成果介绍-代表性成果之三
发布人：Super User 发布时间：2008-03-20 浏览次数：3307大中小
代表性研究成果简介（三） 轧制过程模拟研究平台开发
1 背景和意义
近年来我国钢铁行业取得了举世瞩目的成就，在成就的背后，也面临着很多问题，如高端技术和产品长期依赖进口，缺少自主知识产权；国外在先进技术方面对我国进行封锁；结构不合理，缺少资源和环境友好型产品和技术等。分析这些问题的原因，主要是自主研发能力薄弱，创新能力不强，尤其是用于研究的工艺模拟实验设备，极端缺乏，严重制约了企业的自主研发能力。可以说，缺少工艺模拟研究设备是我国钢铁行业的共性问题，长期没有得到解决。正是在这样的背景下，东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室做出了自主研发系列实验设备的重大决定，经过几年的艰苦努力，取得了丰硕的研究成果，为解决钢铁行业的缺乏研究设备的共性问题，提高自主研发能力，促进技术进步做出了贡献。
2 主要研究内容
（1）热轧实验机组
在国家211工程和东北大学“十五”学科建设项目的支持下，2003年9月在实验室建成了国内外功能最为全面的用于热轧工艺模拟的热轧实验机组。整个机组包括钢坯加热炉，二辊可逆高刚度轧机，控制冷却系统，模拟卷取炉，传输辊道，轧制及冷却过程参数检测系统，轧制及冷却过程控制系统，液压传动与控制系统，润滑站和用户应用软件包等。在热轧实验机组的研发过程中，根据实验轧机体积小但适用性广的特点，开发了高刚度（7MN/mm）、大轧制力（8000kN）二辊可逆热轧轧机，以满足高强度钢、大压下和低温（～600℃）轧制等研究工作的要求，实现控制轧制；功能完善的轧后冷却系统是热轧实验机组开发的另一项研究内容。所开发的冷却系统包括水幕、层流、气雾和超快速等冷却方式，冷却速度以及开冷和终冷温度可跟据工艺要求灵活调整，可实现冷却路径控制和柔性轧制。过去，国内外的实验轧机普遍重轧制，轻冷却。我室开发的实验轧机，配备了比生产轧机更强的冷却功能，极大地提高了产品开发和工艺研究能力；实验轧机的坯料短，X射线测厚仪很难稳定测厚，并且价格昂贵，常用的旋转式辊缝仪由于蜗轮蜗杆之间的间隙难以消除，测量误差大。为此，我们利用磁致伸缩技术开发了高精度的数字式线性辊缝仪，通过辊缝的测量间接测量试件的厚度，成功地解决了实验轧机短坯料厚度测量的难题，实现了高精度的液压厚度控制（AGC）；热轧实验机组开发成功后，迅速得到钢铁企业的欢迎。五年来，实验室先后为宝钢集团技术中心，宝钢股份不锈钢分公司，济钢公司，马钢公司等提供了多套热轧实验设备。目前正在建设的项目还有首钢，沙钢，韶钢，太钢等。
（2）热力模拟实验机
该设备是在国家自然科学基金科学仪器基础研究专项资金（50227401）资助下自主开发的新一代热力模拟实验装置。热模拟实验机是研究材料热加工过程组织转变的重要手段，过去，国内市场一直由国外产品所垄断，价格高，功能单一。我室所开发的设备，填补了国内空白，并成功应用于济南钢铁集团技术中心，打破了国外产品的垄断地位。热力模拟实验机研发的主要内容有：1) 集多功能于一体的机械结构。GLEEBLE系列热力模拟实验机随着实验内容不同需要更换不同的部件，我室所研制的实验机采用新型的机械转换机构，在同一台设备上不更换部件的条件下实现了热处理、拉伸、压缩（包括多道次压缩）、平面变形、连铸、焊接、扭转（包括多道次扭转）及拉扭、压扭复合等模拟实验，为材料性能的研究开辟了新的方法和手段。2) 多向复合大变形技术。变形可以破碎晶粒，实现晶粒细化，特别是经过多向大变形，能够得到晶粒小于1微米的细晶钢铁材料，目前尚缺乏能够进行这种实验研究的设备。为此，我们开发了具有自主知识产权的可同时实现压缩和扭转变形的机构，成功地实现了压扭复合大变形，为需要大变形的实验研究提供了手段。3) 速度、位置、温度的高速度、高响应、高精度控制系统。