國際先進(jìn)棒材軋鋼技術(shù)綜述

丁 敬，方實(shí)年，余延慶，田 野

（1.中國寶武馬鋼股份特鋼公司，安徽243000;2.中冶華天工程技術(shù)有限公司，江蘇210019）

0 引言

“ 十三五”以來，我國鋼鐵行業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革不斷深入，鋼鐵工業(yè)由高產(chǎn)量向高技術(shù)、高質(zhì)量發(fā)展轉(zhuǎn)變，近兩年，行業(yè)在創(chuàng)新中加快推進(jìn)高質(zhì)量發(fā)展。 隨著城鎮(zhèn)化、現(xiàn)代化建設(shè)的推進(jìn)，棒材作為國民經(jīng)濟(jì)和下游用戶所必需的基礎(chǔ)材料，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運(yùn)輸業(yè)、國防建設(shè)、住房及基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)[1，2]。

棒材一般是指截面形狀為圓、方、六角、八角等形狀，長度相對截面尺寸較大，通常以直條狀供貨的熱軋鋼棒。 熱軋棒材主要分兩類：一類為普通棒材，常指Φ6 mm～50 mm 的400～600 MPa 建筑鋼筋，主要用于房屋、橋梁、道路等土建工程；另一類為優(yōu)質(zhì)棒材，常指Φ12 mm～100 mm 的中小棒和Φ100 mm～300 mm 的大棒，主用于機(jī)械加工、汽車、船舶、航天等。 目前國內(nèi)各種棒材產(chǎn)線愈1500 條，2020年中國和全球粗鋼產(chǎn)量分別為10.3 億噸和17.9 億噸，棒材份額分別約占24%和28%。

1 國內(nèi)外熱軋棒材技術(shù)發(fā)展趨勢

目前熱軋棒材技術(shù)核心，是圍繞和提升“ 三高”（高產(chǎn)量、高精度、高質(zhì)量）的綠色化、智能化發(fā)展[3-5]。熱軋棒材技術(shù)進(jìn)步的主要方向是向短流程、低排放、減量化、智能化、高性能邁進(jìn)，以及與之配套的核心裝備的開發(fā)。

經(jīng)過多年的發(fā)展積累： 目前棒材低成本制造理念、高品質(zhì)產(chǎn)品工藝機(jī)理、高效生產(chǎn)方案已逐步形成和完善；直接軋制、無孔型軋制、無頭軋制、DIFT、低溫軋制和控軋、控冷等先進(jìn)的棒材軋制工藝已得到推廣應(yīng)用；高剛度高精度軋機(jī)、智能高速剪切機(jī)、閉環(huán)控冷、在線精整熱處理、設(shè)備自動診斷、智能倉儲、大數(shù)據(jù)應(yīng)用等現(xiàn)代化技術(shù)裝備已經(jīng)逐步配套棒材產(chǎn)線。

2 普通棒材先進(jìn)軋制技術(shù)

近年國際上圍繞普通熱軋棒材領(lǐng)域提產(chǎn)、增效相應(yīng)推出來一系列先進(jìn)技術(shù)和運(yùn)營模式。 包括：無頭軋制、連鑄連軋、微型鋼廠、高速棒材、免加熱直接軋制、低溫軋制、高剛度預(yù)應(yīng)力軋機(jī)、機(jī)架快換、智慧化運(yùn)營服務(wù)等[6-8]。 下面就國外幾個(gè)典型普通棒材先進(jìn)軋制技術(shù)進(jìn)行概述。

2.1 普瑞特 ERT-EBROS 長材鋼坯對焊技術(shù)

普瑞特于2006 年在歐洲首先應(yīng)用ERT-EBROS鋼坯對焊技術(shù)。 2016 年萊鋼永鋒鋼廠引進(jìn)國內(nèi)首套該項(xiàng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了150 mm 方、12000 mm 長的鋼坯對焊接合，用于軋制Φ12 mm～50 mm 鋼筋，產(chǎn)線實(shí)現(xiàn)了年120 萬噸生產(chǎn)能力，提高利用率3～6%。

