现代炉卷轧机

世界金属导报/2006年/11月/7日/第A04版专题报告现代炉卷轧机翁心木约翰·托马斯最近几年来，上世纪30年代就发明的古老的炉卷轧机技术，因为技术的更新和改进又重新呈现出兴盛。

除了许多旧的炉卷轧机被中国和印度收购和搬迁外，最近更有许多新的炉卷轧机建成并投入生产。

根据我们的统计，从1995年以来，有15台新的炉卷轧机建成投产（其中北美5台，中国4台，东南亚2台，日本和欧洲各2台）。

上述数字也包括两个中板轧机改成的炉卷轧机。

另一个需要提及的是这些炉卷轧机并不都是传统的、像以往所建造那样的炉卷轧机，它们的布置与过去一般的热轧机有许多不同之处。

它们中间有许多生产中板的、单机架的卷板轧机（COILPLATE R MILL），生产供冷轧用的、热轧卷的双机架的连续可逆轧机，以及几台生产不锈钢和特殊合金的传统式的炉卷轧机。

还有几台炉卷轧机仍在设计过程中，更有许多客户正在计划建造新的炉卷轧机。

过去，当人们谈到炉卷轧机时，它的缺点也总是同时出现在他们的脑海中：产量低和质量差；头尾的损失致使收得率很低；表面质量有问题；带卷温度不均匀；产品厚度有限，特别是生产薄规格；生产与维修成本很高。

由于这些原因，过去成功的炉卷轧机仅仅限于专门生产不锈钢的商家。

虽然历史上全世界有一半的不锈钢是由炉卷轧机生产的，然而，成功的使用炉卷轧机进行普碳钢生产却寥寥无几，但是，现在情况已经出现很大改变。

1、炉卷轧机的物理原理在一台可逆轧机的两侧增加炉卷炉来生产薄规格产品的必要性是由物理的定律所决定的。

显而易见，当材料轧到35mm以下时，轧件的表面积迅速增加，温降速率也增加得非常快。

这是因为热辐射直接与轧件的厚度有关，因为它决定了轧件的表面积。

众所周知，热轧的关键是在一定的温度上完成轧制，否则，坯料会变得太硬，致使其抗变形力太大，而无法继续加工。

因此，在热轧过程中，只有两个办法能解决这一迅速温降的现象：1）用多机架的连轧机架进行升速轧制：第一个办法是利用多个机架尽快地完成轧制过程，并且利用升速轧制来补偿轧制过程中的温降。

