爱华网曹妃甸新首钢廿八：钢材高端看冷轧
在钢铁产品的一般生产流程中，热轧钢材是基础，冷轧钢材为高端。当我们看完京唐公司的2250宽带钢热连轧机之后，很自然地就是要接着去看京唐公司的宽带钢冷连轧机。
不过在参观之前，咱得先多少对冷轧钢板的知识有一点了解，否则啥也看不懂就没有意思了。
现代化的薄板、带钢生产技术是一个国家钢铁工业发展水平的一项重要标志。薄钢板除了供汽车、农机、化工、食品罐头、建筑、电器等工业使用外，还与日常生活有直接关系，如家用电冰箱、洗衣机、电视机等都需要薄钢板。因而在工业生产比较发达的几个产钢大国中，薄板、带钢在钢材中所占的比例很大，一般达到或超过50％，特别是冷轧板占据很大部分，而热轧板的应用领域相对减少很多。
钢板（带）如果按照生产方法来分类，第一类就是热轧钢板和钢带，第二类是冷轧钢板和钢带，而且热在先，冷在后，没有热轧钢板做为基板，就不能继续生产出冷轧钢板。按过去的习惯，钢铁业内通常把宽的钢板才称作“板”，窄的钢板要称为“带”，这与热轧钢材分宽窄本来是一样的。高端钢材价格也高，尤其是冷轧钢材价格远高于热轧钢材。只是近十几年来，由于高效率连轧机的出现，都把生产宽带钢与生产钢板卷等同起来看待，而且窄带钢也可以不再一根一根慢慢轧制，可以用宽带钢（钢板卷）快速纵剪一下子得到十几根，所以产品分宽窄的界限就被打破了。所以你要是跟业内人士谈业务，一下子说钢卷，一下子说宽带，其实是指同一种东西。不分热轧和冷轧产品，意思都一样。
如果按照钢板的表面特征分类，在冷轧钢板及衍生品范围内，最主要的可分为几大类：一是冷轧光面板（包括硅钢板），二是镀层板（包括热镀板、电镀板），三是复合钢板，四是彩色涂层钢板。其中仅就镀层板来说，还要细分出镀锌板、镀锡板、镀铝板、镀铝锌硅板等若干个品种。
按照卷板交货的应用品种上，冷轧钢板比较常见的主要有结构钢板（多用于制作其它镀层板和涂层板的基材，或制作大口径焊管），高端产品有汽车钢板、电工钢板（硅钢板）等。
前面我们看到的“热连轧”过程，都是把钢坯加热到1200℃以上进行热态轧制的。然而，当轧制的钢材越薄，在热轧过程中的“温降”也就越大，即冷却速度会更快，所以温度分布也不均匀，往往薄的钢板（带）首尾温差较大。这就给轧制厚度小而长度大的薄钢板（钢带）出了一个难题。尽管轧件全部都通过了同一架轧机碾压，但是往往成品钢材前后端因为温度不同，造成压下变形量实际有差异，使钢材前后端的性能出现显著差异，或尺寸超出公差范围。当厚度小于一定限度时（很薄时），轧制过程中的温降很剧烈，以致根本不可能在轧制周期之内保持热轧所需的温度。这时要获得热轧薄卷板就十分困难。因此，事实上存在着一个热轧厚度的下限值，当钢板厚度薄于这个值，热连轧机就没办法轧制了。
上个世纪70年代初期，日本、法国、意大利、原西德等国曾经致力于在热连轧机的精轧机组后面，再增加第八、第九机架，用来生产更薄的1mm或0.8mm薄钢带，也就是企图使热轧钢带的加工“一步到位”。但是实践证明，从产品质量（工艺达不到）和设备（投资巨大）两方面来说这都是不可行的。
现代化的热连轧机目前设计可能轧出的最小厚度，也就是1.2mm，尽管国内外皆如此，但是在实际生产中仍然很少生产1.8mm或1.5mm以下的热轧板卷。即使是在今天，首钢迁钢2160轧机和京唐2250轧机这样高水平的热连轧机组，也很少能直接生产这么薄的钢板。
