宽带钢连铸连轧工艺技术发展趋势

宽带钢连铸连轧工艺技术发展趋势

陈应耀 吕坤勇

连铸连轧是指：将铸机和轧机连接成一条紧凑的钢材生产流水线，高温无缺陷连铸坯直接装入加热炉，经过短时间的快速加热或补热后直接轧制成材。连铸连轧的目的是为了充分利用高温连铸坯的显热，最大限度降低钢坯加热的能耗，减少高温气体的排放，降低钢材加工过程的消耗和成本，提高产品竞争力。

1、连铸连轧在常规热连轧工艺生产线的有益实践

　20世纪70年代石油危机加快推进了宽带钢连铸连轧的试验步伐。当时处在经济高速发展阶段的日本能源十分短缺，在节能方面有着比其他任何国家更高的积极性。在日本政府的大力推动下，新日铁率先在堺厂常规全连轧生产线上进行连铸连轧工业化生产试验。

　堺厂将炉前辊道延长与连铸辊道接通，在接通的板坯运输线上，建了1座隧道炉，对缓陧进入隧道炉的板坯进行补热性质的加热，直至板坯表面温度达到轧制温度，再送去轧制。堺厂的试验取得了初步进展。80年代末，堺厂被关闭，连铸连轧试验随之中断，未能将试验结果转化为工业规模化生产。堺厂没有取得最后成功，主要原因有如下几点：

　 (1)隧道炉长，占地面积大，部分抵消了取消板坯库的好处，却大大延长了连铸连轧工艺线的长度。

　 (2)单流连铸连轧产量低，不能满足轧机产能要求，轧机空转时间长，电能浪费大。只能与连续加热炉烧出的钢坯混合轧制，在当时自由轧制技术尚未发明及应用的情况下，轧制计划编制、生产组织难度很大。

　(3)隧道炉不节能，维修费用高，没有达到节能降耗降本的目的。

2．薄板坯连铸连轧工艺的发展

“近终形”生产是指：把钢水直接浇成接近成品形状的最小断面面积的连铸坯，通过最少的加工量生产出各种形状要求的合格钢材。薄板坯连铸连轧就是在“近终形”生产理念影响下，开发出来的宽带钢生产新工艺。

1989年，美国纽柯公司克劳福兹维尔厂建成世界上第1条CSP薄板坯连铸连轧生产线后，在短短不到20年时间里，全世界先后新建了50多套薄板坯连铸连轧生产线。已建的薄板坯连铸连轧工艺生产线除了SMS公司的CSP技术、原德马克公司开发的ISP技术，轧制中薄板坯的ASP技术和奥钢联开发的CONROLL技术。

ISP技术的主要特点是：流程更短，采用液芯压下、感应炉加热、克利莫纳炉保温和固相铸轧技术，实现了薄的中间坯和精轧机有效稳定生产薄规格带钢的良好结合。ISP是稳定大批量轧制超薄规格带钢的一种机型，但是铸轧机轧辊转速很慢，使轧辊表面在高温烤烫下很容易生成氧化膜并快速破裂轧碎压入带钢表面，影响了带钢的表面质量。

CSP技术采用立弯式连铸机，漏斗形结晶器，FTSR技术采用直弧形连铸机和H2全长漏斗形结晶器，经过多年优化改进已比较成熟。这两种工艺的共同点是都采用很长的辊底隧道加热炉，只有邯钢粗轧机和精轧机之间有一座中间保温炉，CSP和FTSR都是连轧，CSP工艺只有l道有效除鳞，FTSR工艺是2道有效除鳞，除鳞次数都太少。CSP和FTSR工艺轧制时板坯中尾部都在隧道炉内保温，保证了坯料温度的充分均匀，有利于精轧机轧制稳定和超薄规格的轧制。

