器的检查技术。例如，在线材剥皮工序，将可以高速处理的在线尺寸测定传感器用于线材缺陷的检查。该方法是，配置传感器，通过连续不停地对尺寸变化趋势进行比较，就可以检查出线材表面的微小缺陷。此外，用图像处理传感器直接检查棒材车削时产生的螺旋状缺陷也已经实用化。在传统的涡流探伤技术方面，开发出印相感应线圈并用于扁钢表面缺陷的检查。用这种方法实现了扁钢质量的提高和检查自动化。
    7 特殊钢轧制和二次加工的展望
    7.1 特殊钢轧制的展望
    日本特殊钢条钢批量轧制生产有开坯轧制（1次加热）和棒材轧制、线材轧制（2次加热）工厂，工厂中还包括中间工序的钢坯整备检查作业线和最终工序产品检查。为满足日系汽车制造厂家对钢材的严格质量要求，钢厂发挥了“产品制造潜力”。但是，另一方面，成本却增加。在生产进度方面，由于钢坯的制约，会引起中间半成品的增加。此外，订货交货期长，使半成品增加，很难进行彻底的工厂内部质量管理。可以认为，为解决上述问题，在不久的将来，会产生采用热钢坯将开坯和成品轧制直接连起来的直接轧制到最终尺寸的直轧工艺。为此要采用从交货期反推到生产工序的生产管理模式。当然，与此相应的连铸坯表面质量的提高、火焰清理机清除缺陷的保证系统等都是必要的。
    在轧制工序之后，将进一步推进直接－连续化生产方式，对轧制状态附加更多的质量功能以达到省略2次加工的目的。
    小批量的，特别是高合金、Ti材等难加工材料的线材轧制工艺，为提高盘卷单重和减少制成线材的加热次数，今后将开发在中间轧制时热卷取，在最佳精轧条件下进行轧制，避免因材料中心温度升高引起内部融化的线卷贮存机。
    7.2 特殊钢二次加工的展望
    在条钢2次加工领域需要开发效率更高的生产工艺，以便实现减少生产人员和强化环境保护措施。
    在热处理方面，要推进用热处理和控制轧制组合的方法进行直接热处理或短时化热处理技术。在去除氧化铁皮技术方面，将无氧化轧制技术和有效的热处理氧化铁皮控制方法组合起来，建立轧制－热处理－酸洗之间的紧密结合的高效率产品制造系统。
    在表面处理技术方面，应推进以电解酸洗法为代表的无硝酸酸洗技术、酸的再利用技术，以及酸洗泥浆等废弃物的再利用技术的开发。从环境保护的角度来看喷丸处理等机械除鳞方法的应用将会得到推广。
    在冷加工方面，将进一步强化与用户的协作，提高综合成材率，缩短交货时间，减低成本作为重点进行工艺改造。在高级钢冷加工方面，将会要求更高的2次冷加工。今后将在Ti合金和Ni基合金等难加工材料方面应用高尺寸精度和高正圆度加工技术。