摘要：介绍了日本热轧带钢轧机机型与布置型式的演变，热轧带钢轧机与连铸机的热连接方式，以及超级钢、AHSS钢板、NANOHITEN钢板等新产品的开发。同时以住友金属鹿岛厂的改造为例，介绍了日本热轧带钢生产技术不断改进、不断进步的历史，并指出，借鉴日本的历史，对于我国热轧带钢生产技术的改造和创新，对于我国钢铁工业的发展有重要意义。

关键词：热轧带钢轧机；产品开发；改造；创新

      2006年9月8～19日，作者随以殷瑞钰院士为团长的中国金属学会代表团参加在日本福冈召开的亚洲钢铁大会，并访问了日本几个大钢铁公司的钢铁厂，收获颇丰。现把日本热轧带钢技术的发展和现状予以介绍。

1热轧带钢轧机机型与布置型式的演变

    作者在日本访问了6家热轧带钢厂，基本情况如表1所示。

1．1粗轧机组的布置

    日本的热轧带钢轧机大多建于20世纪50～70年代，当时钢坯主要由初轧机提供，为单重不足10t的板坯，随后虽然单重有所增加，但也在15t之内，板坯短、单重小。限于当时的轧机装备水平，轧机的轧制速度、压下量等均受到限制。因此。，当时日本采用机架数目多、轧制周期短的全连续轧机居多。但全连续轧制方案基建投资大，设备运行费用高。随着连铸技术的发展，板坯单重达到30t以上，长度相应增加；同时，轧机设备的制造能力增强，可以方便地制造强力、大功率的轧机，因此，粗轧机组向3／4连续和半连续布置的方向发展。时至今日，具有强力式粗轧机的半连续布置已成为热带轧机发展的主流。但由于日本热带轧机建设历史条件的限制，日本目前基本还是维持原来的布置方式，即采用全连续式和3／4连续式轧机。图1为JFE福山厂No．1热轧带钢粗轧机组的布置情况。

    目前，半连续式布置的粗轧机组依产量的需求，可以采用不同的机架数目。如果年产量超过280万t，粗轧机组一般宜采用2台轧机，并采用3+3或1+5的道次分配。如果轧机的年产量低于280万t，可采用1台粗轧机。应注意，这时粗轧机组将成为进一步提高轧机产量的瓶颈。

    新一代的半连续式轧机在功能上已有极大改进，轧机的允许轧制力、轧制速度、电机额定功率、轧机刚度都有较大提高，这是目前日本采用的老式粗轧机难以比拟的。

1．2精轧机组的布置和选型

    精轧机组轧机的选型十分重要。建设初期，日本各厂精轧机基本是7机架连续式轧制，且为普通的四辊轧机，未装备液压AGC系统和有效的板凸度控制系统，也没有应对轧辊磨损的措施。

    随着轧制技术的进步和自动控制技术的发展，日本各厂逐步进行了轧机的改造，增设了板厚、板形和板凸度的控制手段。在厚度控制系统方面，主要在后部机架(2～4个机架)采用液压AGC系统，而不是全部机架采用液压AGC，这是老厂改造的局限所致。在板形与板凸度的控制方面，有的厂改造采用六辊HC轧机，例如新日铁的八幡厂、日新吴厂等，但是由于工程复杂、庞大，需要整体更换机架，投资费用很高，停产时间较长，同时热轧机与冷轧机不同，对六辊轧机的板形控制能力需求不大，故后续多数厂采用更加务实、简便的WRS轧机。其核心是后部机架(一般F₄～F₇)采用WRS，分散比较严重的轧辊磨损，实现自由程序轧制。为了弥补板形控制能力的不足，采用强力弯辊，有的还采用大凸度支撑辊。进行WRS轧机的改造利用大修期间就可完成，所以是一个简便可行的方案。