轧制中薄板坯的ASP技术和奥钢联开发的CONROLL技术都比较接近传统常规的热连轧，采用步进梁加热炉进行补热。与CSP技术相比，除鳞道次多，表面质量要好一些；板坯加厚到135mm以上后，压缩比加大，有利于改善产品的性能，扩大产品品种的覆盖范围，特别是ASP轧机效率有很大提高，产能有较大幅度增加；用步进梁炉替代辊底隧道炉后，流程变串列式为部分并联，生产线的刚性有了很大的柔化，缩短了生产线的长度。主要不足是没有采用第3代无芯卷取移送热卷箱，没能解决中间坯头尾温差大，影响精轧轧制稳定的关键问题；生产高强超薄规格的能力不如用隧道炉的薄板坯连铸连轧工艺；4流连铸板坯拥挤在同一条装钢辊道线上，装钢流程不畅对生产带来的一系列负面影响，并阻碍了轧机产能的充分发挥。

2．1对辊底隧道炉的认识

辊底隧道炉是一种低效率、高能耗、高排放、占线长、用地多、不节能、不环保的一种加热炉炉型，一条双炉的生产线分5段加热和排烟，排烟温度高达1100℃，高温气体的排放，浪费了能源，恶化了环境。

另外，辊底隧道炉出渣困难，劳动强度大，工作环境差；炉底辊用水冷却，结构复杂，价格贵，维检工作量大，费用高；炉底辊辊环粘连氧化铁皮易压入板坯下表面，经常造成带钢下表面炉生氧化铁皮压入的质量问题；炉子与铸机、轧机成串列式连接，导致生产线刚性十分强，不利于生产组织、事故处理和快速恢复生产。

辊底隧道炉是一种不节能、不环保的炉型，热效率仅有35％。但是由于工艺选择的是薄板坯，也只能提供隧道炉来满足工艺需要，因此高能耗的隧道炉必然抵消了连铸连轧工艺产生的大部分节能效果。

2．2对压下率和薄规格生产工艺能力的认识

CSP、FTSR工艺以擅长轧制超薄规格著称，这一特点是轧机高压下率和高轧制温度带来的。CSP、FTSR属于串列式连轧，每架轧机只轧1个道次，虽然板坯厚度选择较薄(只有50mm)，但是仅靠6～7架轧机轧到1．6mm，每架轧机的压下负荷是非常大的。经过发展和优化的应用第3代热卷箱的常规工艺选择厚度为26～30mm的中间坯料，同样用6～7架轧机轧制1．6mm，每架轧机的压下负荷比CSP、FTSK工艺小很多。

从表1看，常规工艺最后6～7架精轧的总压下量是薄板坯连铸连轧工艺的一半左右。从表2看，两种工艺同样机架的压下率相差较大；压下率的加大，加重了轧机轧制的不稳定性，恰好抵消了连铸连轧和隧道炉提高板坯温度均匀性带来的精轧稳定性。许多CSP、FTSR生产线轧制小于1．8mm超薄带钢也容易甩尾，轧制事故偏多，影响连轧机组轧制稳定性和产量、成材率。精轧压下率大，板形也较差，用户对产品质量意见大。

压下率增大，轧机负荷加大，因此轧机的刚度，传动系统能力都要增大，电机功率也要加大。近几年薄板坯连铸连轧工艺随着用户产能需求提高，要求板坯加厚，成品减薄(要求达到0．8mm)，使原来投资相对较少的CSP、FTSR工艺生产线投资急剧上升，甚至达到和超过国产化常规热轧生产线投资的水平。为了减轻压下负荷增加的负作用，CSP、FTSR工艺上采取提高连轧机组入口温度来降低机组负荷，精轧入口温度通常比传统常规工艺高50~150℃，但提高精轧前温度又带来恶化带钢表面质量，氧化铁皮难除净的负面效应。

与之相对，近几年常规热连轧应用第3代无芯轴卷取移送热卷箱以后，极大改善了轧制高，强超薄带钢的能力。原来属于CSP、FTSR。引以为傲的超薄规格生产的工艺能力已被拥有热卷箱的常规工艺生产线所赶超。分析其根本原因有2个：

