熱連軋機(jī)組高級(jí)別管線鋼工藝優(yōu)化

供稿|張冰，周宏偉，張霞 / ZHANG Bing, ZHOU Hong-wei, ZHANG Xia

內(nèi)容導(dǎo)讀

文章討論了具有先進(jìn)工藝和設(shè)備配置的本鋼2300 mm熱連軋機(jī)組在軋制高級(jí)別石油管線鋼的過(guò)程中，優(yōu)化板坯在爐時(shí)間，完善加熱工藝制度，提高小時(shí)出鋼數(shù)量；改進(jìn)粗軋機(jī)架除麟水封水質(zhì)量，試驗(yàn)投入雙排水，加快粗軋區(qū)域板坯溫降速度，優(yōu)化粗軋軋制速度，試驗(yàn)利用R1空過(guò)期間的機(jī)架除麟水的冷卻效果；調(diào)試精軋入口厚度、溫度，對(duì)應(yīng)產(chǎn)品性能檢測(cè)結(jié)果，確定中間坯最優(yōu)厚度及最優(yōu)開(kāi)軋溫度；根據(jù)季節(jié)和水溫變化，調(diào)整和優(yōu)化終軋溫度，以保持層冷冷卻速率的恒定和帶鋼性能的恒定；改進(jìn)層冷下集管?chē)娝瑑?yōu)化水量，減小上下表面冷卻能力的差異以及帶鋼上下表面的組織和性能的差異；全線過(guò)程控制、溫度制度、速度制度以及壓下制度規(guī)范化，通過(guò)2個(gè)月時(shí)間的穩(wěn)定性確定，將上述制度固定，并形成高級(jí)別管線鋼生產(chǎn)專(zhuān)用規(guī)范等手段實(shí)現(xiàn)保證產(chǎn)品的特殊的性能而要求的特殊工藝過(guò)程的。

本鋼2300 mm熱帶鋼連軋機(jī)組投產(chǎn)以來(lái)，品種鋼成為其生產(chǎn)的重點(diǎn)，并且在產(chǎn)量中所占比例也逐漸增大，品種鋼的生產(chǎn)具有鋼種強(qiáng)度級(jí)別高、表面質(zhì)量要求高、軋制穩(wěn)定性差、控制難度大等特點(diǎn)，其中石油管線鋼的產(chǎn)量比例逐年增加，尤其是高級(jí)別石油管線鋼的需求量有了較大的增長(zhǎng)，同時(shí)對(duì)鋼材的性能、尺寸精度等的要求也日益提高。此類(lèi)鋼種強(qiáng)度級(jí)別高，軋制溫度低，負(fù)荷大，溫度控制困難，由于低溫軋制和冷卻速率高造成的板型控制難以及卷取強(qiáng)度和難度大等。這些特點(diǎn)就導(dǎo)致了該鋼種小時(shí)產(chǎn)量低的問(wèn)題。如何提高該類(lèi)產(chǎn)品的生產(chǎn)能力、成材率，保證其附加價(jià)值的實(shí)現(xiàn)就成為生產(chǎn)組織管理以及產(chǎn)品質(zhì)量控制工作的重點(diǎn)。

本鋼2300 mm熱連軋機(jī)組半連續(xù)式熱軋帶鋼軋機(jī)，設(shè)計(jì)為900 t/h(按三臺(tái)加熱爐生產(chǎn)計(jì)算)。而X70以上級(jí)別的高等級(jí)管線鋼，工藝設(shè)定上采用的是通過(guò)合金和稀土元素調(diào)質(zhì)的方法，配合以軋制過(guò)程中的道次壓下量以及溫度控制等方法獲得需要的金相組織結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到要求的機(jī)械性能，因此，該鋼種小時(shí)產(chǎn)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于普碳結(jié)構(gòu)鋼。

