自1953年日本鋼鐵產(chǎn)量超過戰(zhàn)前以來，經(jīng)濟高度發(fā)展，產(chǎn)量飛速提高。20世紀70年代初期產(chǎn)量超過了1億t，成為世界屈指可數(shù)的鋼鐵大國，其后產(chǎn)量一直保持在1億多噸，并努力使生產(chǎn)技術處于世界領先水平。


日本鋼鐵工業(yè)的發(fā)展以戰(zhàn)后從歐美各國引進技術為基礎，通過迅速對其進行改進和創(chuàng)新，開發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權的技術。在軋制工藝方面，20世紀60年代至70年代開發(fā)了高速軋制技術，20世紀70年代至80年代開發(fā)了連續(xù)軋制技術，自20世紀80年代以后，開發(fā)了軋制尺寸精度高、產(chǎn)品質量高和不受工藝過程約束的軋制技術及應用這種技術的新型軋機。最近以適應環(huán)保要求為目的的軋制工藝引人注目。以下主要就20世紀80年代以來日本開發(fā)的具有自主知識產(chǎn)權的軋制技術的發(fā)展歷程進行概述。

軋制理論和軋輥的發(fā)展

1 軋制解析


眾所周知，日本的軋制技術以理論為基礎，始終處于世界先進水平。為解析板材軋制中的板材形狀和中間凸度的原理，對軋機的彈性變形條件和被軋材的塑性變形條件進行了聯(lián)立求解。采用將彎曲和剪切撓曲的材料力學模型進行擴展或校正的方法對各種類型軋機進行解析的方法已基本確立。另一方面，關于材料的塑性變形，采用了三維解析法，使解析由二維理論向高精度解析發(fā)展。在解析法的發(fā)展方面，有采用數(shù)值計算法忠實解析變形的所謂三維解析法，有剛性和塑性FEM，有彈性和塑性FEM，尤其是還有為縮短計算時間而將上述方法進行組合的解析法。


在孔型軋制方面，一般說來純理論處理是極為困難的。作為一種簡便的方法，雖然可以采用所謂的矩形換算法把孔型軋制替換為適當?shù)木匦螖嗝娌牡谋馄杰堉疲珶o法獲得高精度。提高精度用的實驗式和半理論式在簡單推測隨孔型和軋制條件變化時的變形特性和負荷特性方面依然是一種有效的方法，但目前一般是采用FEM解析。由于FEM的出現(xiàn)，使材料的三維解析變得可能。它不僅可以用于板材的解析，而且還可以用于型材、棒線材和管材的軋制力、軋制載荷、軋制力矩和寬展的求解。三維FEM解析作為一種有效的解析工具已得到人們的認可。

人們期待著今后能向軋制溫度解析和將軋制加工時的材料組織變化，尤其是將軋制缺陷解析系統(tǒng)組合起來的綜合軋制理論方面發(fā)展。

2 變形阻抗

變形阻抗值是計算軋制載荷和軋制力矩時的重要物理特性值。日本鋼鐵協(xié)會軋制理論研究會已對變形阻抗值的研究數(shù)據(jù)進行了充實和收集，并采用數(shù)學模型進行了研究。


在熱變形阻抗方面，采用考慮到多道次高速連續(xù)軋制時的累積應變效應的變形阻抗公式進行計算后，顯著地提高了熱變形阻抗值的預測精度。為把考慮到材料組織變化的軋制理論進行擴展，希望能建立對材料的硬化、恢復和再結晶等現(xiàn)象同時進行跟蹤的理論體系，積累一些與合金成分相對應的能對冶金現(xiàn)象進行定量化的數(shù)據(jù)。

