王利民

（中冶京誠工程技術(shù)有限公司 北京100176）

1 薄板坯連鑄連軋技術(shù)發(fā)展趨勢

自1989年第一條薄板坯連鑄連軋生產(chǎn)線在美國Nucor問世以來，獲得了迅速的發(fā)展，目前全世界已有幾十條生產(chǎn)線開始運(yùn)轉(zhuǎn)，我國已有十幾條薄板坯連鑄連軋生產(chǎn)線投入生產(chǎn)。

從目前形勢看，薄規(guī)格、以熱代冷是薄板坯連鑄連軋產(chǎn)品的發(fā)展方向之一。因?yàn)槌Ｒ?guī)的熱軋帶鋼工藝不適合生產(chǎn)超薄規(guī)格的產(chǎn)品，而薄板坯連鑄工藝是更適合生產(chǎn)超薄規(guī)格產(chǎn)品的。薄規(guī)格熱軋板可通過“以熱代冷”替代冷軋板［2］，減少冷軋工序的建設(shè)投資、能源消耗、環(huán)境污染。通過“以薄代厚”，減小熱軋鋼材的消耗。研究表明，世界范圍內(nèi)約25%的冷軋薄板可用薄規(guī)格熱軋板替代。

隨著薄板坯連鑄連軋技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，日本、韓國和歐洲等國家和地區(qū)的鋼鐵企業(yè)在努力實(shí)現(xiàn)熱軋板帶產(chǎn)品的減量化制造技術(shù)方面進(jìn)行了大量的研究工作，開發(fā)了多種熱軋板帶無頭軋制技術(shù)，進(jìn)一步提高板帶成材率和尺寸形狀精度及薄規(guī)格超薄規(guī)格比例、實(shí)現(xiàn)部分“以熱代冷”、降低消耗，并在實(shí)際應(yīng)用中取得了顯著的收效。

2 無頭帶鋼軋制技術(shù)發(fā)展概況

目前，熱帶無頭軋制技術(shù)有兩種：一是在常規(guī)熱連軋線上，在粗軋與精軋之間將粗軋后的高溫中間帶坯在數(shù)秒鐘之內(nèi)快速連接起來，在精軋過程中實(shí)現(xiàn)無頭軋制；二是無 頭 連 鑄 連 軋 技 術(shù)（ESP 技 術(shù)）［3］［4］。ESP 技 術(shù) 可 以 看 做是當(dāng)前薄板坯連鑄連軋技術(shù)不斷發(fā)展升級而產(chǎn)生的無頭軋制中最具有代表性的前沿技術(shù)。

1）常規(guī)熱連軋線上的無頭軋制技術(shù)

現(xiàn)有常規(guī)熱連軋線上，在粗軋與精軋之間將粗軋后的中間帶坯在數(shù)秒鐘之內(nèi)快速連接起來，在精軋連軋機(jī)組實(shí)現(xiàn)無頭軋制，經(jīng)層流冷卻線后的飛剪切斷，由卷取機(jī)卷成熱卷。其主要設(shè)備有粗軋與精軋之間設(shè)置熱卷箱、切頭剪、中間板坯連接裝置及卷取機(jī)前的飛剪，如圖1所示。

圖1 常規(guī)熱軋帶鋼生產(chǎn)工藝

2）JFE與新日鐵熱帶無頭軋制技術(shù)

日本JFE 公司千葉廠于1996年開發(fā)成功采用感應(yīng)焊接作為粗軋后的中間帶坯連接方式，該方式要求對帶坯接頭區(qū)進(jìn)行快速加熱，形成熱熔區(qū)實(shí)現(xiàn)對焊連接。該無頭軋制生產(chǎn)線投產(chǎn)后，在提高熱軋板帶生產(chǎn)效率和成材率及板形板厚精度、降低軋輥消耗、擴(kuò)大薄寬規(guī)格品種等方面取得了顯著的效果，在國際冶金行業(yè)產(chǎn)生重大影響。

