汪水澤，高軍恒，吳桂林，毛新平

北京科技大學(xué)北京材料基因工程高精尖創(chuàng)新中心，北京 100083

探索簡約、高效的制造流程，研發(fā)低成本高性能鋼鐵材料，是鋼鐵工業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的重要方向.薄板坯連鑄連軋將傳統(tǒng)鋼鐵制造流程中相對獨(dú)立分散的鑄造、加熱、軋制等工序融為一體，工序簡約、生產(chǎn)高效，節(jié)能減排效果顯著，產(chǎn)品特色鮮明，是世界鋼鐵工業(yè)繼氧氣轉(zhuǎn)爐煉鋼、連續(xù)鑄鋼之后，取得的又一項(xiàng)帶來鋼鐵工業(yè)技術(shù)變革的新技術(shù)[1].近30多年來，通過對薄板坯連鑄連軋技術(shù)不斷探索和創(chuàng)新，其也在不斷的發(fā)展和完善，已在全球范圍內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用.特別是近年來，在國家碳中和戰(zhàn)略目標(biāo)的大背景下，薄板坯連鑄連軋因其流程簡約高效，節(jié)能減排效果顯著，更是引起了行業(yè)內(nèi)的廣泛關(guān)注.

1 薄板坯連鑄連軋技術(shù)發(fā)展歷程及現(xiàn)狀

1.1 薄板坯連鑄連軋技術(shù)發(fā)展概況

1989年7月，全球第一條薄板坯連鑄連軋產(chǎn)線在美國紐柯鋼鐵公司克勞福茲維爾鋼廠建成投產(chǎn)，由此拉開了薄板坯連鑄連軋技術(shù)工業(yè)化發(fā)展的序幕[2].該產(chǎn)線采用的是德國西馬克公司開發(fā)的CSP(Compact strip production)技術(shù)，隨后該技術(shù)在美國紐柯的?？寺鼜S、伯克利廠以及韓國的現(xiàn)代制鐵唐津廠、西班牙的希爾沙廠、德國的蒂森克虜伯杜伊斯堡廠、中國的珠鋼、邯鋼、包鋼等也成功實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化應(yīng)用.1992年全球第一條ISP(Inline strip production) 產(chǎn)線在意大利阿維迪建成投產(chǎn)，隨后推廣至荷蘭霍高文廠、韓國光陽廠和俄羅斯耶弗拉茲里賈納廠等.1995年，全球第1條CONROLL (Continuous rolling) 產(chǎn)線在美國阿姆科(Armco)鋼鐵公司曼斯菲爾德(Mansfield)鋼廠(現(xiàn)為美國AK鋼鐵公司曼斯菲爾德鋼廠)建成投產(chǎn)，隨后在奧地利奧鋼聯(lián)林茨廠、瑞典謝菲爾德公司阿維斯塔廠也成功實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn).1996年全球第一條QSP (Quality slab production) 工業(yè)化產(chǎn)線在美國北極星鋼廠(North Star BHP Steel)建成投產(chǎn).1997年，全球第1條FTSR (Flexible thin slab rolling)產(chǎn)線在加拿大安大略省的阿爾戈馬(Algoma)鋼鐵公司(現(xiàn)為印度埃薩鋼鐵公司阿爾戈馬廠) 建成投產(chǎn)[3].2000年中國鞍鋼自主集成開發(fā)的ASP(Anshan strip production) 產(chǎn)線正式投產(chǎn)[4].2009年2月全球第一條ESP (Endless strip production) 產(chǎn)線在意大利阿維迪開始工業(yè)化生產(chǎn)[5].韓國浦項(xiàng)對原有的ISP產(chǎn)線進(jìn)行改造，2009年5月CEM (Compact endless casting & rolling mill) 產(chǎn)線建成投產(chǎn)[6].截止至2021年6月，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全球已建薄板坯連鑄連軋產(chǎn)線73條110 流，年生產(chǎn)能力超過1.37億噸，如表1所示.其中我國共建成23條產(chǎn)線，產(chǎn)能接近5500萬噸，如表2所示.