    目前国际上新建轧机的发展趋势是在前部机架(F₁～F₄)采用强力的凸度调整手段，例如CVC机架或PC机架，目的是对轧件的断面形状进行必要的调整。但在轧辊磨损成为主要矛盾的后部机架(F₅～F₇)，不论前部机架采用何种方式，均采用WRS轧机，如有可能再配以强力弯辊和大凸度支撑辊。WRS的横移距离一般为±150mm，弯辊力一般大于1500kN，力图满足板形调整的需要。由于日本建厂阶段处于轧制技术发展的探索阶段，所以在机型的选择上有的厂也走了一些弯路，例如有的厂在后部机架采用PC轧机，这实际上与轧机的发展趋势相悖。

1．3轧机能力的合理确定

    由于日本的热轧带钢轧机建设时问早，一般轧机能力较现代轧机弱。近年建设的轧机，特别是我国建设的轧机，均增大了电机功率和允许轧制力，提高了轧机的刚性，这对于提高产品尺寸精度、轧制高变形抗力的合金钢和HSLA钢是有利的。但是，日本通过制定合理的轧制规程，利用相对较弱的轧机，再配以先进的轧后冷却系统，也轧制出了各种高强钢种。这表明，轧机并非是决定产品强度等级的唯一因素。对于钢铁材料来说，由于在冷却过程中会发生复杂的相变，如果加强对控制冷却系统的控制和优化，可在不提高轧机能力的条件下，利用对冷却过程的控制，来提高钢材的强度，达到生产高强钢的目的。

1．4轧后加速冷却系统的发展情况

    与国际上大多数热轧带钢轧机相似，日本的热轧带钢厂多数采用管层流系统进行轧后冷却过程的控制。但少数厂家例外，如住友金属鹿岛厂，在1984年改造时，采用水幕冷却系统；近年，JFE福山厂通过改造，采用超快速冷却系统Supez  OLACH  (Super On—Line AcceleratedCooling for Hot Strip Mill)，据介绍，对3mm厚的热轧带钢，其冷却速度可达700℃／s，为目前世界最高冷却速度。该冷却系统可对钢板实行全面、均匀的快速冷却，其位于精轧机出口处。

    对冷却路径的控制是生产汽车用AHSS钢的重要手段。由于日本热轧带钢轧机均为传统轧机，未采用短流程技术和热卷箱技术，为了消除头尾温差，必须采用升速轧制。冷却路径的控制要求温度演变历程(即温度与时间的关系)在升速轧制过程中保持不变。与传统的以精轧温度、卷取温度为控制目标的控制方式相比，实施冷却路径控制难度很大。对于生产AHSS钢，日本采用2种冷却控制措施；一是采用带钢分段、冷却系统分区的控制方式，以提高控制系统的控制精度；二是添加一定的合金元素，扩大钢材的工艺控制窗口，减少钢材对冷却路径改变的敏感性，降低冷却控制的难度。目前，对一些重要的高强钢种，日本各厂均可生产，这表明日本热轧带钢冷却控制的水平是比较高的。

1．5  轧件温度均匀性的控制

    精轧机组的温度控制十分重要。作者参观的6个厂均在粗、精轧机组之间安装边部加热器等补热装置，以控制轧件横向温度的均匀性。温度均匀分布对材料性能的均匀分布以及提高带钢板形质量有重要意义。对硅钢等产品，边部加热对防止边部裂纹具有重要作用。近年西方国家提出高强钢横向温度控制的边部遮蔽方法，日本早年也提出过，但参观的几个厂均无此措施。

    此外，精轧机组普遍采用机架间冷却，以适应升速轧制条件下带钢全长温度控制和终轧温度控制的要求。在控制方式上，采用穿带后立即大加速度升速，此后维持轧制速度恒定，为维持恒定的精轧温度，需相应调整机架问冷却水量。升速轧制与机架间冷却配合，增加带钢轧制速度稳定区段的长度，可较好地控制冷却路径，提高带钢全长温度控制的稳定性和产品性能的均匀性。

2  热带轧机与连铸机的热连接

2．1  直接轧制(ttDR)

