一、研究的背景与问题
紧固件是将部件结合成整体的连接纽带，对制造业起四两拨千斤的作用。紧固件“拉拔+镦锻”的“破坏式”制造工艺，为行业公认对表面、内在质量及精度要求苛刻的钢种。长期以来，紧固件圆钢采用加热炉+传统棒材轧制，±0.1mm高精度材料依赖加热炉+KOCKS减定径三辊轧机轧制，加热能耗≥25kgce/t、轧速≤18m/s，存在能耗高、效率低、成本高及设备投资大现状。近年来，国内外钢筋免加热直轧和棒材高速轧制技术得到应用，新技术能耗、效率优势显著。但国内外以紧固件钢为典型的品种钢均未应用免加热直轧+高速棒材轧制技术，属于行业空白。前期钢筋直轧解决了钢筋铸坯高拉速成型、铸轧界面温度及轧制效率等问题。钢筋精度±0.4mm、表面与晶粒度要求相对宽松。本项目目标实现高精度紧固件圆钢铸坯免加热直轧降能耗、35m/s以上轧速提效率、二辊轧机高精度轧制±0.1mm。
面临的主要难题：
1.低碳、中碳、铬系、镍铬铜等多高裂纹敏感钢铸坯裂纹及偏析严重。行业内，高裂纹敏感钢连铸拉速普遍为1.8-1.9m/min。拉速2.4m/min以上，结晶器内角部凝固不均匀及连铸二冷区回温增加，铸坯裂纹达到3级以上；铸坯凝固时间延长，1/4位置枝晶间距180-190μm，碳中心偏析达到1.18。轧材顶锻合格率＜50%，轧材调质热处理后韧塑性差；
2.二辊轧机高速直轧尺寸精度差。二辊轧机精度极限±0.15mm；免加热直轧不同流铸坯温差60-150℃；直轧的坯温波动大、高速轧制金属横向流动不稳定及多轧辊张力波动累积放大等因素叠加，成品精度仅能达到±0.4mm，无法满足高端装备制造业±0.1mm高精度要求；
3.直轧紧固件钢轧材晶粒粗与表面质量差。铸坯直轧轧材晶粒粗1-2级，尤其中碳钢存在局部珠光体团尺寸在100μm以上，轧态及调质后材料韧塑性差。直轧材料弯曲度10mm/m以上；35m/s以上高速轧件1.5秒内完成制动，夹痕严重；高速输送划伤严重；
4.轧制间隙、轧槽寿命制约铸轧界面匹配及直轧率。传统精棒和高棒产线的中轧机轧槽寿命仅1000-2000吨、两支铸坯轧制间隙1.5m以上，轧制间隙与轧辊寿命制约铸轧界面协同。
二、解决问题的思路与技术方案
本项目以解决传统工艺能耗高、效率低、成本高及设备投资大现状等行业痛点为导向，通过长达8年的技术攻关，构建连铸3套模型、开发5个控制系统、自主设计定制化装备4项和5个控制方法，突破“二辊轧机直接轧制高精度紧固件用钢”等十余项关键技术，形成高效、稳定、连续的直轧生产技术体系，总体技术路线见图1。
图1 项目总体技术路线
三、主要创新性成果
1.构建了紧固件用低碳、中碳、铬系及镍铬铜系等高裂纹敏感钢铸坯高温热-应力表征模型，明晰了铸坯凝固与热应力状态，开发了结晶器高均匀冷却、恒冷却强度二冷模型与小方坯凸辊压下技术，解决了包晶钢高拉速铸坯漏钢、中碳钢裂纹及偏析等问题，中心碳偏析指数＜1.06，疏松缩孔面积占比降低60%，铸坯表面无缺陷。
建立了适合小方坯凝固过程热应力状态研究的热-力耦合模型，准确揭示了铸机内不同位置处凝固前沿的拉应力状态，为连铸过程热应力的研究奠定了基础。
图2 直轧工艺铸坯连铸过程热应力
研究了二冷水分配比、冷却均匀性等因素对高拉速条件下铸坯凝固前沿裂纹敏感区等效应变的影响。控制二冷三段比水量分配比，铸坯凝固前沿裂纹敏感区的应变<1.2%，为消除高裂纹敏感紧固件钢高拉速下铸坯中间裂纹。建立的高裂纹敏感中碳紧固件钢铸坯高温热-应力表征模型，准确预测了铸坯凝固过程中热应力状态，消除高裂纹敏感中碳钢中间裂纹，消除内部角裂。
图3 高裂纹敏感钢铸坯拉速与角部等效应变的量化关系
图4 中碳钢铸坯裂纹控制效果
模拟研究了中碳钢铸坯在1.8-2.8m/min拉速下的凝固终点液芯位置。2.4m/min拉速下，铸坯凝固液芯位置与常规拉速相比增加4.5米；2.8m/min拉速下铸坯凝固液芯位置增加9米。随着液芯长度的增加，凝固末端难以得到钢水补缩，铸坯中心疏松、缩孔缺陷加剧，增加宏观偏析的形成的驱动力。
图5 中碳钢铸坯拉速与凝固终点液芯位置
为抑制高拉速条件下铸坯宏观偏析的加剧，开发了小方坯的高效率凸辊压下技术。制定了铸坯热状态和机械辊形状、压下量及压下位置等最佳工艺匹配方案，大幅度降低铸坯中心疏松缩孔面积比例，改善碳、锰等元素的中心偏析。
图6 直轧拉速下，小方坯机械压下辊形状与铸坯截面等效应变关系
图7 小方坯凸辊机械压下后对铸坯中心疏松缩孔的改善效果