这就是多机架轧机的工作原理。

当然这是一个可靠的、常见的生产方法，在世界上已经得到广泛应用，但是，它需要巨额投资，同时也可以获得较大的产量。

2）利用卷取炉来保持轧件温度：第二个方法就是把轧件卷起来减少表面积，同时又加上炉卷炉来加温，这样轧件与环境的温差就会减低了。

这个方法在较低的生产量下也很有效。

也正是因为热轧过程的特殊性，人们通常会把它分为两个阶段，即初轧和精轧，也就会按照这两个阶段的各自特点去设计轧机。

除了温度和轧件厚度的不同，人们也给初轧和精轧赋予了各自特殊的要求。

通常初轧时轧件较厚，其温度较高，所以抗变形力也小，我们的目标是尽可能地加大压下量，减少坯料的厚度，用最少的道次把钢坯压到中间坯料（喂入精轧机的坯料）的厚度。

这也就是说初轧机需要较大的力矩以及大的咬入角，而速度则不是主要因素，因为此时料的长度有限。

因此，通常来说，初轧机都有较大的辊径以提供大咬入角和传送大的力矩。

另外，初轧机的主马达也是低转速的。

与此相反，对精轧机来说，轧件的温度已经较冷，而长度则很长，并具有较大的抗变形力，所以，精轧机需要较大的轧制力和较高的轧制速度。

2、对传统炉卷轧机的分析传统的炉卷轧机都由一台可逆初轧和精轧机两部分所组成。

其实它也只就是用一个可逆的精轧机架配上两个炉卷炉来取代普通的半连轧而来的。

因此，这样的布置就自然成为炉卷轧机的经典布置。

过去的几十年中，钢厂建设投产了许多这样的轧机，而且还在继续生产，但是它们的比卷重都比较小。

它们在不锈钢的生产领域很成功，在管坯钢的生产中也能被接受。

其主要原因是因为不锈钢不易生成氧化皮，即便有了也会在后来的酸洗退火冷轧过程去除，而且其生产量不会超过每年100万t。

而管坯钢的表面要求不高，产量也同样不高。

正因为传统的炉卷轧机是由普通的半连轧机演变而来的，只不过用一个精轧机架带两个炉卷炉取代了多机架的精轧机组，因此，他们的轧机长度相似，布置非常接近。

通常在精轧机组前设有一台飞剪。

从初轧到精轧的中间坯料厚度为25～35mm。

从初轧到精轧的距离由中间坯料的厚度以及“比卷重”决定。

炉卷轧机也具有一个大辊径、低转速高力矩的初轧机和一个大轧制力、高转速的小辊径的精轧机。

所以，过去的轧机供应商遵循了这些经典的设计原则，因此这些精轧机不能承受大的力矩，无法进行大压下，这就在很大程度上限制了中间坯料的厚度。

在建造和改造了许多传统的炉卷轧机后，西马克・德马克・铁本斯的工程师们意识到了这样的传统炉卷轧机的不足之处。

下列的问题就是传统炉卷轧机的通病：1）由于飞剪的限制以及精轧机力矩的限制，中间坯料的厚度也就要限制得较薄。

这样要生产19～21kg／mm的热卷，初轧到精轧机的距离就会很长。

而辊道的速度是有限的，致使如此薄的中间坯料在长距离传送的过程中温降过大，温度分布曲线极差，头尾温差过大，带钢质量不好。

2）对于热半连轧机来说，初轧和精轧的轧制时间是基本平衡的，各自需要1～2min左右。

而对于传统的炉卷轧机来讲，就很不平衡了。

初轧的操作通常仍为1～2min，而精轧机却需要6～10min来完成。

因此，初轧机总是运行不足，精轧机总是在运行并花去大量的时间。

这种不平衡在轧制薄规格带钢和在轧制较大比卷重的钢卷时，就会变得越发严重。

对轧制时间而言，初轧只占7%～17%的总时间，而就材料的轧制长度而言，初轧只占3%～10%。

因此，两个轧机机架如此不平衡显然是不合理，也是不经济的。

3）传统的初轧机只是用来把板坯轧成中间坯料以进行精轧。

人们对中间坯料的板形和凸度关注不足。

因此，初轧机往往非常简单，甚至两辊的轧机也在多年来认为是可以接受的。

后来发现初轧时生成的凸度和坏的板形在精轧时不可能得到改善。

为了生产平直的钢材，初轧机的设计也同样是非常重要的。

这样，初轧机的价格也就不断增加，逐渐向精轧机靠拢。

4）为了轧制较大比卷重的带卷，对较厚的料进行炉卷轧制是关键所在。

今天，卷轧坯料的厚度为25mm，而过去是15～20mm。

这就意味着中间坯料的厚度要增加。

这样就要求精轧机也能承受一定的力矩来轧制比较厚些的中间坯料。

这样，上述初轧、精轧的不平衡就会更加严重，也使得初轧机与精轧机的差别变得越来越小了。

5）另一个关键设备是飞剪。

普通的半连轧轧机必须有这台飞剪，以切除带钢的头尾，确保带钢顺利进入精轧机组。

主要原因是带钢要穿入多个机架，头部的缺陷可能造成穿带的不顺，形成轧废，所以非剪不可。

然而，炉卷轧机的穿带慢得多，而且还可以退出重穿带。

这样，是否要在35mm厚的时候进行切头就变得令人质疑，因为通常在35mm厚的时候，料的“舌头”或”鱼尾”尚未形成，在这样的厚度下进行切头就更有疑问。

在炉卷轧机操作时，这种防御性的飞剪切头不是非要不可的。

6）炉卷轧机有一个特有的穿带卷取操作过程，但是这个往返可逆的炉卷过程会使得带钢表面长期暴露在空气里，也会造成其独有的产生表面氧化皮。

7）传统的炉卷轧机也有两个机架，一个初轧一个精轧，但是其初轧大多数情况下是闲着的，而精轧机则总是在工作，而且总是生产的瓶颈。

8）普通炉卷轧机与半连轧的轧线长度几乎相同，主要差别只是一个精轧机带两个炉卷炉取代6个精轧机组。

考虑到其他的厂房和工辅设施，其投资成本也相去无几，所以传统炉卷轧机的投资与其产能相比仍然较高。

以吨钢投资相比，它甚至比半连轧更高。

认识和考虑到上述传统炉卷轧机的缺点和不足，西马克・德马克・铁本斯的工程师发展了炉卷轧机的设计，进行了技术改进，使得现代炉卷轧机成为半连轧机的有效替代品，也赋予炉卷轧机以新的用武之地。