其工藝要點(diǎn)要求在爐加熱的時(shí)間較長(zhǎng)，并且出爐溫度較低以及軋制節(jié)奏慢等，使得小時(shí)產(chǎn)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于年產(chǎn)量要求，首次確定的工藝要點(diǎn)執(zhí)行下，小時(shí)產(chǎn)量只有360 t/h的水平。經(jīng)過(guò)技術(shù)中心等研發(fā)部門(mén)與2300 mm機(jī)組技術(shù)人員的共同努力，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程，優(yōu)化加熱爐熱裝工藝、調(diào)整了板坯出爐溫度控制制度，將生產(chǎn)能力提高至420 t/h左右。

對(duì)比機(jī)組515萬(wàn)t/a的設(shè)計(jì)產(chǎn)量，需要保持機(jī)組生產(chǎn)能力在900 t/h平均線上，因此，420 t/h的生產(chǎn)能力仍然嚴(yán)重影響機(jī)組產(chǎn)能的發(fā)揮，改進(jìn)和提升勢(shì)在必行。

原因分析

2300 mm熱連軋機(jī)組采用半連續(xù)式熱軋帶鋼軋機(jī)配置，生產(chǎn)厚度為1.2~25.4 mm，寬度為1000~2150 mm的熱軋帶鋼，年產(chǎn)量為515萬(wàn)t熱軋鋼卷，其中不銹鋼卷65萬(wàn)t。生產(chǎn)的產(chǎn)品主要以高附加值熱軋卷板為主，包括碳素結(jié)構(gòu)鋼、優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼、低合金結(jié)構(gòu)鋼、管線鋼、造船用鋼、焊接氣瓶用鋼、高耐侯結(jié)構(gòu)鋼、高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)用熱處理和控軋鋼板和鋼帶、橋梁用結(jié)構(gòu)鋼、汽車(chē)大梁用鋼、IF鋼、雙相(DP)及多相鋼(MP)、相變誘導(dǎo)塑性鋼(TRIP)、300系列不銹鋼、400系列不銹鋼等。工藝流程布置圖見(jiàn)圖1所示。

隨著我國(guó)能源工業(yè)的發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步，管線鋼在長(zhǎng)距離輸油管道和輸氣管道的應(yīng)用已形成規(guī)模，并成為石油行業(yè)的主流產(chǎn)品。管道運(yùn)輸是長(zhǎng)距離輸送石油、天然氣的重要方式之一。為提高管道輸送的運(yùn)營(yíng)效率，降低成本，管道運(yùn)輸正向大口徑、高壓輸送方向發(fā)展。高壓、大口徑輸送對(duì)高強(qiáng)度、韌性和焊接性提出了更加嚴(yán)格的要求，中國(guó)管線鋼的級(jí)別在短短十年內(nèi)已迅速?gòu)腦60提高到X80。目前X80已成為國(guó)際上石油、天然氣管線用鋼中使用量最多的鋼級(jí)。西氣東輸二線工程及中亞天然氣管線工程是我國(guó)建國(guó)以來(lái)最大的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)工程之一，工程干線主要采用X80鋼級(jí)，是迄今世界上采用X80鋼級(jí)的最大管道工程。

將石油天然氣從偏遠(yuǎn)崎嶇地區(qū)運(yùn)輸至市場(chǎng)需使用在各種溫度條件下均需要具有優(yōu)異韌性的高壓輸送管線。這一目標(biāo)可通過(guò)增加管線壁厚或鋼的強(qiáng)度，以及通過(guò)兩者的合理匹配來(lái)實(shí)現(xiàn)。增加壁厚導(dǎo)致建設(shè)成本增加，因此，在過(guò)去的10年里管線設(shè)計(jì)的目標(biāo)一直在致力于采用高鋼級(jí)的管線鋼，如在各種設(shè)計(jì)溫度條件下具有優(yōu)異韌性的X80、X100管線鋼等。

本鋼2300 mm熱連軋機(jī)組生產(chǎn)線是當(dāng)前世界上規(guī)模最大、軋制能力最強(qiáng)的熱連軋機(jī)組之一，主要用于生產(chǎn)熱軋汽車(chē)板、冷軋汽車(chē)板原料、不銹鋼、熱軋雙相鋼(DP)以及高等級(jí)管線鋼(X80、X100)等高附加值的產(chǎn)品，該生產(chǎn)線在設(shè)備選型、參數(shù)選擇、平面布置等方面都進(jìn)行了充分的考慮，為這些產(chǎn)品的生產(chǎn)提供了保證。

