关键词：中厚板轧机；自动厚度控制；平直度控制；加速冷却系统；矫直机；热处理；产品开发

    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了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。现将接触到的日本中厚钢板生产技术的发展和现状予以介绍。

1  日本中厚板轧机基本情况

1．1轧机基本参数

    JFE公司中厚板的生产极具特色，故以其3套中厚板轧机为代表，通过表1说明日本中厚板生产设备的基本情况。

    日本的中厚板轧机基本建于20世纪60～70年代，由于当时普遍追求大型化，故所建轧机以5m以上的轧机为主。但限于当时的技术条件，尽管个别轧机后来进行了改造，轧机基本水平与现代中厚板轧机相比，尚有一定差距。JFE公司3台中厚板轧机的精轧机单位宽电机功率分别为2．32、3．20、3．74kW／mm，单位宽轧制力分别为14．5、14．5、19．1kN／mm；轧机刚度除1台未知外，其余2台均为9400kN／mm。而我国宝钢5m宽厚板轧机精轧机的单位宽电机功率为4kW／mm，单位宽轧制力为20kN／mm，轧机刚度为10000kN／mm。

1．2  日本中厚板轧机和生产技术的改进历程(举例)

    尽管日本中厚板轧机投产年代较早，设备水平落后，但是由于长年坚持改进和创新，不断采用新技术，因此日本中厚板社机和生产技术始终处于国际领先水平。表2示出JFE公司3套中厚板轧机设备和工艺的改进历程，它真实地记录了日本中厚板轧机的发展和领跑世界中厚板技术的历史轨迹。

2  日本中厚板轧机的装备水平

2．1  厚度自动控制

    日本中厚板轧机均装备了由高响应性的液压AGC系统、γ射线测厚仪等传感器，以及高精度数学模型构成的计算机厚度控制系统。厚度自动控制有3个要点，一是采用弹跳方程等数学模型实现高精度设定；二是采用绝对值AGC控制钢板全长的厚度精度；三是通过道次间、板坯间的实测值与模型计算值的对比实现模型自学习。

    1987年，水岛厂在距其精轧机2m处安装了测厚仪(图1)，这是世界首次在厚板AGC系统中采用监控AGC。带有监控AGC的板厚控制系统功能很强，依据轧制力预测模型和弹跳方程，可以预测轧制中轧制力以及辊缝的变化(轧辊的挠度、牌坊的伸长等)，可精确设定轧制前的辊缝开度。依据轧制中轧制载荷的变化，利用绝对值AGC补偿辊缝的变化，降低了板厚偏差，并利用轧制后的实测值进行反馈控制，以使钢板全长达到目标板厚，从而得到厚度偏差极小的高厚度精度。

    采用上述成套的厚度控制技术，可在钢板长度方向上连续改变钢板厚度，生产LP钢板。这种钢板的控制系统可跟踪钢板长度方向的位置，同时调整轧辊辊缝，以得到需要的轧件纵向厚度变化。

2．2平直度和板凸度控制

    为了保证钢板的平直度，需严格控制各道次的板凸度。日本的中厚板轧机除配备必要的辊型和实施设计合理的轧制规程外，还具备WRB、WRS等控制手段。例如1985年JFE福山厂在世界首次装备了WRS装置，工作辊的轴向移动量达到1000mm，每个工作辊轴承座的弯辊力达到6000kN。其板凸度控制能力很大，对于3000～3500mm宽度的钢板，在最大轴向移动量的情况下，WRB的板凸度控制能力约为0．4mm，相当于35000kN轧制力所造成的凸度量。

    此外，日本还在软件、传感器方面做了大量的改进工作。例如，开发了轧件三维变形的高精度板凸度模型，紧邻轧机出口安装了平直度检测仪等。目前，日本中厚板板凸度平均可以控制到0．05mm以下。

2．3宽度和平面形状控制

    为减少切头、切尾、切边量，日本各中厚板厂都开发了平面形状控制技术，钢板轧后尽可能接近矩形。JFE水岛厂开发的MAS轧制方法，可定量地预测轧后钢板的平面形状，在成形轧制或展宽轧制的最后一个道次，将钢板纵向断面轧成设定形状，从而保证轧后钢板最接近于矩形。