1)热卷箱使中间坯的温度均匀性提高实现了突破。特别是根本解决了头尾温差大，严重威胁精轧机组轧制稳定性的顽疾。虽然没有达到薄板坯连铸连轧如此高的均匀性，但已经达到足够满足连轧机组稳定轧制对坯料温度均匀性的需求。

2)有了热卷箱对中间坯有效的保温，利用现有的强力4辊可逆粗轧机能力完全可将中间坯减薄到25～30mm，大大降低了精连轧机组的压下负荷，提高了精轧机组轧制高强度超薄带钢的稳定性。

意大利阿尔韦迪(Arvedi)公司ISP(AST)工艺是将薄板坯通过液芯铸轧减薄，将坯料减薄到12～25mm，卷成卷后，在克利莫纳炉保温，再进5架精连轧轧成1．0mm超薄规格，ISP(AST)工艺能实现超薄规格大批量稳定生产的前提条件也是坯料薄、压下负荷小以及坯料温度均匀。

　2．3对表面质量的认识

　采用CSP、FTSR工艺生产产品投入市场后，产品表面质量存在以下4类问题：

(1)连铸坯表面夹渣；

　 (2)炉底辊粘连的炉生氧化铁皮压入；

　 (3)炉生氧化铁皮除不净；

　 (4)工作辊氧化膜剥落压入。

　 CSP、FTSR工艺因坯料薄，表面的加热氧化面积比常规工艺厚板坯增加了3～4倍，板坯炉生氧化铁皮生成量亦比常规工艺多好几倍。CSP、FTSR工艺连铸坯只经过1～2次有效除鳞就送入轧机轧成带卷，是很难将板坯在隧道炉里1个多小时加热氧化生成的氧化铁皮全部除净的，尽管除鳞系统压力已从常规18MPa提高到38MPa，但炉生氧化铁皮下层的FeO与钢坯本体粘附很紧密，不易打掉，只有表层的Fe₂O₃与下层结构不一样，容易剥落除掉；出炉板坯表面的高温FeO在空气中继续氧化反应会生成易去除的Fe₂O₃，但板坯从出炉到除鳞机距离短，没有足够的时间将炉生的底层FeO全部转化为Fe₂O₃，表层已生成的Fe₂O₃经除鳞机除掉以后，下层的氧化铁皮便全部轧入带钢表面，造成成品带钢表面粗糙，氧化膜较厚的缺陷。

　常规工艺设有5道以上除鳞，每道除鳞将已生成的Fe₂O₃除掉后，到下一次除鳞的间隔时间里，下层不易去除的FeO又氧化生成新的Fe₂O₃。常规工艺比CSP、FTSR多了6道次以上粗轧轧制时间，炉生FeO有充足的时间转变为Fe₂O₃，加上多道次除鳞，因此精轧完最后一道除鳞，基本上能够把炉生FeO和极少量出炉后新生的二次FeO全部除净。这就是常规工艺产品表面质量优于薄板坯连铸连轧工艺的重要原因之一。

　另外，前机架轧机工作辊氧化膜剥落压入带钢也是工艺原因难以避免的，CSP、FTSR工艺是7机架连轧，前机架工作辊速度仅0．15～0．25m／s，工作辊表面在1100℃以上高温板坯烫烤下，快速生成厚的氧化膜，厚氧化膜比较脆，在轧制力作用下易破碎剥落轧进带钢表面，氧化膜剥落的地方又很快烫烤生成新的易碎氧化膜，恶性循环。

　2．4对板坯厚度的认识

　根据相关理论，压缩比达到5～6倍即能满足轧制要求，常规热连轧板坯厚度都在200mm以上，压缩比都远大于5～6倍；按近终形理论理解，选择大压缩比的厚板坯是一种浪费，应该选择满足近终形理论要求的薄板坯才是合理方向。但大型长流程钢厂引进薄板坯连铸连轧工艺技术后，为满足提高产能、增加品种、提高生产线市场适应能力等要求，薄板坯连铸连轧技术向中厚和厚的方向发展。

