热轧板带钢车间设计及控轧控冷技术

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460万吨热轧板带钢车间设计

及控轧和控冷技术

摘要

钢铁行业是国民经济的支柱产业，而热轧带钢生产是钢铁生产中的主要环节。热轧

带钢工艺的成熟，为冷轧生产提供了优质的原料，大大地满足了国民生产和生活的需要。本车间参考鞍钢2150生产线，其设计生产能力460万吨，典型产品为：Q235-C，2.5 mm?1900 mm。主要设备有：三台步进式加热炉，一台粗轧除鳞机，一架四辊可逆粗轧机（5000吨），一个六机架四辊精轧机组(3架CVC轧机和3架PC轧机)，三台卷取机，及各种附属设备。设计以年产量为基础，结合各产品的市场前景合理地分配各产品的产量，制定产品方案和金属平衡。论文以典型产品为例，制定了工艺流程图和压下制度、速度制度、温度制度、辊型制度等一系列轧制制度，并校核了轧机生产能力，计算了各项经济技术指标，绘制了一张车间平面图。在专题中详细论述了控轧控冷技术。最后附有用于计算设计参数的Excel程序。

关键词：热轧带钢；轧机；轧制力；辊型制度

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Design of a Hot Rolling Strip Steel Plant of 4.6 Million Tons and Controlled Rolling and Cooling

Technologies

Abstract

Steel industry is a key industry of the national economy, while Strip Steel Production is the critical processing. Serving high-quality raw materials for cold rolling plant, sophisticated hot rolling technologies greatly satisfy the needs of national production and living. Refering to the 2150 Hot Rolling Strip Steel Plant of An Steel, the designed plant has an annual capability of 4.6 millions tons for typical product of Q235-C, 2.5 mm?1900 mm. The maojor facilities include: three walking beam furnaces, one descaling machine for rough rolling, one 4-roll reversing blooming mill (5000 tons), one 6-stand and 6-roll finishing mill group (3 Continuously Variable Crown rolling mills and 3 Pair Cross rolling mills), three coilers, and appurtenances. Considering market prospect, the yield, product scheme, and metal balance of each kind of product are appropriately designed based on the annual plant capacity. For the typical product, the process flow diagram, depressing systerm, velocity system, temperature system, and crown systerm, etc. are determined. Furthermore, the production capacity of the rolling mill is checked, the economic and technical norms are cauculated, and a plane figure for this workshop is drafted. In the chapter of special topic, technologies in controlled rolling and cooling are discussed in detail. In the end, an Excel program for parameter calculation is attached.

key words: hot rolled strip steel; mill; draught pressure; crown system

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目录

摘要............................................................................................................................................ I Abstract .................................................................................................................................... II 目录.......................................................................................................................................... III 1 文献综述..............................................................................................................................1

1.1 热轧板带钢产品概述......................................................................................................................................... 1 1.1.1 热轧板带钢的种类及用途..................................................................................................................... 1 1.1.2 板带材的工艺特点及质量要求 .......................................................................................................... 1 1.2 热轧板带钢工艺及设备发展......................................................................................................................... 1 1.2.1 国外热轧带钢发展..................................................................................................................................... 1 1.2.2 国内热轧带钢生产..................................................................................................................................... 1 1.3 热轧带钢生产新设备与新技术 ................................................................................................................... 1 1.3.1 无头轧制技术 ............................................................................................................................................... 1 1.3.2 铁素体区轧制技术..................................................................................................................................... 1 1.3.3 AWC立辊短行程控制 .............................................................................................................................. 1 1.3.4 板坯定宽压力机 .......................................................................................................................................... 1 1.3.5 组织性能控制技术..................................................................................................................................... 2 1.3.6 热卷箱技术..................................................................................................................................................... 2 1.3.7 板形和板厚控制的高精度轧机 .......................................................................................................... 2 1.4 热轧板带钢存在的问题及发展趋势 ................................................................................................... 2 1.4.1 热轧板带钢存在问题 ............................................................................................................................... 2 1.4.2 热轧板带钢的发展趋势 .......................................................................................................................... 2 1.4.3 几点建议 .......................................................................................................................................................... 2

