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1、轧材质量控制与深加工技术第九讲 板材轧制工艺过程的质量控制各种不同用途的钢板有不同的质量要求和问题，但是它们又有许多与钢板用途无关的共同的质量要求，如对炼钢、加热、热处理等的一般质量要求，以及对钢板的外形、表面、尺寸精度的要求等。因此，在分别叙述各种用途的钢板的质量问题之前，有必要先叙述它们的共同质量控制问题。5.1 坯料的质量控制l 内部质量要求：板坯的内部质量需满足各类最终产品的质量要求，因为在加工过程中无法将这些内部缺陷去除掉。l 表面质量要求：而板坯的表面缺陷虽有可能在加工之后去除，但从加工成本、操作方便讲，希望能在轧制之前提供符合质量要求的板坯。l 连铸连轧技术要求：此外，高质量的板
2、坯也为以后的热送或直接轧制创造了条件。1 净化钢质l 市场需求：70年代以来，由于受到石油危机的冲击，需要在高寒地带、深海区域等条件恶劣的地区寻找石油。为了节能，对各种构件、装备都希望轻量化。因此对钢板提出了更高的要求，即不仅要有高强度，还要有良好的可焊接性能、耐低温冲击性能和抗腐蚀性能等。l 产品要求：为此在高强度钢板生产中，一般要尽量降低硫、磷及氧、氢、氮等杂质元素的含量。有时还要求控制严重影响钢的韧性和焊接热影响区性能的痕量元素锑、锡、铅、铋、砷等，而且对碳、硅、锰的极限范围和碳当量也大为缩小，甚至把碳也视为有害元素之一。l 钢水净化技术：钢水净化技术在德、日、意等国已普遍应用。它的主要
3、内容包括铁水预处理、转炉复合吹炼技术以及二次冶金技术等。 铁水预处理：通过在鱼雷罐或铁水罐中喷入碳化钙或加镁的碳化钙混合物，可以可靠地将硫降至0.002； 二次冶金技术：通过二次冶金技术(真空处理、惰性气体搅拌、加入固体物质以及在钢包炉内进行升温等)可以使钢水温度、成分进一步均匀化，降低不需要的杂质元素含量，提高钢的纯洁度，改善非金属夹杂物形态，使碳含量降低。厚板原料经精炼后磷和硫含量可小于30ppm，氢可小于1ppm，氧可小于20ppm，砷、锡可小于40ppm，锑可小于6ppm。2 连铸板坯l 厚板轧机坯料：厚板轧机采用钢锭和锻坯为原料已是落后工艺，除少量特殊产品外，已很少采用，初轧坯使用量
4、也逐年减少，采用连铸板坯是主要趋势。实例：日本厚板连铸比已达92以上，其中400MPa以下级普通钢达100，400MPa级普通钢达90，500MPa级普通钢达75，管线用钢达45，非调质钢达25。l 连铸板坯的质量特点： 尺寸精度：连铸板坯的尺寸精度比初轧坯好。连铸板坯每块都从恒定尺寸的结晶器中出来，其厚度、宽度基本上是一致的。剪切采用自动控制，长度公差范围小，每批钢坯的重量基本上是一致的； 内部质量：连铸板坯由于采用中间罐和保护浇注，净化了钢质。钢液在结晶器中结晶比模铸的成分偏析小，组织致密，性能稳定。因此对连铸板坯所要求的压缩比可比对模铸的小。模铸的钢锭压缩比一般为68左右，而连铸板坯的一
5、般为35左右； 技术发展：连铸板坯尺寸的增大也为厚板生产采用连铸板坯创造了条件。例如，德国布鲁克豪森厂连铸坯断面为250X2600mm，日本大分厂的连铸坯断面达280X1900mm。l 发展趋势： 轧制普通钢板的钢坯主要采用连铸板坯，只有在连铸法浇注有困难时才采用其他坯料。例如生产小批量的钢板，超出压缩比的极厚钢板，超出连铸结晶器尺寸的大的单位重坯，用连铸法不能铸出所要求质量的钢坯等。按目前的连铸水平，用厚400mm连铸板坯可生产120mm以下钢板。厚度大于120mm的特厚钢板应采用大钢锭或锻坯生产。 目前，国外正在研究采用单向凝固铸造钢锭的方法生产大型扁平钢锭。该法是将以往的二维凝固变为一维