表1 全球已建薄板坯連鑄連軋產(chǎn)線Table 1 Thin slab casting and direct rolling production lines in the word

表2 中國已建薄板坯連鑄連軋產(chǎn)線Table 2 Thin slab casting and direct rolling production lines in China

1.2 薄板坯連鑄連軋關(guān)鍵工藝裝備及其演變歷程

1.2.1 鑄坯厚度選擇與結(jié)晶器類型

薄板坯連鑄連軋是近終形制造技術(shù)的代表之一，其早期的工藝指導(dǎo)思想是盡量減小連鑄坯的厚度，以減少后續(xù)的壓下量及所需的軋機(jī)數(shù)量，從而實(shí)現(xiàn)流程的簡約高效.例如，西馬克開發(fā)的第一條CSP產(chǎn)線的鑄坯厚度僅有45 mm[7]；德馬克最初建設(shè)的ISP生產(chǎn)線的鑄坯厚度僅有50 mm.日本住友在20世紀(jì)80年代也曾研發(fā)過鑄坯厚度為40 mm的連鑄技術(shù).但是，當(dāng)鑄坯厚度減薄后，存在浸入式水口與熔池空間狹小、鑄坯表面質(zhì)量相對差等問題.為解決這個矛盾，發(fā)明了變截面結(jié)晶器，以增大熔池的空間.例如，西馬克開發(fā)了漏斗形結(jié)晶器，如圖1(a)所示[8]，首次突破了板坯連鑄結(jié)晶器任意橫截面均為等矩形截面的傳統(tǒng).德馬克也將其平行板結(jié)晶器改進(jìn)為“橄欖型”結(jié)晶器形式，一般也將其稱為小漏斗形.除此之外，達(dá)涅利也開發(fā)了H2結(jié)晶器，一般也稱之為長漏斗形結(jié)晶器或凸透鏡形結(jié)晶器，如圖1(b)所示[8].

圖1 薄板坯連鑄結(jié)晶器類型.(a) 漏斗形結(jié)晶器；(b) H2結(jié)晶器Fig.1 Thin slab casting molds: (a) infundibulate casting mold; (b) H2 casting mold

變截面結(jié)晶器雖然能在一定程度上改善澆鑄條件，但是鑄坯厚度太薄，鑄坯質(zhì)量的控制難度依然較大.因此，在后期工業(yè)化應(yīng)用中，薄板坯連鑄連軋技術(shù)結(jié)合液芯壓下技術(shù)，一定程度增加了結(jié)晶器出口鑄坯厚度，以達(dá)到提高產(chǎn)品質(zhì)量的目的[9-10].例如，CSP技術(shù)的鑄坯厚度由最初的40～50 mm逐漸增加到70/90 mm；ISP技術(shù)的鑄坯厚度也由最初的 60～65 mm提高到了70/90 mm；FTSR技術(shù)直接采用了70/90 mm的鑄坯厚度.奧鋼聯(lián)更是直接發(fā)展出了鑄坯厚度為75～125 mm中薄板坯連鑄連軋的代表性技術(shù)，CONROLL技術(shù).增加結(jié)晶器出口厚度有利于提高結(jié)晶器內(nèi)鋼液面的穩(wěn)定性，改善保護(hù)渣的熔化和潤滑條件，提高浸入式水口的壽命等.因此，最近新投產(chǎn)的薄板坯連鑄連軋生產(chǎn)線都一定程度的提高了結(jié)晶器出口厚度[11].增加結(jié)晶器出口厚度另外一個重要的驅(qū)動力是提高產(chǎn)線的產(chǎn)能.在技術(shù)發(fā)展的初期，由于鑄坯的厚度僅有 40～50 mm，連鑄機(jī)的產(chǎn)能僅有 60～80 萬 t·a-1，即使采用兩流連鑄機(jī)，也無法完全匹配熱軋機(jī)組280～300萬t·a-1的產(chǎn)能，連鑄仍然是產(chǎn)能的限制環(huán)節(jié).提高連鑄坯厚度是增加產(chǎn)能最直接有效途徑.