2 产品方案和金属平衡 ......................................................................................................2

2.1 原料 .............................................................................................................................................................................. 2

2.11 产品的种类及规格 ...................................................................................................................................... 2 2.1.2 原料技术条件 ............................................................................................................................................... 2 2.1.3 原料表面缺陷的清理 ............................................................................................................................... 3 2.2 产品品种、规格和生产量 .............................................................................................................................. 3 2.3 金属平衡 ................................................................................................................................................................... 4 2.4 产品 .............................................................................................................................................................................. 4

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2.4.1 产品品种 .......................................................................................................................................................... 4 2.4.2 产品质量标准 ............................................................................................................................................... 5 2.4.3 产品表面质量要求..................................................................................................................................... 5

3 主要设备及参数的确定..................................................................................................6

3.1 加热炉......................................................................................................................................................................... 6 3.1.1 加热炉的主要结构及特点..................................................................................................................... 6 3.1.2 加热炉的主要尺寸..................................................................................................................................... 6 3.1.3 加热温度、时间及产量 .......................................................................................................................... 7 3.1.4 设备规格 .......................................................................................................................................................... 7 3.2 粗轧主要设备......................................................................................................................................................... 7 3.2.1 粗轧除鳞装置 ............................................................................................................................................... 7 3.2.2 粗轧机[10]....................................................................................................................................................... 8 3.3 精轧主要设备......................................................................................................................................................... 9 3.3.1 带坯边部加热器 .......................................................................................................................................... 9 3.3.2 切头飞剪 .......................................................................................................................................................... 9 3.3.3 精轧除鳞装置 ............................................................................................................................................. 10 3.3.4 精轧立辊轧机F1E ................................................................................................................................... 10 3.3.5 精轧机组轧机 ............................................................................................................................................. 11 3.4 卷取设备 ............................................................................................................................................................... 13

4 轧制工艺及轧制制度的确定 ...................................................................................... 15

4.1 生产工艺流程....................................................................................................................................................... 15 4.1.1 生产工艺简介 ............................................................................................................................................. 15 3.1.2 生产工艺流程概述................................................................................................................................... 15 4.2 加热制度 ................................................................................................................................................................. 16 4.2.1 加热的目的................................................................................................................................................... 16 4.2.2 加热的要求................................................................................................................................................... 17 4.2.3 加热温度的确定 ........................................................................................................................................ 17 4.2.4 加热时间的确定 ........................................................................................................................................ 17 4.2.5 加热速度的确定 ........................................................................................................................................ 18 4.3 压下规程设计 .................................................................................................................................................... 18 4.3.1 根据产品选择原料................................................................................................................................... 18 4.3.2 粗轧机组压下制度的制定................................................................................................................... 18 4.3.3 精轧机组压下制度的确定................................................................................................................... 21 4.3.4 咬入条件校核 ............................................................................................................................................. 21 4.4 速度制度 ................................................................................................................................................................. 22 4.4.1 粗轧机轧制速度 ........................................................................................................................................ 22 4.4.2 精轧机轧制速度 ........................................................................................................................................ 23 4.4.3 轧机工作图表 ............................................................................................................................................. 26 3.5 温度制度 ......................................................................................................................................................... 27 4.5.1 粗轧温度制度 ............................................................................................................................................. 28 4.5.2 精轧温度制度 ............................................................................................................................................. 29

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4.5.3 卷取温度制度 ............................................................................................................................................. 29 4.6 辊型制度 ................................................................................................................................................................. 30

5 生产设备校核 .................................................................................................................. 33