开发的新一代热力模拟实验机能够模拟带钢连轧、高速线材连轧等高变形速率成形条件，变形速率达到500/ s，在不到10 ms内可以完成压缩过程，且变形的施加过程与连轧过程相似。该试验机利用引进的传感器和计算机控制系统，独立自主进行集成和软件设计，实现了下述功能：液压系统的快速启动、急停，并消除由此产生的冲击、振动等现象；理想加减速曲线的设定、跟踪反馈与优化；压缩位置、扭转角度的高精度控制；瞬时大电流快速均匀电阻加热；温度、压力、扭矩、位置、速度等过程参数的高频率采样及高速数据处理。4) 冷却过程控制。由于冷却过程对于提高钢材性能方面的重要作用，人们希望热力模拟设备可以在冷却模式、冷却速度等方面模拟实际的生产过程。我室开发了冷却过程控制设备，可以依据设定的冷却模式和冷却速度对试样进行冷却，大大拓宽了热力模拟试验机的研究能力。
（3）冷轧实验机组
在冷轧过程中，冷轧道次、变形量、轧制张力、速度和润滑等工艺制度直接影响冷轧产品的质量和后续退火热处理的回复，再结晶及相变等物理冶金过程，进而决定了这些产品的深冲性，强度等级和电磁性能等。在这些方面，我国的钢铁业有大量的课题需要解决，有效的研究手段是解决这些问题的关键，为此，实验室自行投资，自主研发，成功开发出二/四辊可逆冷轧实验机组，第一套设备已于2006年6月交付用户使用，2007年底又与太钢签订了研发合同。冷轧实验轧机研发的主要内容有：1) 液压张力技术。单机架可逆冷轧机张力施加和控制的传统方法是采用卷取机，该方法对成卷坯料进行轧制，生产效率高，但对实验轧机而言，1～2m长的试样即可满足研究的需要，成卷轧制反而增加了轧制时间和辅助时间长，实验效率低，并且实验成本高。另外，实验轧机的来料是小炉炼钢后热轧的坯料，达不到成卷的长度。为此，在冷轧实验轧机的设计时，我们采用单张试样的方案，张力的施加和控制利用轧机前后的液压缸实现，并开发了高效率的楔形液压夹头，克服了国外设备需要焊接引导并在引带上打孔的繁琐操作。由于采用液压缸施加张力，前后张力控制稳定，特别适合品种开发时小炉冶炼提供的短轧件的冷轧实验。在液压张力控制基础上，实现了带钢原位碾压，以较小的压下力可以获得较大的单道次压下率；2) 二/四辊工作模式。本实验轧机为四辊轧机，为了满足实验轧机即能轧制又能平整的要求，我们采取了即可以二辊工作，也可以四辊工作的设计方案，开发了二/四辊可换的轧机动力驱动系统。当进行轧制时，采用小辊径的工作辊加支撑辊的四辊工作方式，轧制能力大，可轧制薄工件。当需要平整时，采用两辊工作方式，利用大辊径的支撑辊进行平整；
（4）连续退火模拟实验机
冷轧带钢连续退火模拟实验机是在国家自然科学基金科学仪器基础研究专项资金（50527402)资助下自主研发的用于冷轧产品开发和退火工艺研究的实验设备。第一台设备于2007年9月在宝钢股份不锈钢分公司通过验收，2007年底又与太钢签订了研发合同。该设备部分技术指标和功能达到或超过国外同类设备的水平，在与多年从事同类设备开发的奥钢联机电公司（VATRON）的竞争中，我们仅用两年多的时间，就在国内市场上取得了2：2的成绩。连续退火模拟实验机研发的主要内容有：1）大尺寸试样保护气氛退火。针对600×300mm的试样，开发了卧式实验机本体，直接电阻加热系统，冷却系统，气水分配供给系统，张力系统，气氛检测系统和控制系统，实现了保护气氛退火。大尺寸试样实现保护气氛退火的意义不仅在于为退火带钢的表面质量和表面反应过程研究提供了手段，而且也为后续的纵横向力学性能测试以及深冲成形性能研究提供了尺寸足够大的退火原板，而国外具有保护气氛功能的实验机所能处理的试样尺寸只有340×100mm，横向取拉伸试样或做成形实验有一定困难；2) 组合式宽速率冷却系统。本实验机在一套冷却设备上实现了喷气和喷雾两种冷却功能，冷却速率连续可调，最大达到600℃/s。这样大范围的冷却速率，国外只在无保护气氛的实验机上实现了，而且是通过多工位，多种冷却设备（风扇、喷气喷嘴、喷雾喷嘴和水淬槽）实现的，设备复杂，成本高。