我國冷軋板帶材生產(chǎn)技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展方向

謝東鋼，高林林

(中國重型機(jī)械研究院有限公司，陜西 西安 710032)

1 前言

我國鋼鐵工業(yè)在“十一五”期間得到快速發(fā)展，為國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn)。2010年鋼材生產(chǎn)總產(chǎn)量已接近7億t。目前鋼材的產(chǎn)能總體上已經(jīng)出現(xiàn)過剩，鋼材生產(chǎn)重點(diǎn)將轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)調(diào)整和品種規(guī)格、質(zhì)量升級(jí)換代等。同時(shí)，根據(jù)我國的實(shí)際現(xiàn)狀，聯(lián)合發(fā)展、提高質(zhì)量和深度加工、節(jié)能降耗等應(yīng)是重點(diǎn)發(fā)展的方向。據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)資料顯示，在我國所有鋼材品種中，冷軋薄板、冷軋薄寬帶鋼仍然是國內(nèi)市場(chǎng)自給率和占有率最低的產(chǎn)品。也是現(xiàn)今需要重點(diǎn)給予關(guān)注的領(lǐng)域。本文結(jié)合冷軋板帶材生產(chǎn)的技術(shù)特點(diǎn)分析我國冷軋板帶材生產(chǎn)技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展方向。

2 我國冷軋板帶生產(chǎn)技術(shù)現(xiàn)狀

2.1 冷軋板帶生產(chǎn)現(xiàn)狀

近十年來，我國冷軋板帶生產(chǎn)需求一直呈現(xiàn)非常旺盛的局面，產(chǎn)能擴(kuò)張十分迅猛，至2010年初步統(tǒng)計(jì)，已建和在建的冷軋板帶產(chǎn)能達(dá)到9000萬t左右，其中建有寬帶鋼冷連軋軋機(jī)超過40臺(tái)套，而單機(jī)可逆式寬帶鋼軋機(jī)100余套，冷軋寬帶鋼生產(chǎn)產(chǎn)能超過70%以上為冷連機(jī)生產(chǎn)。

近五年來我國鋼材及冷軋帶的生產(chǎn)增長情況見表1?？梢钥闯?，我國鋼材產(chǎn)量在2005年到2009年的得到快速增長，同時(shí)冷軋板帶材產(chǎn)量逐年快速增長。由于冷軋板占鋼材總量的比例較低，雖然也逐年緩慢增長，至今仍不足12%，其增長的速度顯然遠(yuǎn)遠(yuǎn)滯后于市場(chǎng)需求，表2為發(fā)達(dá)國家鋼材生產(chǎn)的情況，可以看出冷軋帶鋼占鋼材總量的比例均超過30%。

表1 近年我國冷軋板帶鋼產(chǎn)量和占鋼材總產(chǎn)量的比例Table 1 Strip steel output of cold-rolled sheet and proportion of steel total output in China in recent years

表2 2003年歐、美、日、韓鋼材產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)Table 2 Steel output in Europe，America，Japan and Korea in 2003

比較表1與表2，可以看出我國鋼材生產(chǎn)狀況，冷軋板帶比例明顯偏低。隨著我國工業(yè)化進(jìn)程和城鎮(zhèn)化發(fā)展，汽車消費(fèi)的普及，鋼材的生產(chǎn)與消耗比例將會(huì)向發(fā)達(dá)國家靠近。近年來我國鋼材生產(chǎn)的實(shí)際情況也證明了這點(diǎn)。因此，從長遠(yuǎn)和發(fā)展的觀點(diǎn)來看出，冷軋板帶材需求與發(fā)展的前景是廣闊的，發(fā)展的空間也是非常巨大的。如果按照鋼材總產(chǎn)能7億t計(jì)算，每年冷軋板帶材產(chǎn)能增加1%，到2015年達(dá)到16%，則需增加產(chǎn)能3 500萬t，還不到發(fā)達(dá)國家所占比例的一半。