6、凝固，通过使钢锭的凝固界面由底部向上方生成，使凝固界面的进行方向与溶质富集的钢液的上浮方向保持一致，防止溶质富集的钢液凝固出现条纹，减少倒V型偏析、显微偏析及疏松，得到优质钢锭。3 原料表面清理l 当原料表面存在各种缺陷(结疤、裂纹、夹渣等)时，就必须在轧制加热前清理干净。清理方法分热状态下清理和冷状态下清理两种。 热状态清理一般为火焰清理。火焰清理机安装在连铸机(或开坯机)和切割机(或大型剪断机)之间，对板坯进行全面的剥皮处理，清理深度一般为0.55mm。全面剥皮清理可以保证板坯的表面质量和实现高温热送热装技术，但金属消耗较大； 冷态清理方法有局部火焰清理、风铲铲削、砂轮研磨等，对缺陷严重部
7、分也可用切割方法去除。由于板坯表面缺陷被隐藏在氧化铁皮之下或位于皮下区域，因此是比较难于发现的，为此，要开发各种用于热状态下表面缺陷检查技术系统。如在电视机监视器上以放大的静止图像显示板坯表面，用红外线或激光对板坯表面扫描，收集反射光系统以及测定电磁感应涡流变化系统等。4 连铸板坯高温热送、热装和直接轧制技术l 由于这些技术具有明显的节能效益，能显著提高成材率和简化工艺流程，节约基建投资和生产费用等，正被广泛地研究和在生产中推广。l 连铸连轧技术的分类：连铸坯与轧机之间的衔接按其水平不同可分为三类： 连铸热送轧制(CCHCR)，即是将温热的无缺陷铸坯装入保温坑内，此坑还可起到连铸与轧制之间的缓
8、冲作用，然后再按照轧钢的作业计划从中调坯装入加热炉内加热(装入温度400700)，再进行热轧； 连铸热装轧制(CC-DHCR)，即是按铸坯顺序将温热的铸坯直接或在温热状态下进行处理后，装入加热炉加热(装入温度7001000)，再进行热轧； 连铸直接轧制(CCDR)，即是按铸坯顺序不经加热炉加热，只经铸坯边角部温度补偿就直接轧制(铸坯温度约1000)； 薄板坯连铸连轧技术l 无缺陷坯：无论采用哪种衔接技术，首先都必须解决无缺陷连铸坯的生产问题，即生产既无表面缺陷，又无内部缺陷的高温连铸坯。 金属清理量及连铸坯表面缺陷深度图：由于CC-DR、CC-DHCR、CC-HCR工艺在轧制前加热时间短，铸坯
9、表面氧化铁皮去除量极少，因此对连铸坯表面就有更高的要求。然而就现在的水平来说，连铸坯完全不产生纵向裂纹是十分困难的。此外连铸机与轧机之间衔接水平越高，对连铸坯内部质量的要求也越高，因为内部缺陷会使铸坯在轧制过程中造成分层、劈头或拉断等而影响连续作业，同时为保证连铸坯表面质量及高温而采用的弱冷、高拉速、高温出坯等工艺技术也容易使内部缺陷得到发展。 生产无缺陷连铸坯的技术措施：a) 采用炉外精炼、真空脱气等技术，提高钢的纯洁度； b) 增大中间罐容量和钢液深度，设挡渣墙等，促使夹杂物上浮排除；c) 采用全程保护浇注；d) 采用电磁搅拌，最大限度地减轻偏析、内裂和中心疏松；e) 连铸二次冷却采用气水
10、雾化冷却，有利于防止产生表面裂纹；f) 采用倒锥度结晶器及伸入式水口保护渣浇注和结晶器电磁搅拌等都有利于增加出结晶器时的坯壳厚度和均匀性，减少表面裂纹的出现率。由于目前尚无对热状态下连铸坯缺陷的完善、可靠的质量检查仪器，因此无缺陷连铸坯生产的质量保证就只能靠对炼钢和连铸工艺过程中各环节工艺参数的严格控制把关。5.2 加热炉对中厚板质量的影响l 加热是中厚板轧制中的一个重要工序，它对产品最终的质量有直接影响，各种不同的钢种对于加热工艺都有具体要求，它是直接影响产品内在质量的一个重要因素。l 与钢种关系不大、属于加热对中厚板质量影响的共性问题，主要是： 加热钢坯温度的均匀性(包括长度方向上的均匀和
11、表面、中心温度的均匀)； 加热生成的氧化铁皮量(或钢坯表面脱碳程度)。 1 加热炉炉型选择l 加热炉炉型的发展：用于板坯加热的加热炉主要是推钢式连续加热炉和步进梁式连续加热炉。60年代以前主要采用上部、下部加热段，上部均热段的三段推钢式连续加热炉。70年代已采用预热、加热、均热各段上下都加热的六段推钢式或步进梁式连续加热炉，使炉子全部都成为燃烧区，加热能力从三段式的80100t(h座)，大幅度提高到150300t(h座)。l 推钢式加热炉：在加热炉的质量控制上为了减少钢坯黑印，在推钢式加热炉中都采用了热滑轨，消除了冷却管导轨与板坯的直接接触，大大减轻了水冷黑印，提高了加热均匀性，但它仍然属于推
