國際先進棒材軋鋼技術綜述

丁 敬，方實年，余延慶，田 野

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

0 引言

“ 十三五”以來，我國鋼鐵行業供給側結構性改革不斷深入，鋼鐵工業由高產量向高技術、高質量發展轉變，近兩年，行業在創新中加快推進高質量發展。 隨著城鎮化、現代化建設的推進，棒材作為國民經濟和下游用戶所必需的基礎材料，被廣泛應用于工業、農業、交通運輸業、國防建設、住房及基礎設施建設[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；另一類為優質棒材，常指Φ12 mm～100 mm 的中小棒和Φ100 mm～300 mm 的大棒，主用于機械加工、汽車、船舶、航天等。 目前國內各種棒材產線愈1500 條，2020年中國和全球粗鋼產量分別為10.3 億噸和17.9 億噸，棒材份額分別約占24%和28%。

1 國內外熱軋棒材技術發展趨勢

目前熱軋棒材技術核心，是圍繞和提升“ 三高”（高產量、高精度、高質量）的綠色化、智能化發展[3-5]。熱軋棒材技術進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，以及與之配套的核心裝備的開發。

經過多年的發展積累： 目前棒材低成本制造理念、高品質產品工藝機理、高效生產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、控冷等先進的棒材軋制工藝已得到推廣應用；高剛度高精度軋機、智能高速剪切機、閉環控冷、在線精整熱處理、設備自動診斷、智能倉儲、大數據應用等現代化技術裝備已經逐步配套棒材產線。

2 普通棒材先進軋制技術

近年國際上圍繞普通熱軋棒材領域提產、增效相應推出來一系列先進技術和運營模式。 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、高剛度預應力軋機、機架快換、智慧化運營服務等[6-8]。 下面就國外幾個典型普通棒材先進軋制技術進行概述。

2.1 普瑞特 ERT-EBROS 長材鋼坯對焊技術

普瑞特于2006 年在歐洲首先應用ERT-EBROS鋼坯對焊技術。 2016 年萊鋼永鋒鋼廠引進國內首套該項技術，實現了150 mm 方、12000 mm 長的鋼坯對焊接合，用于軋制Φ12 mm～50 mm 鋼筋，產線實現了年120 萬噸生產能力，提高利用率3～6%。

2.1.1 ERT-EBROS 技術主要設備

主要設備包括：焊機、橫移車、使用變頻器的動態閃光控制系統、 毛刺去除和棱邊修整設備、ERTEBROS 機電一體化方案包等。長材鋼坯對焊技術如圖1 所示。

圖1 長材鋼坯對焊技術

2.1.2 ERT-EBROS 技術主要工藝

（1）出加熱爐的高溫鋼坯經高壓水除磷；

（2）由調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；

（3）前后鋼坯頭尾被動態夾緊保持相對靜止，焊機通大電流使結合部熔化，熔化速度通過動態調節兩鋼坯間結合部位間距控制；

（4）接合部融化量達預設值后，用液壓鐓鍛機構將兩塊鋼坯機械壓緊，使結合處熔融金屬迅速擠出凝固并形成凸起毛刺，達到結合完成焊接；

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

另外，接合處的毛刺去除和棱邊修整在開軋前不同工位實現。

2.2 達涅利EWR 無頭軋制與工字輪聯合應用技術

據報道，EWR 無頭軋制工藝與工字輪聯合應用，可使噸鋼生產成本整體約降230 元。

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

2.2.2 達涅利工字輪技術

達涅利工字輪技術2002 年投用于意大利，截止2016 年總計提供52 套，棒材最大直徑Φ32 mm的熱軋盤卷，最重可達5 t。 工字輪以熱軋棒材無扭曲卷取機為基礎，制成高質量、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，省去傳統離線開卷、拉伸矯直、再盤卷工序。 該設備技術核心是智能進料分配和在線溫度控制系統聯合應用實現卷取。

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

2.3 達涅利ECR 無頭連鑄連軋工藝技術

有預測表明2050 年全球70%鋼鐵需求將通過廢鋼滿足，以電爐替代轉爐的短流程生產趨勢顯著。 據此達涅利推出小型短流程鋼廠：MicroMill Danieli（MI.DA）。 其核心理念是“ 區域軋制/產品關注”，即針對一個特定的區域市場，依賴當地廢鋼供應，專注一個特定產品范圍。 達涅利ECR 無頭連鑄連軋工藝是小型短流程鋼鐵廠（MI.DA）生產特殊鋼和普通鋼種長材產品的一項革命性技術，它能夠實現從鋼水到完整的最終產品的不間斷生產，包括在線熱處理、在線質量檢測和精整、過程控制，實現了全線自動化生產。

2.3.1 達涅利無頭連鑄連軋技術特點

鋼水經連鑄機凝固后直接入軋機軋制，加熱爐被取消，不間斷的連鑄坯一直進行軋制，金屬收得率和節能達到最高。 接訂單后兩小時內得到產品，鋼水到成材生產時間小于15 min。