日本新日鐵大分廠也于1998 年開始采用大功率激光焊接方式進(jìn)行中間帶坯連接。在該種方式下，為得到優(yōu)質(zhì)的焊接效果，要求激光焊接對帶坯頭部、尾部進(jìn)行精確切割，以實(shí)現(xiàn)良好對焊質(zhì)量，如圖2所示。

圖2 日本JFE熱軋帶鋼無頭軋制工藝

3）浦項制鐵熱帶無頭軋制技術(shù)

韓國浦項制鐵和三菱－日立公司于2007 年初聯(lián)合開發(fā)成功熱軋中間帶坯的剪切－壓合連接技術(shù)，即利用切頭飛剪完成帶坯瞬間的固態(tài)連接［5］，如圖3所示。

圖3 韓國浦項制鐵固態(tài)疊壓法無頭軋制工藝

4）以ESP為代表的無頭連鑄連軋技術(shù)

1992年，意大利阿爾維迪公司克萊蒙納廠建設(shè)了一條ISP生產(chǎn)線，是當(dāng)時歐洲第1條、世界第2條薄板坯連鑄連軋生產(chǎn)線，且只生產(chǎn)碳素帶鋼，年產(chǎn)量達(dá)110萬t。該生產(chǎn)線高度緊湊、靈活，代表當(dāng)代先進(jìn)的低成本、節(jié)能型熱軋薄帶鋼生產(chǎn)水平。自從1992 年投產(chǎn)以來，ISP 生產(chǎn)線經(jīng)過多次成功改造，開發(fā)出了薄板坯連鑄與直接軋制的鏈接技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了無間斷連鑄，成為生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)熱軋帶鋼的成熟生產(chǎn)線。經(jīng)過多年實(shí)踐，目前該ISP 生產(chǎn)線已達(dá)到世界先進(jìn)水平，與傳統(tǒng)工藝相比，更加節(jié)能與環(huán)保。

2009年，意大利阿爾維迪公司克萊蒙納廠建設(shè)投產(chǎn)了世界上第一條ESP無頭連鑄連軋生產(chǎn)線［6］。ESP 線的最大鑄速6.0mm／min，實(shí)現(xiàn)了熱軋帶鋼從鋼水到熱軋成品卷的全連續(xù)生產(chǎn)，連澆爐次達(dá)到9×250t。ESP 技術(shù)是在ISP技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行大膽創(chuàng)新，經(jīng)過10多年的工藝探索，創(chuàng)新性的完成了ESP 無頭軋制工藝的商業(yè)化改造［7］。投 產(chǎn)初 期，產(chǎn) 能 達(dá) 到40 萬t／a，2010 年 產(chǎn) 能 接 近140萬t／a，設(shè)計年產(chǎn)量180～200 萬t，目前已達(dá)到設(shè)計產(chǎn)能。

表1 ESP與OTS、ISP工藝的對比

3 ESP無頭帶鋼生產(chǎn)線實(shí)例

2009年，阿爾維迪公司克萊蒙納廠建成投產(chǎn)了世界上第1 條ESP 無頭連鑄連軋生產(chǎn)線，如圖4 所示。ESP線總長僅有191m，能夠在4.5min內(nèi)完成從鋼水到卷取的全連續(xù)生產(chǎn)。最大鑄速6.0m／min，連鑄爐次9×250t，非常適合薄規(guī)格板帶生產(chǎn)。其中厚度小于等于2.0mm 的產(chǎn)品占約50%，厚度小于等于1.5mm 的產(chǎn)品超過21%，最薄帶鋼為0.8mm×1540mm［8］。目前年生產(chǎn)能力達(dá)到200萬t／a。

圖4 意大利阿爾維迪公司克萊蒙納廠ESP生產(chǎn)線

2013年11月國內(nèi)某廠引進(jìn)ESP技術(shù)，該生產(chǎn)線是目前國內(nèi)首條ESP 生產(chǎn)線，也是既意大利阿爾維迪公司ESP之后的國際第二條ESP 生產(chǎn)線，目前仍然在建設(shè)之中。生產(chǎn)線總長193m，最大鑄速7.0m／min，連鑄爐次10×300t，產(chǎn)品以1.2mm 以下的超薄帶鋼為主，最薄規(guī)格帶鋼為0.8mm×1600mm。

