年产70万吨棒材生产车间设计
1 文献综述
在现代社会的国民生产中，棒材作为钢铁产品的组成部分，即便是在当前国际经济危机的大环境下，由于我国采取扩大内需，建设基础设施，鼓励发展房地产业的政策，棒材的生产仍然十分重要。由于钢铁材料的用途十分广泛，不论农业、工业、国防建设，都需要有质量优良，品种齐全，数量足够的钢铁，因此钢铁工业的发展有着非常重要的意义[1]。我国是一个发展中国家，住房尚需大量发展，建筑用钢的需求在很长一段时间内都将是很高的。另外随着人民生活水平的提高，相应汽车用钢的需求也会越来越多。 1.1我国线棒材发展现状
钢铁材料以其所具有的特性———较高的强度和韧性、易加工成型性、绿色可循环性在未来时期内仍将是重要的结构材料。随着我国汽车制造、电气机械、船舶制造工业的发展,板材、管材在钢材中所占的比例将逐渐提高,线棒材所占比例将有所下降,但其绝对值仍在上升。而且线棒材生产结构将发生很大的变化。我国目前线棒材生产有如下特点[2]。
1.1.1.产能高
我国线棒材无论是轧机数量，还是产量均居世界第一位，而且产量还在以较快速度增长（年平均增长速度为15%左右）。至2008年下半年，虽受国际金融危机的影响，其产量仍保持较小幅度增长。目前，我国线棒材产量占钢材产量的48%～50%。而美国同期线棒材产量占钢材产量的22%，日本同期线棒材产量占钢材总产量的27%，而且近几年产量对平稳。
1.1.2.生产设备参差不齐
基于节省资源和环保的要求，钢材的生产越来越重视先进技术和装备的使用。近年来我国小型线棒材轧机向连续化、自动化、大型化发展。但同时存在大量落后产能，据调查，约有40%的小型型钢（线棒材）生产线属于落后淘汰设备[2]
。
1.1.3.管理水平逐年提高 近年来，我国线棒材厂总体生产管理水平逐年提高，特别是实行负公差轧制的轧机，成材率高达98%以上，采取多项措施扩大产品规格和提高产品质量，可满足不同的用户的需求，增加了市场份额。
1.1.4.高质量、高附加值的经济性线棒材所占比例少，很多高质量、高附加值的产品很多高质量、高附加值产品仍靠进口[2]。 1.2棒材的种类和用途
棒材是一种简单断面型材，一般是以直条状交货。棒材的品种按断面形状分为圆形、方形和六角形以及建筑用螺纹钢筋等几种，后者是周期断面型材，有时被称为带肋钢筋。棒材的断面形状最主要的还是圆形。国外通常认为，棒材的断面直径是9~30mm。国内在生产时约定俗成地认定为：棒材车间的产品范围是断面直径为10~50mm。
棒材的用途非常广泛，除建筑螺纹钢筋等可直接被应用的成品之外，一般都要经过深加工才能制成产品。深加工的方式有热锻、温锻、冷锻、拉拔、挤压、回转成形和切削等，为了便于进行这些深加工，加工之前需要进行退火、酸洗等处理。加工后为保证使用时的机械性能，还要进行淬火、正火或渗碳等热处理。有些产品还要进行镀层、喷漆、涂层等表面处理。
由于我国正处于城镇化快速发展的历史阶段，对建筑钢材需求很大。螺纹钢作为主要的建筑用钢材，消费一直占据着我国钢材生产的较大比重。在各国标准中对钢筋的强度级别或牌号的设置大致与我国相似，可分为300MPa（低）、400MPa（中）和500MPa（高）三组，日本与美国的主力钢筋是400MPa（420MPa）中强度级别；欧洲、英国、澳大利亚与新西兰主力强度级别是500MPa的高强度级别，尤其是英国与欧洲标准，高强化的趋势更加明显。但我国主力钢筋仍是335MPa（二级）低强度级别钢筋，占钢筋实际用量的67％，400MPa（三级钢筋）用量只占33％，大量使用低强度级别的钢筋造成钢材和资源的大量浪费，国家正准备制订新的标准强行推广400MPa钢筋为建筑业的主导钢筋。
现在我国400MPa（III级）螺纹钢筋钢的生产方法主要有：微合金化、余热处理、低温超细晶粒轧制等方法[1]。 1.3市场对棒材的质量要求
由于棒的用途广泛，因此市场对它们的质量要求也是多种多样的，根据不同的用途，对力学强度、冷加工性能、热加工性能、易切削性能和耐磨耗性能等也各有所偏重[3]。总的要求是：提高内部质量，根据深加工的种类，材料本身应具有合适的性能，以减少深加工工序，提高最终产品的使用性能。