在热轧难关出现之后，人类的创造性思维又开始了：能不能在原有的热轧工艺之后，采用全新的方法来加工更薄的钢板或钢带呢？在需求指导下（现在时髦的说法是“在市场指引下”），终于研究发展出了低于“再结晶温度”的轧制方法——冷轧工艺。在热轧钢材基础上进行新一轮的冷轧，可以获得硬度更高、性能更为优异的冷轧钢材产品。
采用冷轧工艺，就不存在热轧温降与温度不均匀的弊病，可以得到厚度更薄、精度更高的冷轧带钢和冷轧薄板。用现代冷连轧宽带轧机加双机架的二次冷轧方式，已经可以生产厚度为0.1－0.17mm的冷轧薄板作为镀锡原板，即使不经过二次冷轧也能生产0.2－3.5mm厚的冷轧薄板。用现代化的可逆式轧机可以生产出0.15－3.5mm厚的冷轧板，0.15－0.38mm厚的板带为一般薄板，0.07－0.25mm厚的为较薄薄板，0.025－0.05mm厚的板带为极薄薄板。用多辊冷轧机或窄带钢冷轧机可生产最薄达0.001mm的产品，也称为“极薄钢带”。
我们常见同样规格（厚度）的钢板或钢带，冷轧产品的各项性能都全面超越了热轧产品。人们日常生活中接触的钢材制品（汽车、家用电器等），主要结构部件和外壳无一不用冷轧钢材。
还有象硅钢片（silicon steelsheets，在冶金行业通称为“电工钢”，我们搞电力和电气行业的习惯称为“矽钢片”），属于精密合金产品，占世界钢材产量1％上下，硅钢片是上世纪初（1906年）才代替低碳钢用来制造电机和变压器铁芯的，但是热轧产品性能不行，磁导率低、铁损高，到60年代后逐渐改为冷轧产品，目前国际市场上热轧硅钢片几乎已经消失，国内30多年来建设的所有冷连轧机生产的也全部都是高性能冷轧硅钢片。
那么什么叫作“冷轧”呢？在金属学教科书上的说法是：加工温度低于该钢种在特定变形条件下的“再结晶温度”的压力加工，称为“冷加工”。物理名词“再结晶温度”与金属在退火时内在晶体的生长形态有关系，此处不具体解释了。铜和铝的再结晶温度大约是200℃上下，纯铁的再结晶温度高到450℃，而一般的“钢”因为含有碳或其他合金元素，或者含有其它杂质，再结晶温度还要比450℃更高。所以，冷轧工艺的“再结晶温度”界限一定是略高于450℃的。2009年武汉科技大学发表过一篇通过退火工序试验来研究冷轧薄板再结晶温度的文章，验证了这个温度界限，通过实验数字得出的结论是：再结晶开始温度大约为450℃，随着温度升高，钢板的硬度急剧下降；再结晶结束温度为650℃时，硬度达到最低值；超过650℃以后钢板硬度变化不大；根据“50％平台差法”确定实验钢种的再结晶温度约为550℃。
而在实际工业上的习惯，称冷轧为“坯料事先不经过再加热的常温轧制过程”。然而尽管从1.5mm厚的热轧钢卷，要经过冷轧变为0.25mm至1mm的冷轧钢卷（厚度减少到原来的1／6到1／1.5），看似变形量远不如热轧时大（从230mm厚的钢坯压制到1.5mm厚的钢板，厚度减少到原来的1／154），但是这种“冷”状态下的轧制变形是非常困难的。
冷轧工艺流程自身有许多困难，不仅需要后续建造具有巨大轧制功率的冷轧机，而且在前期热轧工序里还要采取很多特殊的辅助工艺技术。例如，冷轧的每个道次变形量不大，它与前面热轧工序所形成的钢的“合金化组成和晶粒度大小”两方面因素有密切关系，如果热轧时的终轧温度越高（例如到840℃以上），变形强化系数就越低，晶粒就越均匀，在后面冷轧时每道次的变形量就能大一些，俗称“好轧”一些。我不是轧钢工艺专家，在此就不多解释了。