總之，連鑄坯厚度的選擇應(yīng)保持在合理的范圍，需要綜合考慮產(chǎn)線的技術(shù)類型、產(chǎn)品的規(guī)格、質(zhì)量、產(chǎn)能、成本等諸多因素.

1.2.2 鑄機(jī)與軋機(jī)的銜接技術(shù)與裝備

自薄板坯連鑄連軋技術(shù)提出以來，連鑄機(jī)與軋機(jī)間的銜接技術(shù)也得到了長足的發(fā)展與完善，目前常用的有輥底式均熱爐、熱卷箱、步進(jìn)式加熱爐和電磁感應(yīng)加熱爐四種銜接方式[12].

輥底式均熱爐是CSP技術(shù)主要采用的銜接方式，目前應(yīng)用最為廣泛.在銜接兩流連鑄機(jī)的兩個輥底式均熱爐間板坯的傳輸方面，最初采用的是橫移式，后來以擺動式為主，如圖2所示[13].輥底式均熱爐操作簡單、可靠，但是設(shè)備長度一般有180～260 m，在半無頭軋制產(chǎn)線中，長度甚至超過300 m.因此，輥底式均熱存在占地面積大，投資高的問題.此外，輥底式均熱爐底輥多達(dá)200根以上，且采用水冷方式，使均熱爐的熱效率較僅有35%.爐輥結(jié)瘤，易導(dǎo)致板坯下表面劃傷等表面質(zhì)量問題.

圖2 輥底式均熱爐間鑄坯的傳輸方式.(a)橫移式；(b)擺動式Fig.2 Transfer methods of the casting slab between roller hearth furnaces: (a) traverse method; (b) swing method

ISP技術(shù)發(fā)展過程中，其銜接技術(shù)的變化也比較大.第一條ISP生產(chǎn)線采用了感應(yīng)加熱和克日莫那爐的方案[14]，大幅縮短了產(chǎn)線長度，使產(chǎn)線總長度僅為175 m.但是克日莫那爐結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故障率高，緩沖能力小等問題較為突出.為了避免以上問題，浦項(xiàng)的ISP產(chǎn)線采用了感應(yīng)加熱和熱卷箱方案，大幅提升了產(chǎn)線緩沖能力及生產(chǎn)靈活性.

步進(jìn)式加熱爐具有占地少、生產(chǎn)調(diào)度性強(qiáng)、工藝成熟可靠等優(yōu)點(diǎn).但在鋼卷單位卷重一定的情況下，薄板坯的長度較長，須大幅增加步進(jìn)式加熱爐固定梁和移動梁長度，導(dǎo)致其難以正常運(yùn)轉(zhuǎn)，同時還顯著增加成本.目前，步進(jìn)式加熱爐主要與中厚板坯連鑄機(jī)銜接，如奧鋼聯(lián)的CONROLL技術(shù)、住友的QSP技術(shù)以及鞍鋼的ASP技術(shù)等.

感應(yīng)加熱爐具有加熱溫度快，加熱時間短等優(yōu)勢，可大幅縮短產(chǎn)線長度，避免輥底式均熱爐易造成鑄坯下表面擦傷的問題.目前，阿維迪開發(fā)的ESP技術(shù)在粗軋和精軋機(jī)之間采用了電磁感應(yīng)加熱爐補(bǔ)熱，如圖3所示[15].但是，對ESP產(chǎn)線而言，感應(yīng)加熱爐銜接方式存在裝機(jī)容量大的問題，可達(dá)到整條產(chǎn)線裝機(jī)容量的50%左右，能源成本較高.