    20世纪70～80年代，新日铁坍制铁所首先实现直接轧制，此后，直接轧制技术在日本风靡一时，各厂纷纷采取措施以实现直接轧制。八幡制铁所HDR比率曾达到10万t/月，但现已不采用；JFE福山制铁所HDR比率曾达到10％～15％。图2为JFE福山厂的热连接路径。在采用直接轧制的时候，利用连铸机出口直接对准轧制线的有利条件，直接轧制非常方便，但现已不采用；浦项钢铁公司光阳制铁所的3条热带生产线曾设计采用HDR技术(通过感应加热来补热)，但目前已不再用。

    作者参观的各厂，尽管原来有很好的直接轧制措施，但目前均不再采用直接轧制技术，究其原因，主要有以下几方面：  (1)采用高速连铸后，铸坯温度显著降低，不再适于直接轧制；(2)铸坯表面质量要求高，经常需要下线清理；(3)直接轧制导致轧制生产刚性过高。

2．2直接热装轧制(DHCR)

    直接热装轧制利用加热炉补热，铸坯装炉温度900～ 750℃，可以大幅度节省能源，缩短工艺流程，因此目前日本各厂普遍采用该工艺。

    直接热装轧制的基本条件是：(1)具备设备和平面布置条件(铸坯输送、连铸一热轧间距离合理等)；(2)具备无缺陷铸坯生产技术(铸坯无清理率≥98％)；(3)生产适宜的钢种(某些钢种不适宜高温热装轧制)；(4)具备连铸一热轧生产一体化(同期化)管理技术。

    直接热装轧制的难点有：(1)交货期缩短，合同批量减少；(2)炼钢一连铸一热轧之间钢种、规格的匹配组织工作。

    新日铁大分厂利用5H4H调宽轧制，直接热装率高达80％，热装温度达到700℃以上。

2．3连铸坯的尺寸

    连铸坯的厚度是普遍关心的问题。作者所考察的日本各厂连铸坯厚度基本为2种：(1)如果连铸坯仅供应热轧带钢轧机，则铸坯厚度相对薄一些。约为220～230mm；(2)如果铸坯同时供应热轧薄板和中厚板轧机，则铸坯相对厚一些，约为270mm。增大铸坯厚度，会增加连铸坯冶金半径，增大连铸机的建设投资，要慎重处理。

2．4宽度的衔接

    连铸坯宽度的衔接也是极为重要的问题。在早期的热连轧机上，连铸坯的宽度控制在立辊除鳞机(VSB)上进行，基本没有控制手段，控宽质量很差。在20世纪70～80年代建设的轧机，采用附属立辊进行控宽和调宽，装备AWC和SHCC，效果很好。参观的热带厂均采用了此技术。20世纪80年代开发的调宽压力机可以实现300~350mm的道次调宽，这种大能力的调宽对于实现连铸和热轧的衔接极为重要。作者参观的6套热带轧机有2套(JFE福山No．1、住友鹿岛)采用了调宽压力机。

    在日本热轧带钢轧机发展的过程中-，曾尝试采用多种措施解决连铸与轧钢在铸坯宽度方面的衔接问题。新日铁大分厂对原初轧机进行了改造，采用5架平辊+4架立辊布置的连轧机组，进行板坯宽度的调整，可以轧制宽2000～760mm板坯。尽管通过这种方式可较大幅度地提高热轧带钢轧机的产量，但是由于其两火成材能耗高，且新建厂设备投资大，所以目前仅限于该厂使用，没有推广。

3热轧带钢轧机的产品开发

3．1超级钢的开发思路

    在亚洲钢铁大会上，日本学者牧正志教授在大会发言中详细总结了TMCP技术的发展，强调了通过晶粒细化、析出强化、相变强化、固溶强化等不同的强化机制，利用轧制和冷却两种手段，提高材料强度的重要意义和工艺实现的方法。目前，日本企业、研究单位和学校在晶粒细化方面有不同的观点和思路：企业着眼于现有设备可以生产，晶粒细化是适度的，一般在3～10μm；研究单位则希望将晶粒细化到1μm以下，追求晶粒细化的极限。

