文章討論了具有先進工藝和設備配置的本鋼2300 mm熱連軋機組在軋制高級別石油管線鋼的過程中，優化板坯在爐時間，完善加熱工藝制度，提高小時出鋼數量；改進粗軋機架除麟水封水質量，試驗投入雙排水，加快粗軋區域板坯溫降速度，優化粗軋軋制速度，試驗利用R1空過期間的機架除麟水的冷卻效果；調試精軋入口厚度、溫度，對應產品性能檢測結果，確定中間坯最優厚度及最優開軋溫度；根據季節和水溫變化，調整和優化終軋溫度，以保持層冷冷卻速率的恒定和帶鋼性能的恒定；改進層冷下集管噴水，優化水量，減小上下表面冷卻能力的差異以及帶鋼上下表面的組織和性能的差異；全線過程控制、溫度制度、速度制度以及壓下制度規范化，通過2個月時間的穩定性確定，將上述制度固定，并形成高級別管線鋼生產專用規范等手段實現保證產品的特殊的性能而要求的特殊工藝過程的。
本鋼2300 mm熱帶鋼連軋機組投產以來，品種鋼成為其生產的重點，并且在產量中所占比例也逐漸增大，品種鋼的生產具有鋼種強度級別高、表面質量要求高、軋制穩定性差、控制難度大等特點，其中石油管線鋼的產量比例逐年增加，尤其是高級別石油管線鋼的需求量有了較大的增長，同時對鋼材的性能、尺寸精度等的要求也日益提高。此類鋼種強度級別高，軋制溫度低，負荷大，溫度控制困難，由于低溫軋制和冷卻速率高造成的板型控制難以及卷取強度和難度大等。這些特點就導致了該鋼種小時產量低的問題。如何提高該類產品的生產能力、成材率，保證其附加價值的實現就成為生產組織管理以及產品質量控制工作的重點。本鋼2300 mm熱連軋機組半連續式熱軋帶鋼軋機，設計為900 t/h(按三臺加熱爐生產計算)。而X70以上級別的高等級管線鋼，工藝設定上采用的是通過合金和稀土元素調質的方法，配合以軋制過程中的道次壓下量以及溫度控制等方法獲得需要的金相組織結構，從而達到要求的機械性能，因此，該鋼種小時產量遠遠低于普碳結構鋼。
其工藝要點要求在爐加熱的時間較長，并且出爐溫度較低以及軋制節奏慢等，使得小時產量遠遠低于年產量要求，首次確定的工藝要點執行下，小時產量只有360 t/h的水平。經過技術中心等研發部門與2300 mm機組技術人員的共同努力，結合實際生產過程，優化加熱爐熱裝工藝、調整了板坯出爐溫度控制制度，將生產能力提高至420 t/h左右。
對比機組515萬t/a的設計產量，需要保持機組生產能力在900 t/h平均線上，因此，420 t/h的生產能力仍然嚴重影響機組產能的發揮，改進和提升勢在必行。
原因分析
2300 mm熱連軋機組采用半連續式熱軋帶鋼軋機配置，生產厚度為1.2~25.4 mm，寬度為1000~2150 mm的熱軋帶鋼，年產量為515萬t熱軋鋼卷，其中不銹鋼卷65萬t。生產的產品主要以高附加值熱軋卷板為主，包括碳素結構鋼、優質碳素結構鋼、低合金結構鋼、管線鋼、造船用鋼、焊接氣瓶用鋼、高耐侯結構鋼、高強度結構用熱處理和控軋鋼板和鋼帶、橋梁用結構鋼、汽車大梁用鋼、IF鋼、雙相(DP)及多相鋼(MP)、相變誘導塑性鋼(TRIP)、300系列不銹鋼、400系列不銹鋼等。工藝流程布置圖見圖1所示。
