棒线材免加热直接轧制工艺与控制技术开发

摘要

我国钢铁工业正面临着产能过剩、能源、资源、环境等问题的严峻挑战，如何有效的节能减排、降低生产成本成为亟待解决的问题。在此背景下，本文对棒线材免加热直接轧制工艺及控制技术进行了研发。采用该工艺后，铸坯切断后不经过加热炉，也无须补热，直接送往轧线进行轧制，完全省去了加热炉的燃料消耗，可以大幅度节省能源、降低生产成本。本文以国内某棒线材生产线改造项目为背景，围绕如何顺利实施免加热直接轧制工艺、实施该工艺后对轧机负荷及产品组织性能有何影响等问题展开研究。本文主要研究内容及成果如下: (1)开发了铸坯温度闭环控制系统，实现在安全生产的前提下大幅度提高铸坯温度。为此提出了带水量修正的拉速关联配水法，采用模糊控制算法对二冷区配水进行智能优化控制，使切割点处的铸坯温度比常规工艺提高100℃以上，为免加热直接轧制提供了保障。 (2)开发了适应免加热直接轧制工艺要求的切坯、送坯节奏控制系统，提出切坯、送坯节奏控制的原则，针对拉速可连续调整和不可连续调整两种情况，分别给出了切坯、送坯节奏控制策略和控制方法，并在此基础上建立了切坯、送坯节奏控制的知识库和规则集，以保证在最短的时间内把铸坯送到粗轧机组，且不对定尺率、成材率等产生负面影响。 (3)研究了免加热直接轧制工艺对各机架轧制负荷的影响，基于现场轧制实验测取的大量数据，在分析免加热直接轧制时各机架轧制负荷特点的基础上，提出粗轧机组负荷裕量优化分配的学术思想和相关算法，解决了粗轧机组个别机架负荷超限的问题。对粗轧机组力能参数计算模型和负荷裕量优化算法进行深入研究，针对棒线材粗轧机组平辊和立辊交替轧制的特点，在宽度和高度两个方向上使用交替迭代的方法进行负荷分配，采用二分法搜索确定综合负荷函数值。为棒线材粗轧机组负荷分配提供理论依据。 (4)研究了免加热直接轧制工艺对产品组织性能的影响，研究结果表明:与常规轧制工艺相比，免加热直接轧制工艺可以细化晶粒，提高产品力学性能。但由于存在头尾温差，产品头部晶粒细化较为明显，其屈服强度提高了10～30MPa;产品头部屈服强度比尾部高10～20MPa。 (5)为保证产品纵向上力学性能的均匀性，分析了利用生产线现有冷却装置消除头尾温差的可行性，提出了动态调整冷却水量的具体策略。采用ANSYS软件对轧件冷却过程的温度场进行模拟计算，根据计算结果对冷却工艺参数进行了优化设计。为消除在轧件长度方向上线性分布的头尾温差，所需的水流密度与轧件长度基本呈抛物线关系，且在现场条件允许的情况下应尽量加长冷却装置长度，以减小轧件心部与表面温差。 (6)在免加热直接轧制工艺条件下，采用精轧后穿水工艺生产的螺纹钢在存放和运输期间容易发生锈蚀。为提高螺纹钢防锈性能，提出了采用乳化液代替水对精轧后的螺纹钢进行冷却。在实验室条件下，研究了水冷、乳化液冷却两种冷却方式对氧化皮的厚度、结构及致密性的影响。研究结果表明:两种冷却工艺条件下形成的氧化皮均为三层结构，外层为Fe3O4层，中间层为FeO层，内层为Fe3O4层，中间层的岛状组织为Fe3O4。相比于水冷，采用乳化液冷却可以减少氧化皮中气孔、裂纹等缺陷，并且可以得到较厚且致密的Fe3O4外层，有效提高螺纹钢的防锈性能。 (7)本文开发的关键技术应用现场后，利用现场实测数据对免加热直接轧制工艺的实际应用效果进行了统计和评价，结果表明其经济效益明显，社会效益良好。对我国棒线材生产线的技术改造和升级具有积极的促进作用。