    在此基础上，为进一步控制钢板的宽度，提高宽度精度，以及实现钢板侧面矩形化控制(防止鼓形)，1984年水岛厂设置了附属立辊，在可逆轧制的任意道次可进行动态立辊轧制。此外，由于采用液压AWC、短行程控制等技术，可控制钢板头尾部和全长的宽度精度。

    基于可靠的平面形状控制技术，1987年水岛厂在剪切线上安装了钢板断面铣削装置，以代替传统的切边剪，实现了无切边钢板TFP(Trim—ming—Free Plate)的生产。

3  轧后加速冷却系统的发展情况

3．1传统加速冷却系统

    加速冷却技术与控制轧制技术一起构成了TMCP技术的核心。JFE福山厂(原NKK福山厂)于1980年世界首次成功在中厚板轧机后面应用加速冷却系统OLAC(On—Line Accelerated Cooling)。该冷却系统安装于精轧机与矫直机之间，其上冷却系统是管层流式，水由集管流出落到板面；下冷却通过安装于辊道辊之间的喷射式喷嘴进行。

    1985年，京浜中厚板厂2号轧机安装了OLACⅡ控制冷却系统，这是一套通过式的冷却系统，上集管采用水幕层流冷却，水直落钢板；下集管采用该公司自行开发的吸水式(Suction  Laminar)喷射冷却系统。

    住友金属鹿岛厂也在20世纪80年代装备了加速冷却系统DAC(Dynamic Accelerated Coo1-ing)，安装于轧机与矫直机之间。该系统是住友金属与IHI合作开发的。上部水冷系统是水幕，共有12个集管；下部是喷射式冷却，共有39个集管。上、下冷却系统均可在100％～300％的范围内进行水流量调节，最大用水量为90m3／min。根据所轧制的品种，上冷却系统与下冷却系统的流量比可在1：(2．0～2．5)调节。

    川崎制铁(现JFE)水岛厂的多功能加速冷却系统MACS(Multifunctional Accelerated Coo1-ing System)由加速冷却和直接淬火两个独立的部分组成。上集管是直管式冷却，从原理上说，属于水枕式冷却系统；下集管是特殊设计的带翼片集管。主集管侧面一排孔喷出的高压水沿翼片分两股以水幕状喷向钢板下表面，其中位于上游方向的一股被钢板带回，重新落人翼片，可重复使用，以提高水的利用效果。该冷却系统长度为40m，总水量为200m。／min，对于501nm厚的钢板，冷却速度可在2～11℃／s范围内进行调节。

    其他各厂，例如NSC、神户制钢均开发了具有各自特色的加速冷却系统。

3．2  直接淬火(DQ)系统

    20世纪80年代，日本各宽厚板厂均开发和安装了直接淬火系统。川崎制铁水岛厂开发的MACS系统，安装在加速冷却系统后面，长13m。该系统类似一个水箱，容积2300m3，钢板在箱内浸没在冷却水中。冷却箱有进水口和出水口，箱内安装叶片式搅动辊，加速水的流动，加强冷却水与钢板的热交换。高压淬火时，水压为0．5MPa，最大耗水量为60m。／min；低压淬火时，水压为0．2MPa，最大耗水量为180m。／min。

    住友金属在冷却线上安装了独自开发的DACⅡ系统(长14m)，该系统采用高压水上、下对称地喷射到钢板的上、下表面，实现对钢板的冷却。

    我国宝钢新建的5m宽厚板轧机，加速冷却系统的前段和后段，分别安装有单独的管式直接淬火装置和管层流加速冷却系统。当仅启用后段冷却系统时，可以进行加速冷却；当仅启用前段冷却系统时，可以实现直接淬火。

