爐卷軋機的技術進步及存在問題

亓海燕，張同同，高振民，王俊海

(山東泰山鋼鐵集團有限公司，山東 濟南 250000)

爐卷軋機由一架或多架可逆式四輥軋機和左右兩個卷取爐組成，采用卷軋、加熱保溫和可逆的方式軋制，具有適合小批量生產、生產靈活、節省資金和占地面積等特點。爐卷軋機特別適合生產難加工、軋制溫度區間窄的不銹鋼，因此最初作為不銹鋼專用軋機，適宜的年產量在30～70萬t。后期爐卷軋機不斷升級改造，吸收融合連軋機的新技術，改進和安裝新設備，逐漸發展成為現代化爐卷軋機，產品質量有了顯著提升，可生產的規格品種擴大，除了生產不銹鋼板卷，還可生產高強鋼和專用板卷，可用于取代中厚板軋機[1-2]。泰鋼爐卷軋機的改進是其中比較有代表性的例子，泰鋼將爐卷軋機與連軋機結合起來，組成極有特色的爐卷軋機+三連軋的布局方式，發揮了二者共同的優勢，板形控制能力大大增強，產品質量較好和厚度規格增多，生產的碳鋼尤其是不銹鋼產品出類拔萃，馳名中外。本文簡單敘述了爐卷軋機的發展狀況、技術特點、布置方式等內容，為廣大中小鋼鐵企業發展板帶生產，走“品種與質量”之路提供參考。

1 爐卷軋機發展狀況

1.1 爐卷軋機的發展

世界上第一臺爐卷軋機在20世紀30年代建于美國，之后爐卷軋機的發展幾經興衰。爐卷軋機第一次得到鋼鐵工廠的重視是在20世紀50年代，當時特殊鋼的生產得到發展，世界共建有20臺左右爐卷軋機，這對帶鋼的生產發揮了重大作用。之后隨著世界鋼鐵市場需求的變化，爐卷軋機的發展也隨之進入停滯期或發展期。直到20世紀80年代后，爐卷軋機吸收連軋機的生產技術，產品質量提高，世界又新建8臺爐卷軋機，其中包括6臺不銹鋼爐卷軋機。進入20世紀90年代，爐卷軋機采用CVC、AGC及PC等技術，生產控制穩定性增加，產品寬度規格減少，厚度公差和板形有很大改善，質量也有明顯提升，發展成為現代化爐卷軋機，并可形成與連軋機互補的局面[1]。

1.2 爐卷軋機的使用現狀

大部分企業使用爐卷軋機來代替傳統的中厚板軋機，國內建有爐卷軋機生產線的鋼鐵企業主要有：安鋼、太鋼、南鋼、昆鋼、酒鋼、韶鋼、山鋼日照公司、泰鋼、中國臺灣Yieh聯合鋼鐵、江陰興澄特鋼、張家港浦項不銹鋼，其中安鋼、太鋼、南鋼、韶鋼、山鋼日照、江陰興澄特鋼產線生產寬板卷碳鋼，產品寬度規格可達3.52 m，可生產低合金鋼、造船板、管線鋼、壓力容器及鍋爐鋼、橋梁鋼等；酒鋼、中國臺灣Yieh聯合鋼鐵、張家港浦項不銹鋼生產線只生產不銹鋼，可生產200系、300系、400系不銹鋼等多個品種；泰鋼和昆鋼同時生產碳鋼和不銹鋼。

2 爐卷軋機基本概況

2.1 爐卷軋機的技術特點

軋制厚度小于8 mm、寬度超過2 000 mm規格的鋼板時，傳統中厚板產線和熱帶軋機產線生產難度大，卷取爐對帶鋼進行卷取和保溫，因而軋制過程中可有效控制板帶的溫降，但鋼帶在卷取爐內停留時間長，發生二次氧化，導致鋼帶表面氧化鐵皮厚，故爐卷軋機適應小批量生產和多品種寬帶熱軋產品，特備適合生產慢節奏、不易氧化、難加工的不銹鋼和硅鋼等鋼種；另外，爐卷精軋機為可逆式軋機，適應各種厚度的板帶與不同壓下制度，生產較為靈活，生產效率較高，節省設備投資和占地面積；與傳統的中厚板軋機相比，爐卷軋機生產線產品尺寸公差更精確、機械性能也更穩定，這種生產優勢在競爭激烈的板帶市場中增強了企業的競爭力。