2.1.1 ERT-EBROS 技術(shù)主要設(shè)備

主要設(shè)備包括：焊機(jī)、橫移車、使用變頻器的動態(tài)閃光控制系統(tǒng)、 毛刺去除和棱邊修整設(shè)備、ERTEBROS 機(jī)電一體化方案包等。長材鋼坯對焊技術(shù)如圖1 所示。

圖1 長材鋼坯對焊技術(shù)

2.1.2 ERT-EBROS 技術(shù)主要工藝

（1）出加熱爐的高溫鋼坯經(jīng)高壓水除磷；

（2）由調(diào)速輥道送到安裝在車架上以等待同于軋制速度的移動焊機(jī)；

（3）前后鋼坯頭尾被動態(tài)夾緊保持相對靜止，焊機(jī)通大電流使結(jié)合部熔化，熔化速度通過動態(tài)調(diào)節(jié)兩鋼坯間結(jié)合部位間距控制；

（4）接合部融化量達(dá)預(yù)設(shè)值后，用液壓鐓鍛機(jī)構(gòu)將兩塊鋼坯機(jī)械壓緊，使結(jié)合處熔融金屬迅速擠出凝固并形成凸起毛刺，達(dá)到結(jié)合完成焊接；

（5）鋼坯被松開后車架快速返回初始位置，進(jìn)行新一輪操作。 焊機(jī)車架返回時(shí)自動清理焊機(jī)（主要為閃光焊接中的噴濺物），不用焊機(jī)時(shí)用液壓缸驅(qū)動橫移車挪走。

另外，接合處的毛刺去除和棱邊修整在開軋前不同工位實(shí)現(xiàn)。

2.2 達(dá)涅利EWR 無頭軋制與工字輪聯(lián)合應(yīng)用技術(shù)

據(jù)報(bào)道，EWR 無頭軋制工藝與工字輪聯(lián)合應(yīng)用，可使噸鋼生產(chǎn)成本整體約降230 元。

2.2.1 達(dá)涅利EWR 無頭軋制技術(shù)達(dá)涅利EWR 技術(shù)始于1995 年，2000 年首次應(yīng)用于意大利，截止2018 年全球應(yīng)用29 套。 EWR 與普瑞特ERT-EBROS 相似，目前最大應(yīng)用于160 mm 方、12000 mm 長鋼坯（小時(shí)產(chǎn)量140 t，最高180 t），因免去鋼坯等待時(shí)間，減少頭尾切廢、短尺廢料和堆鋼軋廢等，軋機(jī)效率可從95.5%提升到99.5%，噸鋼成本降35～45 元。

2.2.2 達(dá)涅利工字輪技術(shù)

達(dá)涅利工字輪技術(shù)2002 年投用于意大利，截止2016 年總計(jì)提供52 套，棒材最大直徑Φ32 mm的熱軋盤卷，最重可達(dá)5 t。 工字輪以熱軋棒材無扭曲卷取機(jī)為基礎(chǔ)，制成高質(zhì)量、超緊湊、重量更輕的成品盤卷，滿足下游冷處理線高速直接喂料和全程無堆鋼要求，省去傳統(tǒng)離線開卷、拉伸矯直、再盤卷工序。 該設(shè)備技術(shù)核心是智能進(jìn)料分配和在線溫度控制系統(tǒng)聯(lián)合應(yīng)用實(shí)現(xiàn)卷取。

主要設(shè)備包括：工字輪盤卷、棒材溫度控制冷卻裝置及系統(tǒng)、Q-VID_SPOOL 智能檢測控制系統(tǒng)等。

2.3 達(dá)涅利ECR 無頭連鑄連軋工藝技術(shù)

