唐山全丰薄板连铸连轧生产线改造工程开工 – 钢厂新闻 :: 新闻中心_中钢网

2月15日,唐山全丰薄板连铸连轧生产线改造工程开工。  唐山全丰薄板连铸连轧生产线改造工程位于河北省唐山市丰南区小集镇,轧线东西长430米,宽两跨66米,设置一台年产量为150万吨的1350薄板轧线。该工程共分七个区,分别为连铸改造区、加热炉区、初轧区、精轧区、卷曲区、成品区和公辅区,计划工期455天。工程完工后,新增加的生产线将大大提高产品的生产效率和性能,更利于节约成本,更加适应市场需求。

2002年秋,世界上第一条无头连铸连轧ECR生产线在意大利ABS-Luna投入生产,开创了特钢长材生产的新纪元。它是具有竞争力、灵活、全自动、节约成本的新一代优质棒材和棒卷生产的先驱。
无头连铸连轧ECR技术
ECR无头连铸连轧工艺实现了从钢水到成品轧材,包括在线热处理和检验在内,无头单线不间断生产。
ECR无头连铸连轧是将调整连轧机通过一在线均热底辊式隧道炉同轧机直接相接,实现了方坯从连铸机供给轧机、不间断地直接轧制。
其主要优点有: ·较高的生产能力。 ·较高的效率和利用率 ·提高了成品收得率。
·降低了能耗。
·成品质量均匀一致,具有良好的机械和工艺特性、严格的尺寸公差和良好的表面质量。
·可向市场提供直接经在线热处理和检验后的产品,避免了离线处理工序。
·减少了半成品中间运输。 ·供货期短:从接到定单到成品交货仅用数天。
ECR无头连铸连轧技术即适应于特钢,又适应于普钢生产厂,其主要优势均相同,相应侧重于产品质量和生产能力。
1 ECR无头连铸连轧技术在特钢生产厂的应用
理想的生产能力为50万t/a,产品为用于机械加工行业、汽车制造工业、以及其他特钢应用领域的优质圆钢、方钢、六角钢棒;线材和棒卷。
ECR无头连铸连轧用于特钢生产时,主要有可生产优质的产品、直接从轧线生产出成品、以及相应的经济回报。在线热处理、质检和质量控制系统,可以保证不经离线再加工,就可向市场提供所要求的优势产品。
2 ECR无头连铸连轧技术在普钢生产厂的应用
在这种情况下,ECR技术的主要优势是使工厂在非常广的产品类型和规格范围内,具有非常高的生产能力。生产圆钢、螺纹钢筋
线材和棒卷、中/小型钢、工字钢和特殊型钢的能力在80万t/a左右。
普钢生产无需建设在线热处理和产品表面处理设施,可减少建厂投资,降低生产成本。ABS
Luna ECR无头连铸连轧厂的主要特点 ABS Luna
ECR无头连铸连轧厂的设计能力为年产50万t特钢成品,车间生产能力为90t/h。
这套生产线可生产机械制造和汽车工业所需的大范围钢种的圆钢、方钢以及大棒卷。主要工业参数和产品大纲见下表
———————————————————– 生产能力
50万t/a ———————————————————–
钢坯规格 160×200mm
———————————————————– 钢种

图片 1

碳钢、表面硬化钢、淬火回火钢、微合金钢、轴承钢、 弹簧钢、不锈钢

成品规格———————————————————– 棒材
直径20mm~100mm的圆钢 40mm~100mm的方钢
———————————————————– 棒卷

摘要:对材料制备与塑性加工方面的智能控制特点进行了介绍与分析。首先对钢铁、铜及铜合金管材连铸连轧过程控制加工特点进行了阐述,其次介绍了镁合金的“轧制—等通道角挤压—拉制”连续加工制备技术和镁合金薄板半固态双辊铸轧工艺。对于薄板增量加工成形技术,介绍了飞机整体壁板增量压弯技术、薄板单点无模增量成形技术和多点无模增量成形技术。讨论了薄板可动凹模液压成形技术、异型截面管件液压成形技术和细长杆件空间弯扭成形技术原理。最后对于微小件加工技术进行了简要介绍。关键词:智能塑性加工;材料制备;增量成形;微加工1.