2.2 爐卷軋機的運行過程

爐卷軋機主要由軋機本體、主傳動系統、板厚與板形控制系統、輔助系統、工作輥在線軋輥磨削裝置組成。兩個對稱分布的卷取爐是爐卷軋機的重要設備，主要作用是在軋制過程中按照設定的程序卷取板卷，爐內加熱可補償板卷溫度，以滿足軋制要求。運行時，出口卷取爐的上導板抬起，下導板放下，板帶經過精軋機軋制完第一道次后，經過一對上下夾送輥和上下導板的引導，帶頭插入該爐卷筒的槽口，槽口經系統控制提前轉至零位等待，卷筒轉動，板帶纏繞成卷，當帶尾軋制完后，帶尾由夾送輥制動不會進入卷取爐，而是反向進行第二道次軋制，入口卷取爐的上導板抬起，下導板放下，帶尾再經過上下夾送輥和上下導板進入爐內卷筒的槽口，卷筒轉動，板帶再次卷到卷筒上，依此重復軋制過程，軋到設定的帶鋼厚度后，入口卷取爐的上導板放下，下導板抬起，打開通道，板帶穿帶進入下一道工序。爐卷軋機及卷取爐示意圖見圖1[2-3]。

圖1 爐卷軋機及卷取爐示意圖

2.3 現代爐卷軋機的布局

爐卷軋機生產線比較典型的布置方案見圖2[4]。

圖2 爐卷軋機布置示意圖

第一種方案是單機架爐卷軋機式：兩個卷取爐對稱分布，中間布置一架帶立輥的四輥可逆軋機。主要用于生產厚度規格為4.5～50 mm的中厚板，年產量30～50萬t。例如安鋼3 450 mm、南鋼3 500 mm、韶鋼3 450 mm產線的布置。這種類型的軋機產線適合軋制100～150 mm厚度的板坯，軋制道次適當減少，無需布置專門的粗軋機。由于只有一臺軋機，因而相對投資較少，占地面積小。

第二種方案是雙機架串聯爐卷軋機式：兩個卷取爐對稱分布，中間布置兩架四輥可逆軋機和一架立輥軋機。世界上這種布置的爐卷軋機產線數量較少，例如昆鋼1 725 mm、捷克NOVAHUT1725 mm產線，年產量70～100萬t。這種布置使軋機和卷取爐內卷筒間及軋機間實現微張力控制，利于生產薄規格板卷；減少了卷取和開卷的次數，軋制效率提高，板卷長度方向上的溫度和力學性能的均勻性也提高，氧化鐵皮減少，帶鋼表面損傷減輕[5-6]。

第三種方案是傳統布置形式：一架帶立輥的可逆四輥粗軋機后面布置一架帶兩個卷取爐的爐卷軋機?？缮a不銹鋼或碳鋼板帶，年產量在80萬t左右[7]。酒鋼1 500 mm產線等采用的這種方案。

第四種方案是五機架式：一架帶立輥的可逆四輥粗軋機，后面布置一架帶兩個卷取爐的爐卷軋機，緊跟著三架連軋機，和第二、三種布置都適用于常規厚度板坯軋制。芬蘭Outokumpu1 800 mm產線最先使用這種布置[8]，泰鋼1 800 mm產線在2015年也改用了這種布置。其主要目的是擴大產量，年產能可提高至約110萬t；其次是爐卷軋機本身固有的問題導致板帶的厚度公差波動較大，使用熱連軋機可改善板形問題，均勻板帶厚度。

3 產品工藝和表面質量問題

現代化爐卷軋機由于采用了熱連軋機的新技術，產品質量有了很大提高，板形和厚度的控制能力都有了大幅度增強，但由于爐卷軋機本身結構設計固有的特點，與熱連軋機相比，生產工藝和產品仍存在諸多問題，比如帶鋼頭尾溫差大，性能不均，板坯厚度規格受限；產品表面劃傷、異物壓入等缺陷較多。

3.1 薄規格產品生產困難

爐卷軋機產線的產品規格大部分都在3.0 mm以上，低于1.2 mm的板帶產品目前尚未見有報道，而熱連軋機已經可生產0.8 mm厚的板帶。對冷軋來說熱軋板帶越薄越好，這樣冷軋道次減少，成本降低，成材率也提高。這使得爐卷軋機與冷軋生產無法得到較好的配合。