在冷變形阻抗方面，通常是采用考慮到溫度和應變速度相互關系的動態(tài)變形阻抗公式進行計算。

3 軋制潤滑和軋輥


隨著冷軋速度的高速化(最大2800mpm)，為獲得摩擦系數(shù)的定量值，開發(fā)了高速軋制模擬裝置和雙圓筒滑動試驗機，嚴格計算流入油膜的厚度，對軸與軸承等的熱膠著進行了評價，提出了表面光澤度的推定和控制系統(tǒng)，并對軋制潤滑油進行了改進。作為工作輥材質，一般是將高碳Cr系鍛造材進行表面淬火后，使微細碳化物在完全變?yōu)轳R氏體的基質中大量析出，形成硬度高的組織，但由于軋制方面的要求越來越高，因此加快了對鍍Cr和噴鍍WC－Co來提高耐磨性的研究和高速鋼及陶瓷新材質的研究。軋輥表面的加工也從噴丸清理變?yōu)殡娀鸹庸ぃ虿捎秒娮邮图す馐冗M行加工，使軋輥表面加工得更加均勻、軋輥形狀更加妥當。


在熱軋過程中，確保材料的咬入性能，提高軋輥的耐磨性，防止軸與軸承等的熱膠著是重要的課題。目前軋輥一般是使用高速鋼，但希望開發(fā)出高載荷軋輥和軋制工具，以適應更大的壓下軋制要求。

提高軋輥和軋制工具的耐磨性、抗事故性和抗桔皮狀缺陷性是軋制技術飛速發(fā)展所不可缺少的重要技術，從減輕環(huán)保壓力的觀點來看，這些技術要素今后也是很重要的。

鋼板

1 連續(xù)軋制和直接連接軋制


日本自1968年開發(fā)了森吉米爾式多輥軋機的全連續(xù)式串列式冷軋機(TCM)和1970年開發(fā)了四輥軋機的全連續(xù)式TCM以來，軋機的連續(xù)化已取得很大的進展。目前日本國內的主要軋機都實現(xiàn)了完全連續(xù)化。由于完全連續(xù)軋機的技術可以和軋機的上下工序連接，因此1986年開發(fā)出了酸洗－TCM－連續(xù)退火成套設備。完全連續(xù)化的開發(fā)包括了軋制生產(chǎn)計劃可以隨意變化、穩(wěn)定焊接技術、帶材穩(wěn)定移動技術、前進方向可變裝置等。在冷軋的連續(xù)化之后，1996年首次在世界上開發(fā)出了熱軋的連續(xù)化技術。它是在粗軋結束后將前后軋材在進入精軋機前進行焊接，使精軋機在無切頭切尾的狀態(tài)下進行無頭軋制的技術，解決了產(chǎn)品前后端部的質量問題，同時使極薄鋼板和新材質鋼板的生產(chǎn)技術變得有可能。


自1989年將50～100mm厚的薄板坯連鑄機和軋機直接連接的緊湊式軋機誕生以來，其建設數(shù)量逐年增加，目前在日本以外的國家中至少已建設了50套。緊湊式軋機的特征是設備投資少、交貨期短，可進行沒有水冷滑軌造成黑印的等溫軋制，如果采用長的板坯，還能進行半無頭軋制，可以預計今后其應用將越來越廣，同時能進一步提高產(chǎn)品質量。另外，將來帶鋼連鑄機應用的趨勢引人關注。

2 新型軋機


關于軋機輥距的控制，軋輥項彎裝置是關鍵。眾所周知，日本以20世紀70年代后期出現(xiàn)的六輥變速軋機(HC軋機、UC軋機)為契機，開發(fā)了交叉輥薄板軋機(PC軋機)、雙軸承座頂彎裝置(DC－WRB)、在小直徑工作輥上裝有側支撐輥的六輥FFC軋機、Z－Hi軋機、多輥型CR軋機、KT軋機、軋輥本身具有可變凸度型的VC軋輥、TP軋輥、NIPCO軋輥，還有采用在線磨削的軋輥磨床(ORC)等，這些新型裝備為世界軋制設備的發(fā)展做出了很大的貢獻。另外，還研究開發(fā)了采用1機架多道次軋制技術的各種軋機，但其應用僅限于特殊材的軋制。