有預(yù)測表明2050 年全球70%鋼鐵需求將通過廢鋼滿足，以電爐替代轉(zhuǎn)爐的短流程生產(chǎn)趨勢顯著。 據(jù)此達(dá)涅利推出小型短流程鋼廠：MicroMill Danieli（MI.DA）。 其核心理念是“ 區(qū)域軋制/產(chǎn)品關(guān)注”，即針對一個(gè)特定的區(qū)域市場，依賴當(dāng)?shù)貜U鋼供應(yīng)，專注一個(gè)特定產(chǎn)品范圍。 達(dá)涅利ECR 無頭連鑄連軋工藝是小型短流程鋼鐵廠（MI.DA）生產(chǎn)特殊鋼和普通鋼種長材產(chǎn)品的一項(xiàng)革命性技術(shù)，它能夠?qū)崿F(xiàn)從鋼水到完整的最終產(chǎn)品的不間斷生產(chǎn)，包括在線熱處理、在線質(zhì)量檢測和精整、過程控制，實(shí)現(xiàn)了全線自動化生產(chǎn)。

2.3.1 達(dá)涅利無頭連鑄連軋技術(shù)特點(diǎn)

鋼水經(jīng)連鑄機(jī)凝固后直接入軋機(jī)軋制，加熱爐被取消，不間斷的連鑄坯一直進(jìn)行軋制，金屬收得率和節(jié)能達(dá)到最高。 接訂單后兩小時(shí)內(nèi)得到產(chǎn)品，鋼水到成材生產(chǎn)時(shí)間小于15 min。

其中連鑄工藝的關(guān)鍵技術(shù)包括：超高精度的免維護(hù)高拉速振動模塊（低碳鋼拉速達(dá)到7 m/min），超高澆鑄速度的高效結(jié)晶器，鑄坯均溫感應(yīng)爐，在線低溫超細(xì)晶粒軋制和直接軋制成捆技術(shù)等。

2.3.2 達(dá)涅利無頭連鑄連軋技術(shù)應(yīng)用

22000 年秋季，達(dá)涅利第一套ECR 特殊鋼無頭連鑄連軋?jiān)O(shè)備在意大利ABS-Luna 鋼廠投產(chǎn)，特鋼產(chǎn)能50 萬噸/年、普鋼80 萬噸/年。

2018 年MI.DA 首次應(yīng)用于美國CMC 鋼鐵，2019 年俄克拉荷馬州籌建第二條。

2018 年6 月國內(nèi)在桂林平鋼、山西建邦實(shí)施兩項(xiàng)工程，目前已投產(chǎn)。

2.4 新國標(biāo)下的螺紋鋼生產(chǎn)工藝與裝備新技術(shù)

熱軋螺紋鋼新國標(biāo)GB/T 1499.2-2018 已于2018 年11 月1 日開始執(zhí)行，對比2007 版標(biāo)準(zhǔn)核心變化有：更嚴(yán)格重量偏差、抗震鋼筋反向彎曲試驗(yàn)成為常檢項(xiàng)、增加了鋼筋金相組織（防止生產(chǎn)穿水馬氏體鋼筋）及斷面硬度差檢驗(yàn)等。 高強(qiáng)度、抗震和耐腐蝕等高質(zhì)量及綠色生產(chǎn)成為螺紋鋼發(fā)展方向。

2.4.1 原國標(biāo)螺紋鋼生產(chǎn)工藝

新國標(biāo)執(zhí)行前，我國長期采用余熱處理工藝控制螺紋鋼產(chǎn)品的組織性能，穿水鋼筋的強(qiáng)度雖達(dá)標(biāo)，但產(chǎn)品表層回火馬氏體硬化層，會顯著降低焊接性、建筑抗震性和應(yīng)變時(shí)效性等，給建筑物帶來巨大安全隱患。

