热连轧机组高级别管线钢工艺优化

供稿|张冰，周宏伟，张霞 / ZHANG Bing, ZHOU Hong-wei, ZHANG Xia

内容导读

文章讨论了具有先进工艺和设备配置的本钢2300 mm热连轧机组在轧制高级别石油管线钢的过程中，优化板坯在炉时间，完善加热工艺制度，提高小时出钢数量；改进粗轧机架除麟水封水质量，试验投入双排水，加快粗轧区域板坯温降速度，优化粗轧轧制速度，试验利用R1空过期间的机架除麟水的冷却效果；调试精轧入口厚度、温度，对应产品性能检测结果，确定中间坯最优厚度及最优开轧温度；根据季节和水温变化，调整和优化终轧温度，以保持层冷冷却速率的恒定和带钢性能的恒定；改进层冷下集管喷水，优化水量，减小上下表面冷却能力的差异以及带钢上下表面的组织和性能的差异；全线过程控制、温度制度、速度制度以及压下制度规范化，通过2个月时间的稳定性确定，将上述制度固定，并形成高级别管线钢生产专用规范等手段实现保证产品的特殊的性能而要求的特殊工艺过程的。

本钢2300 mm热带钢连轧机组投产以来，品种钢成为其生产的重点，并且在产量中所占比例也逐渐增大，品种钢的生产具有钢种强度级别高、表面质量要求高、轧制稳定性差、控制难度大等特点，其中石油管线钢的产量比例逐年增加，尤其是高级别石油管线钢的需求量有了较大的增长，同时对钢材的性能、尺寸精度等的要求也日益提高。此类钢种强度级别高，轧制温度低，负荷大，温度控制困难，由于低温轧制和冷却速率高造成的板型控制难以及卷取强度和难度大等。这些特点就导致了该钢种小时产量低的问题。如何提高该类产品的生产能力、成材率，保证其附加价值的实现就成为生产组织管理以及产品质量控制工作的重点。

本钢2300 mm热连轧机组半连续式热轧带钢轧机，设计为900 t/h(按三台加热炉生产计算)。而X70以上级别的高等级管线钢，工艺设定上采用的是通过合金和稀土元素调质的方法，配合以轧制过程中的道次压下量以及温度控制等方法获得需要的金相组织结构，从而达到要求的机械性能，因此，该钢种小时产量远远低于普碳结构钢。

其工艺要点要求在炉加热的时间较长，并且出炉温度较低以及轧制节奏慢等，使得小时产量远远低于年产量要求，首次确定的工艺要点执行下，小时产量只有360 t/h的水平。经过技术中心等研发部门与2300 mm机组技术人员的共同努力，结合实际生产过程，优化加热炉热装工艺、调整了板坯出炉温度控制制度，将生产能力提高至420 t/h左右。

对比机组515万t/a的设计产量，需要保持机组生产能力在900 t/h平均线上，因此，420 t/h的生产能力仍然严重影响机组产能的发挥，改进和提升势在必行。

原因分析

2300 mm热连轧机组采用半连续式热轧带钢轧机配置，生产厚度为1.2~25.4 mm，宽度为1000~2150 mm的热轧带钢，年产量为515万t热轧钢卷，其中不锈钢卷65万t。生产的产品主要以高附加值热轧卷板为主，包括碳素结构钢、优质碳素结构钢、低合金结构钢、管线钢、造船用钢、焊接气瓶用钢、高耐侯结构钢、高强度结构用热处理和控轧钢板和钢带、桥梁用结构钢、汽车大梁用钢、IF钢、双相(DP)及多相钢(MP)、相变诱导塑性钢(TRIP)、300系列不锈钢、400系列不锈钢等。工艺流程布置图见图1所示。