3 板材中心凸度部分和板材形狀的控制


板材軋制時的中心凸度部分和板材形狀的控制是對同一現(xiàn)象進行控制的技術。由于前者的控制精度在數(shù)微米至數(shù)十微米就可以了，而后者的控制精度應在0．1μm或小于0．1μm，因此被視為不同的技術。在對比較厚的鋼板進行熱軋時要控制板材的中心凸度部分，冷軋時要將中心凸度部分比率保持一定，在考慮形狀后進行薄壁化軋制。雖然這是常規(guī)操作法，但由于板材端部容易產(chǎn)生三維變形，因此開發(fā)了控制邊緣凸度的技術。例如，有采用立輥軋機減少邊緣損失的方法；在軋機上下輥之間使圓盤狀水平輥向板的兩邊擠壓，一面約束寬度一面進行軋制的方法；還有采用帶有錐度工作輥的軋機和交叉輥軋機進行軋制的方法。因此，可以預計今后仍將積極利用三維變形的技術來控制板材中心凸度部分。


在形狀控制方面對板厚(軋輥間隙形狀)控制的精度要求非常嚴，這是因為只要控制精度有一點點的偏差，板材就會出現(xiàn)板厚偏差很大的形狀缺陷。陡度在0．5％以下，就可以視為形狀良好，延伸率偏差為6．2×10－5(6．2Iunit)，1mm板厚的壓下量偏差為0．06μm。因此，實現(xiàn)高精度軋制當然離不開軋輥的局部矯直和材料的橫向移動所產(chǎn)生張力的緩和穩(wěn)定作用，但在軋制過程中使軋輥間隙形狀和板材的中心凸度部分一致是控制形狀的基礎。軋輥撓曲、熱凸度、母材形狀、機械試驗值的偏差和軋輥磨耗等會對軋輥間隙形狀和板材中心凸度部分產(chǎn)生影響。為精確控制形狀，必須對從低次函數(shù)到高次函數(shù)這一大范圍內的形狀偏差進行修正，因此將新型軋機的形狀控制傳動裝置進行組合，采用多變量控制理論等復雜而又精密的控制方法進行形狀控制的趨勢將進一步增大。

4 板厚控制


隨著鋼板加工自動化程度的提高，為排除加工過程中的故障，用戶對鋼板制品的板厚精度要求越來越高。將支撐輥的油膜軸承替換為滾柱軸承，采用高性能油壓壓下裝置消除和控制軋輥偏心已取得很大的發(fā)展。作為軋機用傳動裝置，所有AC傳動裝置都形成了標準數(shù)字化控制。AC傳動裝置的優(yōu)點是，在結構上已完全采用電刷、單機容量增大，在性能方面已達到高精度、高應答化、可變速度范圍擴大。


在以往的板厚控制裝置中有自動測量調整裝置(AGC)、監(jiān)視AGC、FFAGC和游標尺AGC。在最新的串列式軋機中，在此基礎上還開發(fā)了軋機速度數(shù)字化控制、軋輥偏心控制、機架間的無干擾控制和在線板厚變化控制等技術。尤其是為使連續(xù)式軋機能在不停機的情況下對軋機入口側依次焊接的鋼種、板厚、板寬不同的材料進行連續(xù)軋制，因此通過抑制張力過度變化，協(xié)調地改變各機架的軋輥位置、軋制速度等在線板厚變化控制技術是很重要的。由此可大幅度減少板材穿過軋機和切頭切尾落料造成的軋輥損傷和板材等外品，同時提高對小批量訂貨的適應能力。另外，它也是緊湊式軋機實施無頭軋制所不可缺少的技術。

5 平面形狀和板寬控制


在厚板和熱軋鋼板生產(chǎn)工藝中，板寬澆注技術在20世紀80年代就已確立其基本技術。在厚板生產(chǎn)方面有大幅度提高合格率的平面形狀控制新技術MAS(MizushimaAutomaticPlanViewPatternControlSystem)軋制法和附設的接近水平軋機的立輥軋機設備。MAS軋制就是對各種鋼板在軋制終了后的平面形狀控制變化量進行預測，根據(jù)預測的變化量，給出軋制過程中板坯厚度形狀，最終將平面形狀變成矩形的方法。熱軋時實現(xiàn)將連鑄機和軋機有效直接連接的板坯寬度定徑技術、大幅度提高熱軋鋼板寬度精度的熱軋板寬度控制技術、精軋時利用機架間的立軋機和張力控制來提高尺寸精度的技術、尤其是采用冷軋TCM和冷軋工藝線的板寬控制技術等都是日本開發(fā)的領先于世界水平的獨有技術。