圖3 ESP技術(shù)的銜接方式Fig.3 Connection method between the roughing and finishing mill group of the ESP technology

1.2.3 高壓水除鱗技術(shù)與裝備

薄板坯連鑄連軋技術(shù)具有不同于傳統(tǒng)熱軋流程的熱履歷，連鑄坯出鑄機(jī)后直接進(jìn)入均熱爐進(jìn)行20～30 min的加熱和保溫，出爐后直接進(jìn)入除鱗機(jī)進(jìn)行高壓水除鱗.在這個過程中，連鑄坯始終處于較高的溫度，沒有傳統(tǒng)連鑄坯溫度下降至室溫的過程；加熱時間較短，鑄坯表面氧化鐵皮相對較?。怀黾訜釥t到進(jìn)入除鱗機(jī)的時間短，板坯溫降較小.生產(chǎn)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，薄板坯的氧化鐵皮較薄，但是黏性大，去除難度高，因此薄板坯連鑄連軋流程熱軋帶鋼的表面質(zhì)量一直是困擾行業(yè)的共性問題.在薄板坯連鑄連軋技術(shù)發(fā)展的早期，曾提出提高除鱗水壓來清除鑄坯表面氧化鐵皮，最高水壓曾達(dá)到55 MPa，但是過高的水壓對改善除鱗效果有限，而且還顯著增加了高壓水系統(tǒng)維修保養(yǎng)的工作量和事故率.

西馬克研發(fā)了新型除鱗機(jī)來解決薄板坯連鑄連軋氧化鐵皮難清除的問題，具有如下特點(diǎn)：與常規(guī)高壓水除鱗機(jī)相比，縮短了噴嘴與板坯表面之間的距離；水壓從20 MPa提高到40 MPa，實(shí)用水壓在32～35 MPa之間；增設(shè)了防止飛濺水回落到板坯表面的收集器.此外，西馬克還提出了在輥底式均熱爐之前設(shè)置旋轉(zhuǎn)除鱗機(jī)去除鑄坯上不均勻的氧化鐵皮及殘余的保護(hù)渣，以防止氧化鐵皮聚集在隧道爐輥上，引起板坯下表面劃傷[16].

達(dá)涅利公司根據(jù)薄板坯連鑄連軋產(chǎn)線上不同位置氧化鐵皮的特點(diǎn)，開發(fā)了多點(diǎn)除鱗工藝，如圖4所示，在輥底式均熱爐之前設(shè)置了旋轉(zhuǎn)式除鱗機(jī)，在粗軋機(jī)前和精軋機(jī)前分別設(shè)置了除鱗箱[17].

圖4 達(dá)涅利FTSR產(chǎn)線三點(diǎn)除鱗布置示意圖Fig.4 Schematic of the three-point descaling system in the Danieli FTSR production line

1.3 薄板坯連鑄連軋發(fā)展階段的劃分

經(jīng)過30多年的發(fā)展，薄板坯連鑄連軋已經(jīng)發(fā)展出了多種技術(shù)形式，如CSP、FTSR、ISP、ESP等，根據(jù)生產(chǎn)過程的連續(xù)化程度，可將其劃分為三代技術(shù).第一代技術(shù)以單坯軋制為特征，最早在美國投產(chǎn)的紐柯克勞福茲維爾CSP產(chǎn)線以及中國第一批引進(jìn)的珠鋼、邯鋼、包鋼產(chǎn)線均屬這代技術(shù).第二代技術(shù)以半無頭軋制為特征，1994年在荷蘭霍高文建成投產(chǎn)，我國漣鋼也采用了類似技術(shù)[18-19].第三代技術(shù)以完全連續(xù)化生產(chǎn)的無頭軋制為主要特征，2009年首次工業(yè)化生產(chǎn)在意大利阿維迪的ESP產(chǎn)線上得以實(shí)現(xiàn).韓國浦項(xiàng)制鐵和達(dá)涅利合作，對光陽廠原有的ISP產(chǎn)線進(jìn)行連續(xù)化改造，也成功實(shí)現(xiàn)了無頭軋制，并將其稱之為CEM技術(shù).國內(nèi)最新建成投產(chǎn)的薄板坯連鑄連軋產(chǎn)線，如日照的ESP[20-21]、首鋼的多模式全連續(xù)鑄軋產(chǎn)線（The multi-mode continuous casting and rolling technolgy，MCCR）、唐山東華鋼鐵的熱軋帶鋼連鑄連軋產(chǎn)線（Donghua strip continuous casting and rolling technolgy，DSCCR）均屬于第三代技術(shù).