3．3新一代加速冷却系统Super—OLAC

    20世纪90年代以来，对于高性能钢材的需求大幅增长。此外，由于对产品质量的要求日趋严格，强度指标的范围变窄，所以加速冷却的均匀性和控制精度成为亟待解决的问题。

    钢材水冷的沸腾传热现象主要是两种状态(图2)，一种是钢材直接与水接触，产生气泡，实现热交换，冷却能力强，为核沸腾；另一种是钢材和冷却水之间形成蒸汽膜，通过蒸汽膜进行热交换，为膜沸腾。钢板加速冷却时，冷却开始阶段，表面温度高，膜沸腾状态处于主导地位。但是，若表面温度逐步降低，蒸汽膜变得不稳定，此时局部冷却水开始与钢板接触，逐步转变为核沸腾。在膜沸腾和核沸腾之间为两种沸腾共存的状态，称为过渡沸腾。该状态下钢板有的部位是热交换强烈的核沸腾，有的部位是热交换能力不强的膜沸腾，因而造成钢板冷却不均，从而导致钢板发生翘曲。所以，应当尽量实现强烈热交换的核沸腾；避免处于不稳定冷却状态的过渡沸腾和传热效率极低的膜沸腾。

    不论是喷射冷却还是层流冷却，在以大水量进行冷却时，很快进入到核沸腾和膜沸腾共存的过渡沸腾，冷却过程是不稳定的。此外，落在钢板膜沸腾上的冷却水滞留在钢板表面，会在很宽的范围内引起钢板二次冷却。这种由于滞留水引起的二次冷却，极易变成不稳定的过渡沸腾状态。在这种不稳定的条件下，随着冷却的进行，温度的偏差会不断增大，成为引起不均匀冷却的主要原因，同时也恶化了钢板的质量。

    为了解决这些问题，日本开发出了全新概念的新一代加速冷却系统。1998年，JFE西日本制铁所福山地区(原NKK福山厂)厚板厂采用了所谓的Super—OLAC(Super On—Line Accelerated Cooling)新型加速冷却系统。其最大特点是避开了过渡沸腾和膜沸腾，实现了全面的核沸腾，具有可达极限的冷却速率和极高的冷却均匀性。Su—per—OLAC上冷却系统的喷嘴与钢板的距离较近，以一定的角度沿轧制方向将一定压力的水喷射到板面，将板面残存水与钢板之间形成的气膜吹扫掉，从而达到钢板和冷却水之间的完全接触，实现核沸腾。这不仅提高了钢板和冷却水之间的热交换，达到较高的冷却速率，而且可以实现钢板的均匀冷却，大大抑制钢板由于冷却不均引起的翘曲。其下冷却系统是由配置在水槽内的高密度喷嘴喷射冷却水，以其随伴流的方式进行冷却，即所谓“带高密度导管的吸入式喷水冷却”。由于冷却的均匀性，即使采用这种上、下表面的强冷方式，也不必担心发生上、下表面的非平衡冷却。Super—OLAC冷却后钢板表面的温度分布均匀，与轧后钢板温度分布是一致的。

    Super—OLAC具有优良的控制特性和强大的冷却能力，在JFE公司产品开发上发挥了重要作用。为了应对造船行业集装箱船钢板加厚和高强化的趋势，改善钢板热影响区的组织，JFE利用Super—OLAC高冷速和高均匀性的特点，开发了厚规格高强度船板。这种厚规格钢板与传统造船板碳当量相同，但焊接性能较好，满足了用户要求。为满足城市高层建筑建设需要，开发了具有良好抗震性能和焊接性能的屈服强度为385～590MPa级的厚钢板。在桥梁用钢方面，开发了强度、韧性俱佳的非调质钢SM570TMC以及碳含量低于0．02％极低碳贝氏体高强度钢等新型钢种。为了实现工程机械的轻量化，开发了大型吊车臂和支撑架用780MPa级高强度钢，该钢在一40℃下具有优良的低温韧性。

    JFE仓敷地区水岛厂(即原川崎制铁水岛厂)，年生产能力200万t，钢板最大厚度100mm，宽度5300mm。2003年，采用Super—OLAC系统，钢板最大移送速度150m/min，厚度20mm时，最大冷却速度可达65℃/s。OLAC与Super—OLAC系统的应用情况见表3。

    Super--OLAC系统具有很强的冷却能力，同时又具有很好的冷却均匀性，既可以实现加速冷却，又可以实现在线直接淬火。