3．2热轧AHSS钢板的开发

    汽车用热轧AHSS钢板主要品种是DP钢和TRIP钢，其生产工艺最重要的特点是在输出辊道上进行冷却路径控制。图3为热轧DP、TRIP、贝氏体钢热轧后的冷却路径控制原理。

    对于DP钢，终轧后应立即快冷到铁素体相变区域，随后空冷，给铁素体析出足够的时间。当达到需要的铁素体比例后，立即快速冷却到马氏体点以下，令富碳的奥氏体转变为马氏体。

    对TRIP钢，铁素体的析出与DP钢相同，但是当达到需要的铁素体比例(例如50％)后，

快速冷却到贝氏体相变的中温区间，在此温度下保温，进行贝氏体相变，当达到需要的贝氏体比例后快速冷却，将剩余的奥氏体保留到室温。

    贝氏体钢与TRIP钢的区别在于中温的贝氏体相变进行到底，得到以铁素体和贝氏体组成的组织。

3．3  NANOHITEN钢的开发

    JFE近年开发出以铁素体为基体、有微细纳米级析出物的高强钢种——NANOHITEN。这种热轧钢板的强度水平为590、780、980MPa，添加一定量的Ti和Mo，组织为单相的铁素体+纳米级的(Ti，Mo)C沉淀物。图4为NA—NOHITEN钢与传统析出强化钢的组织对比，可见，传统析出强化钢析出物的粒子尺寸要大得多。NANOHITEN钢的特点是具有良好的卷边成形性和延伸性，可应用于汽车结构件，例如侧面中柱、side member、suspension arm等。

3.4  BHT钢板的开发

    BHT钢板是JFE开发的一种新型高强钢板，其原理是利用应变时效强化。BHT钢中含N，在热轧温度区间，N的固溶度大于C，据此利用N实现高的应变时效强化。为了确保钢中的固溶氮，应控制轧制之后的冷却条件以抑制A1N的析出。为进一步抑制N扩散引起室温时效恶化，热轧后应立即急冷以细化晶粒，增加晶界面积，使固溶氮向稳定存在的位置，即晶界偏析。

    BHT钢板成型时，低强度阶段成型性能优良，其最大特点是烤漆处理后，抗拉强度大幅度上升，约可以上升60MPa，而屈服强度也可以上升近100MPa，常温下耐时效性能良好，冲压制成零件后由于形变强化和烘烤硬化，具有高强度，强度等级为370～590MPa。

3．5 Super  HSLA钢的开发

    Super HSLA钢是一种含0．15％～0．20％Ti的高强低合金钢，据开发者实验，在1150～1200℃的高温加热后进行变形，可以发生明显的动态再结晶。利用这一特点，采用高的Ti含量，并在较高的温度下加热，促进材料轧制时的再结晶，可以细化奥氏体晶粒，从而细化铁素体晶粒到5μm左右，材料强度等级可以控制到590、780MPa。

3．6  氧化铁皮研究及“黑皮钢”的开发

    住友金属提出一种“Tight Scale”钢板，钢板表面的铁皮非常密实，与基体钢结合紧密。汽车厂可用这种钢板直接进行冲压，铁皮与钢板一起变形而不破坏脱落。这种钢在我国称为黑皮钢，其要点是控制钢板表面氧化铁皮的结构，形成以黑颜色Fe₃O₄为主的氧化铁皮。这对于汽车厂实现减量化生产具有重要意义，国内汽车厂已提出需求，我国也已有钢厂开发出同类产品。

3．7热轧酸洗板的生产与应用

    一些薄规格的热轧钢板可以在酸洗镀锌后使用，称为热轧酸洗板。在新日铁大分厂的展室中，汽车模型内板是热轧酸洗板，汽车底部的多数零件也是热轧酸洗板。我国一些引进的车型，原始设计内板是热轧酸洗板，但由于我国不能生产薄规格的热轧酸洗板，所以又改成了冷轧板。实际上，我国一些短流程钢厂，专长于生产薄规格热带，但目前没有酸洗、镀锌线，无法对薄规格带钢进一步加工。所以，这些厂可以考虑建设热轧酸洗镀锌生产线，以促进这些厂薄规格带钢生产能力的发挥，满足我国汽车工业的需求。

