热轧板带材生产节能措施

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热轧板带材生产节能措施

孙蓟泉高绪涛

随着我国钢材产量的迅猛增长，产能过剩问题日趋显著，吨钢耗能还很主，产品质量合格率、高附加值产品也都不尽人意。因此，迫切需要在现有的设备中实施先进的生产工艺，提高产品质量，降低能耗及生产成本，使我国钢铁工业真正做到可持续发展，完成由钢铁大国向钢铁强国的转变。为此，我国各大钢厂正在积极采取各种有效措施降低板带材生产能耗。本文主要介绍近年来热轧板带材生产线上有关节能减排的新工艺、新技术。

热送热装技术

连铸板坯热送热装技术是指连铸切割后的板坯立即通过铁路、保温车或辊道等方式运送至加热炉(或缓冲装置如板坯库、保温坑)，以较高温度装入加热炉的操作。它涉及从炼钢到热轧之间各个生产环节，是一项系统工程。该技术可降低热轧加热炉燃耗、减少钢坯氧化烧损、提高热轧产量和简化工艺流程，是连铸技术的一项重大突破，不仅对节能有重要意义，而且对改革传统钢铁工业结构有深远意义。

热送热装技术主要分为以下几种类型：

(1)连铸坯直接轧制

简称CC—DR，分类为I型。连铸坯在高于1100℃的条件下不经加热炉，在输送过程中通过边角补热装置直接送入轧机轧制。铸坯轧前未经过γ→α→γ相变再结晶过程，仍保留铸态粗大的奥氏体晶粒，微量元素Nb、V、Ti等也没有在常规冷装条件下的析出、再溶解过程，因而需开发新的轧制工艺来得到晶粒细化的组织，这对微合金化钢来说，就更能充分发挥Nb、V、Ti等微合金化元素的作用。

(2)连铸坯热直接轧制

简称CC—HDR，分类为Ⅱ型。连铸坯温度在1100℃以下，A₃以上，铸坯不经加热炉，在输送过程中通过补热和均热，使钢坯达到可轧温度，直接送入轧机轧制。铸坯的金属学特征基本与I型相同，仅有一些微量元素有少量析出和再溶解的现象，因此它相应的轧制工艺与I型相似。

(3)连铸坯直接热装轧制

简称CC—DHCR，分类为Ⅲ型。连铸坯温度在A₃以下，A₁以上，铸坯直接送加热炉加热后轧制，加热炉在连铸机和轧机间起缓冲作用，此时铸坯处于(γ＋α)两相区，铸坯组织部分经过γ→α→γ相变，既有原始粗大的奥氏体晶粒，又有经相变的奥氏体细晶粒。这样，经加热后的铸坯组织为混晶组织，其微量元素的析出和溶解程度不同，需采取相应的轧制工艺，以获得质量优良的最终产品。

(4)连铸坯热装轧制

简称CC—HCR，分类为Ⅳ型。连铸坯温度在A₁以下，400℃以上，铸坯不放冷即送保温设备(保温坑、保温车和保温箱等)中保温，然后再送加热炉加热后轧制。保温设备在连铸机和加热炉之间起缓冲和协调作用。其铸坯组织状态与常规冷装炉铸坯状态基本相同。

一般，与冷装炉相比，连铸坯热装温度每提高100℃，加热炉燃耗可降低5％～6％，加热炉产量可增加10％～15％。连铸坯装炉温度的提高，使加热时间大幅缩短，钢坯氧化烧损相应减少：一般冷装炉钢坯烧损为1．5％～2％，有的甚至达2．5％以上；热装炉条件下，氧化烧损可降至0．5％～0．7％，这对提高成材率是有利的。在热送热装的铸坯上涂敷高温防氧化涂层，可以使铸坯的氧化烧损在热装的基础上再降低60％～80％。连铸坯热装技术还可产生缩短生产周期、减少仓库面积、降低运输费用等方面的效益。

轧钢加热炉节能措施

(1)轧钢加热炉余热利用

轧钢连续加热和均热炉是钢铁企业中耗能较多的设备。其热效率一般只有20％～30％，约有70％～80％的热量散失，其中烟气带走的热损失约占30％～35％。加热炉的烟气量根据炉型大小不同，一般在7000～300000m³／h(标准状态)范剖内。烟气温度一般为550～990℃，也有超过1000℃以上的。如果将烟气的余热用来加热助燃空气，当助燃空气被加热到400℃时，可以达到节能20％～25％的效果。目前新型蓄热式加热炉技术能最大限度地回收出炉烟气的热量而大幅度的节约燃料、降低成本，还能提高炉子的产量，同时减少CO₂和NO₂的排放量，有利于环境保护，因此，引起普遍重视和迅速推广。新型蓄热式加热炉技术的重大突破主要表现在两个方面：一是蓄热体改为陶瓷小球、蜂窝体等陶瓷质蓄热体，表面积比格子砖大了几十甚至上百倍，因而传热效率很高，蓄热室体积大大减少；二是换向设备的改造和控制技术的提高，使换向时间大大缩短，可靠性增强。传统蓄热室的烟气温度为300℃、600℃，而新型蓄热室烟气的温度只有200℃或更低。新型蓄热室可以将空气或煤气预热到比出炉烟气温度只低100℃左右，热效率可达到70％以上。