冷轧薄板生产线作为钢铁生产最后一道工序，因其先进的工艺和技术、最高的产品定位及广阔的市场前景，成为衡量钢铁企业实力的重要依据。所以在80年代以后，国内各家国有或民营的钢铁企业都在具有热连轧钢板（带）之后，不遗余力地发展冷轧钢板（带）。冷轧板带钢产品极为广泛，具有代表性的产品有金属镀层板（镀锡板、镀锌板等）、深冲钢板（汽车板)、电工钢板与不锈钢板等，其全套工艺流程如下面这张图。
冷轧板带全套产品的工艺流程，包含各主要产品类别，但是京唐公司冷轧厂不能生产不锈钢产品系列
上图当中的“酸洗热轧带”，也叫热轧酸洗板卷，是专门在冷轧厂酸洗线上生产出来的一种经过特殊处理（酸洗）的热轧钢材。热轧酸洗板卷是国内市场的新兴产品，其表面质量和使用要求介于热轧板和冷轧板之间，“性价比”较高。目前国内具备专业生产酸洗板能力的企业还不多，所以酸洗板市场有较大的容量和利润空间。在首钢旗下的迁钢公司冷轧作业部，就有这样一条年产70万吨的生产线。
深冲压冷轧薄钢板多半是采用铝脱氧的镇静钢，属于优质碳素结构钢，由于它的塑性非常好，具有优良的深拉延特性，在冲压模具内可以连续进行复杂变形、充满型腔，却不会开裂，所以被广泛用于需要比较复杂结构的深拉延（深冲压）的制品上。中国大规模发展汽车工业之后，自产深冲板远远不够用，所以很多钢铁企业都在十几年期间拼命扩展冷轧深冲汽车板的产量，对于国产品牌汽车的大发展立下汗马功劳。
上图中有关电工硅钢和不锈钢的两部分，我就不介绍了，因为京唐公司到目前为止还没有轧制电工硅钢板卷（迁钢有此产品），也没有生产不锈钢板卷的能力，集中谈谈其它主要产品。
带钢的冷轧工艺诞生于19世纪中叶的德国，当时还只能生产宽度20－25mm的冷轧带钢。美国在1887年生产出宽度为150mm的低碳带钢，1880年以后冷轧带钢生产在德国、美国发展很快，产品宽度不断扩大，产品质量也提高很多，冷轧板光洁度比热轧板高很多，性能好、品种多，通过一定的冷轧变形程度与冷轧后的热处理恰当配合，可以在比较宽的范围内满足用户的要求。
我们可以通过图片来简要回顾一下冷轧机的发展过程。从单机架、小批量生产，如何发展到多机架连续作业的大工业生产方式。
上世纪80年代照片：用这种小型单机架冷轧机生产冷轧窄带钢，是我国当时小作坊式生产的代表
原首钢在1983年兼并的北京冶金研究所（位于清河，曾改名首钢冶金研究院，后改制为“北京北冶功能材料有限公司”）里，有一套从德国进口的森德威（SINDWIG）20辊极薄带冷轧机，是与森吉米尔（Sendzimir）轧机齐名的，在国内也是最先进的。它生产的冷轧合金薄钢带属于国防应用的“高精尖”产品，其中一部分极薄的精密钢带产品，专供潜射导弹及航天火箭，如果用热轧方法是不可能生产出来的。但是国内外这类轧机的生产批量都不大，年产两三千吨都算多的。
上世纪80年代照片：首钢冶金研究院20辊森德威薄带冷轧机正在生产极薄钢带
中国进口的森吉米尔单机架20辊可逆式冷轧机，正在自动轧制20微米厚的超薄精密带钢