鋼管


在最近20年的發(fā)展中，首先應舉出的是無縫鋼管用鋼坯的連續(xù)澆鑄技術。隨著圓鋼坯質量的提高和制管技術的進步，采用熱擠壓法生產(chǎn)的13％Cr鋼和奧氏體系不銹鋼已改變了軋制方式。最近已開發(fā)了圓坯連鑄和制管、熱處理直接連接的技術。

1 穿孔軋制


使用方鋼坯的PPM(壓力輥穿孔機)已被替換為使用圓鋼坯的斜輥穿孔機。在穿孔方法變化中值得注意的是圓錐形穿孔機和被稱作交叉穿孔機的交叉輥穿孔機的發(fā)展。圓錐形穿孔機的優(yōu)點是具有旋轉鍛造的效果和抑制圓周方向剪切變形的作用，因此可以抑制鋼管內面的缺陷，可用于難加工性材料的穿孔，尤其是可以用于擴孔和薄壁穿孔。采用普通穿孔機時，壁厚／外徑比(T／D)的極限為大約6％，而采用圓錐形穿孔機時能進行T／D為3．2％的薄壁管穿孔。

2 拉伸軋制

芯棒式無縫管軋機已向大型化和緊湊化方向發(fā)展。機架數(shù)由7～9機架減為4～5機架，穿孔機和芯棒式無縫管軋所需的能源消耗共計可減少20％左右。


在芯棒式無縫管軋機的控制技術中，為減少其后在張力減徑機中管端壁厚的切頭損失，開發(fā)了管端預先減薄成形技術，即用芯棒式無縫管軋機預先將管端減薄的成形技術，并在鋼管軋機上首次采用了油壓壓下裝置。

3 減徑軋制和定徑軋制


雖然在最終調整外徑的減徑軋制和定徑軋制方面沒有值得特殊介紹的技術發(fā)展，但大口徑定徑機有許多也采用了三輥式定徑機。采用三輥的缺點是輥距無法變更，因此機架的臺數(shù)多，但最近出現(xiàn)了輥距可變的軋機，還提出了四輥減徑機的想法。今后芯棒式無縫管軋機和定徑機及張力減徑機的直接連接技術也將引起人們的關注。

以上所述的鋼管領域中的高合金穿孔用芯棒的開發(fā)和芯棒及毛管坯導槽潤滑劑的開發(fā)等與摩擦學技術有很大的相互關系，因此希望長壽命化技術有進一步的發(fā)展。

型鋼


以第一次石油危機為契機，型鋼生產(chǎn)也由轉爐－鑄錠－開坯，變?yōu)檗D爐－連鑄。型鋼的軋制技術有采用軋制工字梁用異形坯生產(chǎn)多系列型鋼的技術和采用板坯軋制H型鋼的技術，型鋼軋機用的坯料已改為連鑄坯料。最近10年，鋼軌、鋼板樁和H型鋼等大型型鋼的軋制技術已取得了顯著的發(fā)展。

1 外部尺寸一定的H型鋼


隨著建筑結構件生產(chǎn)技術的高度發(fā)展，斷面性能高且經(jīng)濟性好的外部尺寸一定的H型鋼采用斜輥軋制的方法和縮小H型鋼腰部高度的軋制方法已應用于實際。前者在精軋前為使腰部外部尺寸保持一定，擴大了腰部內部尺寸；后者為在精軋機內使腰部高度保持一定，縮小了腰部高度。結果，能在線變更水平輥寬度的輥身寬度可變水平輥和立輥軋機孔型深度可變的偏心立輥軋機也應用于實際。另外，由于在萬能軋機上采用了油壓壓下裝置，因此軋機變得非常緊湊。隨著斷面的大型化，普通的單臂式矯直機已無法滿足要求，開發(fā)了雙臂式矯直機，但由于存在著占地空間大和軋輥更換操作復雜的問題，因此需進一步改善。