(2)轧钢加热炉汽化冷却系统的应用

加热炉汽化冷却系统主要由软水箱、除氧器、汽包、循环泵及水循环管路构成。其主要工作原理是软化水由汽包通过下降管、炉底水梁、上升管然后回流至汽包的不间断流动。下降管中流动的是软化水，上升管中流动的是汽水混合物，由于水的密度大于汽水混合物的密度，同时汽包本体高于炉底支撑梁，因而产生了流动压头，流动压头克服阻力就可形成一定流量的不间断流动，这就形成自然循环。汽包中的水经下降管道和强制循环水泵送至炉底水梁，在炉底水梁内吸收热量后变成汽水混合物，然后经上升管道回到汽包，这样形成密闭回路的强制循环。在汽包中，汽水混合物分离成水和蒸汽，蒸汽送出并入全厂蒸汽管网，水则与给水装置补充的新水混合，然后重复上述循环过程。

由于汽化冷却采用除氧软水作为其冷却介质，避免了冷却系统发生腐蚀、结垢、堵塞，从而延长了冷却构件及其连接管道的寿命，减少了事故，提高了轧机作业率；其次，汽化冷却系统利用194℃的高温软水汽化过程中吸收的汽化潜热进行冷却，支撑梁与冷却水温度都有所提高，所以相应减少了冷却水带走的热损失，同时减少了补水量和耗水量。汽化冷却利用支撑梁的热量产生的蒸汽并入厂区管网，供厂区统一分配使用。

除鳞高压水系统节能措施

除鳞高压水系统主要由高压水泵、高压水气罐、储气罐、空气压缩机、过滤器、各种高压水阀门、高压气阀门及高压管道等组成。高压水泵站中采用的水泵有两种，一种是柱塞泵，其优点是空运转时电动机的耗电量小，电流仅为额定电流的10％～15％。缺点是设备结构宠大、重量大、占地面积大、投资高；另一种是离心泵，设备结构小、重量轻、占地面积小、投资少。缺点是空运转时电动机耗电量大，几乎为额定电流的70％～80％。因此，对于间歇时间较长的轧钢厂高压水除鳞泵站，一般选用多柱塞高压水泵。而对于大部分时间需连续提供高压水的泵站，如大型的连轧宽带钢生产厂，选用多级高压离心泵较为合适。随着现代轧钢技术的发展，自动化程度和生产效率的不断提高，使得连续生产已成为可能，因而选用离心泵具有明显优势，这样可以提高除鳞效果，满足决节奏轧制，结合实际情况，可分别从以下四个方面进行节能：

①合理调度使用除鳞点，在高效经济范围内运行水泵的工艺节能；

②提高低效泵运行效率的维修节能；停止运行长时间不用水泵的管理节能；

③分析除鳞高压水系统各个除鳞点的用水情况，计算所需最小水量，确定各除鳞点的富余水量，根据喷射水与轧制钢坯除鳞效果的关系，优化现有除鳞系统的喷嘴配置；

④对系统进行生产改造节能；当轧线不需高压水时，通过变频调速降低高压水泵电机的转速，关闭最小流量阀和水泵，降低非生产能耗的变频节能。

轧制润滑技术

用热轧润滑技术，不仅可以降低能耗，提高生产率，降低轧辊成本和改善带钢表面质量，而且可使带钢的晶粒组织得以改善，使之具有理想的深冲性能。随着短流程连铸连轧工艺的发展和市场对厚度小于lmm热轧带钢需求的增加，热轧润滑技术己引起广泛关注并得到普遍应用。目前，随着高速钢轧辊的使用，热轧润滑技术尤为重要，实践表明：在同等条件下，采用高速钢轧辊，轧制力有所增加；欲减少轧制力，热轧润滑是最有效的手段。

热轧时，在辊缝严酷的工作条件下，轧辊表面极易磨损，产生凹坑和麻点；而凹坑和麻点又加剧磨损，造成恶性循环，轧辊因此迅速报废。如果能在轧件进入辊缝之前，在轧件表面喷涂润滑物质，形成润滑膜，尽管这层膜有一小部分可能在进入辊缝前即被高热的轧件烧掉，但大部分还是被咬入辊缝，在工作辊和轧件的接触面上形成一层薄薄的润滑膜。虽然润滑膜与轧辊的接触时间只有百分之几秒，但是润滑膜在烧掉之前可以起到润滑作用，减轻轧辊磨损，避免很快出现凹坑和麻点。