5.1 轧制力与轧制力矩 ............................................................................................................................................ 33 5.1.1 轧制力的计算 ............................................................................................................................................. 33 5.1.2 轧制力矩的计算 ........................................................................................................................................ 34 5.1.3 粗轧与精轧的轧制力和轧制力矩................................................................................................... 34 5.2 轧机设备校核....................................................................................................................................................... 34 5.2.1 粗轧机R的轧辊强度校核.................................................................................................................. 35 5.2.2 精轧机轧辊强度校核 ............................................................................................................................. 38 5.2.3 电机能力校核 ............................................................................................................................................. 39 5.3 轧机生产能力校核 ............................................................................................................................................ 41 5.3.1 轧机小时产量计算................................................................................................................................... 41 5.3.2 轧机平均小时产量 ................................................................................................................................ 41 5.3.3 车间年产量计算 ........................................................................................................................................ 42 5.4 加热炉生产能力校核....................................................................................................................................... 42

6 车间主要技术经济指标................................................................................................ 44

6.1 概述 ............................................................................................................................................................................ 44 6.2 各项经济指标的确定....................................................................................................................................... 45

7节能与环境保护............................................................................................................... 46 8结 语 ................................................................................................................................. 48 参考文献 ................................................................................................................................ 49 专题部分 控轧控冷技术 .................................................................................................. 50 摘要.......................................................................................................................................... 50 1. 控制轧制、控制冷却工艺及特点............................................................................ 51

1.1 控制轧制工艺....................................................................................................................................................... 51 1.2 控制轧制工艺的优点和缺点....................................................................................................................... 51 1.3 控制冷却的工艺特点....................................................................................................................................... 52 1.4 控制轧制、控制冷却工艺参数控制特点 ............................................................................................ 53

2 我国控制轧制、控制冷却技术的发展.................................................................... 55 3.控制轧制............................................................................................................................. 58

3.1 第一阶段：奥氏体再结晶区轧制 ............................................................................................................ 58 3.2 第二阶段：奥氏体未再结晶区轧制....................................................................................................... 58

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3.3 第三阶段：在（奥氏体+奥氏体）两相区轧制 .............................................................................. 60 3.4 控制类型对轧后冷却相变的影响 ............................................................................................................ 61

4 控制冷却............................................................................................................................ 64

4.1 控制冷却中低碳钢热轧材的奥氏体向铁素体的转变 ................................................................. 64 4.2 钢材控制冷却的目的及控制冷却各阶段的作用............................................................................ 65 4.2.1 一次冷却—轧后控制冷却的第一阶段 ........................................................................................ 65 4.2.2 二次冷却—轧后控制冷却的第二阶段 ........................................................................................ 65 4.2.3 控冷—轧后控制冷却的第三阶段................................................................................................... 66

结语.......................................................................................................................................... 67 参考文献 ................................................................................................................................ 68 致 谢 ....................................................................................................................................... 69 附录........................................................................................................................................... A

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1 文献综述

在工业现代化进程中，钢铁工业一直处于基础产业的地位,在国民经济中所起的作用极为重要，是衡量一个国家工业、农业、国防和科学技术四个现代化水平的重要标志。建国以来我国钢铁工业和技术已取得举世瞩目的成就。但是在市场化、工业化的发展进程中，钢铁工业作为基础产业的重中之重，在产品质量、产品结构、工艺技术装备、技术经济指标和管理方面与国际先进水平相比仍有较大差距。板带钢的生产是钢铁工业发展中的重要课题之一。板带在热轧方面有深冲热轧钢板、耐腐蚀高强度热轧钢板、成型性优异的高强及超高强钢板、超宽幅汽车钢板、热镀锌钢板、超细晶高强度钢板， 而在冷轧方面有冷轧薄板、涂镀层板、冷轧硅钢片、冷轧不锈钢等高附加值、高技术含量板材产品。目前我国的板带钢不能适应国民经济发展的需要。产品质量能够达到国际先进水平的不到总产量的1/3。因此，加快发展板带材，特别是加快发展高附加值、高技术含量的板带材是我国轧钢工业一项十分艰巨的任务。