本鋼高性能低成本的X80管線鋼的開(kāi)發(fā)研制，在合金元素、生產(chǎn)工序、產(chǎn)品生產(chǎn)周期等方面采用減量化生產(chǎn)技術(shù)，在保證管道安全生產(chǎn)的前提下，大幅度的降低了生產(chǎn)成本。該類(lèi)鋼種強(qiáng)度級(jí)別高，軋制溫度低，負(fù)荷大，溫度控制困難，由于低溫軋制和冷卻速率高造成的板型控制難以及卷取強(qiáng)度和難度大等等。本鋼采用低Mo的合金成分，生產(chǎn)高性能、低成本、厚規(guī)格的X80管線鋼，為保證組織細(xì)化，達(dá)到性能要求，采用低溫大變形、大冷速、低卷取等技術(shù)手段，用于大批量X80熱軋卷板的生產(chǎn)，但由于鋼種設(shè)計(jì)具有加熱時(shí)間長(zhǎng)、軋制溫度低、冷卻速率大、卷取強(qiáng)度高等特性使得試制初期，高級(jí)別管線鋼的小時(shí)生產(chǎn)能力僅在360 t/h左右，嚴(yán)重地影響了整個(gè)機(jī)組產(chǎn)能的釋放。

本鋼在高級(jí)別管線鋼生產(chǎn)工藝設(shè)定上采用的是通過(guò)合金和稀土元素調(diào)質(zhì)的方法，配合以軋制過(guò)程中的道次壓下量以及溫度控制等方法獲得需要的金相組織結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到要求的機(jī)械性能。因此鋼種設(shè)計(jì)之初的工藝要點(diǎn)要求出爐溫度較低且在爐加熱的時(shí)間較長(zhǎng)，從而保證多種合金元素的固溶。

粗軋、精軋機(jī)區(qū)域的低溫大變形是鋼種生產(chǎn)工藝過(guò)程中的另一項(xiàng)制約產(chǎn)能提高的原因，是高級(jí)別管線鋼軋制中的一個(gè)控制難點(diǎn)，是R2末道次溫度、精軋開(kāi)軋溫度的控制，以及由此產(chǎn)生的對(duì)小時(shí)產(chǎn)量的巨大的影響。

鋼種的高強(qiáng)度特征要求卷取前帶鋼冷卻采用較大的冷卻速率，為達(dá)到這個(gè)要求一方面在層流冷卻效率上采用措施，同時(shí)要降低精軋機(jī)組軋制的速度，以保證帶鋼具有足夠的冷卻時(shí)間。

上述幾項(xiàng)鋼種特性造成的特殊工藝要求，最終導(dǎo)致高級(jí)別石油管線鋼雖然是附加值較高的產(chǎn)品，但由于小時(shí)生產(chǎn)能力的偏低，沒(méi)能實(shí)現(xiàn)理想的經(jīng)濟(jì)效益。

改進(jìn)措施

工藝過(guò)程技術(shù)難點(diǎn)具體化：(1)如何合理控制和調(diào)整板坯爐內(nèi)各段在爐時(shí)間及加熱溫度，平衡生產(chǎn)線軋制節(jié)奏的同時(shí)保證大量合金元素的固溶效果；(2)粗軋區(qū)域要求低溫大變形的工藝過(guò)程，對(duì)軋件的冷卻需采用一系列特殊措施，同時(shí)保證大變形的條件下，還需確保設(shè)備，特別是傳動(dòng)設(shè)備負(fù)荷的變化在允許范圍內(nèi)，從而保證機(jī)械設(shè)備的安全；(3)粗軋區(qū)域中間坯最終溫度控制的措施和控制模式等，如何實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，提高作業(yè)效率；(4)精軋機(jī)組速度和冷卻水的配合，壓下負(fù)荷的各架分配，保證精軋區(qū)域鋼種工藝的實(shí)現(xiàn)，為后續(xù)輸出輥道上帶鋼冷卻提供最穩(wěn)定的條件；(5)層冷冷卻水水量、冷卻速率方面較高的要求，如何保證冷卻段穩(wěn)定，同時(shí)防止帶鋼產(chǎn)生嚴(yán)重瓢曲；寬厚規(guī)格高級(jí)別管線鋼，強(qiáng)度級(jí)別高，對(duì)卷取機(jī)負(fù)荷影響較大，如何實(shí)現(xiàn)雙臺(tái)卷取機(jī)生產(chǎn)，如何控制好卸卷速度和節(jié)奏，提高手動(dòng)對(duì)尾的準(zhǔn)確度等。經(jīng)過(guò)多次試制和優(yōu)化，確定了如下改進(jìn)措施。