单机架、双机架乃至三机架的冷轧机，特别是轧制幅宽比较窄的带钢，生产效率都不高。但是这种生产模式至今也没有完全被淘汰，原因是它适合生产小规格、小批量的冷轧带钢产品，自然有它存在的意义和市场。可是对于特大型钢铁联合企业来说，这种小批量的生产模式就不适应了，大型企业考虑的是具有年产几百万吨的设备能力，如何高速度、高质量地生产出冷轧钢卷的问题。
三机架冷轧机组在生产冷带，这种轧制形式至今还存在于一些国内小钢厂
2003年时我国某企业的冷轧带钢生产车间，还可以明显见到小批量、单卷的产品四处堆放
宽的冷轧薄板（钢带）是在热轧成卷带钢的基础上发展起来的。1920年美国第一次用单机架冷轧机轧制出宽带钢，并且很快由不可逆式轧制跨入可逆式轧制。1926年阿姆柯公司（ARMCO）巴特勒工厂建成世界上第一套三机架四辊串列式冷连轧机。日本稍慢一步，1938年才在东洋钢板公司所属松下工厂安装了第一台可逆式冷轧机，开始生产冷轧薄板，1940年在位于日本西部的广畑钢铁厂（新日铁前身之一，现为新日铁分厂）建立了第一套四机架的1420mm冷连轧机。1951年苏联在新利佩茨克钢铁公司建设了一套2030mm全连续式的五机架冷轧机，年产达到250万吨。最有发展前途、代表大规模工业生产能力的，是连续式、不可逆运转的多机架冷轧机。
冷轧机按轧辊的辊系结构，分为二辊式、四辊式和多辊式冷轧机，最多的有30多个轧辊
可逆式和连续串列式冷轧机架的布置形式
左为常见五机架四辊冷连轧机，右为五机架六辊冷连轧机（京唐冷轧用此型轧机）
国内几个钢厂典型的冷连轧机的轧辊布置
国内某钢厂的SMS五机架串联式冷轧机
国内一般的冷轧钢卷成品（未包装），外观特征就是比热轧钢卷要光洁明亮
冷轧带钢经过平整，除了成卷出售，按其它规格交货之前都要根据用户要求进行剪切。按单张交货的要横切（业内通称为“开平板”），配备高速横切飞剪，可以生产整齐的盒装冷轧平板。按窄条带钢成卷交货的应纵切（业内通称为“纵剪带”），把宽带钢同时剪裁为几条乃至十几条窄带钢。无论是横切还是纵剪，成品冷轧钢材的生产速度都比一张一张或一条一条地单独轧制要快数十倍，生产效率大大提高。有了这种轧钢机和剪切设备，再也不需要那种分散式“小作坊”生产设备了。这种从一条生产线出来之后“一变三”（冷轧宽带钢卷、冷轧窄带、冷轧平钢板）的生产模式，真正体现了大工业的自动化、高效率的冷轧钢材生产。
武钢（天津）钢材加工有限公司剪裁线的纵剪机，正在把冷轧宽带钢剪成10条窄带
一卷冷轧宽带经过纵剪成为十一卷成品冷轧窄带，轧机效率提高数十倍
冷轧钢卷切为平钢板（开平板）的原理图
冷轧中宽带钢
首钢迁钢第一冷轧厂的冷轧宽带钢卷
冷轧板带生产的工序和工艺流程与产品紧密相关，随着产品的要求不同，工艺流程也有所不同。其中除了冷轧环节之外，在热轧当中所没有的酸洗、退火工艺也是大家不容易见到、非常感兴趣的。
冷轧板带钢产品是以热轧板带钢作为原料，因其表面有钢板在精轧后冷却期间或存放期间形成的氧化层（我们称之为“三次铁皮”，以区别钢坯在加热炉内生成的“一次铁皮”，以及粗轧之后在中间坯表面生成的“二次铁皮”），所以在冷轧开始之前要把这一层比较密实的氧化层清除掉。由于冷轧的工艺不再加热，也就不可能使氧化层开裂并用高压水冲去（即所谓“热态”清除），所以得用新的方法做“冷态”清除。