3、单机架炉卷轧机对传统炉卷轧机的分析表明，初轧与精轧严重不平衡，也知道现代轧机既需要初轧机生产板形好的、凸度小的中间坯料，也需要精轧机有一定的力矩，能轧制厚一些的中间坯料。

这就意味着传统的初、精轧的区别已经逐步减少，下一步就是初、精轧合二为一的单机架炉卷轧机。

早在1980年，西马克・德马克・铁本斯的工程师就在南非建造了第一台单机架的炉卷轧机。

最初，这台轧机是为了满足客户的有限投资而建造的，但是它却成为了炉卷轧机技术上的一个突破。

虽然这台轧机成本极低，它却向全世界证明单机架的炉卷轧机不仅是可行的，而且还可以生产质量很好的带卷。

特别有意义的是它可用于生产表面质量要求很高的不锈钢，能够把200mm 厚的板坯轧到3mm的带卷。

由第三方做的一个研究发现：这台单机架炉卷轧机生产的带卷质量与由一台由相似半热连轧机生产的带卷，以及与由第三台传统炉卷轧机上生产的带卷几乎没有任何差异。

当然，这三台轧机的主要区别仅仅是年产量。

单机架炉卷轧机的优点总结如下：设备便宜，投资较低；与传统炉卷轧机或半连轧机相比，其轧线长度短得多；能够生产大比卷重的带卷，如19.6kg／mm；可以轧制任何厚度的板坯，从50mm厚板坯到薄板坯；温度分布比传统的炉卷轧机有所改善，因为不必把轧件从初轧机传送到精轧机；初轧、精轧由同一机架完成，使中间坯料的板形改善，最终产品质量也有所改善；所需场地减少，降低了施工费用；产品范围很广，迄今这种轧机可用来生产不锈钢、铝材、黄铜、超级合金以及各种碳钢；理想的TSP工艺的轧机选择。

然而，单机架的炉卷轧机也有其限制和不足，概述如下：轧机的设计要对工作辊的直径做一些妥协，其直径通常要比普通的初轧机小些而比普通的精轧机大些，其主马达的选择也要考虑到较大的力矩，也要兼顾一定的终轧速度。

单机架的炉卷轧机产能有限。

但是不管怎样，单机架炉卷轧机的成功打破了人们过去对轧机设计的盲目教条──非要由初轧和精轧机来生产带钢，也为单机架新技术打开了新的应用大门。

4、双机架炉卷轧机上面已经谈到传统炉卷轧机设计上的问题，单机架炉卷轧机解决了主要的问题，却有其自己的缺点。

西马克・德马克・铁本斯的工程师挑战了传统的轧机设计及初精轧的教条，并找出新的方案，这就是双机架炉卷轧机。

它有两个完全相同的机架，既作初轧又当精轧机。

这就是用于生产带卷的最理想的炉卷轧机。

这一个独创的设计在很大的程度上解决了上述单机架的一些问题，综合了炉卷轧机和连轧机的许多优点。

这种双机架炉卷轧机能够生产高质量的带钢，其产能则可以超过每年百万吨。

目前世界上已有两台正在生产，第三台正在兴建之中。

这两台已经投产的双机架炉卷轧机运行非常成功，充分证明了双机架炉卷轧机的巨大优点：轧线非常短。

一般来说，从加热炉的中心线到卷取机的中心线相对缩短，比单机架的炉卷轧机还要短。

这是因为双机架的连轧使得中间坯料的厚度减薄。

这不仅降低了设备投资成本也减少了施工成本。

这种轧机的吨钢投资约为120美元，这比普通的传统炉卷轧机要低很多。

因为这两个机架总是同时工作，分享了同样的负担，而不像传统炉卷轧机初轧、精轧的那种不平衡──初轧总是工作不足，大多时间空闲，而精轧机忙得来不及。