板坯厚度从近终形薄坯开始逐步向厚的回复和发展，不能认为是走回头路，背离正确方向，因为不是所有的产品都能走“近终形”道路的。而是市场和经济发展对带钢性能、质量、数量提出更高的要求，是市场经济条件下对投入产出比，对企业成本效益最大化提出的必然要求。可见，板坯厚度的选择，是一件综合性很强的事情，既要考虑“近终形”理念的因素，更要考虑生产线的综合效益最大化。

　 薄板坯连铸连轧工艺屈强比高的顽疾和压缩比小的缺陷，严重制约了其产品低成本向冷轧高端产品方向的延伸，以及需要高压缩比品种钢的生产，从而限制了其产品向高附加值方向发展，影响了生产线的效益。

3．常规热连轧工艺向连铸连轧方向发展

　常规热连轧发展至今已有100年的历史，其工艺走过了半连轧、全连轧、3／4连轧，又回到半连轧的漫长道路，工艺技术不断发展，工艺能力不断提高。虽然中国宽带钢热连轧起步比较晚，但是各种热连轧工艺机型应有尽有，并拥有当今世界上最先进的热连轧技术装备。可以说中国已总结和储备了世界上最丰富的热连轧生产经验，特别是近几年常规工艺应用了第3代无芯轴卷取移送热卷箱后，工艺能力有了重大的突破和提高。解决了没有应用第3代热卷箱的传统常规工艺中间坯头尾温差大、温度不均匀、轧制超薄带钢精轧不稳定、能力小的问题，具备了大批量稳定轧制高强超薄带钢的能力。

　 本文提出一种高效厚板坯连铸连轧CESP工艺技术(即中国高效带钢工程)，是在中国优化了的常规带钢工艺基础上嫁接连铸连轧技术集成创新的中国高效厚板坯连铸连轧工艺，是将常规热连轧工艺引领上连铸连轧发展方向的技术。CESP工艺采用4台垂直弯曲型连铸机，板坯经过火焰切割、去毛刺送至横移台车，将相邻的2流板坯各自并入1条装炉辊道，轧制中心线垂直于2座连铸机大包联线中心，4座20多米长的短步进梁加热炉分2组，面对轧制中心线相对错列布置，形成以轧制中心线为界两侧各自拥有2台板坯连铸机，2台步进梁加热炉、1条装钢辊道线及相应设备的紧凑对称布置，也可以做成3座或2座35米左右的较长步进梁加热炉分轧线两侧布置(其中并列的1座加热炉专烧下线冷坯)(如图6～8)。

　CESP工艺将当今世界上经过生产实践检验的非常成熟的炼钢，常规厚板坯连铸，步进梁加热炉和热连轧技术通过科学、合理、紧凑、极富创意的布置，集成的高效厚板坯连铸连轧工艺，采用这种新工艺风险较低，且达产、达标、达效速度快。

4．CESP的优势和特征

　(1)CESP技术的核心是一种将4流铸机，常规步进梁加热炉和常规热轧非常科学、富有创意连接起来的新工艺。其科学、巧妙的布置，解决了半个世纪前就提出的常规厚板坯工艺的连铸连轧难题，实现了薄板坯连铸连轧至今不能实现的4流铸机高效顺畅并1条轧线的梦想，实现占生产线投资比例70％的轧机得以充分发挥产能。

(2)CESP技术因其独特创造性的工艺集成，继承了常规工艺和薄板坯连铸连轧工艺的优点，同时又规避了它们的劣势和缺点，是一种全新的有发展前途的宽带钢生产工艺，它既能生产满足市场所需求的各种高质量产品，又能以最少的社会资源和能源消耗实现企业产能效益最大化，对投资者有很大的吸引力。

