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本文概要介绍了JFE钢铁公司成立以来轧钢工艺的主要研究开发成果。这些研究成果使JFE钢铁公司从第一道次轧制到最终产品的全生产工艺，在保证产品质量（尺寸精度、性能、表面质量等）的同时，提高了生产效率和成材率，并且降低了生产成本。此外，高强度高韧性材料的开发，要求相应的稳定生产高级钢的轧钢技术和应对产品多样化的柔性生产技术。为此，JFE钢铁不断进行更高端轧钢技术的研发。 轧钢工序的作用是将连铸钢坯轧制成薄板、厚板、型钢等各种不同形状的产品，并通过对轧材热履历的控制，使轧制产品具有各种不同的性能。 薄板、厚板、型钢轧制是利用基于材料在转动轧辊间延伸这个极简单原理的轧制技术，制造出满足客户要求的各种形状的产品，并且与高端的加热-冷却技术相结合，对钢的组织进行控制，提高产品的强度、延性和韧性。连续退火和表面处理工序通过对钢材连续热履历的控制，使材质均匀化和具有耐蚀性和良好表面性状，提高最终产品的质量。 为了防止地球温暖化和满足环境保护的要求，需要使用更高强度、更好韧性的钢铁材料。相应地，制造省资源材料的新型制造工艺也是不可或缺的技术。而为了满足社会对节能环保要求的不断提高，钢铁工业也要不断降低制造过程中CO2和废弃物的排放。 此外，提高生产效率的生产线高速化连续化技术、以最低成本生产高级钢技术、多品种小批量的柔性生产技术等也是十分迫切的要求。为应对上述要求，JFE钢铁公司持续不断地进行轧制工艺新技术研发，采用创新型轧制新技术，实现了高级钢的稳定生产。 本文概括介绍JFE钢铁公司成立以来轧钢工艺的主要研究开发成果，并对今后轧钢技术的发展进行展望。 1 轧制技术的开发 1.1热轧技术的开发 薄钢板热轧生产在要求高生产效率的同时，还要求对坯料加热到轧制、冷却过程中轧材热履历进行控制，以生产出高质量的热轧薄板。此外，还要求节能、生产稳定以及自由轧制生产多品种薄板。 1970年代以后，JFE钢铁公司在坯料加热方面，积极采用有效利用连铸坯显热、实现节能和CO2减排的热装直接轧制工艺（HDR）。在加热炉方面，积极推进低NOx排放和节能的环境友好型蓄热式烧嘴在大型加热炉上的应用（如图1）。此外，加热炉自动燃烧控制技术的开发，促进了轧制效率的提高和进一步节能。 在热轧程序方面，JFE钢铁公司持续不断进行消除热轧顺序的制约及柔性化自由轧制的研究，并且对自由轧制中的轧辊与轧材的接触热传导行为进行了基础研究。对轧辊热膨胀（热凸度）高精度解析方法进行研究，提出了轧辊热膨胀沿辊身分布、稳定控制板形的技术措施。 在板形和尺寸控制技术方面，对钢坯粗轧变形进行了三维解析（如图2），以降低带钢头尾的尺寸不合。对原有精轧技术进行总体分析，明确研究课题，开发出了包括轧机板形控制、输出辊道冷却、卷取后热应变等影响板形的多种因素的热轧系统带钢板形预测技术。 随着对高强度钢需求的增长，添加各种合金元素的钢种日益增多。防止这些钢种表面缺陷是一项重大的研究课题。为此，对加热炉出炉钢坯的一次除鳞进行了研究。查明高温高压下，轧辊与钢板界面的摩擦行为是影响钢板表面缺陷的重要因素，并弄清了热轧润滑与冷轧润滑的重大差别。此外，对防止不锈钢带钢端部发裂、防止高Ni钢钢坯加热裂纹等提高高级钢表面质量的技术进行了研究。 在改善钢板组织方面，推进了超微细钢实用化的研究。开发出一道次大压下轧制技术。开展了奥氏体晶粒微细化的基础研究。该技术制作的钢板平均晶粒直径为1μm，成为不使用高价合金元素的、循环利用性良好的、超微细钢制造的基础技术。 热轧生产线的稳定作业对提高热轧生产能力具有十分重要的作用。为此，开发出保证输出辊道通板性稳定化的高精度模拟技术，并对卷取机卷取行为进行了解析研究。热轧生产自动化也是热轧的一大课题。为此，开发出平整精轧高速自动化的智能控制技术。 1.2冷轧技术的开发 在1950年代，JFE钢铁公司由于轧制高速化和酸洗-冷轧连续化，实现了冷轧生产的高效率化。此外，在2000年之前，随着测量技术的进步，已开发出关于板厚控制、板形控制、边降控制等多种高精度控制技术。但目前在箔材等极薄带材和难轧钢种方面，还存在许多尚待解决的难题。 