針對ESP的整套鋼鐵生產(chǎn)系統(tǒng)包括：300t轉(zhuǎn)爐、300t鐵水脫硫、300tLF爐、300tRH 爐、ESP生產(chǎn)線（連鑄＋連軋）、熱軋帶鋼酸洗平整生產(chǎn)線、橫切機(jī)組、縱切機(jī)組、自動包裝機(jī)組等，產(chǎn)品定位為以熱帶冷的超薄帶鋼產(chǎn)品，利用ESP生產(chǎn)線的技術(shù)特點(diǎn)、影響力和節(jié)能降耗的成本優(yōu)勢，提升某廠的熱軋帶鋼產(chǎn)品的市場知名度，最大程度的發(fā)揮某廠的成本優(yōu)勢。

4 最新ESP無頭帶鋼軋制技術(shù)水平

4.1 生產(chǎn)能力

年生產(chǎn)能力約為222萬t／a，最大生產(chǎn)能力可達(dá)到266萬t／a。

4.1.1 產(chǎn)品規(guī)格

4.1.2 產(chǎn)品品種（見表2）

4.2 工藝流程（如圖5所示）

1）連鑄機(jī)澆注前的準(zhǔn)備

修砌好并在干燥站干燥完畢的中間罐用澆注跨的100／30t吊車運(yùn)至澆注平臺上的中間罐車上，再用平臺上的烘烤站將中間罐烘烤到1100℃，浸入式水口烘烤到～1250℃。

接通結(jié)晶器冷卻水、二冷水、壓縮空氣、設(shè)備冷卻水、液壓、潤滑等系統(tǒng)，使其處于正常狀態(tài)。

引錠桿送至結(jié)晶器內(nèi)合適位置，并將引錠頭在結(jié)晶器內(nèi)塞緊，并填好冷卻用廢鋼屑。

各操作臺、控制箱顯示電氣系統(tǒng)正常。

表2 產(chǎn)品按品種分配表

2）連鑄機(jī)澆注操作

經(jīng)由鋼包進(jìn)入中間罐的鋼水，當(dāng)其液面高度達(dá)到一定高度時，打開塞棒，此時鋼水通過浸入式水口注入結(jié)晶器。

當(dāng)鋼液在結(jié)晶器內(nèi)上升到規(guī)定的拉坯位置時，啟動操作箱上“澆注”按鈕，扇形段驅(qū)動輥按預(yù)定的起步拉速開始拉坯。與此同時，結(jié)晶器振動裝置、二冷噴淋水、二冷室排蒸汽風(fēng)機(jī)同時啟動。

結(jié)晶器內(nèi)已凝固成坯殼帶液芯的鑄坯由引錠桿牽引離開結(jié)晶器下口，經(jīng)足輥、彎曲段、弧形段往下移動，此時冷卻水和被壓縮空氣霧化的冷卻水直接噴到鑄坯上進(jìn)行冷卻?；⌒蔚蔫T坯進(jìn)入矯直段被矯直，然后進(jìn)入水平段。