1.1 热轧板带钢产品概述

1.1.1 热轧板带钢的种类及用途 1.1.2 板带材的工艺特点及质量要求

1.2 热轧板带钢工艺及设备发展

1.2.1 国外热轧带钢发展 1.2.2 国内热轧带钢生产

1.3 热轧带钢生产新设备与新技术 1.3.1 无头轧制技术 1.3.2 铁素体区轧制技术 1.3.3 AWC立辊短行程控制 1.3.4 板坯定宽压力机

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1.3.5 组织性能控制技术 1.3.6 热卷箱技术

1.3.7 板形和板厚控制的高精度轧机 2. 轧辊成对交叉PC轧机(Pair Cross) 1.4 热轧板带钢存在的问题及发展趋势 1.4.1 热轧板带钢存在问题 1.4.2 热轧板带钢的发展趋势 1. 热轧板窄带钢发展方向 2. 热轧板宽带钢发展方向 1.4.3 几点建议

2 产品方案和金属平衡

2.1 原料

2.11 产品的种类及规格

本车间使用的板坯均为连铸坯，主要由连铸车间（参考鞍钢2150）直接供应。因为连铸坯有成材率高，降低能耗等优点，比初轧坯形状好，且成分均匀和坯重量大，生产规模可大可小，较适合热轧板带钢的生产。车间年产量4,600,000吨。

表2.1 原料规格表

厚度(mm) 200

宽度(mm) 1000~2000

长度(mm) 4800~12000

重量(t) 最大37.3t

2.1.2 原料技术条件

车间采用的板坯材质是碳素钢和低合金钢，其板坯必须满足以下技术条件： 1. 尺寸公差：厚度±6mm，宽度±15mm，长度±40mm。

板坯的不平度每米不得大于20mm，总不平度不得大于总长度的1.5%。板坯的镰

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刀弯每米不得大于8mm。板坯宽面上的鼓肚总高度不得大于宽面边长的2%。板坯端部宽度方向的斜切不得大于30mm，厚度方向的斜切不得大于20mm。板坯端部因剪切变形造成的宽展不得大于厚度的10%。 2. 化学成分、表面质量和形状都符合要求。 2.1.3 原料表面缺陷的清理

原料表面的各种缺陷（如结疤、裂纹、夹杂、折叠、擦伤、皱纹、耳子等）如果不在轧制前加以清理，轧制过程中必然会引发更多的缺陷，甚至影响轧制时板坯的成型和轧后成品的板型和性能。因此为了提高成品的表面质量和合格率，应对原料进行表面清理，缺陷应予清除（沿轧制方向），消除处应圆滑无棱角，消除深度按实际尺寸计算。

2.2 产品品种、规格和生产量

根据对2150mm热轧带钢轧机产能的可行性研究，产品规格如下： 带钢厚度：1.8~25.4mm；带钢宽度：1000~2000mm； 钢卷内径：762mm；钢卷外径：1100~2100mm； 钢卷重量：最大37.3t；

表2.2 产品品种、规格和生产量

序 号 1

2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 总量

产品名称

1.5~4.5 2.0~3.0 2.0~3.0 2.0~2.6 1.8~25.4 2.0~4.5 5.0~25.4 1.5~4.5 3.0~10.0 1.5~4.5 2.0~10.5 1.5~4.5 1.5~4.5

产品规格 产量 (t)

所占比例 (%) 26.00 5.00 6.50 7.74 7.50 6.50 6.00 5.00 5.00 4.50 11.50 4.50 4.26 100

冷轧用钢卷 高强新产品 冷轧镀锌用钢卷 冷轧硅钢用钢卷 一般结构用钢 管线钢

造船板 低碳钢 锅炉板 汽车用板 低合金钢 容器板 轿车用板

厚度(mm) 宽度(mm)

700~1430 1196000 730~1230 230000 700~1230 850~1300

299000 356040

1000~2000 345000 850~1760 299000 1000~2000 276000 700~1450 230000 850~1300 230000 700~1430 850~1300 800~1700 700~1430

207000 529000 207000 195960 460000

表2.3 产品宽度的代表尺寸 单位：mm 宽度

1000~1100

1101~1300

1301~1500

1501~1700

1701~2000

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转速 r/min 轧制速度 m/s 立柱断面 cm2

附着式立辊数目 架 立辊最大侧压量 mm

40/90 0~5.89

8925 2

50(板坯200mm)