随着我国能源工业的发展和技术进步，管线钢在长距离输油管道和输气管道的应用已形成规模，并成为石油行业的主流产品。管道运输是长距离输送石油、天然气的重要方式之一。为提高管道输送的运营效率，降低成本，管道运输正向大口径、高压输送方向发展。高压、大口径输送对高强度、韧性和焊接性提出了更加严格的要求，中国管线钢的级别在短短十年内已迅速从X60提高到X80。目前X80已成为国际上石油、天然气管线用钢中使用量最多的钢级。西气东输二线工程及中亚天然气管线工程是我国建国以来最大的基础设施建设工程之一，工程干线主要采用X80钢级，是迄今世界上采用X80钢级的最大管道工程。

将石油天然气从偏远崎岖地区运输至市场需使用在各种温度条件下均需要具有优异韧性的高压输送管线。这一目标可通过增加管线壁厚或钢的强度，以及通过两者的合理匹配来实现。增加壁厚导致建设成本增加，因此，在过去的10年里管线设计的目标一直在致力于采用高钢级的管线钢，如在各种设计温度条件下具有优异韧性的X80、X100管线钢等。

本钢2300 mm热连轧机组生产线是当前世界上规模最大、轧制能力最强的热连轧机组之一，主要用于生产热轧汽车板、冷轧汽车板原料、不锈钢、热轧双相钢(DP)以及高等级管线钢(X80、X100)等高附加值的产品，该生产线在设备选型、参数选择、平面布置等方面都进行了充分的考虑，为这些产品的生产提供了保证。

本钢高性能低成本的X80管线钢的开发研制，在合金元素、生产工序、产品生产周期等方面采用减量化生产技术，在保证管道安全生产的前提下，大幅度的降低了生产成本。该类钢种强度级别高，轧制温度低，负荷大，温度控制困难，由于低温轧制和冷却速率高造成的板型控制难以及卷取强度和难度大等等。本钢采用低Mo的合金成分，生产高性能、低成本、厚规格的X80管线钢，为保证组织细化，达到性能要求，采用低温大变形、大冷速、低卷取等技术手段，用于大批量X80热轧卷板的生产，但由于钢种设计具有加热时间长、轧制温度低、冷却速率大、卷取强度高等特性使得试制初期，高级别管线钢的小时生产能力仅在360 t/h左右，严重地影响了整个机组产能的释放。

本钢在高级别管线钢生产工艺设定上采用的是通过合金和稀土元素调质的方法，配合以轧制过程中的道次压下量以及温度控制等方法获得需要的金相组织结构，从而达到要求的机械性能。因此钢种设计之初的工艺要点要求出炉温度较低且在炉加热的时间较长，从而保证多种合金元素的固溶。

粗轧、精轧机区域的低温大变形是钢种生产工艺过程中的另一项制约产能提高的原因，是高级别管线钢轧制中的一个控制难点，是R2末道次温度、精轧开轧温度的控制，以及由此产生的对小时产量的巨大的影响。

钢种的高强度特征要求卷取前带钢冷却采用较大的冷却速率，为达到这个要求一方面在层流冷却效率上采用措施，同时要降低精轧机组轧制的速度，以保证带钢具有足够的冷却时间。

上述几项钢种特性造成的特殊工艺要求，最终导致高级别石油管线钢虽然是附加值较高的产品，但由于小时生产能力的偏低，没能实现理想的经济效益。

改进措施

工艺过程技术难点具体化：(1)如何合理控制和调整板坯炉内各段在炉时间及加热温度，平衡生产线轧制节奏的同时保证大量合金元素的固溶效果；(2)粗轧区域要求低温大变形的工艺过程，对轧件的冷却需采用一系列特殊措施，同时保证大变形的条件下，还需确保设备，特别是传动设备负荷的变化在允许范围内，从而保证机械设备的安全；(3)粗轧区域中间坯最终温度控制的措施和控制模式等，如何实现自动控制，提高作业效率；(4)精轧机组速度和冷却水的配合，压下负荷的各架分配，保证精轧区域钢种工艺的实现，为后续输出辊道上带钢冷却提供最稳定的条件；(5)层冷冷却水水量、冷却速率方面较高的要求，如何保证冷却段稳定，同时防止带钢产生严重瓢曲；宽厚规格高级别管线钢，强度级别高，对卷取机负荷影响较大，如何实现双台卷取机生产，如何控制好卸卷速度和节奏，提高手动对尾的准确度等。经过多次试制和优化，确定了如下改进措施。