2.2 冷軋?jiān)O(shè)備的發(fā)展概況

縱觀我國的冷軋技術(shù)應(yīng)用及發(fā)展，大體可以劃分為三個(gè)階段，第一階段1978年以前，是緩慢發(fā)展階段。冷軋是屬于技術(shù)和經(jīng)濟(jì)密集型行業(yè)，受國家當(dāng)時(shí)各方面條件的限制，難以發(fā)展和建設(shè)先進(jìn)的大型化冷軋工程。在50年代，鞍鋼進(jìn)口了當(dāng)時(shí)蘇聯(lián)的1700 mm連軋機(jī)，是我國當(dāng)時(shí)最具規(guī)模的冷軋裝備。70年代進(jìn)口了1200 mm單機(jī)架可逆冷軋機(jī)。另外，還有一些比較落后的低產(chǎn)能、高能耗窄帶鋼生產(chǎn)設(shè)備。第二階段1978年到1998年，這個(gè)時(shí)期是穩(wěn)步發(fā)展階段。隨著改革開放及經(jīng)濟(jì)建設(shè)的需要，引進(jìn)一批冷軋?jiān)O(shè)備和技術(shù)，比較有代表的如1978年武鋼進(jìn)口的1700冷連軋機(jī)，1989年寶鋼進(jìn)口的2030 mm冷連軋機(jī)等。第三階段是1998年以后，屬是高速發(fā)展期。在這期間，僅寶鋼就建設(shè)了5套冷連軋工程，如 2030 mm，1420 mm，1550 mm，1800 mm，1250 mm等冷連軋機(jī)，這些設(shè)備全部采用進(jìn)口技術(shù)，不但是國內(nèi)最先進(jìn)的裝備，也代表了國際上最先進(jìn)的技術(shù)。還有鞍鋼的1680 mm，1700 mm等4套冷軋機(jī);本鋼的1676 mm，1970 mm冷軋機(jī);武鋼的1700 mm，2150 mm冷軋機(jī)。

2.3 冷軋生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展過程

2.3.1 冷軋技術(shù)特點(diǎn)

首先，和其他金屬塑性變形相比，冷軋的寬厚比最大，導(dǎo)致了板形控制難度大，冷連軋最薄規(guī)格0.15 mm，最寬規(guī)格2000 mm，寬厚比大于10000。其次，冷態(tài)的金屬變形抗力大，而厚度精度要求高，因此軋制力大，軋機(jī)彈性變形大，要求機(jī)架剛性大，同時(shí)，軋輥彈性變形大，要求輥系剛性大。軋制力大導(dǎo)致軋輥熱膨脹和磨損大，要求冷卻潤滑充分。再者，為了防止跑偏，改善應(yīng)力狀態(tài)，降低軋制力，改善板形，需要帶張力軋制。還有產(chǎn)品厚度精度1～5 μm，板形精度小于5I，表面精度不允許有任何瑕疵。這對(duì)設(shè)備的動(dòng)態(tài)特性、變形環(huán)境及其檢測(cè)和控制系統(tǒng)提出了高要求。

2.3.2 冷軋生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展過程

從軋輥數(shù)量上講，從最早的2輥軋機(jī)逐步發(fā)展到4輥、6輥軋機(jī)，隨著工業(yè)發(fā)展的需求，包括變形抗力和變形量的提高，又產(chǎn)生了12輥、14輥、18輥、20輥、36輥等機(jī)型。從機(jī)架數(shù)講，從最早期的單機(jī)架可逆到連軋，包括3、4、5、6、7機(jī)架等，解決了大批量、高產(chǎn)能的問題。軋制速度也提高到現(xiàn)在的3000 m/min?？梢钥闯隹偟陌l(fā)展趨勢(shì)為大型化、高速化、連續(xù)化、自動(dòng)化。