2.开发了预精轧“两道定径轧制半成品”高精度轧制技术，构建了椭圆-变态椭圆-椭圆孔型系统、“实时反馈+动态调整”张力在线监测系统、铸坯与轧件温度均衡控制系统，保障了高速直轧金属横向流动的稳定性，实现了国产二辊轧机直轧工艺下尺寸精度±0.1mm，成材率98.6%。
开发了铸坯及轧件温度均衡控制系统。研究直轧铸轧界面冷却换热系数与铸坯通长温度、时间的量化关系，设计施加与铸坯纵向相关联的非线性冷却条件，实现铸坯通长温度的均衡控制。通过增加三处在线连续测温，得到钢坯通长方向、立体方向温度分布规律，调节精轧前穿水强度，保证进入精轧机轧件温度的均匀性。
图8 轧件均衡动态温度控制原理图
开发了预精轧“两道定径轧制半成品”工艺、特殊孔型+导卫辊轮等定制化装备。设计通过提高半成品来料尺寸精度，实现成品材的高精度。解决温度波动带来张力波动、侧壁金属横向流动精准控制及多轧辊间张力柔性动态精准匹配等难题。设计局部道次采用椭圆-变态椭圆-椭圆孔型轧制。自主开发了具备“实时反馈+动态调整”功能的张力在线监测系统，实现高成材率。
图9 两道定径轧制半成品设计路径及定径孔型、导卫辊轮设计
图10 “实时反馈+动态调整”张力在线监测系统
3.开发了多夹送辊速度与夹持力及压头提速协同控制技术、恒夹持力装置及配套控制技术和直轧坯大差温高变形渗透+较低温再结晶轧制技术，解决了高速直轧晶粒较粗与直线度、夹痕、划伤等形表问题，镦锻合格率99.6%以上。
建立多夹送辊速度联调工艺；建立多夹送辊压头提速工艺；建立稳定剪切工艺等多项工艺技术。实现了高速轧制柔性夹送、制动及稳定剪切技术。
图11 高速直轧的直线度控制效果
针对35m/s以上高速轧件在1.5秒内完成制动，不但要有足够的夹持力完成轧件制动，而且不能对高温轧件（轧件塑性变形抗拉小，容易产生夹痕）产生夹痕和波浪弯。开发了恒夹持力装置及技术，实现高速轧件线性降速柔性夹持、制动。
图12 设计夹送辊孔型、优化降速曲线及控制效果
4.开发了组合式高耐磨轧辊与钢坯无间隔喂钢系统，提高了高速直轧铸轧界面匹配能力，机时产量提高50%。
在单支铸坯实现高速直轧后，轧制间隙成为制约环节。本项目开发了高速直轧的无间隔喂钢系统。设计首架粗轧机降速比例、增加粗轧机投甩功能，同时设计了应急事故处理功能。实现“快速进钢+高速轧制”路径，并设计自动碎断应急处理故障功能。
图13 钢坯直轧无间隔喂钢系统及应用效果
四、应用情况与效果
本项目的成功实施，标志着高精度紧固件圆钢免加热直轧技术实现了从理论突破到产业化应用的全链条贯通，取得了显著的经济效益、社会效益和环境效益。同时项目获得授权专利29项，编制标准3项。
国际、国内领先企业低碳、中碳、铬系及镍铬铜系等高裂纹敏感紧固件用的高精度圆钢均采用“铸坯1.8-1.9m/min常规拉速+冷坯加热+速度≤18m/s的KCOKS三辊减定径精轧机”工艺，本项目实现“铸坯高拉速≥2.4m/min+免加热直轧+35m/s以上二辊精轧机”工艺技术。
图14 国内外领先企业工艺流程对比
在节能减排与生产效率方面，项目成果实现了革命性突破。通过彻底取消传统加热炉工序，将加热能耗从行业平均25-33 kgce/t直接降为零，节能效果极为显著。同时，轧制速度突破35m/s的技术瓶颈，机时产量增幅达50%，实现了与现代化连铸产能的完美匹配。这一"零能耗+高效率"的生产模式，为钢铁行业绿色低碳转型提供了切实可行的技术路径。
在产品质量与市场竞争力方面，采用本技术生产的紧固件圆钢，尺寸精度稳定控制在±0.1毫米，全面满足高端紧固件制造要求。目前已完成中低碳钢、铬系合金钢、镍铬铜系耐候钢等全系列产品的规模化稳定生产，成功进入宁波高端市场并出口欧美，确立了显著的市场领先地位。
图15 成功应用于多项国家重大工程
在国家重大工程支撑与行业推广方面，项目发挥了关键作用。 基于技术优势开发的全强度级别耐候、耐火系列产品，已成功应用于多项国家重大工程：包括国内首条免涂装耐候钢输电线路、南海三沙文体馆、北京冬奥滑雪大跳台等重点项目，实现了多个"国内首次"应用。项目核心技术已在首钢集团内部多条产线成功推广，为我国现有100多条高速棒材产线的转型升级提供了成熟可靠的技术方案，具有广阔的行业推广前景和重要的示范引领价值。
信息来源：首钢长治钢铁有限公司
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