板坯加热制度改进

对于板坯加热期间，加热炉内各段在炉时间需求的情况，在最初的工艺条件下，采取了炉内空位的方法，以减少待热时间。因此，在当时工艺要点条件下，为了提高管线钢小时产量，采用不平衡装炉和出炉的方式，而是用其中的2台炉装管线(3台炉生产情况下)，预留一定的空段，另一台炉装如Q235B普碳钢料，用以弥补待热时间，这样管线钢小时产量首次被提高到420 t/a。

试制过程中优化组织装钢计划提高热装率、优化过程控制参数、性能数据对应分析等，将板坯加热时间和出炉温度进行了合理调整，最终使高级别管线钢的加热制度与其他普通料完全相同、出钢节奏完全相同，在很大程度上提高了产能，节约了能源。

开发粗轧区强制降温

高级别管线钢轧制中另外一个控制难点是，对粗轧机R2末道次进钢温度的特殊要求以及较低的精轧开轧温度的控制，这两项工艺要求对轧线的小时产量有巨大的影响。钢种具体的工艺要求包括：确保板坯温度1180±20℃，加热时间控制在2.5~5.0 h。粗轧区域采用3+5模式或0+7模式、前部道次低温大压下、控制出R2温度(≤960℃)以及控制R2第二末道次变形量等。

为了消除特殊工艺要求带来的对产能的影响，从温度制度以及轧线上各点的冷却水等方面着手，配合以操作员干预以及轧制节奏的控制等手段，满足上述工艺温度要求，从而保证了管线钢产品性能和板型两方面的技术条件的实现。

◆ 粗轧机R1区域降温

无论是3+5还是0+7的道次分配模式，均要求保证粗轧机前两个道次的绝对压下量。粗轧采用0+7道次分配模式时，即R1采用空过。板坯从加热炉出炉到R1前只经过粗轧高压水除鳞箱一排集管的冷却，当板坯到达R1前时，板坯表面形成了较厚的氧化铁皮，这样的状态对板坯温降以及轧制后的表面质量对会造成一定的不利影响，因此在板坯空过R1机架时，将机架出口和入口的除鳞水通过一级强制的方式投入，一方面改善板坯表面质量，另一方面对板坯形成大约40~50℃的温降，这对控制R2轧制期间板坯温度打下一定的基础，这种控制模式固化在管线钢模型控制中，形成自动程序。

◆ 粗轧机架R2处降温

轧制期间，前五个道次轧制期间机架出口和入口侧的除鳞水均用于帮助板坯降温，使之尽快达到要求，节省游动时间。此外，通过实践摸索，找到并设定正确的R2轧制速度(包括穿带速度、轧制速度和抛钢速度三个值的设定)，在确保R2机架在轧制温度较低、强度较高的板坯并且压下量较大的条件下轧制力以及轧制扭矩保持在安全极限水平之下，防止轧机由于负荷过大而产生跳闸的现象。同时，通过正确的速度和喷水的配合，来保证或提高除鳞水冷却板坯及除鳞的效果。

随着R2轧机轧制道次的增多，板坯厚度的减小，为了防止由于喷水过多造成的板坯上下表面温度差过大，在进精轧机轧制时产生翘头以及第六道次后高温计检测误差等问题，R2机架除鳞水道次投入限定在前五个道次及第七道次，同时开启了精轧F1前带钢下表面的中压冷却水，以减小F1、F2机后带钢的翘头。