在冷轧高效率化特别是硬质极薄带材高速轧制方面，存在轧机异常振动，导致不能充分发挥轧机能力的问题。通过查明轧机异常振动的机制和润滑剂油膜形成行为的基础研究，开发出基于轧制油循环使用供油方法的混合润滑技术（如图3），建立了高速轧制和多品种轧制系统。该轧制系统可对高强度、薄规格产品进行高速稳定轧制。此外，在润滑技术方面，还进行了大幅度减少轧机废液的基础性研究。 在冷轧板形和尺寸控制方面，开发出六辊轧机高精度板形控制技术，可对复合板形进行高精度控制。此外，确定了不锈钢箔材可轧制的最小厚度，并查明不锈钢箔材边裂的发生行为，以及对单侧驱动轧制钢板的翘曲行为进行了基础性研究。 为应对薄钢板表面质量要求的不断提高，对薄钢板制造的最终工序平整轧制进行了深入研究。平整轧制起着控制钢板平坦度、力学性能以及钢板表面微观凸凹（表面网纹）的作用。直接影响到钢板外观和钢板的二次加工性。因此，平整轧制是极受关注的工序。 由于平整轧制对钢板施加的应变非常小，所以传统的轧制理论不能对平整轧制行为进行高精度预测。为此，对极轻压下时的轧材与轧辊的接触变形行为进行了详细的解析研究（如图4）。 研究查明了包括轧辊表面形状向钢板表面复制行为在内的钢板表面的形貌，并对表面处理钢板的复制行为进行了试验研究。为了防止钢板表面网纹的变化，要求平整轧辊保持良好的粗度。为此，对于平整轧辊新型硬质皮膜方法进行了基础研究，并对硬质皮膜的剥离强度进行了研究。 1.3厚板、型钢、钢管轧制技术的开发 为应对以能源用钢为代表的耐疲劳钢、高止裂性钢等高性能厚钢板制造需求，JFE钢铁公司的厚板轧制技术取得了显著进步。利用独有的TMCP技术，制造出具有特色的厚板产品。当时，由于对轧材进行温度控制，使轧制负荷增大，因此，在厚板板形、尺寸控制方面产生了问题。为此，对厚板平面形状控制、板头局部翘曲、复合板头尾变形行为等课题进行了研究。 JFE钢铁公司还开发出对非稳定轧制状态进行控制、轧制纵向变截面钢板（LP钢板）的工业化生产技术（如图5）。促进了钢结构的减重和焊接量的下降。此外，将特厚钢板锻造-轧制工艺与新型水槽浸渍设备相结合，实现了大单重厚钢板的热处理。 在精整的切断作业线上，使用了激光厚度计，以保证钢板全长的厚度合格。为了保证钢板输送的稳定化，使用多体动力学（mul tibody dynamics）进行钢板输送的模拟。此外，对可在任意位置，测定钢板平坦度的三维扫描器的应用进行了研究。 在能源用钢方面，为了从远距离大量输送石油、天然气，对大厚度、高性能钢板的大口径焊接钢管的需求不断增加。为此，JFE钢铁公司开发出对压力弯曲后，可对钢板形状进行精确控制的、高效率制造世界最厚的高强度钢管的生产技术（如图6）。 在型钢轧制方面，为应对建筑用钢的高强度化和建筑物大跨度的需求，扩大了定外型尺寸（外缘尺寸固定）H型钢的尺寸规格。 此外，还开发出土建用大断面帽形钢板桩的制造工艺和钢材混凝土合成结构件用内面凸起的H型钢制造工艺。 JFE钢铁公司在型钢等复杂三维变形行为的解析技术开发方面也取得了很大进展。其中，对H型钢的通用轧制变形行为，进行了详细的解析研究，对T型钢通用轧制法进行了基础研究，并且将三维变形行为解析技术用于槽钢、不等边、不等厚角钢（如图7）的轧制解析。在型钢等非对称断面轧材的轧制中，有时会发生翘曲、弯曲等不稳定的轧制情况。为此，对钢板桩的翘曲行为进行了解析研究。 2 加热、冷却技术的开发 2.1加热技术的开发 1990年代中后期，降低NOx排放并节能的环境友好型蓄热式烧嘴在JFE钢铁公司热轧加热炉上实用化以后，又不断向大型加热炉扩大应用。此后，开发出连续退火炉用的超低排放NOx的排气再循环型辐射管烧嘴，减少了燃烧气体用量，降低了CO2排放量。 JFE钢铁公司还积极推进将电磁感应加热技术用于热轧生产的研究，实现了在粗轧与精轧之间，用电磁感应加热器对薄板坯进行全长加热。因此，提高了热轧钢板热履历的自由度，大幅度降低了温度波动引起的钢板组织和性能的波动。2004年，JFE钢铁公司厚板生产线的在线感应加热装置HOP?实现工业化。利用该装置，使过去淬火-回火制造的高强度钢板改变为在线热处理制造（如图8）。 