所谓“酸洗”就是在冷态下用一种化学方法清除金属表面氧化铁皮的过程，通常也叫化学酸洗，根据不同的金属基材，分为采用盐酸、硫酸、硝酸、磷酸、氢氟酸等不同种类。清洗热轧板卷表面通常用的是盐酸（HCI)，世界各国的盐酸酸洗机组用的盐酸浓度都不超过20％。
酸洗是冷轧生产的第一道工序。下面这张示意图是用盐酸清洗热轧钢卷表面，除了盐酸与氧化铁皮直接发生溶解作用、使其脱落之外，盐酸溶液与氧化铁皮相遇，同时从缝隙渗入基体（钢板）后与铁相遇，这两种情况下都会发生反应，生成氢气，氢气的膨胀会产生一种机械剥离作用，能把氧化铁皮从钢板表面加速“扒”下来。但是这也意味着，酸洗速度必须非常快，否则钢板就会出现被强酸局部溶解（腐蚀）的新问题。随后还必须立即用冷高压水对钢卷进行冲洗，祛除酸液残留，防止腐蚀。
在酸洗过程中，热轧钢板表面的氧化铁皮迅速减少
因此现代化的大批量冷轧钢卷生产都是把酸洗设备与冷轧设备连接在一起，在钢铁业内通常被称为“酸轧机组”，从酸洗工序到冷轧工序之间的过渡非常短，在酸洗后以最快的速度进行冷轧，几乎不停留。冷轧完之后的钢卷也是尽快给它“再穿衣服”（冷轧板或板卷要直接密封包装，或加工为镀层板、涂层版），隔绝空气，就能避免冷轧之后的基板被再次氧化。
酸洗槽里要砌筑专门的“耐酸碱瓷砖”，是以石英、长石、粘土为主要原料制成的耐腐蚀衬砌。早期的酸洗槽都比较深，在1米到1.2米左右，称为“深槽酸洗”。70年代后逐步应用“浅槽酸洗”，深度降到0.4米到1米之间。1983年德国人发明了“浅槽紊流酸洗”，酸液深度小于400mm，有很多好处，例如酸洗时间缩短到原来的65％、酸洗后每平方米的残留物≤50mg等，所以现代冷连轧几乎都选择这种浅槽紊流酸洗方法。
宝钢某酸轧机组的酸洗槽正在进行防腐施工（砌筑耐酸碱瓷砖）
太钢不锈冷轧厂的卧式酸洗槽
带钢在酸洗槽（揭开盖子）内通过时的景象
酸洗机组分为连续卧式、连续塔式和半连续式（也叫推拉式或推式）三种，它们各有特点。
连续式酸洗的工艺是先要把每一个热轧钢卷展开，再把前一个钢卷与后一个钢卷之间的头尾都焊接起来，使带钢本体连续地通过酸洗槽。因而设备庞大，投资偏高，各个环节的生产节奏必须完全同步，组织生产不灵活，一旦中途停止后重启机组很是麻烦（需要全线从头到尾重新“引带”，引带也叫穿带，京唐一冷轧1700酸轧机组仅酸洗线穿带一次要花费4－5小时，五机架轧钢机和卷取机再穿带要2小时，合计6－7小时，还要耗用数十人力），但是它非常适合大批量地进行同种钢卷酸洗作业，与后面的冷连轧机可以“无缝接续”，生产效率很高，带钢的平直度也好。
马钢2130冷酸连轧机组穿带：热轧带钢通过入口段，牵引而出，即将进入酸洗段（二十冶图片）
首钢迁钢公司冷轧厂酸轧机组正在进行穿带作业的场景（视频截图）
连续式酸洗由于各段（原料准备段、酸洗工艺段、成品段）工作速度上有差异，既要保持各段工作状态的相对独立性，又保持钢带不停顿地连续酸洗，因此无论是卧式还是塔式，都要在每两段之间（进口／出口）设立活套车（在我国台湾称为“环圈车”），以“活套”的形式储备宽带钢，储量不固定，尤其是在装钢卷、焊接和卸钢卷时，酸洗机组就使用活套车里的储备钢卷。
水平活套小车的结构和原理示意图，酸洗机组一般要配两组活套
酸洗槽下方安装水平活套，充分利用空间（武钢三冷轧）
塔式机组的酸洗塔有的高达30米，还分为单塔、双塔和多塔，对酸液密封要求较高，绝对不能在空中外溢