隨著我國能源工業的發展和技術進步，管線鋼在長距離輸油管道和輸氣管道的應用已形成規模，并成為石油行業的主流產品。管道運輸是長距離輸送石油、天然氣的重要方式之一。為提高管道輸送的運營效率，降低成本，管道運輸正向大口徑、高壓輸送方向發展。高壓、大口徑輸送對高強度、韌性和焊接性提出了更加嚴格的要求，中國管線鋼的級別在短短十年內已迅速從X60提高到X80。目前X80已成為國際上石油、天然氣管線用鋼中使用量最多的鋼級。西氣東輸二線工程及中亞天然氣管線工程是我國建國以來最大的基礎設施建設工程之一，工程干線主要采用X80鋼級，是迄今世界上采用X80鋼級的最大管道工程。
將石油天然氣從偏遠崎嶇地區運輸至市場需使用在各種溫度條件下均需要具有優異韌性的高壓輸送管線。這一目標可通過增加管線壁厚或鋼的強度，以及通過兩者的合理匹配來實現。增加壁厚導致建設成本增加，因此，在過去的10年里管線設計的目標一直在致力于采用高鋼級的管線鋼，如在各種設計溫度條件下具有優異韌性的X80、X100管線鋼等。
本鋼2300 mm熱連軋機組生產線是當前世界上規模最大、軋制能力最強的熱連軋機組之一，主要用于生產熱軋汽車板、冷軋汽車板原料、不銹鋼、熱軋雙相鋼(DP)以及高等級管線鋼(X80、X100)等高附加值的產品，該生產線在設備選型、參數選擇、平面布置等方面都進行了充分的考慮，為這些產品的生產提供了保證。
本鋼高性能低成本的X80管線鋼的開發研制，在合金元素、生產工序、產品生產周期等方面采用減量化生產技術，在保證管道安全生產的前提下，大幅度的降低了生產成本。該類鋼種強度級別高，軋制溫度低，負荷大，溫度控制困難，由于低溫軋制和冷卻速率高造成的板型控制難以及卷取強度和難度大等等。本鋼采用低Mo的合金成分，生產高性能、低成本、厚規格的X80管線鋼，為保證組織細化，達到性能要求，采用低溫大變形、大冷速、低卷取等技術手段，用于大批量X80熱軋卷板的生產，但由于鋼種設計具有加熱時間長、軋制溫度低、冷卻速率大、卷取強度高等特性使得試制初期，高級別管線鋼的小時生產能力僅在360 t/h左右，嚴重地影響了整個機組產能的釋放。
本鋼在高級別管線鋼生產工藝設定上采用的是通過合金和稀土元素調質的方法，配合以軋制過程中的道次壓下量以及溫度控制等方法獲得需要的金相組織結構，從而達到要求的機械性能。因此鋼種設計之初的工藝要點要求出爐溫度較低且在爐加熱的時間較長，從而保證多種合金元素的固溶。
粗軋、精軋機區域的低溫大變形是鋼種生產工藝過程中的另一項制約產能提高的原因，是高級別管線鋼軋制中的一個控制難點，是R2末道次溫度、精軋開軋溫度的控制，以及由此產生的對小時產量的巨大的影響。
鋼種的高強度特征要求卷取前帶鋼冷卻采用較大的冷卻速率，為達到這個要求一方面在層流冷卻效率上采用措施，同時要降低精軋機組軋制的速度，以保證帶鋼具有足夠的冷卻時間。
上述幾項鋼種特性造成的特殊工藝要求，最終導致高級別石油管線鋼雖然是附加值較高的產品，但由于小時生產能力的偏低，沒能實現理想的經濟效益。
改進措施
工藝過程技術難點具體化：(1)如何合理控制和調整板坯爐內各段在爐時間及加熱溫度，平衡生產線軋制節奏的同時保證大量合金元素的固溶效果；(2)粗軋區域要求低溫大變形的工藝過程，對軋件的冷卻需采用一系列特殊措施，同時保證大變形的條件下，還需確保設備，特別是傳動設備負荷的變化在允許范圍內，從而保證機械設備的安全；(3)粗軋區域中間坯最終溫度控制的措施和控制模式等，如何實現自動控制，提高作業效率；(4)精軋機組速度和冷卻水的配合，壓下負荷的各架分配，保證精軋區域鋼種工藝的實現，為后續輸出輥道上帶鋼冷卻提供最穩定的條件；(5)層冷冷卻水水量、冷卻速率方面較高的要求，如何保證冷卻段穩定，同時防止帶鋼產生嚴重瓢曲；寬厚規格高級別管線鋼，強度級別高，對卷取機負荷影響較大，如何實現雙臺卷取機生產，如何控制好卸卷速度和節奏，提高手動對尾的準確度等。經過多次試制和優化，確定了如下改進措施。