鑄坯出水平段和粗軋機(jī)后，經(jīng)擺動剪剪切，鑄坯與引錠桿脫離，引錠桿快速送至引錠桿存放裝置處。與引錠桿分離后的連鑄坯送至后部的軋鋼車間。

3）連續(xù)軋制過程

（1）無頭軋制模式

鑄坯經(jīng)過3 機(jī)架大壓下軋機(jī)軋制成厚度為8mm～20mm 的無頭中間坯。該無頭中間坯通過帶保溫罩的輥道運(yùn)送至感應(yīng)加熱爐，感應(yīng)加熱爐以高效、準(zhǔn)確、動態(tài)在線和靈活的方式將無頭中間坯加熱至要求的約1200℃。感應(yīng)加熱爐后設(shè)置有夾送輥除鱗箱。無頭中間坯經(jīng)過除鱗后進(jìn)入5機(jī)架精軋機(jī)組，軋制成目標(biāo)厚度的帶鋼。帶鋼經(jīng)過輸出輥道和層流冷卻后得到理想的微觀組織結(jié)構(gòu)。在輸出輥道的末端、卷取機(jī)之前，高速飛剪將無頭帶鋼進(jìn)行分卷，然后在地下卷取機(jī)上進(jìn)行卷取。無頭軋制模式下可以生產(chǎn)厚度為0.8mm～4.0mm 全寬度帶鋼，半無頭軋制模式下可以生產(chǎn)厚度為3.5mm～6.0mm 全寬度帶鋼。在高速飛剪和1＃地下卷取機(jī)之間的較短區(qū)域內(nèi)以及地下卷取機(jī)之間的區(qū)域內(nèi)配備有特殊穿帶裝置，以保證超薄熱軋帶鋼的頭部能在高的輸送速度下順暢穿帶。在無頭軋制過程中，通過精軋機(jī)組末架和高速飛剪入口夾送輥對帶鋼的頭部進(jìn)行控制，因此在輸出輥道區(qū)域沒有翹頭現(xiàn)象。上述的無頭軋制模式對超薄熱軋帶鋼（UTHS）生產(chǎn)專門進(jìn)行了優(yōu)化以便能連續(xù)優(yōu)質(zhì)地生產(chǎn)出傳統(tǒng)的帶鋼厚度并獲得優(yōu)化的收得率（無頭尾）。通過消除帶鋼頭部穿帶和甩尾過程，允許在全寬度范圍軋制厚度為1mm 以下的帶鋼。

圖5 某廠ESP無頭軋制工藝

轉(zhuǎn)轂飛剪位于垛板臺與感應(yīng)加熱爐之間，其在軋制過程中主要具有兩個作用：第一，當(dāng)中間坯的速度太高以致于超過擺式剪的最大剪切速度時，用轉(zhuǎn)轂飛剪將中間坯切分，以進(jìn)行單塊軋制；第二，如果下游區(qū)域發(fā)生堆鋼事故或者臨時換輥，在堆鋼被移除的同時轉(zhuǎn)轂飛剪可用來清理垛板臺區(qū)域并獲得有價值的中板。在下游區(qū)域被清理完畢并且再次生產(chǎn)準(zhǔn)備就緒后，軋件將再次穿入精軋機(jī)組并且恢復(fù)完全連續(xù)的鋼卷生產(chǎn)。在整個清理期間，軋線將生產(chǎn)中板。

感應(yīng)加熱爐設(shè)置于靠近精軋機(jī)組是為了保證精軋工藝要求的高入口溫度以及因緊湊設(shè)計減少熱損失和氧化鐵皮的產(chǎn)生。在中板（板坯）生產(chǎn)模式下生產(chǎn)厚度為110mm～10mm 的中板（板坯），可以通過擺式剪的剪切實(shí)現(xiàn)。在生產(chǎn)厚鑄坯的板坯時，鑄坯的速度為0.1m／s，在擺式剪的可操作范圍內(nèi)。

（2）半無頭軋制模式

在ESP生產(chǎn)線末端的1＃地下卷取機(jī)之前設(shè)置高速飛剪，用于在無頭軋制模式下生產(chǎn)厚度為0.8mm～4.0mm 的熱軋帶鋼。對于厚度超過4mm 的熱軋帶鋼，則用擺式剪或者轉(zhuǎn)轂飛剪將把中間坯按生產(chǎn)單個鋼卷的尺寸進(jìn)行切分，由此ESP 生產(chǎn)線進(jìn)入半無頭軋制模式。切分后的中間坯將加速前行，以便和下一塊中間坯的頭部稍拉開一些距離。切分成單卷規(guī)格的中間坯經(jīng)過感應(yīng)加熱爐加熱、除鱗并穿帶進(jìn)入精軋機(jī)組軋制至成品規(guī)格、然后再經(jīng)層流冷卻即可獲得微觀結(jié)構(gòu)均勻和機(jī)加工性能良好的帶鋼，最后由地下卷取機(jī)卷成鋼卷。由于ESP 生產(chǎn)線的緊湊設(shè)置，在半無頭軋制模式下，約75%軋制過程仍處于連鑄機(jī)和地下卷取機(jī)、鑄坯、中間坯和帶鋼直接相連的狀態(tài)（類似無頭軋制模式）。只有切分后余下的軋制過程中，中間坯的精軋軋制速度和卷取速度會提高約30%～50%。