2.3.3 冷軋帶鋼主要產(chǎn)品

(1)汽車板，如 IF、BH、CQ、DQ等深沖板。我國作為目前世界上最大的汽車產(chǎn)銷量國家，隨著工業(yè)化和經(jīng)濟(jì)實(shí)力的提升，中國汽車市場(chǎng)已成為全世界注意的焦點(diǎn)。對(duì)汽車板的需求也達(dá)到了一個(gè)空前的高度，顯然這也是目前冷軋發(fā)展的重點(diǎn)之一。

(2)高強(qiáng)鋼板，如雙相鋼，復(fù)相鋼等。

(3)電工用鋼，如無取向，取向，高牌號(hào)到中低牌號(hào)硅鋼片。我國是電工鋼生產(chǎn)和消費(fèi)大國，機(jī)電行業(yè)的快速發(fā)展帶動(dòng)了電工鋼的消費(fèi)快速增長，冷軋取向電工鋼是鋼材品種中自給率最低的，顯然具備很大 的發(fā)展?jié)摿ΑＡ硗?，國家將加大淘汰熱軋電工鋼的落后技術(shù)，為能源產(chǎn)業(yè)的高效節(jié)能、低碳經(jīng)濟(jì)作出更大貢獻(xiàn)。

(4)建筑用鋼板，如熱鍍鋅板，電鍍鋅板，彩涂板等。隨著我國工業(yè)化和城鎮(zhèn)化建設(shè)的快速突進(jìn)，工業(yè)建筑、民用建筑對(duì)冷軋建筑板材的需求前景是十分廣闊的。

(5)包裝用鋼板，如鍍錫板，有機(jī)涂層板等。優(yōu)質(zhì)薄規(guī)格的包裝帶材仍然是我國冷軋行業(yè)的薄弱環(huán)節(jié)。目前已引起市場(chǎng)的注意。

(6)不銹鋼板，如耐腐蝕板，裝飾板，廚房用板等。

(7)家電用板，如洗衣機(jī)類，冰箱空調(diào)類等。

3 冷軋生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展

3.1 冷軋產(chǎn)品生產(chǎn)的發(fā)展

根據(jù)目前我國冷軋產(chǎn)品的需求情況，一方面是解決國內(nèi)自己需求的快速增長。家電消費(fèi)已進(jìn)入每個(gè)中國家庭，車子、房子的需求高峰已經(jīng)到來。所以汽車板、建筑板等則是這類產(chǎn)品的典型代表。另外一方面是替代進(jìn)口，解決市場(chǎng)占有率和自給率低的問題。據(jù)有關(guān)資料介紹，在我國2010年進(jìn)口的鋼材中，板帶材進(jìn)口量占總進(jìn)口量的比例超過80%，而其中進(jìn)口量最大的品種依次為優(yōu)質(zhì)鍍層板、高精度冷軋薄寬帶鋼、電工鋼和不銹鋼板帶，總量占板帶材進(jìn)口總量的比例超過70%。

我國冷軋寬帶鋼生產(chǎn)的產(chǎn)品厚度大多為0.25 mm以上，可以軋制生產(chǎn)薄至0.18 mm產(chǎn)品的大型設(shè)備屈指可數(shù)，大部分是單機(jī)架六輥或二十輥可逆式軋機(jī)可以生產(chǎn)這樣的薄規(guī)格產(chǎn)品，但是目前有許多高新產(chǎn)品需要軋制更薄的規(guī)格，導(dǎo)致了目前冷軋帶鋼生產(chǎn)中薄規(guī)格產(chǎn)品缺乏的狀況，例如，典型的鍍錫板厚度由0.18～0.32 mm向降至0.1～0.18 mm發(fā)展，還有一些電子用低碳深沖鋼帶如0.25 mm厚的電阻帽沖壓帶，0.1～0.2 mm的電磁屏蔽材料，0.15 mm的傳統(tǒng)電視的蔭罩材料等。此外，電工鋼的發(fā)展也需發(fā)展薄規(guī)格的高效電工鋼，例如取向的Hi－B電工鋼原生產(chǎn)厚度為0.27 mm和0.23 mm，現(xiàn)為了降低渦流損耗需將厚度減薄至0.15 mm。生產(chǎn)高效電機(jī)用的無取向電工鋼同樣為降低渦流損耗，板厚由原來通用的0.5 mm和0.35 mm厚減薄至0.1～0.3 mm。同樣，薄規(guī)格彩涂板也受到建筑業(yè)等領(lǐng)域的廣泛歡迎，由典型的0.35mm和0.5 mm降至0.12 mm、0.16 mm和0.18 mm，可節(jié)約金屬消耗與成本。所以薄規(guī)格彩涂板的基板也一直供應(yīng)緊張，而且也限制了薄規(guī)格彩涂板生產(chǎn)。據(jù)估計(jì)薄規(guī)格的需求量(0.15 mm以下)每年超過200萬t。