2.2冷却技术的开发 JFE钢铁公司开发出新型冷却技术Super-OLAC?并实现了实用化。该技术实现了轧材的超快速冷却和均匀冷却，成为TMCP技术的关键技术。Super-OLAC?用于西日本制铁所福山厂和仓敷厂、东日本制铁所京浜厂等三个厚板厂。制造出超大焊接线能量用钢和抗震钢管用钢等高性能厚钢板。Super-OLAC?也用于热带轧机和型钢轧机，取得了大幅度降低合金元素用量、提高焊接性和加工性的良好效果。2011年开发出Super-OLAC?的改进型冷却装置Super-OLAC?-A，以应对近年来对钢材高性能的需求。 JFE钢铁公司开发并实用化使TMCP关键技术控制轧制连续化的Super-CR技术。该技术于2009年在东日本制铁所京浜厂应用，与Super-OLAC?组合，可进行两阶段冷却，提高了TMCP的自由度（如图9）。 JFE公司在上述冷却技术的基础上，进行了高水量密度冷却基本特性的研究。对热轧输出辊道的管层流冷却柱状水稳定性，进行了基础性研究。此外，还研究了水温、轧材表面粗度、氧化铁皮组成和厚度对喷淋冷却特性影响，查明了轧材沸腾冷却的基本特性。 3 轧制相关技术的开发 3.1热处理技术的开发 JFE钢铁公司对高精度预测连续退火和表面处理的气体喷射冷却能力进行了研究，该研究成果用于冷却喷嘴的优化设计，提高了退火处理的生产效率和退火钢板的力学性能，并降低了合金元素的用量。此外，还开发出连续退火线自动操作优化系统，消除了退火速度的波动，提高了退火钢板质量的稳定性。 3.2 表面镀层技术的开发 表面处理钢板用于汽车、机电产品和建筑材料等方面，要求具有良好的耐蚀性。特别是表面处理钢板用作汽车车体外板时，对钢板的表面质量要求尤为重要。为此，JFE钢铁公司积极进行提高表面处理钢板质量的技术开发。 制造热镀锌钢板时，利用气刀对镀锌层厚度进行控制。根据钢板的用途，控制镀层量和保证钢板全长镀层的均匀性十分重要。 在热镀锌作业中，要防止锌液内的浮渣（金属间化合物）附着在镀锌板上，形成浮渣缺陷和气刀喷吹时锌液飞溅引起的气刀纵痕等表面缺陷。为此，JFE钢铁公司利用流体力学，进行查明气刀喷吹基本特性的研究，并对浮渣生成机制以及浮渣在锌液内的流动特性进行研究。这些研究成果已经用于镀锌作业。此外，开发出利用电磁铁抑制钢板振动的技术（如图10），对提高镀锌效率和镀锌质量起了很大作用。 JFE钢铁公司为保证镀锌板的质量，开发出独有的镀锌板表面检测技术。利用该技术保证了将高质量镀锌钢板提供给用户。 3.3涂敷技术的开发 市场对具有绝缘性、耐蚀性、润滑性的高端冷轧钢板和表面镀层钢板的需求不断增加。将薄皮膜涂敷在连续移动的基材上，滚筒涂敷机广泛用于各种基材的涂敷加工。在进行滚筒涂敷时，会发生起因于滚筒转动的滚筒周向条纹缺陷。为了获得均匀的涂敷外观，必须了解滚筒间微小区域（弯液面）内的涂敷料的流动状态。为此，JFE钢铁公司对涂敷技术进行了基础性研究，并将研究成果用于高质量涂敷钢板的制造。 4 轧制技术展望 在进行轧制技术开发时，阐明轧制过程中发生的物理、化学现象，并提升到理论上，对于计算机高效率自动控制轧制过程、提高生产效率和产品质量、缩小质量波动以及降低生产成本都具有重要作用。因此，今后应继续推进这方面的研究。在高强度、薄规格产品快速发展的同时，低延性材料和易产生缺陷材料等所谓难轧材料的数量将会增多。为此，应在研究提高轧制能力的同时，查明轧制行为和冷却特性对轧材质量的影响，并进行机制原理方面的研究十分重要。 由于日本高龄少子化社会发展趋势，今后熟练操作者的人数将会减少。因此，立足于人工智能（AI）和机器人，建立高度自动化轧制系统也非常重要。此外，为了抑制轧制对环境的影响，对环境友好型、可制造具有用户要求价值的新产品的轧制技术进行开发，将变得越来越重要。 5 结语 本文概括介绍了JFE钢铁公司成立以来轧制技术的开发情况。目前，日本钢铁业的经营环境发生了很大变化，为了在包括海外轧钢厂在内的大竞争时代中，持续不断地向用户供给高质量的钢铁产品，必须坚持不懈地进行与产品质量和稳定生产有直接关系的轧制技术的研发。  |
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