半無頭軋制模式用于生產(chǎn)厚度超過3.5mm 的帶鋼，多用于軋程初期精軋機(jī)組燙輥，或者用于在生產(chǎn)計劃中臨時增加訂單的情況。

4.3 主要設(shè)備技術(shù)水平

4.3.1 連鑄機(jī)部分（設(shè)備參數(shù)見表3）

表3 連鑄機(jī)設(shè)備選型及技術(shù)參數(shù)

表3 連鑄機(jī)設(shè)備選型及技術(shù)參數(shù)（續(xù)表）

表4 軋機(jī)部分的設(shè)備選型及技術(shù)參數(shù)

表4 軋機(jī)部分的設(shè)備選型及技術(shù)參數(shù)（續(xù)表4）

5 ESP無頭帶鋼軋制技術(shù)的特點(diǎn)和優(yōu)勢

以ESP為代表的無頭軋制技術(shù)作為超薄帶鋼連鑄連軋的最前沿技術(shù)，根據(jù)目前市場的實(shí)踐，大體可以總結(jié)ESP生產(chǎn)線有如下特點(diǎn)：

1）全程連續(xù)帶鋼生產(chǎn)，連澆爐次10×300t，軋輥消耗可以保證一次性軋制15km 帶鋼；

2）采用單臺單流高拉速連鑄機(jī)，拉速可達(dá)7.0m／min，7min即可完成從鋼水到熱軋成品卷的過程［9］；

3）高產(chǎn)量超薄帶鋼生產(chǎn)，最大生產(chǎn)能力可達(dá)266 萬t／a；

4）高產(chǎn)量優(yōu)質(zhì)帶鋼生產(chǎn)，可以大批量生產(chǎn)超低碳、雙相鋼等鋼種；

5）與常規(guī)的熱連軋、薄板坯連鑄連軋技術(shù)相比，從鋼水到熱軋卷的過程消耗低，對于追求成本優(yōu)勢最大化的投資者來說成本低是最大的吸引力；

6）最緊湊式平面布置，全長～190m，很大程度上節(jié)省了投資成本。

5.1 節(jié)能降耗

ESP產(chǎn)品厚度、寬度精度，板形，性能均勻度均達(dá)到比常規(guī)熱連軋還高的水平，如厚度公差小于等于30μm，寬度公差小于等于5mm，溫差小于等于7℃。采用無頭軋制技術(shù)可使得成材率進(jìn)一步提高，鋼水到熱軋卷的收得率達(dá)到97%～98%。在此基礎(chǔ)上，ESP生產(chǎn)線直接和間接排放的溫室氣體和有毒氣體（NOx和CO）量較低，能源消耗比常規(guī)熱軋工藝大幅降低，生產(chǎn)普通規(guī)格產(chǎn)品時，其能耗可以降低40%～50%；生產(chǎn)薄規(guī)格產(chǎn)品時，其能耗可以降低65%～70%。

由于將鑄造后的熱量用于軋制過程中，并在帶鋼中心仍處在軟化時最大程度地減少變形能量消耗，可以達(dá)到從鋼水到熱軋成品卷生產(chǎn)過程的最佳能量平衡。與其它薄板坯工藝技術(shù)不同的是，ESP無頭軋制在提高生產(chǎn)能力對所需的能耗相對更低。如果拉速更高，極限情況下的有望實(shí)現(xiàn)在感應(yīng)加熱器的零熱能輸入。

生產(chǎn)出的超薄規(guī)格熱軋帶鋼通過簡單工序的冷加工處理可替代冷軋帶鋼，從而節(jié)約常規(guī)冷軋工藝中多架次軋制、退火和平整所需的能量。