3.3 精轧主要设备

精轧机组由六架不可逆的机架组成连轧机组。其中F2~F6采用交叉角形式，简称PC轧机。在F4~F6轧机内设有在线工作辊修磨装置，简称ORG。精轧机前设置一台带坯边部加热器；精轧机前设有一台切头飞剪，为异周速转鼓式。这种型式的切头剪能很好地切除带钢头部，使带钢顺利地进入精轧机。在精轧机前还设有一立辊轧机F1E，立辊采用液压AGC控制系统，对提高带钢宽度控制的精度和改善带钢边部质量有显著效果；在立辊F1E前还有一套精轧除鳞装置。

3.3.1 带坯边部加热器

带坯边部加热器通过电感应加热的方式，对粗轧后的带坯边部进行连续加热，以减少带坯边部与中部的温差，减少带钢因边部温度过低而产生的裂纹。

加热能力：标准材料（碳素钢，厚度40mm）在75m/min的搬送速度条件下，感应头在正常间隙情况下，距带坯边部25mm处表面温度提高45℃。 3.3.2 切头飞剪

切头飞剪设置在精轧除鳞装置前面，粗轧后的带坯在进入精轧机轧制之前用切头飞剪切掉头部和尾部。它由牌坊、剪刀转鼓、夹紧装置、驱动装置、转鼓更换装置、入口辊道、切头滑槽等组成。其上下转鼓上均按180°间距安装了直刀、弧形刀两组刀片。直刀用于切尾，弧形刀用于切头。刀鼓驱动由2台马达驱动二级减速机带动下刀鼓转动，通过齿轮箱带动上刀鼓转动。换刀刃时，用液压缸将刀鼓组合件从切头剪牌坊内抽出到工作侧的横移台车上，然后开动由液压缸控制的横移台车将事先磨削好的新刀鼓组合件横移，并将其推入切头剪牌坊内。

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表3.6 切头飞剪主要性能参数 名称 切断材料 切断温度 切断厚度 切断宽度 切头长 切断力 切断速度 电动机

切头飞剪 碳素钢、低合金钢 ≥900℃

最大60mm 最大2000mm 最大400mm 最大950t

约 0.5-2m/s 2-1600KW×600rpm

3.3.3 精轧除鳞装置

精轧除鳞装置由2组夹紧辊、输出辊道、上下除鳞集管及除鳞箱组成。上夹送辊采用气缸压下式空心被动辊，下夹送辊及输送辊道由交流电机驱动。

表3.7 精轧除鳞装置主要性能参数 名称

形式

除鳞集管数

除鳞喷嘴数量，个 除鳞压力 除鳞盖 上下夹送辊形式 上下夹送辊尺寸 上下夹送辊压下装置 输送辊道形式

输送辊道辊子尺寸 输送辊数量 输送辊电机

精轧除鳞装置

夹送辊式高压水除鳞箱 4根(上下各2根) 4×45

23MPa

液压缸驱动开闭式 空心辊被动式 外径600mm×辊身长2200mm 气缸动作式

单驱动式 外径400mm×辊身长2200mm

6根

1－AC6KW×133rpm

3.3.4 精轧立辊轧机F1E

精轧立辊轧机F1E用于带钢进入精轧的导向和对带钢宽度的精确调整。它由两台交流电机通过减速机、万向接轴分别驱动。轧辊的开度由电动丝杆丝母设定。轧制中由

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AWC对辊缝进行动态调整。

表3.8 精轧立辊轧机主要性能参数 名称

形式

最大轧制力 最大压下量 轧辊尺寸 轧制速度 轧辊开口度 轧辊驱动电机 轧辊驱动减速机 辊缝调整速度 辊缝调整电机 辊缝调整减速机 辊缝调整有效行程 液压压下油缸 主传动轴