随着高性能新材料技术和信息技术的发展及航空航天、汽车、兵工、电子行业的需求,材料制备与加工技术近年来发生了很多重要变化,反映在塑性加工制备技术方面更为明显。一方面是材料制备技术向集成性、连续性发展,例如钢铁材料和有色金属的连铸连轧技术,已实现了钢铁、铝合金、铜及铜合金甚至镁合金制备的产业化。由于使用了先进的熔炼、凝固、轧制和拉伸技术,例如电磁铸造、控轧控冷、行星旋轧、二连拉和盘拉等技术,生产中还涉及到连续退火、自动电加热和表面处理,生产的每一个环节都需要进行计算机控制。材料制备的另一个特点是,不但要控制材料的形状精度,还要控制材料的微观组织和性能。尤其是专家数据库技术、KBE技术和计算机模拟技术在这些加工生产中得到了施展的空间,一些生产还达到了在线控制的程度。另一方面,零件加工制造技术因为新材料的出现和工业需求的变化发生了一些明显变化。例如一些复杂形状零件的加工技术正在向全过程计算机控制和数字化制造方向发展。近年来出现了多种新技术,例如飞机整体壁板的增量化成形技术、复杂板件的单点无模增量成形技术、大型曲面板件的多点无模成形技术、汽车管件的液力成形技术。这些技术的特点是采用柔性制造系统,模具多为形状可调或无模,全过程数控,采用先进的专家数据库系统,计算机模拟已成为工艺设计和模具设计的必要手段和前提。这些方法也同时具有快速成形的特点,而且在未来的发展过程中,智能化设计与控制将逐步增加。由于通讯、IT行业的发展,微塑性加工技术正在兴起。由于零件均在500nm-500μm范围内,材料的尺寸效应、摩擦效应、微观性能表现发生了显著变化,模具的制造难度增加。而且零件肉眼无法观测,必须由放大镜和显微镜才能可视,测量方法和精度、检验手段也成为了重大难题。整个系统必须由计算机控制才能完成。以上各方面的发展足以说明材料塑性加工技术的发展必须依赖于数控和专家数据库技术、KBE及计算机模拟技术,以这些技术为前提条件,过去无法完成的加工技术已成为可能,生产率和产品质量将获得大幅度提高。2.
材料塑性加工制备技术的发展特点
材料制备技术的发展特点是各种技术的集成化,特点是短流程、高生产率。代表性的技术是钢铁及有色金属的连铸连轧技术和半固态成形技术。2.1
钢铁生产以鞍钢1780生产线为代表,我国钢铁生产已进入了连铸连轧的短流程时代。过去熔炼、半连轧、薄板轧制等多阶段加工已经逐渐淘汰,代之以连铸、初轧、精轧为特点的连铸连轧生产过程。这些生产线要求完全自动化控制。由于生产线采用控轧控冷等多道高新技术,对于设备、温度、变形、组织性能的控制必须由计算机进行在线控制,变形过程和其他加工过程的计算机模拟和专家数据库技术已成为保证稳定生产的重要条件。欧美等国已将计算机模拟技术和专家数据库技术应用于这类生产线,形成了专用的软件包。我国自“十五”以来也由国家科技部设立了973和863项目支持这些项目的研制,目前已获得了显著成果。2.2
铜管材铸轧生产技术以河南金龙公司为代表的一些企业在90年代引进国外专利,在其基础上开发了铜管铸轧生产技术,取代了传统的挤压、拉制生产技术,大幅度提高了生产率和产品质量。铜管铸轧生产中采用了连铸铜管坯、行星旋轧、二连拉制和盘拉技术。经过金属所的研究和大量用户使用证明,铸轧铜管经行星旋轧可以获得质量优于挤压加工的铜管材[1]。2002年,金属研究所为该生产线研制了铸轧专家数据库系统,并开展了行星旋轧、铜管拉拔、连铸过程的计算机模拟研究。这些研究成果已开始在金龙公司铜管加工生产线开始试用,取得了良好效果。2002年,国家科技部设立科技攻关引导项目,委托金龙公司进行铜合金管材铸轧技术的开发研究。这是进一步将铜管铸轧技术扩展到铜合金管材的生产过程中去,具有重大应用前景和学术意义。由于铜合金管材的加工制备要远远难于铜管材,表面质量差、塑性降低、硬化指数高,塑性变形抗力大,需要在线退火,对于连铸、行星旋轧和拉制提出了更大的难题,需要用计算机模拟及专家数据库控制技术控制整个生产过程。目前,铜合金铸轧生产中采用了电磁铸造技术、对铜管坯连铸过程采用计算及模拟分析、对行星旋轧和拉制过程均用Marc软件进行模拟计算分析,一套新的专家数据库系统正在研制。电磁铸铸造技术对于提高管坯表面质量和内部晶粒细化已起到了明显作用。这些手段对于铜合金管铸轧生产过程具有智能控制的作用。2.3
镁合金“轧制—等通道角挤压—拉制”连续加工制备技术近年来,镁合金及其应用在国内国外都获得了广泛的重视,但目前大多数产品都是使用压铸方法生产的,应用范围受到限制。而镁合金常温下塑性很低,需要在加热情况下进行塑性成形。而加热温度越低则生产越容易,成本越低。获得优质细晶镁合金坯料是较低温度下进行塑性加工的前提。细晶镁合金的加工制备途径一般只能通过大变形方法。等通道角挤压(ECAP)技术近年来在国际国内获得了广泛重视,并证明行之有效。但这一技术目前还无法进行材料连续加工,其使用还只能限于实验室内。如何用于生产是很多人在致力追求的。Perez
[2]提出了一种由轧制、等通道角挤压和拉伸工序组成的镁合金连续加工制备技术(Continuous
Combined Drawing and Rolling Pressing in
ECAP,见图1),原理是通过轧制为等通道角挤压提供挤压力,再由拉伸工艺提供拉出力以实现等通道角连续挤压,轧制可以是多辊的,等通道角挤压也可以是两道转角的。这项技术为等通道角挤压在镁合金制备方面提供了可能。但整个系统的实现难度很大,在装置研制、加工参数控制、变形分析方面必须采用计算机模拟和自动控制技术,用以协调整个加工过程的加工参数。