2 寬幅鋼板樁


以往寬幅鋼板樁以400mm寬的U形鋼板樁為主，一般是使用連鑄板坯在3～4架的二輥式軋機上由8～10個孔型反復軋制而成。還開發(fā)了在H型鋼軋機作業(yè)線上不更換H型鋼軋制用機架，只更換軋輥生產(chǎn)鋼板樁的方法。另外，隨著工程的大型化和提高施工效率的需要，600mmU形鋼板樁和900mm寬的帽形鋼板樁已能商業(yè)化生產(chǎn)。

3 鋼軌


鋼軌一般是在數(shù)架二輥式軋機上采用孔型軋制的方法進行生產(chǎn)的。隨著對產(chǎn)品尺寸、質量要求的不斷提高和降低軋輥成本的需要，采用萬能軋機進行中軋和精軋的技術已成為主流。鋼軌的磨損主要是線路曲線部與車輪凸緣部的摩擦磨損，因此在1994年將鋼軌全部換成上部整個斷面經(jīng)在線熱處理后的鋼軌，作為防止磨損的措施。


另外，以阪神大地震為契機，在厚板生產(chǎn)領域發(fā)展的TMCP法和氧化金屬噴鍍技術已開始應用于建筑用鋼材的生產(chǎn)，TMCP極厚H型鋼、低屈服比外部尺寸一定的H型鋼和耐火H型鋼已能商業(yè)化生產(chǎn)。

棒鋼和線材

在棒鋼和線材軋制中為追求提高生產(chǎn)率、提高尺寸精度和產(chǎn)品質量滿足市場需求，開發(fā)軋機的尺寸可調軋制和控冷控軋等新功能的工作取得了進展。

1 無頭軋制


棒線材產(chǎn)品的種類非常多，因此開發(fā)了一種熱方坯焊接后連續(xù)軋制的設備(配置了直流式對焊機和去毛刺裝置)，該設備投資小、無短尺和尺寸不齊現(xiàn)象、實現(xiàn)大單重卷、可消除軋廢時間、增加產(chǎn)量等。其應用范圍今后將進一步擴大。

2 高速軋制和控制冷卻

線材精軋的特征是變形速度快、從孔型間通過的時間短，由于設備緊湊，因此軋制后必須快速冷卻，它也可作為控制材質的手段。


在20世紀80年代左右，最高軋制速度為60～75m／s，90年代左右提高到100m／s，目前已達到100～120m／s，大大提高了線材的生產(chǎn)率。潤滑技術的改善和軋機剛性的提高為此做出了很大的貢獻。


由于優(yōu)化了線材的軋制溫度和軋制后的冷卻速度，因此可以省略冷鍛用鋼的軟化退火。另外，為降低汽車等行業(yè)使用的機械用結構鋼的成本，非調質化技術已取得很大的發(fā)展。尤其是從地球環(huán)保的觀點來看，無鉛易切削鋼已應用于實際。

3 高尺寸精度和尺寸可調軋制


為實現(xiàn)高精度、尺寸可調軋制，因此在現(xiàn)有軋機上安裝了控制系統(tǒng)(軟件)，通過控制軋輥的旋轉數(shù)來控制張力、調整精軋尺寸，還有的是采用定徑機等硬件設備的方法。后者采用二輥方式大大提高了軋機的剛性，能進行±0．1mm的高精度軋制，同時通過調整軋輥的壓下，能在大約1mm的范圍內進行尺寸可調軋制。尤其是，還開發(fā)了具有寬展小的三輥、四輥式定徑機，能根據(jù)棒線軋制的需要和軋制環(huán)境進行選擇。

結束語


日本以新型軋機開發(fā)為主，通過軋制解析、摩擦學解析和使用新的測量及控制技術，不斷追求高的生產(chǎn)率和提高產(chǎn)品的尺寸和形狀精度及機械性能。人類為在21世紀達到可持續(xù)發(fā)展的目的，迫切希望構建對地球環(huán)境負荷小的資源循環(huán)型社會，因此只能通過進一步發(fā)展科學技術來解決。鋼鐵作為社會發(fā)展的基礎材料，其重要性不可動搖。未來的軋制技術必將朝著大大提高鋼材的強度、韌性和耐蝕性等，以最小限度的能源消耗生產(chǎn)出易于循環(huán)再利用的鋼材產(chǎn)品的方向發(fā)展。（墨鉅）