其中連鑄工藝的關鍵技術包括：超高精度的免維護高拉速振動模塊（低碳鋼拉速達到7 m/min），超高澆鑄速度的高效結晶器，鑄坯均溫感應爐，在線低溫超細晶粒軋制和直接軋制成捆技術等。

2.3.2 達涅利無頭連鑄連軋技術應用

22000 年秋季，達涅利第一套ECR 特殊鋼無頭連鑄連軋設備在意大利ABS-Luna 鋼廠投產，特鋼產能50 萬噸/年、普鋼80 萬噸/年。

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

2018 年6 月國內在桂林平鋼、山西建邦實施兩項工程，目前已投產。

2.4 新國標下的螺紋鋼生產工藝與裝備新技術

熱軋螺紋鋼新國標GB/T 1499.2-2018 已于2018 年11 月1 日開始執行，對比2007 版標準核心變化有：更嚴格重量偏差、抗震鋼筋反向彎曲試驗成為常檢項、增加了鋼筋金相組織（防止生產穿水馬氏體鋼筋）及斷面硬度差檢驗等。 高強度、抗震和耐腐蝕等高質量及綠色生產成為螺紋鋼發展方向。

2.4.1 原國標螺紋鋼生產工藝

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

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

2.4.2 基于新國標螺紋鋼生產工藝

基于新國標的要求，結合國內直條帶肋鋼筋兩種主要生產方法（多線切分和高速上鋼技術），采用切分法與高速上鋼相結合，自主研發了高剛度預應力軋機、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。在保證產量和產品質量前提下，降低螺紋鋼生產成本。

高速上鋼可生產Φ6～Φ8 mm 產品，同時可實現熱機軋制。 常規切分技術在提高小規格（Φ10～Φ20 mm）產品產量和建設投資上占優勢，但在產品尺寸精度、表面質量方面不如高速上鋼。 新技術將兩種生產方法結合，最大程度發揮二者的優點[9，10]。

3 優質鋼棒材先進軋制技術

優質棒材在航空航天、軌道交通和汽車等高端制造領域應用廣泛，對產品組織性能均勻性、質量穩定性要求苛刻。 調研表明，我國優質棒材仍處劣勢，如高端軸承市場70%以上被國外壟斷，某些產品壽命僅國外一半。 工信部《 重點新材料首批次應用示范指導目錄（2017 年版）》指出，未來13 種先進鋼鐵材料中，高檔軸承鋼和汽車用高端熱作模具鋼，是優質棒材的重點發展對象。

先進的優特鋼棒材生產技術是集原料管控、全連續精品棒材生產及產品質量管控、 在線熱處理、在線加工處理、 成品精整和智能控制技術于一體。此外，還有合金（優質）鋼棒材在線淬火～回火處理技術、減定徑高精度軋制技術和優特鋼棒材軋制特有技術裝備等。

3.1 先進優質棒材生產技術裝備

減定徑機組是生產高質量特殊鋼棒材的核心裝備，目前市場上主要有Kocks 三輥減定徑機組、達涅利DSD 四輥減定機組、 普瑞特EVO 2+4 輥減定徑機組和高剛度預應力兩輥減定徑機組。

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

3.2 軋鋼智能化關鍵技術

普瑞特、西馬克、達涅利的研發和應用表明，軋鋼智能化關鍵技術在軟件。 目前主要軟件有：TPO全流程工藝優化、TPQC 全流程工藝質量控制、TPKH 全流程工藝訣竅、PQA 過程質量管保系統、設備數字化遠程運維等。

軋鋼線落地工業4.0 的關鍵硬件中，達涅利指出：首要是在智能化軋機上采集現場信號和過程條件信息，以輔助生產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），安裝在連軋機軋輥、機芯和導衛等的RFID標簽，Q3～CM3 狀態監控系統（采用震動、軸承溫度、接軸扭矩等參數來檢測設備狀態），Q3-Intelligence數據驅動改善軋線運營，動態在線控制產量、質量工藝參數，以及棒線材軋制過程溫度場預測及組織預報系統軟件。

圖2 四棍減定經機組

3.3 智能化工廠

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

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

圖3 達涅利奧鋼聯多納維茨集控工廠

西馬克為美國大河鋼鐵建成投運的數字學習型鋼廠（見圖4），堪稱目前的全球典范。

圖4 美國大河“學習型”鋼廠

4 結語

（1）目前鋼鐵業已進入高質量發展階段。 以螺紋鋼為例，優質長材是市場的主導，高強度螺紋鋼在引導市場消費。

（2）國內外棒材技術均處于迭代升級中，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，進一步提高成材率，縮短生產周期，并向著基于區域性廢鋼利用特征，成為綜合型處理加工中心方向發展。

（3）優棒裝備水平和自動化控制發展，仍將持續關注產品質量提升和穩定性，尤其在減定徑機組、 基于更高程度自動化集中管控以及離線精整方面。

（4）未來一段時間內，鋼鐵業將加速科技創新，在裝備水平、產品檔次創新能力、智能制造、綠色發展方面助力鋼鐵行業的高質量發展。