在热轧中应用润滑技术具有以下明显的节能效果：

①可降低热轧时轧辊与轧件间的摩擦系数。无润滑时的摩擦系数一般为0．35，采用有效润滑后的摩擦系数可降至0．12；

②可降低轧制力。对于薄规格带钢，一般可降低10％～25％轧制力，从而降低能耗；

③可减少轧辊消耗和储备，提高作业率。在热轧条件下，工作辊与带钢和冷却水接触会生成Fe₃O₄和Fe₂O₃，等硬度很大的氧化物，附着在轧辊表面，形成黑暗色，即黑皮。黑皮是造成轧辊异常磨损的主要原因。采用热轧润滑技术后，轧辊与轧件之间被一层边界润滑膜隔开，可防止轧辊表面产生黑皮，减少磨损，延长工作辊的使用寿命；可减少换辊时间，提高轧制作业率，减少工作辊储备量，同时也减少了支撑辊的磨损和储备量；

④可减少氧化皮压入，改善轧辊表面状态。采用热轧润滑技术后，提高了产品的表面质量，也提高了酸洗效率。

轧制工序节能技术

(1)低温轧制技术

低温轧制技术是降低轧钢工序能耗的重要节能措施。降低加热炉出钢温度，可减少加热过程的燃料消耗，减少坯料的烧损。随着出钢温度的降低，氧化铁皮量也显著减少。采用低温轧制可以缓解轧制过程轧辊温度变化，减少因热应力引起的轧辊消耗。降低轧制温度，可以减少轧制过程中二次氧化铁皮生成量，降低轧辊磨损量，从而降低辊耗。同时在降低轧制温度后，轧件的塑性也随之降低，这将会导致轧制力矩、轧制力增大，咬入条件恶化，从而使轧制功率增加。统计数据显示，低温轧制在燃料消耗和氧化铁皮量上降低所得的效益，完全能抵消并超过提高轧制功率增加的成本。因此，如果轧机的刚度、轧制力、辊身强度、主电机功率等能满足低温轧制的要求，轧后产品性能也能满足要求，则降低钢坯的加热温度可在节能降耗、减少金属烧损等方面获得明显的经济效益。

采用低温轧制技术，要严格控制轧制温度。在不同温度条件下形成的二次氧化铁皮的组成不同，工作辊的磨损也不同。当温度低于900℃时，钢板表面的氧化层主要是FeO，并带有少量的Fe₃O₄，没有Fe₂O₃；但当温度在900℃以上时，FeO量减少，随之Fe₃O₄增多，会有Fe₂O₃生成。Fe₃O₄和Fe₂O₃比FeO硬度高，更耐磨。因此，当钢板温度超过900℃时，轧辊的磨损比温度较低时更为严重。从减缓轧辊磨损、提高钢板表面质量的角度出发，希望精轧阶段钢板温度尽可能低，但是还应考虑到轧机的轧制能力。

(2)超快速冷却及在线淬火技术

通过控制钢坯加热温度、轧制温度及轧后冷却，许多专用钢可取消轧后热处理工序或减少热处理时间。利用轧后钢材的余热在相应的工艺条件下热处理，可提高钢材性能和节约能源。

在上世纪90年代初，采用加速冷却技术制造的TMCP钢实现了提高钢板强度、改进焊接性能的目的，目前加速冷却技术已广泛应用于管线钢、造船板、桥梁板等产品。然而，最近几年对钢板质量的要求日趋严格，如钢板整体性能要均匀一致、减少强度下降等，为满足新的要求，基于一个全新的概念，己开发出新一代加速冷却工艺——超快速冷却技术(UFC)。

普通层流冷却水流冲击静止热钢板时的换热区域。冷却水流落到热钢板表面以后，在水流下方和几倍水流宽度的扩展区域内，形成具有层流流动特性的单相强制对流区域，也称为射流冲击区域。该区域内由于流体直接冲击换热表面，使流动边界层和热边界层大大减薄，从而大大提高热／质传递效率，因此换热强度很高。随着冷却水的径向流动，流体逐渐由层流向湍流过渡，流动边界层和热边界层厚度增加，同时接近平板的冷却水由于被加热开始出现沸腾，形成范围较窄的核态沸腾和过渡沸腾区域。随着加热面上稳定蒸汽膜层的形成，表面出现薄膜沸腾强制对流区，该区域内由于热量传递必须穿过热阻较大的汽膜，而不是液膜，因此其换热强度远小于水与钢板之间的换热强度。随着流体沸腾汽化，膜状沸腾区之外，冷却水在表面聚集形成不连续的小液态聚集区。小液态聚集区的水最终或者被汽化，或者从钢板的边缘处流下。