所以，生產(chǎn)薄規(guī)格、多品種的帶材變得十分的需要，在一些冷軋廠已有CDCM冷連軋機(jī)組的基礎(chǔ)上，增建一些高品質(zhì)的單機(jī)架可逆式六輥軋機(jī)或多輥軋機(jī)，是盡快應(yīng)對(duì)調(diào)整產(chǎn)品規(guī)格需求的重要措施。

3.2 冷軋技術(shù)的發(fā)展

(1)根據(jù)我國冷軋產(chǎn)品的發(fā)展趨勢(shì)，冷連軋需要高水平的設(shè)備，以滿足市場(chǎng)未來的需求。在這方面，除了要緊跟世界發(fā)展方向外，尤其要大力發(fā)展我國自己民族品牌的冷連軋核心技術(shù)。到目前為止，國內(nèi)的主流冷連軋?jiān)O(shè)備的核心關(guān)鍵技術(shù)仍然被外國人完全壟斷。

動(dòng)態(tài)變規(guī)格，即不停機(jī)改變產(chǎn)品規(guī)格，包括軋件厚度、軋件寬度、軋件材質(zhì)等，需要?jiǎng)討B(tài)及時(shí)準(zhǔn)確調(diào)整輥縫、速度、張力等。

多組自動(dòng)控制(AGC)系統(tǒng)，包括預(yù)控/監(jiān)控AGC、秒流量 AGC、張力預(yù)控 AGC/監(jiān)控 AGC等，以適應(yīng)高速化，連續(xù)化，自動(dòng)化的發(fā)展趨勢(shì)。

三級(jí)計(jì)算機(jī)控制，一級(jí)直接數(shù)字控制計(jì)算機(jī)包括AGC、AFC、ATC、APC等。二級(jí)過程控制計(jì)算機(jī)，包括工藝參數(shù)設(shè)定計(jì)算、自適應(yīng)學(xué)習(xí)、帶鋼跟蹤、數(shù)據(jù)采集與交換、生產(chǎn)數(shù)據(jù)收集與分析等。三級(jí)生產(chǎn)控制計(jì)算機(jī)，包括數(shù)據(jù)傳輸，生產(chǎn)計(jì)劃編制，合同安排，初始來料數(shù)據(jù)處理，軋輥數(shù)據(jù)處理及產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理等。

板型控制，如 HC，UC，UPC，CVC，VC，PC等板型調(diào)整、板型自動(dòng)檢測(cè)和閉環(huán)控制等。

(2)為了適應(yīng)專業(yè)化生產(chǎn)和產(chǎn)品靈活性的要求，加快開發(fā)多種單機(jī)架可逆的小輥徑軋制薄帶的高精度軋機(jī)，滿足軋制生產(chǎn)薄帶鋼的需求。截止到目前公認(rèn)軋制薄帶鋼，特別是硅鋼和不銹鋼等高強(qiáng)度、難變形的帶材，最佳的軋機(jī)仍是傳統(tǒng)的二十輥軋機(jī)，當(dāng)然在結(jié)構(gòu)上已有很大的突破，不再局限于過去的整體機(jī)架，發(fā)展了雙牌坊式的二十輥軋機(jī)及無鞍座整體輥箱式的二十輥軋機(jī)等，目的均為了簡(jiǎn)化制造精度和結(jié)構(gòu)，便于操作與維護(hù)，降低使用成本，同時(shí)保留二十輥?zhàn)畲蟮膬?yōu)點(diǎn)——小工作輥徑和良好的厚控精度和板形，可實(shí)現(xiàn)大變形軋制極薄帶和高精度的產(chǎn)品。此外各種新型的六輥HC軋機(jī)、12輥軋機(jī)、14輥軋機(jī)和18輥軋機(jī)的相繼研制，極大增加了生產(chǎn)薄規(guī)格產(chǎn)品的手段。但到目前為止，國內(nèi)水平較好的這一類機(jī)型全部采用了進(jìn)口設(shè)備，顯然，這也是我國近期軋制技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)領(lǐng)域之一。