为了缩短R2前游动的时间，提高小时产量，还采取了调整轧制节奏的方法。在不影响粗轧区域除鳞水量以及冷却除鳞效果，并且轧制趋于稳定的条件下，将板坯出炉间隔时间控制在180 s左右，在控制轧制节奏的同时，使板坯在开轧之前有在R1前一定时间的游动，达到40~50℃左右的温降，这样对板坯在R2前的游动时间得到一定程度的缩短，提高小时产能。

◆ R2机前增设高温计

在R2入口增加高温计并修改了控制模式。在程序中增加了禁止进钢信号，即最后一道次时，利用实际检测的温度与工艺要求的温度值进行比较，当板坯温度低于设定值且无波动3 s后，禁止进钢信号解除，带钢正常轧制。有效提高了温度控制的精度，提高了产品质量。

◆ 高冷却速率要求及措施

根据工艺要求，高级别管线钢的中间坯厚度为60 mm、精轧入口温度≤960℃，要求精轧机恒速轧制，以保证大于25℃/s的目标冷却速率以及400℃的目标卷取温度。此外，为了满足用户高成材率的需求，要求带钢干头长度(轧制时考虑卷取机卷取稳定性所需带钢头部高温段长度)≤2.5 m。

根据钢种性能，输出辊道上带钢冷却时需要达到25~30℃/s的冷却速率，以保证正确的屈强比值。这就一方面要求加大层冷的水量，即冷却能力，另一方面，为了保证这个冷却速率的实现，需要精轧机组采用恒速轧制的策略。为了实现这一要求，2012年10月之前，2300 mm机组采用将层流冷却的前五组冷却单元的上下集管的流量分别做调整(这5组冷却单元配置了流量检测设备，便于调整)的方法，使得上下集管的流量分别提高为额定流量的1.3和1.5倍，这样既满足了大冷却速率的需要，又可将精轧机组恒速轧制的速度得以一定程度的提高，缩短的轧制时间和轧制周期，从而提高的小时产量。

此外，为提高带钢冷却速率，为夏季高水温条件下生产性能更加稳定的高级别石油管线钢及高强结构用钢等品种，完成了原有的层冷设备前五组超密集型冷却的改造。超密集型冷却技术的开发和应用，为夏季高水温下生产高级别管线钢提供了非常有利的条件，细化控制后的冷却水、合理增大的上、下冷却速率比以及最高可达40℃/s的冷却速率，完全满足了各种温度条件下稳定生产高级别管线钢的要求，效果十分显著，并且制成钢管的断裂韧性、金相组织、硬度、工艺质量等化学性能、力学性能均得到了有利的改善。

经过大量的生产实践以及多次的优化和调整，目前上述措施已经成熟稳定地应用在高级别石油管线钢的日常生产组织和过程控制中，起到了非常好的效果。各项指标的命中率得到了很大提高，最重要的是，高级别管线的小时生产能力已经从过去的420 t/h，提高到现在的560 t/h以上。

干头控制功能的开发

对干头控制的全流程进行了改进。包括：改进了层冷阀门调节校准方式，使阀门稳定性和一致性大幅度提高；改进了层冷阀门响应时间测试方式，使其测试精度和测试速度大幅度提高；增加了单个层冷阀门响应时间参数，并开发了与之配套的调节程序，可以实现单个层冷阀门响应时间参数快速调校；提高了跟踪计算精度，实现了跟踪精度<1 m；改进了跟踪程序，大幅度提高了干头跟踪稳定性；改进了卷取机控制，保证干头很短时可以正常卷取。

经过改进后，高级别管线钢可以实现0.5 m级别的高精度干头控制，而且稳定性极佳，无需人工干预，完全可以满足用户或设备的不同要求。

结束语

经过大量的生产实践以及多次的优化和调整，将上述优化措施应用在实际生产中，并进行稳定化管理和控制；提高各段温度控制精度，从而提高产品性能指标和稳定性；最重要的是，高级别管线钢的小时生产能力已经从过去的420 t/h左右，提高到现在的560 t/h以上，创造了巨大的经济效益。