4热带轧机的改造与技术进步

    以住友金属鹿岛厂的改造为例，介绍日本热带轧机的改造历程，以供我国轧钢工作者借鉴。鹿岛厂轧机情况见表2、表3。

4．1  投产初期的填平补齐阶段(1968～1974年)

    住友金属鹿岛厂1968年12月投产，1969年开始商业生产。在投产初期，主要是对设备进行填平补齐，建设加热、卷取、精整等辅助设备生产线，形成设计的生产能力。

   1971年3月，建设了3号平整机和2号纵切线；1971年8月，建设了3号加热炉；1972年11月，建设了2号酸洗线(鹿岛厂冷轧厂无酸洗机组，完全由热轧厂酸洗供货)；1973年3月，安装了6号地下卷取机；1973年8月，装备了电动AGC系统；1974年6月，建设了4号加热炉，11月建设了2号剪切线。

    通过这些建设项目的实施，充分发挥出主轧机的设计能力，实现了全部流程的生产平衡。

4．2运行阶段的改造工程(1974 1984年)

    1974年开始进行运行阶段的小规模改造。根据当时能源短缺情况，在1976年8月份开始热装生产，11月份开始钢锭直接轧制生产；1978年11月粗轧机组装备自动宽度控制(AWC)系统，12月份，精轧机装备液压活套。1981年，F₆、F₇机架装备液压AGC系统。

    1983年7月，3号连铸机投产，开始连铸板坯热装轧制。1983年8月，3号、4号加热炉安装余热锅炉。1984年3月，采用水幕冷却系统，11月1号酸洗线采用张力拉伸矫直系统。

4．3大规模改造阶段(1984～1994年)

    1984年以后，依据工厂的运行情况和当时工艺、设备技术的进步，逐步进行长达10年的技术改造。粗轧机组改造主要是安装调宽压力机；精轧机组改造主要是增加板凸度和板形控制系统。此外，对加热炉温度控制系统、层流冷却系统、卷取机等都进行了相应的改造。

    1985年6月，1号、6号卷取机采用液压AJC控制，7月切头飞剪更新。1986年7月，F₅～F₇采用新的凸度控制系统，该系统包括VC轧辊、工作辊横移和强力弯辊。同时，2号、4号卷取机采用液压AJC控制。1987年2月，建设了3号酸洗线，在粗轧和精轧机组之间采用中间坯感应加热装置。

    1988年4月，4号加热炉安装长行程装料机，新装调宽压力机和精轧机组液压立辊；安装机架间测厚仪、板卷运输车和新的冷却装置。

    1990年4月，F₂、F₄机架安装轧辊横移系统和强力弯辊；1991年4月，F₁、F₃安装轧辊横移系统和强力弯辊，同时过程计算机系统更新；1993年2月，安装3号纵切线，1993年4月，5号卷取机安装AJC系统，加热炉温度控制系统更新。1994年4月，冷却系统更新。

    日本的热轧带钢轧机绝大多数建于20世纭60~70年代。限于当时的科学技术水平，这些厂在工艺、技术、自动化方面处于相当落后的外平。时至今日，社会的需求和技术的进步，促趔了这些厂的改造和发展，使这些老式的轧机能铬满足今天的需要。此次访问的日本热轧带钢厂家都经历了这样的改造和进步的过程。所以，日本轧制技术的发展史，实际是这些工厂不断改进不断进步的历史。任何一套轧机，即使投产当初具有当时的先进水平，但是随着时间的推移和茬会的发展，它不会永远保持先进，必然需要依赫社会经济技术的发展而不断改进，以适应客观需求。因此，借鉴日本的这段历史，不断适应我巨社会发展，利用自己的力量，对我国目前已经运行的轧机进行必要的改造和创新，对于我国钢笔工业的发展具有极其重要的意义。