3.3 冷軋板帶生產(chǎn)的新技術(shù)及發(fā)展趨勢(shì)

根據(jù)未來世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展的方向，冷軋板帶生產(chǎn)技術(shù)要實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，必須使冷軋生產(chǎn)過程符合生態(tài)要求，親善環(huán)境，做到節(jié)能降耗。

3.3.1 冷軋帶坯原料的無酸洗除鱗工藝

在冷軋帶的生產(chǎn)中，熱軋坯原料的酸洗除鱗一直是冷軋生產(chǎn)流程中最大的污染環(huán)節(jié)。據(jù)有關(guān)資料介紹，多年來軋鋼界一直在探索噴丸除鱗、水流噴砂除鱗、電解除鱗等工藝，但目前均未能實(shí)現(xiàn)工業(yè)化實(shí)際應(yīng)用。最近有報(bào)道世界上第一套采用無酸除鱗技術(shù)的工業(yè)化年產(chǎn)10萬t的機(jī)組已在意大利的一家?guī)т搹S投入運(yùn)行，有望成為工業(yè)化的無酸除鱗工藝。該工藝中的第一步是加熱，帶鋼在無氧化氣氛中快速地加熱到某一最佳化學(xué)反應(yīng)溫度。第二步是化學(xué)反應(yīng)工序，該工序在富氫(25% ～95%H2)的混合氣體中進(jìn)行，混合氣體反應(yīng)時(shí)室內(nèi)仍有理想的混合氣體組成。使用風(fēng)機(jī)實(shí)現(xiàn)氣體的混合并抽走反應(yīng)后的廢氣。在該工序中，帶鋼表面的氧化皮將與氣體中的氫(H2)反應(yīng)而被還原成金屬鐵。第三工序?yàn)槔鋮s工序。此工序在H2和N2氣氛中進(jìn)行，以防止帶鋼冷卻到室溫前再次被氧化。根據(jù)試驗(yàn)機(jī)組的運(yùn)行結(jié)果，經(jīng)無酸除鱗后帶鋼表面的潔凈度遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)酸洗的表面，即表面全無氧化物、光滑及具有金屬光澤。但工業(yè)應(yīng)用還有很長的路要走。