12、钢式加热炉，因此像板坯下表面容易在推钢前进时被擦伤和易于翻炉，板坯尺寸和炉子长度受到限制，空炉困难、劳动条件差等缺点依然存在。l 步进梁式加热炉：采用步进梁式加热炉可以避免以上缺点，特别是板坯受到四面加热，加热均匀，有利于消除下表面的划伤和适应板坯厚度尺寸的变化，即使加热薄板坯，炉子长度仍然可以很长，但其投资较大，结构复杂，维修较难，热量单耗大，并且由于支持梁妨碍辐射，使板坯上下表面往往仍有一些温度差。l 加热炉技术： 为了使坯料在炉内加热均匀，现代加热炉采用侧部与顶部多烧嘴方式，并已出现了全部侧烧嘴步进梁连续式加热炉； 为了减少在出炉时板坯表面的损伤，现代厚板轧机加热炉的出料都采用抽出机以代
13、替过去利用斜坡滑架和缓冲器进行出料的方式；2 加热炉的热工控制l 热工制度的目的：炉型的合理选择为获得优质加热板坯提供了物质基础，而最终优质加热板坯的获得还要靠合理的热工制度来保证，合理的热工制度控制应该能达到两个明确的目的： 提供加热好的板坯以满足轧机的需要，即应考虑到平均出炉温度，板坯横断面上的最大温差，板坯两端的温度差，表面氧化量和脱碳量； 使燃料比耗减至最低。在现代的加热炉中普遍采用了计算机控制，但不能在加热炉内直接测量加热工艺过程的关键变量-板坯温度，是加热炉控制中的主要困难，即使最近研究成功的炉内高温计的使用，也由于受到钢坯表面状态、炉内气氛条件、测量部位等的影响而影响了读数的准确
14、性。而且任何高温计也只能测到板坯的表面温度，而不能对板坯横断面上的温度分布提供任何数据。经验表明，当板坯表面温度很少或无改变时，加热炉生产率的变化也可能造成平均温度较大波动和使板坯温度不均匀。l 加热炉控制系统的主要类别： 第一类 炉区温度设定值查表自动控制系统：即是根据操作者的经验选择炉区温度设定值以尽量使钢坯获得所需要的轧制温度。这类系统初始投资低，除能节约燃料外，在轧制条件比较稳定、坯料尺寸变化小的条件下能有较好的质量控制。但主要缺点是它属于盲系统，即所采取的控制方法是通过一定的区温使板坯达到所需温度而无钢坯实际温度的任何反馈。而且它是基于现有的实际生产率来确定稳定态设定值，而不考虑炉子
15、中板坯的加热历程。由于这些缺点，这类系统就不能严格控制钢坯的最终加热质量。 第二类 直接控制炉区内钢坯温度的监控系统：这类系统采用光学高温计测得各区钢坯表面温度或根据各区炉温，按炉内热交换过程制中厚板的基本质量控制作出数学模型，并计算出钢坯横断面上温度分布，求出平均温度。该温度是随产品规格、品种、装炉温度、生产率和混合装炉情况而变。可精确计算出钢坯断面上的温度分布，且能动态确定钢坯平均温度和温度分布。因此，能对产品的加热质量进行严格控制。控制系统具有相当于查表系统23倍的初始投资，但是较高的投资可在以后的燃料效率提高、氧化减少、轧制废品减少等方面的得益得到补偿。5.3 氧化铁皮的去除l 氧化铁皮及其影响：由于钢板的形状特点(B/H大)和使用上的特点，用户对钢板表面要求很高，对产品厚度偏差要求又很严，因此中厚板轧制前和轧制过程中的氧化铁皮清除具有特别重要的意义，尤其是初生氧化铁皮的清除，氧化铁皮去不净会在成品钢板上留下“麻点”，严重的氧化铁皮还会影响到产品的尺寸。l 去除氧化铁皮的技术：在旧的中厚板轧机上曾经采用投入竹枝、荆条、食盐等方法去除初生氧化铁皮，以后也曾经采用专门的二辊轧机、立辊轧机给钢坯或钢锭以小的变形量使氧化铁皮与金属分离，然后用高压空气将氧化铁皮冲去。这种方法虽然可以获得较好的清除氧化铁皮的效果，但是投资较大。现代化的中厚板轧机上已经普遍采用造价低廉