直径15mm~50mm的圆钢

工厂的主要特点: ·超高速连铸。 ·在连铸出坯线上直接热轧。
·由于轧机全线配备了轧机快速更换系统,具有“自由尺寸”轧制公差严密成品的能力,轧机利用率高。
·沿轧线配备了精密的在线尺寸控制系统。
·从中间包到最终成品实现全线温度控制。 ·在线退火、回火和缓冷工艺。
·在线机械除鳞。
·在线质量控制系统。从中间包到成品棒材进行高级过程控制,保证恒定的产品质量和快速缺陷检测。
钢坯断面为矩型,尺寸为200×160mm,根据工艺要求,二流高速连铸机可单流或二流同时生产,以保证实现全能生产。连铸机后安装有二个淬水箱。这是Luna
ECR生产工艺的基本设施。若连铸机后没有淬水箱工艺,直接轧制晶粒细化的表面硬化钢、铝镇静低碳和中碳钢是不可能的。
在高速连铸机及轧机间配有一125m长的辊道式隧道炉,其主要功能是控制钢坯温度,向轧机提供沿钢坯全长、和断面分布均匀的,具有精确温度值的坯料。隧道炉的前65m为双线段,具有45t的热缓冲能力。轧线由17架连轧机架平立交替布置,5台除鳞机,5台剪机和一条用于控制精轧温度的水冷线,KOCKS/达涅利减径定径将在RSB组成。
轧线上还配有自动测径系统,控制圆钢、方钢的尺寸,还有一个在线表面检测仪。
在轧机后,用一套长90m的直接淬火系统对棒材进行淬火和精确控制圆钢进入在线退火炉,或直接冷却到上冷床的温度。在线退火炉ONA布置在常规冷床后,对棒材进行缓冷,退火和回火处理。
棒材精整线由一套在线机械除鳞机、4台砂轮锯切机、棒材倒棱站、码垛站、打捆站和成品收集站组成。还配有圆钢、方钢在线无损探伤系统,由二台超声波和涡流探伤设备组成。
棒卷生产线精整线由二台带有特殊盘卷运输设备的加勒特卷取机、步进梁式盘卷退火炉、盘卷压紧打包、精整和成品收集设施组成。Luna
ECR厂开始达产 ABS Luna
ECR无头连铸连轧于2000年5月开始试生产,同年8月开始连续生产直条棒材。正式投产仪式于2000年9月举行。
此后即开始调整生产工艺以及生产周期,并逐渐转入各钢种试生产。从第一个月试生产得到有关工艺参数后,进行修改高速连铸机和轧机间的一些设备,以便改进铸坯温度及其冷却控制系统,这部分的改进,对于提高需经过淬火箱处理的钢种质理至关重要。
棒卷生产线于2001年2月投产,这条线是世界上第一次用同一根无头连铸坯轧制出数卷超重型棒卷的生产线。它已经能够生产直径15~50mm的圆钢,卷重可以根据用户要求任意确定。
位于冷床下游的在线退火炉于2001年9月开始试生产,由此就可以完成许多已在轧机区就已进行的在线热处理工艺,即:
·无需任何连续热处理,直接在轧线生产出的淬火回火棒材,就可以完成其经轧线后的直接淬火系统淬火后,完成后部的回火处理工艺。从而避免后续工艺的任何处理过程。
·所有需要进行退火处理的钢种,均可经过此在线退火炉退火处理,由此完成轧线低温精轧后的处理工艺。通过在线退火直接生产在线淬火回火处理后的优质钢棒捆属世界首例,是长材生产领域的里程碑。在线退火炉的一期仅可以处理长度为24m的直条棒材,并预留了将来扩建的可能性。
首期生产取得的满意效果,使得ABS决定,2002年初进行在线退火炉扩建,以便使在线退火炉能够处理长达50m的棒材。工厂的生产情况及最新实际生产结果
到2001年5月时,工厂每天二班生产,日产量达到约800t。目前,工厂继续在相同的条件下生产,根据钢种及所要求的热处理工艺不同,平均班产量超过1000t。
Luna
ECR原设计中的所有钢种和成品规格均成功地浇铸并直接轧制过。到目前为止,Luna
ECR厂的实际生产结果和操作参数已经证实了原来的预测及期望的经济效益。 Luna
厂的实际消耗和操作指标表明,如果与生产同样钢种、同样铸坯规格以及同样产量的传统连铸机相比,Luna
厂的高速连铸机,其节约的成本可达250万美元。
如此显著的连铸机生产结果,完全与原预期的效果相同,即高速连铸机的经济效益约占在整个ECR无头连铸连轧工艺效益的11%。
生产工艺技术的不断调整和优化,使成品质量已经达到很高的水平,95%~97%的产品完全满足用户的质量要求和技术指标。目标是达到99%的产品完全达标。这一目标适应于所生产的全部特殊钢种,尤其是要满足应用于汽车制造工业的所有钢种。自2001年7月开始,开始了世界上有史以来第一次对工程用钢进行最新退火,这样与传统离线热处理工序相比,极大地缩短了热处理时间。一些显著的结果汇总于下表:

图1:连续等通道角挤压技术

直条棒材

2.4
镁合金薄板半固态双辊铸轧工艺Wataru等[3]提出了镁合金薄板半固态双辊铸轧工艺。用镁合金AZ31B,AZ91D,AM50A和AM60B来做双辊薄带连铸。通过改变熔化原料的温度和上下辊子的转速确定合理的加工条件。对成品铸件的晶体的微观结构进行观察,发现在速度为25m/min时可以生产出2.0-3.0mm厚的镁合金板。发现通过半固态过程热辊铸造的镁合金板可以用来塑性变形,板件拉深比达到2.0。这一过程的生产无疑也需要自动控制和计算机模拟技术。

棒材规格钢种DIN标准 在线退火时间 硬度 得到的金相组织 相对应于离线热处理

直径66.5mm 42CrMo4 35min240HB 铁素体+珠光体 加工性能退火 直径66.5mm
Ck5540min210HB 铁素体+珠光体 等温退火 直径36.0mm 100Cr6 4h 210HV1

图2:镁合金薄板半固态双辊铸轧工艺

球化Cementite 球化退火

备注:常规工艺生产出的轧材,离线处理需要8~12小时。。

3. 增量成形技术3.1
整体壁板增量压弯成形飞机整体壁板增量压弯成形是“十五”期间由我国航空系统开发的。为此研制了专用成形设备和变形控制机构[4]。这一工艺如果靠人工控制是难以实现的,产品无法达到重复性,弹复无法控制。目前正在对这一典型的航空数字制造技术进行变形过程的计算机模拟并研制相应的智能专家数据库系统。

:常规工艺生产出的轧材,离线处理需要18~22小时。 棒卷

棒材规格 钢种DIN标准 在线退火时间 抗拉强度 得到的金相组织

增量压弯原理

相对应于离线热处理

(b) 压弯前的铝合金壁板 (c)
计算机模拟的增量压弯典型截面发生皱曲图3:整体壁板增量压弯原理及其模拟

直径20~26mm 30MnMoB335min550MPa 铁素体+珠光体 等温退火

2001年9月,生产出用户需要及规格的,经在线淬火回火处理的棒钢并销往市场。
关于成品质量: ·脱碳:完全无脱碳,或小于0.1mm。
·尺寸公差:对应于成品规格,尺寸公差在±0.065~0.125mm之间。必要时,经过对棒材全长进行严格的温度控制以及缩小“自由尺寸轧制”范围,对大部分规格的成品可以达到±0.05mm。实际上,公寸公差±0.05mm的值曾经已达到过,。
·表面缺陷:对于绝大部分的试验均等于或小于±0.1mm。主要原因是高速连铸工艺、连铸机到第一架粗轧机直接严格的温度控制,以及进入轧机前和轧制过程中的完美除鳞工艺。
·内部缺陷:绝大部分试样均无内部缺陷。
·棒材的平直度:冷床后得到的平直度为等于或小于2mm/m。这也是安全可靠地进入下游在线检测及其质量控制系统的基本要求。
(end)