3.3.2 液氮冷卻機(jī)用于帶鋼冷軋

冷軋的工藝潤滑也是冷軋工藝中的另一污染源。一方面污染車間生產(chǎn)環(huán)節(jié)，另一方面污染帶材表面，尤其是大量的工藝潤滑的乳液經(jīng)使用后氧化變質(zhì)，成為廢乳液后的回收處理及防火等安全問題。因此研究替代水乳液或油潤滑液的開發(fā)應(yīng)用具有重要的環(huán)保意義。據(jù)介紹近年來德國開發(fā)出了一種新型的冷卻技術(shù)，即應(yīng)用液氮作為冷軋冷卻劑替代水/油乳化液，該冷卻技術(shù)是使用噴嘴將液氮(溫度－196～－170℃)噴灑于咬入軋輥前的帶鋼表面。液氮的快速散熱功能允許提高軋制速度，提高壓下量，在該廠單機(jī)架軋機(jī)上生產(chǎn)某些鋼種時(shí)，速度可達(dá)600 mm/min。傳統(tǒng)的潤滑劑通過減小摩擦降低產(chǎn)生的摩擦熱，與此相反，液氮幾乎不具備潤滑效果，但其可以快速地將摩擦產(chǎn)生的熱量散去，自身也蒸發(fā)，經(jīng)實(shí)際應(yīng)用顯示出其在安全性方面的優(yōu)勢(shì)，消除了火災(zāi)和爆炸隱患，同時(shí)消除有害的軋制液蒸汽，消除軋制液對(duì)工作區(qū)污染。產(chǎn)品質(zhì)量良好，表面質(zhì)量更加均勻一致，不會(huì)產(chǎn)生由于殘余乳液造成表面銹蝕，也徹底解決了帶材軋制時(shí)表面殘油處理的世界性難題。在高速軋制條件下可獲得鏡面加工表面。在生產(chǎn)成本上由于無需增添設(shè)備，并可省去軋制液循環(huán)設(shè)備及軋制液購置等費(fèi)用，降低了成本和電耗，并減少了軋輥更換次數(shù)和研磨次數(shù)等，生產(chǎn)成本明顯得到降低。當(dāng)然在后續(xù)推廣應(yīng)用方面還有許多問題要解決，例如是否因摩擦系數(shù)增大而增加冷軋電耗，如何開發(fā)降低摩擦系數(shù)的混和潤滑方式等。

4 結(jié)論

(1)和發(fā)達(dá)國家相比，我國的冷軋板帶比例明顯偏低，說明冷軋板帶材需求與發(fā)展的前景是非常廣闊的，空間是非常巨大的。

(2)在冷軋產(chǎn)品中，優(yōu)質(zhì)汽車板，電工鋼板、薄寬帶及高精度包裝板是今后一段時(shí)間發(fā)展的重點(diǎn)品種。

(3)由于冷軋技術(shù)含量高，是軋鋼技術(shù)的集中體現(xiàn)。同時(shí)核心技術(shù)仍然被國外所壟斷。導(dǎo)致了我國冷軋發(fā)展明顯滯后于熱軋。

(4)冷軋領(lǐng)域是一片廣闊天地，近年冷軋新工藝新技術(shù)有多項(xiàng)新進(jìn)展，值得關(guān)注。

［1］ 鄧崎琳．在中國鋼鐵工業(yè)協(xié)會(huì)第四次會(huì)員大會(huì)上的報(bào)告［J］．冶金管理，2011(2)．

［2］ 吳溪淳．加快四個(gè)轉(zhuǎn)變推動(dòng)我國鋼鐵工業(yè)由大變強(qiáng)［J］．冶金管理，2011(2)．

［3］ 劉相華．冷軋生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展與新技術(shù)應(yīng)用［D］．沈陽:東北大學(xué)，2003．

［4］ 湖北省科技信息研究院．冷軋板帶鋼生產(chǎn)現(xiàn)狀及新技術(shù)發(fā)展研究［Z］，2010．

［5］ 趙團(tuán)民，高林林，計(jì)江．馬口鐵基板冷軋機(jī)組關(guān)鍵技術(shù)［J］．重型機(jī)械，2008(1)．

［6］ 張凱，趙團(tuán)民，高林林．泰鋼1780六輥UCM型可逆冷軋機(jī)組［J］．重型機(jī)械，2010(5)．

［7］ 高林林，陳璽．HC六輥軋機(jī)的板形調(diào)整特點(diǎn)分析研究［J］．重型機(jī)械，2006(S1)．

［8］ 高林林，蘇明．鈦鎳特種金屬板帶材的應(yīng)用及技術(shù)發(fā)展［J］．重型機(jī)械，2007(6)．

［9］ 鄭崗，謝云鵬，劉?。逍螜z測(cè)與板形控制方法［J］．重型機(jī)械，2002(4)．

［10］孫福．冷帶軋機(jī)板形閉環(huán)控制中滯后補(bǔ)償研究［D］．秦皇島:燕山大學(xué)，2008．