理論研究和工業(yè)試驗(yàn)表明20MnSi 采用控軋控冷，可最低成本生產(chǎn)400 MPa 鋼筋。 對于500 MPa及以上產(chǎn)品，需通過添加合金元素（Mn、Si、V、Nb等）提高產(chǎn)品性能，或采用釩氮微合金化（沉淀析出和固溶強(qiáng)化）。

2.4.2 基于新國標(biāo)螺紋鋼生產(chǎn)工藝

基于新國標(biāo)的要求，結(jié)合國內(nèi)直條帶肋鋼筋兩種主要生產(chǎn)方法（多線切分和高速上鋼技術(shù)），采用切分法與高速上鋼相結(jié)合，自主研發(fā)了高剛度預(yù)應(yīng)力軋機(jī)、免加熱（低溫）直接軋制+DIFT+超快冷工藝、K2 道次前控冷+K2、K1 大壓下+超快冷工藝。在保證產(chǎn)量和產(chǎn)品質(zhì)量前提下，降低螺紋鋼生產(chǎn)成本。

高速上鋼可生產(chǎn)Φ6～Φ8 mm 產(chǎn)品，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)熱機(jī)軋制。 常規(guī)切分技術(shù)在提高小規(guī)格（Φ10～Φ20 mm）產(chǎn)品產(chǎn)量和建設(shè)投資上占優(yōu)勢，但在產(chǎn)品尺寸精度、表面質(zhì)量方面不如高速上鋼。 新技術(shù)將兩種生產(chǎn)方法結(jié)合，最大程度發(fā)揮二者的優(yōu)點(diǎn)[9，10]。

3 優(yōu)質(zhì)鋼棒材先進(jìn)軋制技術(shù)

優(yōu)質(zhì)棒材在航空航天、軌道交通和汽車等高端制造領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，對產(chǎn)品組織性能均勻性、質(zhì)量穩(wěn)定性要求苛刻。 調(diào)研表明，我國優(yōu)質(zhì)棒材仍處劣勢，如高端軸承市場70%以上被國外壟斷，某些產(chǎn)品壽命僅國外一半。 工信部《 重點(diǎn)新材料首批次應(yīng)用示范指導(dǎo)目錄（2017 年版）》指出，未來13 種先進(jìn)鋼鐵材料中，高檔軸承鋼和汽車用高端熱作模具鋼，是優(yōu)質(zhì)棒材的重點(diǎn)發(fā)展對象。

先進(jìn)的優(yōu)特鋼棒材生產(chǎn)技術(shù)是集原料管控、全連續(xù)精品棒材生產(chǎn)及產(chǎn)品質(zhì)量管控、 在線熱處理、在線加工處理、 成品精整和智能控制技術(shù)于一體。此外，還有合金（優(yōu)質(zhì)）鋼棒材在線淬火～回火處理技術(shù)、減定徑高精度軋制技術(shù)和優(yōu)特鋼棒材軋制特有技術(shù)裝備等。

3.1 先進(jìn)優(yōu)質(zhì)棒材生產(chǎn)技術(shù)裝備

減定徑機(jī)組是生產(chǎn)高質(zhì)量特殊鋼棒材的核心裝備，目前市場上主要有Kocks 三輥減定徑機(jī)組、達(dá)涅利DSD 四輥減定機(jī)組、 普瑞特EVO 2+4 輥減定徑機(jī)組和高剛度預(yù)應(yīng)力兩輥減定徑機(jī)組。

四輥減定徑機(jī)組是近年推出的新裝備（如圖2所示）。 其主要特點(diǎn)是：幾乎無寬展，更寬的自由軋制尺寸范圍，以及更低的輥環(huán)磨損；高精密軋制模式下，產(chǎn)品尺寸偏差可達(dá)到1/8 DIN 并覆蓋全部規(guī)格，自由軋制時(shí)尺寸范圍為4 mm 寬幅（高于三輥30%）；該設(shè)備核心是所有軋輥獨(dú)立傳動，互成90°，圍繞軋制線成“ X”和“ 十”布置，各模塊可互換。