板坯加熱制度改進(jìn)

對(duì)于板坯加熱期間，加熱爐內(nèi)各段在爐時(shí)間需求的情況，在最初的工藝條件下，采取了爐內(nèi)空位的方法，以減少待熱時(shí)間。因此，在當(dāng)時(shí)工藝要點(diǎn)條件下，為了提高管線鋼小時(shí)產(chǎn)量，采用不平衡裝爐和出爐的方式，而是用其中的2臺(tái)爐裝管線(3臺(tái)爐生產(chǎn)情況下)，預(yù)留一定的空段，另一臺(tái)爐裝如Q235B普碳鋼料，用以彌補(bǔ)待熱時(shí)間，這樣管線鋼小時(shí)產(chǎn)量首次被提高到420 t/a。

試制過(guò)程中優(yōu)化組織裝鋼計(jì)劃提高熱裝率、優(yōu)化過(guò)程控制參數(shù)、性能數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)分析等，將板坯加熱時(shí)間和出爐溫度進(jìn)行了合理調(diào)整，最終使高級(jí)別管線鋼的加熱制度與其他普通料完全相同、出鋼節(jié)奏完全相同，在很大程度上提高了產(chǎn)能，節(jié)約了能源。

開(kāi)發(fā)粗軋區(qū)強(qiáng)制降溫

高級(jí)別管線鋼軋制中另外一個(gè)控制難點(diǎn)是，對(duì)粗軋機(jī)R2末道次進(jìn)鋼溫度的特殊要求以及較低的精軋開(kāi)軋溫度的控制，這兩項(xiàng)工藝要求對(duì)軋線的小時(shí)產(chǎn)量有巨大的影響。鋼種具體的工藝要求包括：確保板坯溫度1180±20℃，加熱時(shí)間控制在2.5~5.0 h。粗軋區(qū)域采用3+5模式或0+7模式、前部道次低溫大壓下、控制出R2溫度(≤960℃)以及控制R2第二末道次變形量等。

為了消除特殊工藝要求帶來(lái)的對(duì)產(chǎn)能的影響，從溫度制度以及軋線上各點(diǎn)的冷卻水等方面著手，配合以操作員干預(yù)以及軋制節(jié)奏的控制等手段，滿(mǎn)足上述工藝溫度要求，從而保證了管線鋼產(chǎn)品性能和板型兩方面的技術(shù)條件的實(shí)現(xiàn)。

◆ 粗軋機(jī)R1區(qū)域降溫

無(wú)論是3+5還是0+7的道次分配模式，均要求保證粗軋機(jī)前兩個(gè)道次的絕對(duì)壓下量。粗軋采用0+7道次分配模式時(shí)，即R1采用空過(guò)。板坯從加熱爐出爐到R1前只經(jīng)過(guò)粗軋高壓水除鱗箱一排集管的冷卻，當(dāng)板坯到達(dá)R1前時(shí)，板坯表面形成了較厚的氧化鐵皮，這樣的狀態(tài)對(duì)板坯溫降以及軋制后的表面質(zhì)量對(duì)會(huì)造成一定的不利影響，因此在板坯空過(guò)R1機(jī)架時(shí)，將機(jī)架出口和入口的除鱗水通過(guò)一級(jí)強(qiáng)制的方式投入，一方面改善板坯表面質(zhì)量，另一方面對(duì)板坯形成大約40~50℃的溫降，這對(duì)控制R2軋制期間板坯溫度打下一定的基礎(chǔ)，這種控制模式固化在管線鋼模型控制中，形成自動(dòng)程序。