板坯加熱制度改進
對于板坯加熱期間，加熱爐內各段在爐時間需求的情況，在最初的工藝條件下，采取了爐內空位的方法，以減少待熱時間。因此，在當時工藝要點條件下，為了提高管線鋼小時產量，采用不平衡裝爐和出爐的方式，而是用其中的2臺爐裝管線(3臺爐生產情況下)，預留一定的空段，另一臺爐裝如Q235B普碳鋼料，用以彌補待熱時間，這樣管線鋼小時產量首次被提高到420 t/a。
試制過程中優化組織裝鋼計劃提高熱裝率、優化過程控制參數、性能數據對應分析等，將板坯加熱時間和出爐溫度進行了合理調整，最終使高級別管線鋼的加熱制度與其他普通料完全相同、出鋼節奏完全相同，在很大程度上提高了產能，節約了能源。
開發粗軋區強制降溫
高級別管線鋼軋制中另外一個控制難點是，對粗軋機R2末道次進鋼溫度的特殊要求以及較低的精軋開軋溫度的控制，這兩項工藝要求對軋線的小時產量有巨大的影響。鋼種具體的工藝要求包括：確保板坯溫度1180±20℃，加熱時間控制在2.5~5.0 h。粗軋區域采用3+5模式或0+7模式、前部道次低溫大壓下、控制出R2溫度(≤960℃)以及控制R2第二末道次變形量等。
為了消除特殊工藝要求帶來的對產能的影響，從溫度制度以及軋線上各點的冷卻水等方面著手，配合以操作員干預以及軋制節奏的控制等手段，滿足上述工藝溫度要求，從而保證了管線鋼產品性能和板型兩方面的技術條件的實現。
◆粗軋機R1區域降溫
無論是3+5還是0+7的道次分配模式，均要求保證粗軋機前兩個道次的絕對壓下量。粗軋采用0+7道次分配模式時，即R1采用空過。板坯從加熱爐出爐到R1前只經過粗軋高壓水除鱗箱一排集管的冷卻，當板坯到達R1前時，板坯表面形成了較厚的氧化鐵皮，這樣的狀態對板坯溫降以及軋制后的表面質量對會造成一定的不利影響，因此在板坯空過R1機架時，將機架出口和入口的除鱗水通過一級強制的方式投入，一方面改善板坯表面質量，另一方面對板坯形成大約40~50℃的溫降，這對控制R2軋制期間板坯溫度打下一定的基礎，這種控制模式固化在管線鋼模型控制中，形成自動程序。
◆粗軋機架R2處降溫
軋制期間，前五個道次軋制期間機架出口和入口側的除鱗水均用于幫助板坯降溫，使之盡快達到要求，節省游動時間。此外，通過實踐摸索，找到并設定正確的R2軋制速度(包括穿帶速度、軋制速度和拋鋼速度三個值的設定)，在確保R2機架在軋制溫度較低、強度較高的板坯并且壓下量較大的條件下軋制力以及軋制扭矩保持在安全極限水平之下，防止軋機由于負荷過大而產生跳閘的現象。同時，通過正確的速度和噴水的配合，來保證或提高除鱗水冷卻板坯及除鱗的效果。
隨著R2軋機軋制道次的增多，板坯厚度的減小，為了防止由于噴水過多造成的板坯上下表面溫度差過大，在進精軋機軋制時產生翹頭以及第六道次后高溫計檢測誤差等問題，R2機架除鱗水道次投入限定在前五個道次及第七道次，同時開啟了精軋F1前帶鋼下表面的中壓冷卻水，以減小F1、F2機后帶鋼的翹頭。
為了縮短R2前游動的時間，提高小時產量，還采取了調整軋制節奏的方法。在不影響粗軋區域除鱗水量以及冷卻除鱗效果，并且軋制趨于穩定的條件下，將板坯出爐間隔時間控制在180 s左右，在控制軋制節奏的同時，使板坯在開軋之前有在R1前一定時間的游動，達到40~50℃左右的溫降，這樣對板坯在R2前的游動時間得到一定程度的縮短，提高小時產能。