精轧立辊轧机

上传动附属立辊 1000kN

10mm(板厚50mm时) 750/600mm×300mm

1.25-2.5 m/s (最大辊径时) 950-2150 mm 2－AC370KW×200/400rpm 减速比约为1/11.75 25~50mm/s(两侧合计) 2－AC74KW×1150rpm 数量2台;减速比约为1/7.67 27.5mm

外径350mm;内径300mm 十字销型万向接轴

3.3.5 精轧机组轧机

精轧机组的轧机为四辊轧机六机架串列布置，各机架间距离为6000mm。F1~F3采用四辊(PC)轧机，F4~F6采用四辊成对交叉(PC)轧机，轧机交叉采用单侧传动形式。F1~F3工作辊由交流电机通过主减速机、中间轴、人字齿轮座、齿形万向接轴驱动。而F4~F6工作辊由交流电机通过中间轴、人字齿轮座、齿形万向接轴驱动。轧机主传动的齿接手中设有安全螺栓，当出现过大负荷时，安全螺栓切断以保护驱动系统不被损伤。F4~F6轧机内设有在线工作辊修磨装置(ORG)，以减少换辊次数。 轧机主要性能参数如表3.9：

表3.9 精轧机组轧机主要性能参数

机架 Dg(mm) Lg(mm) Lz(mm) P(t)max

F1 850/765 2450 2150 45000

F2 850/765 2450 2150 45000

F3 850/765 2450 2150 45000

F4 700/630 2450 2150 45000

F5 700/630 2550 2150 40000

F6 700/630 2550 2150 40000

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主电机 转速(rpm) 工作辊材支撑辊材主减速比

AC10000 150~450 高铬铸铁 Cr5 4.16

AC10000 150~450 高铬铸铁 Cr5 3.3

AC10000 150~450 高铬铸铁 Cr5 2.54

AC10000 150~450 高铬铸铁 Cr5 1

AC10000 250~700 高铬铸铁 Cr5 1

AC10000 300~800 高铬铸铁 Cr5 1

表3.10 轧辊交叉装置配置表

轧机号 形式 丝杆

交叉速度 交叉角 电动机 F2~F3

单侧电动交叉式 180mmdin×16mmpitch 约5.2mm/s(丝杆速度) 最大1.5° 2－AC44KW×1310rpm/机架 F4~F6

单侧电动交叉式 160mmdin×12mmpitch 约4.2mm/s(丝杆速度) 最大1.5°

2－AC44KW×1310rpm/机架 表3.11 活套装置设备性能 项目

型式

活套动作角度，（°） 辊径×辊身长，mm

压力，MPa 材质

液压活套

60(轧钢时)，90(换辊时) υ275×2120mm（内冷却） 30

炭素钢管、表面堆焊硬质合金

参数

其他主要设备性能参数如下： 1. 主减速机：

形式：1级人字齿； 齿轮精度：JIS2级；

减速比：F1约1/4.16；F2约1/3.3； 轧机加减速度：最大60mpm/s； 主传动轴：鼓形齿万向接轴。 2. 液压压下装置：

机架：F1~F5； 主液压缸：2台/机架；

主液压缸压力（最大）：F1~F3 2000t/液压缸；

F4~F5 1700t/液压缸；

主液压缸内径×有效行程，动作压力：

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F1~F3 约1050mm×120mm，最大245kg/cm2； F4~F5 约1000mm×116mm，最大231kg/cm2； 压下速度：4~5mm/s（轧制压力1500t/机架时）； 主液压缸设置：轧机上方；

轧辊开口度：F1~F3：最大70mm（最大辊径时）； F4~F5：最大60mm（最大辊径时）； 轧机驱动安全装置：安全螺栓联轴器式； 安装位置：电机接手处； 切断负荷：约400%。 3. F6标高调整装置：

形式：液压缸驱动斜契式； 调整量：约50mm； 调整速度：约5mm/s。

3.4 卷取设备

本车间共设置了2台卷取机，并预留了一台卷取机的安装位置。卷取设备由侧导板、夹送辊、助卷辊、卷取机本体、卸卷小车、输出小车等组成。

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