◆ 粗軋機(jī)架R2處降溫

軋制期間，前五個(gè)道次軋制期間機(jī)架出口和入口側(cè)的除鱗水均用于幫助板坯降溫，使之盡快達(dá)到要求，節(jié)省游動(dòng)時(shí)間。此外，通過(guò)實(shí)踐摸索，找到并設(shè)定正確的R2軋制速度(包括穿帶速度、軋制速度和拋鋼速度三個(gè)值的設(shè)定)，在確保R2機(jī)架在軋制溫度較低、強(qiáng)度較高的板坯并且壓下量較大的條件下軋制力以及軋制扭矩保持在安全極限水平之下，防止軋機(jī)由于負(fù)荷過(guò)大而產(chǎn)生跳閘的現(xiàn)象。同時(shí)，通過(guò)正確的速度和噴水的配合，來(lái)保證或提高除鱗水冷卻板坯及除鱗的效果。

隨著R2軋機(jī)軋制道次的增多，板坯厚度的減小，為了防止由于噴水過(guò)多造成的板坯上下表面溫度差過(guò)大，在進(jìn)精軋機(jī)軋制時(shí)產(chǎn)生翹頭以及第六道次后高溫計(jì)檢測(cè)誤差等問(wèn)題，R2機(jī)架除鱗水道次投入限定在前五個(gè)道次及第七道次，同時(shí)開(kāi)啟了精軋F(tuán)1前帶鋼下表面的中壓冷卻水，以減小F1、F2機(jī)后帶鋼的翹頭。

為了縮短R2前游動(dòng)的時(shí)間，提高小時(shí)產(chǎn)量，還采取了調(diào)整軋制節(jié)奏的方法。在不影響粗軋區(qū)域除鱗水量以及冷卻除鱗效果，并且軋制趨于穩(wěn)定的條件下，將板坯出爐間隔時(shí)間控制在180 s左右，在控制軋制節(jié)奏的同時(shí)，使板坯在開(kāi)軋之前有在R1前一定時(shí)間的游動(dòng)，達(dá)到40~50℃左右的溫降，這樣對(duì)板坯在R2前的游動(dòng)時(shí)間得到一定程度的縮短，提高小時(shí)產(chǎn)能。

◆ R2機(jī)前增設(shè)高溫計(jì)

在R2入口增加高溫計(jì)并修改了控制模式。在程序中增加了禁止進(jìn)鋼信號(hào)，即最后一道次時(shí)，利用實(shí)際檢測(cè)的溫度與工藝要求的溫度值進(jìn)行比較，當(dāng)板坯溫度低于設(shè)定值且無(wú)波動(dòng)3 s后，禁止進(jìn)鋼信號(hào)解除，帶鋼正常軋制。有效提高了溫度控制的精度，提高了產(chǎn)品質(zhì)量。

◆ 高冷卻速率要求及措施

根據(jù)工藝要求，高級(jí)別管線鋼的中間坯厚度為60 mm、精軋入口溫度≤960℃，要求精軋機(jī)恒速軋制，以保證大于25℃/s的目標(biāo)冷卻速率以及400℃的目標(biāo)卷取溫度。此外，為了滿(mǎn)足用戶(hù)高成材率的需求，要求帶鋼干頭長(zhǎng)度(軋制時(shí)考慮卷取機(jī)卷取穩(wěn)定性所需帶鋼頭部高溫段長(zhǎng)度)≤2.5 m。