◆R2機前增設高溫計
在R2入口增加高溫計并修改了控制模式。在程序中增加了禁止進鋼信號，即最后一道次時，利用實際檢測的溫度與工藝要求的溫度值進行比較，當板坯溫度低于設定值且無波動3 s后，禁止進鋼信號解除，帶鋼正常軋制。有效提高了溫度控制的精度，提高了產品質量。◆高冷卻速率要求及措施
根據工藝要求，高級別管線鋼的中間坯厚度為60 mm、精軋入口溫度≤960℃，要求精軋機恒速軋制，以保證大于25℃/s的目標冷卻速率以及400℃的目標卷取溫度。此外，為了滿足用戶高成材率的需求，要求帶鋼干頭長度(軋制時考慮卷取機卷取穩定性所需帶鋼頭部高溫段長度)≤2.5 m。
根據鋼種性能，輸出輥道上帶鋼冷卻時需要達到25~30℃/s的冷卻速率，以保證正確的屈強比值。這就一方面要求加大層冷的水量，即冷卻能力，另一方面，為了保證這個冷卻速率的實現，需要精軋機組采用恒速軋制的策略。為了實現這一要求，2012年10月之前，2300 mm機組采用將層流冷卻的前五組冷卻單元的上下集管的流量分別做調整(這5組冷卻單元配置了流量檢測設備，便于調整)的方法，使得上下集管的流量分別提高為額定流量的1.3和1.5倍，這樣既滿足了大冷卻速率的需要，又可將精軋機組恒速軋制的速度得以一定程度的提高，縮短的軋制時間和軋制周期，從而提高的小時產量。
此外，為提高帶鋼冷卻速率，為夏季高水溫條件下生產性能更加穩定的高級別石油管線鋼及高強結構用鋼等品種，完成了原有的層冷設備前五組超密集型冷卻的改造。超密集型冷卻技術的開發和應用，為夏季高水溫下生產高級別管線鋼提供了非常有利的條件，細化控制后的冷卻水、合理增大的上、下冷卻速率比以及最高可達40℃/s的冷卻速率，完全滿足了各種溫度條件下穩定生產高級別管線鋼的要求，效果十分顯著，并且制成鋼管的斷裂韌性、金相組織、硬度、工藝質量等化學性能、力學性能均得到了有利的改善。
經過大量的生產實踐以及多次的優化和調整，目前上述措施已經成熟穩定地應用在高級別石油管線鋼的日常生產組織和過程控制中，起到了非常好的效果。各項指標的命中率得到了很大提高，最重要的是，高級別管線的小時生產能力已經從過去的420 t/h，提高到現在的560 t/h以上。
干頭控制功能的開發
對干頭控制的全流程進行了改進。包括：改進了層冷閥門調節校準方式，使閥門穩定性和一致性大幅度提高；改進了層冷閥門響應時間測試方式，使其測試精度和測試速度大幅度提高；增加了單個層冷閥門響應時間參數，并開發了與之配套的調節程序，可以實現單個層冷閥門響應時間參數快速調校；提高了跟蹤計算精度，實現了跟蹤精度<1 m；改進了跟蹤程序，大幅度提高了干頭跟蹤穩定性；改進了卷取機控制，保證干頭很短時可以正常卷取。
經過改進后，高級別管線鋼可以實現0.5 m級別的高精度干頭控制，而且穩定性極佳，無需人工干預，完全可以滿足用戶或設備的不同要求。
結束語
經過大量的生產實踐以及多次的優化和調整，將上述優化措施應用在實際生產中，并進行穩定化管理和控制；提高各段溫度控制精度，從而提高產品性能指標和穩定性；最重要的是，高級別管線鋼的小時生產能力已經從過去的420 t/h左右，提高到現在的560 t/h以上，創造了巨大的經濟效益。
文章來源——金屬世界