3.2 軋鋼智能化關(guān)鍵技術(shù)

普瑞特、西馬克、達(dá)涅利的研發(fā)和應(yīng)用表明，軋鋼智能化關(guān)鍵技術(shù)在軟件。 目前主要軟件有：TPO全流程工藝優(yōu)化、TPQC 全流程工藝質(zhì)量控制、TPKH 全流程工藝訣竅、PQA 過程質(zhì)量管保系統(tǒng)、設(shè)備數(shù)字化遠(yuǎn)程運(yùn)維等。

軋鋼線落地工業(yè)4.0 的關(guān)鍵硬件中，達(dá)涅利指出：首要是在智能化軋機(jī)上采集現(xiàn)場信號和過程條件信息，以輔助生產(chǎn)工藝過程智能化控制。 主要采集方式有：HiSection 斷面儀（輪廓檢測及表面缺陷識別），安裝在連軋機(jī)軋輥、機(jī)芯和導(dǎo)衛(wèi)等的RFID標(biāo)簽，Q3～CM3 狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)（采用震動、軸承溫度、接軸扭矩等參數(shù)來檢測設(shè)備狀態(tài)），Q3-Intelligence數(shù)據(jù)驅(qū)動改善軋線運(yùn)營，動態(tài)在線控制產(chǎn)量、質(zhì)量工藝參數(shù)，以及棒線材軋制過程溫度場預(yù)測及組織預(yù)報(bào)系統(tǒng)軟件。

圖2 四棍減定經(jīng)機(jī)組

3.3 智能化工廠

統(tǒng)計(jì)指出2008～2015 年，歐洲鋼鐵縮減有20%崗位（8 萬人），未來十年會再降20%。

為此達(dá)涅利提出高自動化、 深傳感信息獲取、生產(chǎn)集控等是長材“ 智能化工廠”實(shí)現(xiàn)途徑。 并投資1.11 億美元為奧鋼聯(lián)建成了年產(chǎn)50 萬噸高端精品棒材工廠，生產(chǎn)制造寶馬、奔馳、奧迪轎車用部件。軋線人員僅12 人，其它航運(yùn)物流、內(nèi)部軌道系等輔助300 人，達(dá)涅利奧鋼聯(lián)多納維茨集控工廠如圖3所示。

圖3 達(dá)涅利奧鋼聯(lián)多納維茨集控工廠

西馬克為美國大河鋼鐵建成投運(yùn)的數(shù)字學(xué)習(xí)型鋼廠（見圖4），堪稱目前的全球典范。

圖4 美國大河“學(xué)習(xí)型”鋼廠

4 結(jié)語

（1）目前鋼鐵業(yè)已進(jìn)入高質(zhì)量發(fā)展階段。 以螺紋鋼為例，優(yōu)質(zhì)長材是市場的主導(dǎo)，高強(qiáng)度螺紋鋼在引導(dǎo)市場消費(fèi)。

（2）國內(nèi)外棒材技術(shù)均處于迭代升級中，建筑用鋼方面將以無頭軋制、連鑄連軋一體化等更為緊湊的工藝布置為主，進(jìn)一步提高成材率，縮短生產(chǎn)周期，并向著基于區(qū)域性廢鋼利用特征，成為綜合型處理加工中心方向發(fā)展。

（3）優(yōu)棒裝備水平和自動化控制發(fā)展，仍將持續(xù)關(guān)注產(chǎn)品質(zhì)量提升和穩(wěn)定性，尤其在減定徑機(jī)組、 基于更高程度自動化集中管控以及離線精整方面。

（4）未來一段時(shí)間內(nèi)，鋼鐵業(yè)將加速科技創(chuàng)新，在裝備水平、產(chǎn)品檔次創(chuàng)新能力、智能制造、綠色發(fā)展方面助力鋼鐵行業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展。