国外保护气氛退火设备只有喷气冷却功能，冷却速率最大100℃/s；3) 冷却方式、冷却速率和冷却路径控制。冷轧带钢连续退火工艺的核心是冷却技术，冷轧产品的组织和力学性能主要是通过控制冷却获得的。本实验机在冷却方式上有小电流加热缓冷，自然冷却，氮气喷吹冷却，氮气氢气混合喷吹冷却，喷氢冷却，氢气/氮气＋水喷雾冷却等方式，可以实现5～600℃/s的冷却速率。灵活的冷却方式和宽广的冷却速率为连续退火冷却技术的研究提供了有效的手段，对高强钢钢种开发具有决定性作用。
（5）其它实验设备
除了上述研发成果，实验室还自主开发了疲劳实验机和热浸镀模拟实验机。针对现有设备存在的问题，提出了很多具有创新性的技术解决方案。尤其是疲劳实验机，可靠性好，负荷、位移、变形的控制误差小于±1%，达到国外先进水平。
3 创新性贡献
（1）开发了热轧实验机组完善的轧后冷却功能，解决了过去国内外实验轧机普遍存在的冷却能力不足的问题，为控冷工艺研究和先进钢铁材料开发奠定了基础。
（2）开发了数字式线性辊缝仪，解决了热轧实验机短坯料厚度测量的难题，实现了高精度的厚度自动控制。
（3）开发了热力模拟实验机多向复合大变形技术和机构，在一套夹具上实现了拉扭，压扭复合变形，为复合大变形实验研究提供了手段。
（4）大尺寸试样实现了保护气氛退火，为后续的拉伸实验和冲压实验提供了尺寸足够大的退火原板，克服了国外同类设备存在的功能缺陷。
（5）开发了组合式宽速率冷却喷嘴，在一套喷嘴上既可以喷气，又可以喷雾，实现了单一工位条件下大范围冷却能力，解决了国外多工位方式带来的设备复杂，成本高的问题。
（6）冷轧实验机采用液压张力技术，不需要成卷坯料，实验成本低，效率高。所开发了高效率楔形液压夹头，克服了国外设备需要焊接引导并在引带上打孔的繁琐操作。在液压张力控制基础上，实现了带钢原位碾压，以较小的压下力可以获得较大的单道次压下率。
4 作用及影响
实验设备作为一种研发手段，在产品和工艺开发中发挥着重要作用，对提高企业竞争力和经济效益有重要影响，下面是两个具体的例子：（1）超级钢开发。本实验室在过去几年中开发出了400MPa，500MPa超级钢，在国内外引起强烈反响，研究成果先后获得国家科技进步一等奖，国家发明二等奖以及省市部委奖十多项，产品推广产生了巨大的经济效益和社会效益。在超级钢的开发过程中，基于热模拟实验机的实验研究获得了超级钢的工艺窗口，基于热轧实验机组的热轧实验优化了工艺参数，并最终在实验轧机上轧制出超级钢原型钢。尤其是实验轧机的超快速冷却，为超级钢相变组织的控制提供了设备保证，对超级钢开发成功起到关键的作用。超级钢的开发是热轧实验机组发挥作用的典型范例。（2）TCS345热轧带钢的开发。宝钢集团不锈钢分公司于2004年建设了不锈钢炼钢和热轧实验机组。基于这套机组，不锈钢分公司技术中心的科研人员开发出了货车车辆用TCS345热轧带钢，该产品是传统车皮钢的替代品，其应用大大延长了货车车厢的使用寿命。TCS345热轧带钢的开发成功和推广为宝钢不锈钢产品迅速占领市场，增加企业效益做出了重要贡献。
此外，实验轧机在宝钢5000mm宽厚板轧机投产前期的产品开发，鞍钢管线钢等高附加值产品开发过程中都发挥了巨大的作用。
除了在产品开发和工艺研究中所发挥的作用，实验室开发的实验设备在打破国外产品的垄断地位方面有巨大影响。过去，国内的热力模拟实验机市场一直由国外的一两个品牌所垄断，我室开发的新一代热力模拟实验机，填补了国内空白，取得了一系列专有技术，对国外的品牌形成了强烈的挑战；连续退火模拟实验机的开发成功，同样打破了国外同类产品的垄断，在国内市场竞争中平分秋色，并且，由于有了我们强有力的竞争，国外的产品价格被迫大幅度下降。
研发工作得到国家自然科学基金资助2项（“新一代多功能热力模拟实验机研制”、“冷轧带钢连续退火模拟实验机的研究与开发”），得到国家211工程、985工程的支持。