5.2 生產(chǎn)成本低

ESP 機(jī)組具有能耗低（與ISP 相比，降低了25%～30%；與傳統(tǒng)帶鋼熱軋機(jī)相比，降低了～40%）、耗材成本（結(jié)晶器、軋制油缸等）低和鋼水收得率提高（～98%）的特點(diǎn)。

感應(yīng)加熱器是一種可將約三分之二的電能轉(zhuǎn)換為用于加熱中間坯的熱能的感應(yīng)加熱設(shè)備?；诳死啄荌SP批量生產(chǎn)的經(jīng)驗(yàn)（從鋼水到熱軋卷材的產(chǎn)品收得率為96%），ESP機(jī)組的收得率可以達(dá)到97.5%～98.5%。與ISP的處理成本相比，ESP 的處理成本大大降低（降低了2%～3%），比傳統(tǒng)機(jī)組的處理成本降低了約50%。

表5 國外ESP與以往技術(shù)的成本對比

從前幾年國際研究機(jī)構(gòu)完成的一次成本對照表中，可以大體看出ESP 工藝相對與以往其它技術(shù)的成本優(yōu)勢。見表5。年產(chǎn)量為200萬t的ESP機(jī)組對從鋼水澆鑄到熱軋成品卷過程的生產(chǎn)成本為24歐元／噸，這個成本考慮到了歐洲成本因素，不包括維修成本和一般成本［10］。

6 結(jié)語

以ESP技術(shù)為代表的熱帶無頭軋制技術(shù)，在減量化板帶生產(chǎn)，即低成本大批量生產(chǎn)薄規(guī)格和超薄規(guī)格板帶，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排、提高板帶成材率及板厚板形精度、實(shí)現(xiàn)部分“以熱代冷”等方面效果顯著，是現(xiàn)代板帶軋制技術(shù)發(fā)展的方向，在推動鋼鐵生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步方面也有很好的研究價值。從節(jié)能降耗實(shí)現(xiàn)可持續(xù)性發(fā)展方面看，在未來也會有一定應(yīng)用前景。而從市場中的投資者考慮，生產(chǎn)線的短小精悍和技術(shù)特點(diǎn)決定的低成本消耗是以ESP技術(shù)為代表的熱帶無頭軋制技術(shù)最大的賣點(diǎn)。隨著技術(shù)本身的發(fā)展和應(yīng)用，以及引進(jìn)設(shè)備供應(yīng)商思路的放開，相信會有更多的投資者引入以ESP為代表的熱軋超薄帶鋼無頭軋制技術(shù)。

［1］田乃媛，薄板坯連鑄連軋［M］，北京：冶金工業(yè)出版社，1998。

［2］廖建云，對薄板坯連鑄連軋技術(shù)的客觀分析，煉鋼，2009，25（5），66－69。

［3］康永林、朱國明，熱軋板帶無頭軋制技術(shù)，鋼鐵，2012.2

［4］康永林、朱國明，世界熱軋板帶無頭軋制技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，中國冶金報，2012.7

［5］張曉力、付成安，無頭軋制技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，河北冶金，2012.（4）

［6］楊雄飛，ESP無頭軋制優(yōu)勢及工業(yè)運(yùn)行結(jié)果，世界金屬導(dǎo)報，2012.（2）

［7］張志勤、高真鳳、何立波，ESP 無頭連鑄連軋帶鋼工藝的創(chuàng)新與展望，煉鋼，2010.（12）

［8］張百忠，ESP 連鑄連軋新工藝研究，一重技術(shù)，2008.（8）

［9］Siegl Johann，Holleis Gfinther，Jungbauer Andreas（西門子奧鋼聯(lián)公司），Arvedi無頭帶鋼生產(chǎn)線（ESP）－從鋼水到熱軋卷材只需要7min，薄板坯連鑄連軋國際研討會論文集，2009

［10］伍仲華，帶鋼無頭軋制ESP 工藝的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，鋼鐵技術(shù)，2011.（2）