造成這種現象的原因是板帶縱向(尤其是頭尾)與橫向溫度不均勻[9]。由于爐卷軋機本身的結構特點，軋制時板帶頭尾不進卷取爐，另外卷取爐內卷筒溫度也低于板帶溫度，致使板帶未得到加熱保溫的一段長度和纏繞到卷筒上的一段長度溫度低70～80 ℃，而連軋機頭尾溫差一般在30 ℃以內。這樣板帶頭尾溫度特別是頭部溫度過低，變形抗力大，AGC來不及反應，導致頭尾部過后一段鋼帶的厚度偏差大，板形也很差。同時，板帶長度方向的力學性能也因此不均勻。圖3為生產某鋼帶時測厚儀顯示結果，顏色越接近橙色表示板帶厚度偏差越大，越接近綠色表示板帶厚度越均勻。由圖3可見，鋼卷頭部長度約20 m的范圍內，厚度偏差較大，鋼卷橫向上厚度也不均勻。

圖3 測厚儀顯示鋼卷厚度和板形照片

3.2 頭尾麻面缺陷

對于爐卷軋機生產線的產品，其表面質量常見的問題就是麻面缺陷(見圖4)。當異物落入并被壓入板帶表面后，異物黏附在表面或脫落，形成暗面或亮面麻面缺陷。造成這種缺陷的原因有很多：①加熱爐的溫度一般為1 100～1 250 ℃，板坯在加熱爐內會形成一層厚約0.5～1.0 mm的氧化鐵皮，經過高壓水除鱗后，氧化鐵皮有殘余，尤其碳鋼的氧化敏感性遠大于不銹鋼(碳鋼在整個軋制過程中不停生成氧化鐵皮)，并且板帶在進入卷取爐內加熱保溫時，也會生成氧化鐵皮，板帶由下上導板進入卷取爐槽口時與卷筒摩擦，氧化鐵皮粘到卷筒上，使卷筒表面形成較多積瘤，板帶頭尾與導板接觸時導板也會粘到少量氧化鐵皮，再次軋制時這些氧化鐵皮可能脫落；②由于爐卷軋機的固有特性，卷筒長期處于800 ℃以上的高溫環境，盡管其材質為耐熱鑄鋼，但仍會發生氧化，形成一層表面氧化層，氧化層可能脫落；③爐卷軋機有兩個卷筒，卷筒內襯為耐火材料制成，在使用過程中由于軋機振動等原因，導致耐材脫落。

圖4 板帶頭尾麻面照片

3.3 頭尾劃傷

頭尾劃傷是爐卷軋機板卷產品的另一大缺陷(見圖5)。因為板帶頭尾進、出卷筒槽口時，需要從卷取爐下、上導板滑過，導板上沒有類似輥道的可轉動輥，板帶頭尾與導板全部為相對摩擦，該過程中有大概率產生劃傷缺陷。

圖5 板帶頭尾劃傷照片

屈服420級別以下的卷軋板帶，頭尾麻面與劃傷缺陷長度基本在9 m左右，并隨著板帶強度升高，板帶頭尾麻面的長度也隨之增加，管線鋼、高強板和鎳系鋼的缺陷長度最大能達到15 m。卷軋板帶頭尾麻面與劃傷缺陷的改判比例非常大，比如南鋼爐卷軋機產線一件200 m的軋件，普板卷軋頭尾麻面劃傷改判長度為18 m，改判率為9%，高強板卷軋頭尾麻面劃傷改判長度為30 m，改判率為15%，不僅影響非計劃指標，還會影響合同兌現，給企業造成較大損失。

3.4 擦 傷

板帶經過卷取爐和卷取機都可能出現擦傷缺陷(見圖6)。這是因為在卷緊和開卷過程中，板帶所受的軸向力或環向力大于板帶層與層間的靜摩擦力，層與層間發生相對滑動，因而在彼此接觸的點或面上產生一定深度的擦傷(見圖7)。爐卷軋制時使用活套壓制板帶，控制板帶運行速度；精軋結束后一般要求尾部低速拋鋼，來減輕擦傷的程度和范圍。