目录

声明

摘要

1．1研究背景

1．2小方坯连铸的特点及发展

1．2．1小方坯连铸的特点

1．2．2国内小方坯连铸机的发展

1．2．3高效连铸技术

1．3棒线材轧制的特点与发展

1．3．1棒线材轧制的特点

1．3．2棒线材轧机的发展过程

1．3．3棒线材轧制的先进技术

1．4直接轧制工艺的研究进展

1．5免加热直接轧制工艺概述

1．5．1免加热直接轧制工艺温度利用分析

1．5．2免加热直接轧制工艺的特点

1．5．3免加热直接轧制工艺的优势

1．5．4免加热直接轧制工艺的负面影响

1．6本文的主要内容

第2章免加热直接轧制工艺开发与分析

2．1实现免加热直接轧制工艺的基本条件

2．2实现免加热直接轧制工艺的关键技术

2．2．1合理提高铸坯温度与保温措施

2．2．2铸坯温度闭环控制系统

2．2．3切坯、送坯节奏控制系统

2．2．4粗轧机组负荷裕量优化分配

2．3免加热直接轧制典型工艺布置

2．3．1免加热工艺布置应遵循的原则

2．3．2连铸机与连轧机的连接方式

2．3．3剔坯方式

2．4免加热直接轧制工艺节能减排降成本效果分析

2．5本章小结

第3章免加热直接轧制工艺的计算机控制系统

3．1计算机控制系统概述

3．1．1计算机控制系统的结构

3．1．2计算机控制系统的软硬件介绍

3．1．3计算机控制系统的主要功能

3．2铸坯温度控制

3．2．1连铸二冷水控制

3．2．2铸坯温度场模拟计算

3．2．3铸坯温度闭环控制

3．3切坯、送坯节奏控制

3．3．1切坯、送坯节奏控制原则

3．3．2切坯节奏控制

3．3．3送坯节奏控制

3．4本章小结

第4章粗轧机组负荷分配的研究

4．1免加热直接轧制工艺对轧机负荷的影响

4．1．1免加热直接轧制实验

4．1．2开轧温度对轧机负荷的影响

4．1．3头尾温差对轧机负荷的影响

4．2粗轧机组轧制过程工艺参数计算模型

4．2．1变形抗力模型

4．2．2平均单位压力模型

4．2．4轧制力模型

4．2．5力矩模型

4．2．6轧件温度模型

4．2．7宽展模型

4．3粗轧机组负荷裕量优化分配

4．3．1负荷裕量优化分配的基本思想

4．3．2计算方法

4．4本章小结

第5章产品质量控制与工艺优化

5．1免加热直接轧制工艺对产品组织性能的影响

5．1．1组织与性能检测实验

5．1．2免加热直接轧制工艺对产品微观组织的影响

5．1．3免加热直接轧制工艺对产品力学性能的影响

5．2头尾温差的消除措施

5．2．1消除头尾温差的可行性分析

5．2．2中轧后预水冷工艺参数设计

5．2．3精轧后穿水冷却工艺参数设计

5．3提高螺纹钢防锈性能研究

5．3．1实验方法

5．3．2实验结果

5．3．3讨论

5．4本章小结

第6章现场应用及经济性分析

6．1．1生产线工艺布置

6．1．2生产工艺流程

6．2免加热直接轧制计算机控制系统应用

6．2．1计算机控制系统网络布置

6．2．2人机界面

6．2．3铸坯温度控制在线应用

6．3粗轧机组负荷裕量优化分配的应用

6．3．1负荷裕量优化分配离线计算软件

6．3．2粗轧机组负荷裕量优化分配的应用效果

6．4免加热直接轧制工艺节能减排降成本效果

6．5本章小结

第7章结论

参考文献

攻读博士学位期间完成的工作

致谢

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