UFC装置通过减小出水口孔径，加密出水口，增加水压，以保证小流量的水流也能有足够的能量和冲击力击破水膜。根据其特点，可以认为超快速冷却系统通过流体直接冲击换热表面，使流动边界层和热边界层大为减薄，从而大大提高了热／质传递效率，因此其具有射流冲击换热的特性。从换热机理上来看，是通过扩大单相强制对流区的面积，减小薄膜沸腾换热区，来提高整个冷却系统的换热强度，从而可以达到热带钢超快速冷却的目的。

(3)自由程序轧制技术

轧制程序是决定板坯轧制顺序的基准。它对产品的质量、轧制能耗、成本和成材率都有直接影响。传统的轧制程序不仅不适应于连铸——热装、连铸——直接轧制等技术，限制了生产计划的安排和轧机能力的提高，而且也不利于板带表面质量和尺寸精度的提高。

在传统的热轧带钢生产中，每次换辊后，轧辊为冷态，没有热凸度，为了维持正常生产所需要的凸度，必须按一定的规程组织轧钢生产，产品的宽度轧制顺序应首先安排宽度较窄的“烫辊材”，使轧辊生成较为稳定的热凸度，然后按照一定的步长，逐渐增加宽度，达到最大可轧宽度，在稳定生产一段时间后，轧辊开始在最大宽度上的磨损增加，又需逐渐地减小宽度，直到轧到最小宽度后，轧辊报废。除了宽度方面的限制之外，轧件的厚度和硬度(指不同钢种变形抗力的差别)的跳跃也不能太大。

这种安排轧制计划的方式与钢材买方市场的现实相矛盾，目前在世界范围内钢材生产能力已过剩，轧钢厂只能按照用户的需求安排轧制计划，而不能拘泥于已有形式。另一方面，以大幅度节能为目标开发出的连铸连轧直接轧制技术，也需要突破传统轧制计划的限制，开发应用自由程序轧制技术(Schedule Free Rolling)迫在眉睫。

(4)铁索体区轧制

铁素体区轧制工艺，又称为温轧(Warm Rolling)，最初开始于20世纪80年代后期，其初始设计思想是以简化工艺、节约能源为主要目的，力图以传统的连铸坯为原料，通过铁素体区轧制，生产一种可直接使用或供随后冷轧生产的价格便宜、质软、非失效的热轧板。由于IF钢的γ→α转变温度较高，很难保证IF钢在奥氏体区终轧，相反容易实现铁素体区轧制，所以铁索体区轧制工艺随着IF钢的发展应运而生。IF钢铁索体区轧制工艺与传统的IF钢生产工艺区别在于，传统的IF钢热轧生产中粗轧和精轧温度均在A₃以上，即在奥氏体区轧制，而铁索体区轧制时精轧在气以下，即在铁素体区轧制。

铁素体区轧制是在A₃温度以下轧制，由于温度低，可降低加热温度，这样不仅可以节约燃料，还可以开发加热炉的潜在生产力，从而提高效益；还可以大幅度降低由此产生的氧化铁皮损耗，氧化铁皮量大大减少，不仅提高了成材率和带钢的表面质量，而且使冷轧前酸洗效率提高。

异步轧制技术

异步轧制(cross shear rolling一CSR)与传统轧制工艺不同，是指上、下工作辊的轧制状态明显不同(如上下轧辊线速度不等、辊面摩擦状况不同、上下轧辊辊径不等及轧件上下表面温度不同等)的一种轧制方法，也叫不对称轧制工艺。

异步轧制时，由于上下轧辊的线速度不同，中性面将发生偏移，表现在辊缝出口端轧材中性面偏向快速辊一侧。由于申}生面的偏移，在变形区中形成一个外力作用条件与应力状态都比较特殊的区域，此区域位于两个中立点之间，其上、下接触面的摩擦力方向相反，形成了异步轧制所特有的“搓轧区”。由于搓轧区的存在，造成了轧制过程变形特点和金属流动的特殊变化。在搓轧区上、下表面，外摩擦力方向相反，减少了外摩擦所形成的水平压力对变形的阻碍作用，从而显著降低了轧制变形的总压力。又由于方向相反的摩擦力，造成了搓轧区上、下表面金属流动的不同，因而在变形区内引起剪切变形，导致金属表面质量、金相组织、晶体位向和力学性能的变化。

与常规轧制相比，异步轧制具有显著降低轧制压力与轧制扭矩，降低能耗，减少轧制道次，增强轧薄能力，改善产品厚度精度和板形，提高轧制效率的优点。特别对于轧制变形抗力高、加工硬化严重的极薄带材，其节能效果更加显著。

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