圖6 板卷擦傷原理示意圖

圖7 帶鋼表面擦傷照片

其他還有頭尾穿帶過程中存在失張，容易出現鐮刀彎，剮蹭側導板；鋼帶在卷取爐內停留時間長，鋼帶表面發紅；導板黏結的氧化鐵皮硌傷板帶頭尾等問題，此處不再一一詳述。

4 改進措施

爐卷軋機最開始使用時由于本身設計上的瑕疵，再加上操作技術較為落后，生產的板帶表面質量差，厚度偏差大，板形也很差，19世紀80年代后問世的爐卷軋機不斷升級改造，使用了許多連軋機工藝與設備方面的新技術，盡管其本身固有的問題短時法得到根本解決，但生產的板帶產品質量已經有了很大改善，生產穩定性及對厚度和板形的控制能力大大提高。

4.1 技術升級

為使用爐卷軋機生產更薄規格的產品，需要改善或解決板帶頭尾溫差大的問題，常規措施有增大壓下量以減少卷取和開卷的次數、增大軋速、縮短軋機與卷取爐的距離、應用交流變頻技術減少軋制反轉時間和提高軋機的可逆反向加速度、減小卷筒直徑以改變板卷與卷筒直接接觸的面積等。為改善爐卷軋機板帶產品的表面質量問題，對加熱爐出來的板坯進行一次除鱗，精軋前利用高壓水進行二次除鱗，水壓提高到20～24 MPa，來減少板帶表面的氧化鐵皮，及時清理或更換卷筒與導板，減少麻面和劃傷缺陷的數量；使用CVC工作輥傳動技術和工作輥彎輥技術改變輥縫的基本形狀，調整凸度和楔形，改善板帶寬度方向上的厚度均勻性；使用液壓AGC技術控制板帶縱向上的厚度均勻性，減少厚度公差，均勻板形等。

4.2 設備改造

除了對生產技術升級外，還對生產設備進行合理的改造，如飛剪前安裝熱卷箱，調換鋼帶頭尾順序；縮小卷筒直徑以減少板帶頭尾與卷筒接觸的面積；安裝除塵設備以吸附灰塵和氧化鐵皮粉末；或在軋機與卷取爐之間安裝加熱設備，但要預留出相機的位置等。

2015年，泰鋼爐卷軋機1 800 mm生產線在西馬克公司的建議下對其生產技術及設備進行了一次重大升級改造。原本的傳統軋線布置被換為五機架式，即1+1+3模式，拆除爐卷軋機之后的部分層流冷卻裝置換成了三架連軋機。技術升級主要表現為使用自動化控制系統，采用CVC plus串輥系統以增加產量和改善板帶的幾何產品質量；使用液壓型爐卷活套，配有強力液壓缸實現動態位置/力控制，以保持恒定的帶材張力，提高穿帶穩定性，特別是針對鋼帶頭尾部分，利于縮小鋼卷整體溫度差異，提高生產效率。

泰鋼該升級改造取得顯著成果：軋制提速20%以上，同時廢鋼率大大降低，在重新開工后的三個月內由3.1%縮小為0.2%；35%以上的帶材厚度薄至2～3 mm，頭尾的厚度偏差控制在50 μm，內部厚度偏差控制在15 μm，經過優化調試后厚度指標幾乎達到常規熱軋標準；軋線產能達到100萬t/年，可以生產普碳鋼、低合金高強鋼、奧氏體、鐵素體、馬氏體、雙相不銹鋼和刀具鋼等多個品種和規格產品，其中不銹鋼產品知名度享譽海內外，奧氏體不銹鋼獲中國不銹鋼行業名牌產品，06Cr13熱軋鋼帶獲中國鋼鐵協會冶金實物質量“金杯獎”和中國冶金行業品質“卓越產品”，鐵素體不銹鋼產能國內名列前茅。

5 結 語

爐卷軋機具備廣泛的市場適應性。一方面國內外對不銹鋼的需求持續快速增長，但不銹鋼生產能力和規模還遠不能滿足當前和未來的消費需求；另一方面，世界鋼鐵市場從大批量、單品種向小批量和多品種傾斜，這些既給爐卷軋機帶來了挑戰，更帶來了機遇，使其擁有較好的發展前景。

盡管現階段爐卷軋機仍存在較多問題，但因其比較適應當前的鋼鐵市場，在未來較長一段時間內在生產熱軋中厚卷板方面尤其是生產不銹鋼方面會繼續發揮重要作用。應該繼續改進爐卷軋機的不足之處，進一步發展卷軋生產工藝，擴大品種及規格范圍，挖掘爐卷軋機的潛力，增強爐卷軋機在軋鋼工業上的競爭力。