根據(jù)鋼種性能，輸出輥道上帶鋼冷卻時(shí)需要達(dá)到25~30℃/s的冷卻速率，以保證正確的屈強(qiáng)比值。這就一方面要求加大層冷的水量，即冷卻能力，另一方面，為了保證這個(gè)冷卻速率的實(shí)現(xiàn)，需要精軋機(jī)組采用恒速軋制的策略。為了實(shí)現(xiàn)這一要求，2012年10月之前，2300 mm機(jī)組采用將層流冷卻的前五組冷卻單元的上下集管的流量分別做調(diào)整(這5組冷卻單元配置了流量檢測(cè)設(shè)備，便于調(diào)整)的方法，使得上下集管的流量分別提高為額定流量的1.3和1.5倍，這樣既滿(mǎn)足了大冷卻速率的需要，又可將精軋機(jī)組恒速軋制的速度得以一定程度的提高，縮短的軋制時(shí)間和軋制周期，從而提高的小時(shí)產(chǎn)量。

此外，為提高帶鋼冷卻速率，為夏季高水溫條件下生產(chǎn)性能更加穩(wěn)定的高級(jí)別石油管線鋼及高強(qiáng)結(jié)構(gòu)用鋼等品種，完成了原有的層冷設(shè)備前五組超密集型冷卻的改造。超密集型冷卻技術(shù)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，為夏季高水溫下生產(chǎn)高級(jí)別管線鋼提供了非常有利的條件，細(xì)化控制后的冷卻水、合理增大的上、下冷卻速率比以及最高可達(dá)40℃/s的冷卻速率，完全滿(mǎn)足了各種溫度條件下穩(wěn)定生產(chǎn)高級(jí)別管線鋼的要求，效果十分顯著，并且制成鋼管的斷裂韌性、金相組織、硬度、工藝質(zhì)量等化學(xué)性能、力學(xué)性能均得到了有利的改善。

經(jīng)過(guò)大量的生產(chǎn)實(shí)踐以及多次的優(yōu)化和調(diào)整，目前上述措施已經(jīng)成熟穩(wěn)定地應(yīng)用在高級(jí)別石油管線鋼的日常生產(chǎn)組織和過(guò)程控制中，起到了非常好的效果。各項(xiàng)指標(biāo)的命中率得到了很大提高，最重要的是，高級(jí)別管線的小時(shí)生產(chǎn)能力已經(jīng)從過(guò)去的420 t/h，提高到現(xiàn)在的560 t/h以上。

干頭控制功能的開(kāi)發(fā)

對(duì)干頭控制的全流程進(jìn)行了改進(jìn)。包括：改進(jìn)了層冷閥門(mén)調(diào)節(jié)校準(zhǔn)方式，使閥門(mén)穩(wěn)定性和一致性大幅度提高；改進(jìn)了層冷閥門(mén)響應(yīng)時(shí)間測(cè)試方式，使其測(cè)試精度和測(cè)試速度大幅度提高；增加了單個(gè)層冷閥門(mén)響應(yīng)時(shí)間參數(shù)，并開(kāi)發(fā)了與之配套的調(diào)節(jié)程序，可以實(shí)現(xiàn)單個(gè)層冷閥門(mén)響應(yīng)時(shí)間參數(shù)快速調(diào)校；提高了跟蹤計(jì)算精度，實(shí)現(xiàn)了跟蹤精度<1 m；改進(jìn)了跟蹤程序，大幅度提高了干頭跟蹤穩(wěn)定性；改進(jìn)了卷取機(jī)控制，保證干頭很短時(shí)可以正常卷取。

經(jīng)過(guò)改進(jìn)后，高級(jí)別管線鋼可以實(shí)現(xiàn)0.5 m級(jí)別的高精度干頭控制，而且穩(wěn)定性極佳，無(wú)需人工干預(yù)，完全可以滿(mǎn)足用戶(hù)或設(shè)備的不同要求。

結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)大量的生產(chǎn)實(shí)踐以及多次的優(yōu)化和調(diào)整，將上述優(yōu)化措施應(yīng)用在實(shí)際生產(chǎn)中，并進(jìn)行穩(wěn)定化管理和控制；提高各段溫度控制精度，從而提高產(chǎn)品性能指標(biāo)和穩(wěn)定性；最重要的是，高級(jí)別管線鋼的小時(shí)生產(chǎn)能力已經(jīng)從過(guò)去的420 t/h左右，提高到現(xiàn)在的560 t/h以上，創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。