用作建筑材料的螺纹钢筋，主要是要保证化学成分并具有良好可焊性，要求物理性能均匀、稳定，以利于冷弯，并有一定的耐蚀性。 1.4棒材的生产特点
棒材的断面形状简单，用量巨大，适于进行大规模的专业化生产。我国棒材的总产量在钢材总量中的比例超过40 %，在世界上是最高的。预计随着我国经济现代化程度的逐渐提高。棒、线材在钢材总量中的比例将会逐步降低[4]。
棒材的断面尺寸比线材要大，但仍是热轧材中较小的。棒材的特点是断面较线材大的多，散热慢，可轧时间长，但压缩比不很大。长度定尺交货，使得可有多种生产方式进行轧制。但随着尺寸精度和表面质量要求增加，横列式已经多数被淘汰。因为，三辊横列式速度慢、轧制时间长，导致轧件终轧温度下降过多，头、尾温差加大，结果造成轧件头、尾尺寸公差不一致，并且性能不均。采用平立交替轧机提高轧制速度可以解决上述矛盾，滚动导卫的使用也可减少事故，这些都推动了棒材生产技术的发展。 1.5棒材的生产工艺
小型棒材是由小型轧机生产的，小型轧机的主要类型分为：连续式、半连续式和横列式。目前世界上新建和在用的以全连续式小型轧机居多。当今流行的钢筋轧机有通用的高速轧制的钢筋轧机和4切分的高产量的钢筋轧机。 连续小型轧机所用坯料一般是连铸小方坯，其边长一般为130~160mm，也有180mm×180mm的，长度一般在6~12米左右，坯料单重1.5~3吨。轧制线多为平—立交替布置，实现全线无扭转轧制。根据不同坯料规格和成品尺寸有18、20、22、24架的小型轧机，18架为主流。目前，棒材轧制多采用步进式加热炉、高压水除鳞、低温轧制、无头轧制等新工艺，粗轧、中轧向适应大坯料及提高轧制精度方向发展，精轧机主要是提高精度和速度。生产的钢种为市场大量需要的低中高碳钢、低合金钢[6]。
目前使用的棒材先进的生产技术有以下几种： 1.直接使用连铸坯
普通碳素钢和低合金钢小型轧机、大部分合金钢小型轧机都以连铸坯为原料，并且以连铸坯为原料的合金钢钢种和品种还在进一步扩大。普碳钢小型轧机
使用的坯料断面应在130mm×130mm～150mm×150mm左右，坯料单重1.5～2.0吨，甚至达2.5吨。单重增加切头切尾量相对减少，定尺率高，有利于提高金属的收得率。连铸技术的进步是推动包括小型轧机在内的整个冶金技术发展最重要的动力。高速连铸技术已成功地以4.3m/min的拉速生产130mm×130mm的连铸坯。随着合金钢连铸技术水平的提高，像优质碳素钢、合金结构钢、弹簧钢、奥氏体不锈钢、轴承钢等现在都可直接进行连铸。合金钢连铸坯向中断面过渡的趋势将加快，更多的合金钢钢种和品种正在采用160mm×160mm～240mm×240mm的连铸坯，300mm×300mm以上的大方坯的数量在逐渐减少。
2.连铸坯热送热装 节能。连铸坯在650～1000℃的温度下，直接装入小型轧机的加热炉中加热，可使加热燃料消耗降低25%～75%。可减少金属损失，同时，直接热装还可减少加热的氧化损失。又能减小或取消中间存储面积，减少操作设备和人员。可提高生产率。直接热装使投料至成品的生产周期由两周缩短至几小时。因此直接热装是当前小型和线材轧机节约能耗，减少生产成本最直接有效的措施之一，无论新建还是改造的小型轧机都竞相采用这一工艺。直接热装的前提条件是：生产无缺陷的连铸坯。
3.采用步进式加热炉
20世纪80年代末到90年代初，建设的连续式加热炉多采用步进式加热炉，90年代中期以后的钢坯加热多采用侧进侧出的全梁式步进炉。而蓄热式加热炉可节能约35%，缩短钢坯加热时间，降低烧损等优点而得到重视。
4.低温轧制工艺
常规的轧制温度是在奥氏体区轧制，低温精轧是指在最后几道次的形变发生在正火或热机精轧工艺对应的温度范围内。低温轧制的优点是结构组织的细化将生产细化的晶粒尺寸，改善了低温韧度，可获的良好的力学性能。
5.无头轧制工艺
无头轧制技术是指在加热炉出口侧将钢坯两端焊接起来，轧制一根理论上无限长的钢坯。这种轧制方法由于消除了皮料间隔时间，从而增加了纯轧时间，减少了切头切尾损失，提高了金属收得率，而且稳定轧制设设备的冲击减少，减少设备维护，提高了产量和降低了成本。