　 (3)CESP技术具备全部合格无缺陷板坯高温热装连铸连轧的能力，还具备了各种下线板坯15～20％冷装或根据小订单小批量生产的能力；解决了常规工艺一直追求直接热装所不能达到的更高比例、更高的装炉温度及更高节能效果的问题；解决了CSP、FTSR工艺不能像常规工艺那样比较柔性自由地按订单编制轧制计划、组织生产的问题；也解决了CSP、FTSR工艺下线冷坯不能回炉使用，生产组织不灵活的问题。CESP依靠自己专有的生产组织、计划编制的应用软件，在充分追求利用高温连铸坯显热的节能最大化的前提下，可十分灵活的应对小批量订单，用冷坯组织生产，可全部消化4流连铸生产的直装高温热坯和下线冷坯，达到常规工艺的高温铸坯显热充分利用和轧机产能最大化的目的。

　 (4)CESP技术突破了薄板坯连铸连轧工艺生产组织刚性强的弊端，留有事故状态下高温板坯下线的出口通道，操作起来简便快捷；可以在有压力定宽机生产线上采用“乌龟壳”计划模式生产，也可以在没有压力定宽机生产线上采用两种主轧宽度范围内自由轧制的模式，解决了薄板坯连铸连轧只能同宽度规格生产的刚性问题，达到了和常规工艺相当的生产柔性。

　 (5)CESP技术和常规工艺相比可取消1 5000m²左右大面积的板坯库，只需要留一个6000 m²小的板坯库用作各种原因下线板坯的堆存区。轧制中低牌号无取向硅钢因板坯热装可取消钢坯保温坑设备，降低了土地厂房建筑和设备的投资。

　 (6)CESP技术摆脱了原常规工艺(没有热卷箱)不能进行高强超薄带钢大批量稳定轧制的窘境，其大批量稳定轧制高强超薄带钢的工艺能力取得了重大突破，甚至达到和超过CSP和FTSR工艺的能力。

　 (7)CESP技术实现恒速轧制，采用UFC超快冷却技术降低了冷却路径控制难度，提高了带钢长度方向和宽度方向的组织性能的稳定和均匀，有利于组织性能的精细精确控制，为细晶高强双相钢(DP钢)、相变诱导塑性钢(TRIP钢)生产的工艺控制和组织性能控制提供了极为有利的基础条件，具备低成本生产高附加值产品的能力。

　 (8)CESP技术是在常规工艺基础上为了进一步达到节能减排、降低燃耗、降低成本的目的，引进连铸连轧理念进行技术创新的工艺，有很大的优越性。从理论上讲，在热装温度提高100℃，加热炉热效率分别为50％情况下，可降低4．48kgce／t的燃耗。节能效果非常显著。按照实现热装温度为800℃，扣除各种因素的影响，吨钢燃耗至少能下降20kgce／t，按生产线全年产量80％～85％为热装计算，全年比常规热轧工艺生产线可减少燃耗”7．2万t标煤以上。CESP选用热效率达到70％的蓄热式步进梁加热炉代替热效率低仅有35％的隧道炉，比CSP和FTSR工艺还要降低10kgce／t以上。

　 综合以上的CESP工艺的优势和特征可以看出：CESP技术追求的是最高效率的宽带钢生产。追求的是热连轧生产线综合工艺能力达到最大化，即设备效率高，产能高，质量高，消耗低，运行费用低，成本低，占地少，投资省，产品开发能力强，品种规格覆盖范围广，生产线生产灵活性强，竞争能力强，市场适应能力强，生产线盈利能力和生存能力强。CESP能实现最大限度地利用高温连铸坯的显热，极大减少了原常规工艺高温连铸板坯冷却和薄板坯连铸连轧隧道炉高温炉气排放对环境的影响。CESP能实现半个世纪以来轧钢工作者一直追求的厚板坯连铸连轧的目标。在当今世界“节能减排，绿色制造，环境友好，循环经济”已成为人类现代文明料会痔展的目标和标志的今天，进一步追求集成创新，实现热轧宽带钢生产工艺的更高效率，更加节能，更少排放，以更少的社会资源消耗获取更大社会效益为目标的更优化的工艺，是摆在我们现代热连轧工作者面前刻不容缓的一件大事，CESP工艺为实现这个崇高的目标提出了一个新的思路。