3.2
板材单点增量无模成形板材单点增量成形技术是采用数控机床进行板成形加工[5]。刀具换成冲头,冲头在程序控制下走预定轨迹,板材局部产生变形,最后完成复杂零件的成形。日本Amino公司研究获得了成功应用,已经用于成形6米长的新干线火车头覆盖件。这种技术也是一种快速成形技术,由于不需要模具,只要将样件进行测绘,再编成程序,就可以加工出形状非常复杂的板材零件。

图4: 板材单点增量成形技术

3.3
板材多点无模成形该技术是将多个刚性冲头代替原来的刚性模具进行板材成形加工[6]。由于这些冲头的位置可以由液压缸侍服控制,因此整体模具的形状可调,整个工艺可以通过计算机进行加工控制,计算机模拟和专家数据库系统是该工艺的实施条件之一。目前已成功成形船体板件和合金球形壳体等,并可提供专用设备。

图5: 板材多点成形技术

3.4
杆件空间弯扭成形图6是用弯扭成形工艺成形的细长空间杆件。Thalmair[7]研制了专用设备,该设备需要同时对杆件两端施加弯曲力和扭矩,以实现杆件按特定要求的形状变形。设备施加的弯矩和扭矩、以及旋转速度和轴向移动速度都要按计算机软件确定的量值和轨迹进行,由此才能加工成形所需要的空件杆件。否则,无法实现杆件形状的重复性。这也是典型的智能加工过程。

图6:细长管件弯扭成形产品

4. 液压成形技术4.1
可动凹模液压成形图7是作者[8]发明的可动凹模液压成形件。由于成形中采用组合凹模,板件变形顺序可以控制,减薄均匀,成形极限提高,可以成形形状非常复杂的板材零件,目前已可以成形某航天板件。该工艺需要控制合模力、压边力、液压力、可动凹模背压力或移动速度,需要复杂的自动控制及加工参数匹配技术。

图7:液压成形工艺原理及成形板件

4.2
异型截面管件液压成形管件液压成形技术近几年获得了空前的发展和应用[9],也称为管件内高压成形。目前主要应用于汽车和航空管件的批量成形加工。由于管件需要轴向进给,该工艺需要控制合模力、轴向进给力及进给速度、液压力,也同样需要复杂的自动控制及加工参数匹配技术。是一种智能加工工艺。图8是工艺示意图及加工成形的汽车管件。

图8:液压成形工艺示意图与液压成形管件

5.
微加工技术
随着电子器件和通讯产业的发展、空间工程的进步和兵工技术的需要、医疗器械、汽车传感器和印刷技术的发展,微小器件加工技术发展很快。初期阶段由于需求较小,一般人们关注于机械加工技术。近来,加工批量日益增大,塑性加工的方法最适于大批量低成本的生产微零件,所以近来得到很大发展。所谓微零件通常的界定是至少有某一方向的尺寸小于100μm[10]。Geiger等曾制造出0.5mm直径,壁厚为50μm的微零件。Saotome挤压出直径为500μm,模数为50μm的非晶材料直齿轮。由于尺寸效应的影响,微零件成形比传统的成形困难,主要是因为[11],当零件小时表面积与体积比迅速增大,工件表面存储润滑剂相对困难,摩擦力足以影响零件的成形能力和质量;微小零件与工具间的粘着力、表面张力等显著增大;零件可能只有几个甚至单个晶粒构成,不能再看成各向同性的均匀连续体。微加工过程由于无法进行人工直接控制,整个系统需采用计算机模拟和控制系统,专家数据库系统是必要的。例如单点增量无模成形技术已经用来加工成形微型薄板件。6.
结论
材料制备加工、复杂形状金属零件的成形工艺已经发展到离不开计算机控制的阶段,计算机模拟、专家数据库技术、智能控制技术已成为先进塑性加工技术和传统塑性加工技术改造的必要手段。很多新工艺的出现都是以数控加工控制为前提的,过去无法实现的一些塑性加工工艺在智能控制等基础上都可以实现。参考文献[1]
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