6.切分轧制：
切分轧制的原理是在轧制过程中用轧辊或其他方法将轧件沿纵向剖分成两条或多条轧件，变单条轧制为多条轧制。近年来，国内热轧棒材厂使用切分轧制技术生产Φ12—Φ20螺纹钢筋的应用越来越普遍，已将切分轧制技术作为提高小规格品种产量的最佳途径。切分轧制采用的方式主要有两种：
（1）切分轮法：
先用特殊的孔型将轧件轧成准备切成的形状，再在轧机的出口处安装不传动的切分轮，利用其侧向分力将轧件切开。这种方法在连轧机上普遍采用，是目前切分轧制的主要方法。
（2）辊切法：
利用轧辊孔型的特殊设计，在变形过程中将轧件分开。这种方法不需要其他辅助设备，操作简单，但要求轧辊的强度和韧性，要求轧辊孔型设计合理准确。
采用切分轧制技术生产小规格螺纹钢筋发生的工艺故障要明显多于单线生产，生产过程中，为了消除对轧制影响的各种不利因素，必须时刻切记2或3根轧件的均匀性和一致性，力争杜绝产生线差。另外，要时刻掌握轧制的动态，
善于从轧辊、导卫的磨损和轧件的咬入、扭转角度、立活套高度、堆拉关系、2或3根钢长度差等现象中及时发现故障苗头，以及堆钢事故中分析故障的根源，果断的采取相应措施，调整孔型和导卫，预防和避免故障的发生。总之，只要我们坚持预防为主的方针，通过对导卫轧机的正确把握和调整，严格控制钢料尺寸，生产中要做到勤观察，多检查，及时消除事故隐患，保障切分轧制的顺行，降低其工艺故障率是完全可实现的。
7.采用无孔型轧制
无孔型轧制即在不刻轧槽的平辊上，通过方一矩形变形过程，完成延伸孔型的任务；减小断面到一定程度，再通过数量较少的精轧孔型，最终轧制成方、圆、扁等简单断面轧件。无孔型轧制为一种轧制形变新工艺，与孔型轧制相比，其显著优点为：
（1）由于轧辊不刻槽，轧辊辊身和硬度层被充分利用，轧辊耐磨性好、磨损小，一般可提高轧辊使用寿命2～4倍；
（2）单架轧机轧件变形量大，可减少轧机使用数量；
（3）工艺共用性强，可满足不同规格配料共用，减少换辊换槽次数，提高轧机作业率，同时减少备件库存量；
（4）轧制横向分布均匀，而且非稳定变形区较窄，轧件头尾部缺陷少； （5）轧辊加工简单，车削量少，降低维修费用和轧制成本。
例如莱钢现棒材厂第二轧钢车间成功实施无孔型轧制工艺并在其他轧线推广，解决了150方坯和160方坯共用问题，达到提高生产率，降低轧辊和导卫消耗，降低工人劳动强度和减少固定资产投入等效果，提高月产9000吨左右，降低吨钢成本7.89元。无论是工艺件消耗、机加工成本，还是能耗、成材率、生产率等，各项指标均明显提升，具有良好的经济效益和社会效益。
无孔型轧制轧件稳定性影响因素主要有：轧件高宽比、道次压下率、相对导板间隙等。通过制定合适的压下规程，选择好导卫的结构形状、导卫尺寸及导卫材质，可保证无孔型轧制的过程稳定[7] 。 1.6棒材轧制的发展方向
1.连铸坯热装热送或连铸直接轧制
由于实现了连铸，棒材生产可以不经过开坯工序。目前，即使是对于高档钢材也可以使用连铸坯生产，但是连铸还是无法保证提供无缺陷坯料，为了保证产品质量，需要在冷状态下对坯料进行表面缺陷和内部质量检查。因此加热炉还要对冷坯重新加热再进行轧制。今后随着精炼技术、连铸无缺陷技术、坯料热状态表面缺陷和内部质量检查技术的发展，连铸坯热装热送将会很快应用于生产实践，以充分利用能源。对于一般材质以及高档钢材的棒材连铸坯直接轧制技术仍在研究之中。连铸坯以650～800℃热装热送，可提高加热炉的能力20%～30%，比冷装减少坯料的氧化损失0.2%～0.3%，节约加热能耗30%～45%。同时可减少钢坯的库存量，减少设备和操作人员，缩短生产周期，加快资金周转，可见有巨大的经济效益[8]。
2．柔性轧制技术
实现了连铸热装热送甚至连铸坯直接轧制等先进的工艺以后，对于小批量、多品种的生产，在规格和品种改变时，会增加轧机停机的时间。为减少停机，人们研究了柔性轧制技术，该技术利用无孔型轧制、共用孔型等手段迅速改变轧制规程，改变产品规格。另外，长寿命轧辊、快速换辊技术等的日趋成熟都为棒线材的柔性轧制提供了条件。
3.高精度轧
棒材的直径公差大小对深加工的影响较大，故用户对棒材的尺寸精度要求越来越高。棒