薄板坯連鑄連軋三代技術(shù)的主要技術(shù)特征對比如表3所示[13].與前兩代技術(shù)相比，第三代技術(shù)特點(diǎn)如下：為使單流連鑄機(jī)達(dá)到與第一代和第二代雙流連鑄機(jī)同樣的產(chǎn)能規(guī)模，顯著增加了鑄坯厚度和拉坯速度，大幅度提高了鋼通量；由于無均熱爐或均熱爐長度縮短等因素，降低了氧化鐵皮燒損、能耗和排放；軋鋼過程帶鋼頭尾性能及板形差異小，無需切除，成材率提高；軋制過程穩(wěn)定，超薄規(guī)格產(chǎn)品比例大幅度提高.

表3 薄板坯連鑄連軋三代技術(shù)的技術(shù)特征Table 3 Technical features in the three generations of TSCR technology

2 薄板坯連鑄連軋的工藝特點(diǎn)及產(chǎn)品定位思考

2.1 薄板坯連鑄連軋流程的工藝特點(diǎn)

薄板坯連鑄連軋流程與傳統(tǒng)熱軋流程具有不同的熱履歷和物理冶金特征[22]，如圖5所示[23].傳統(tǒng)熱軋流程鑄坯需要經(jīng)過冷裝或熱裝進(jìn)行再加熱，其對應(yīng)的相變過程為：鋼水→δ鐵素體→γ1奧氏體→α鐵素體→γ2奧氏體.其中，冷卻和再加熱過程對應(yīng)的γ1→α→γ2相變過程細(xì)化了奧氏體組織.由于薄板坯連鑄連軋流程中鑄坯不經(jīng)過相變直接在奧氏體區(qū)軋制，因此不經(jīng)歷γ1→α→γ2的相變過程，進(jìn)入精軋機(jī)的為粗大的原始奧氏體晶粒γ1(900～1200 μm)[24]，而傳統(tǒng)流程進(jìn)入精軋機(jī)的是經(jīng)過粗軋的中間坯，晶粒均勻、細(xì)小(40～70 μm).

圖5 薄板坯連鑄連軋與傳統(tǒng)流程的熱履歷示意圖[23]Fig.5 Schematic showing the thermohistory difference between the TSCR and conventional steel manufacturing process[23]

此外，由于薄板坯連鑄連軋流程的鑄坯厚度由傳統(tǒng)流程的210～230 mm減小到了50～70 mm，大幅增加了鑄坯表面積，其表面積約為傳統(tǒng)厚板坯的3～5倍，導(dǎo)致其在結(jié)晶器內(nèi)的冷卻強(qiáng)度由傳統(tǒng)的厚板坯的 0.15 ℃·s-1高到 2 ℃·s-1[25].高的凝固速率改善了鑄造組織，如圖6所示，薄板坯二次枝晶間距由傳統(tǒng)厚板坯的120～300 μm減小到50～120 μm[26].同時，由于冷卻強(qiáng)度大幅提高，板坯的宏觀及微觀偏析也得到較大的改善，使元素分布更加均勻[27].

圖6 薄板坯與傳統(tǒng)鑄坯二次枝晶間距比較Fig.6 Comparison of the secondary dendrite spacing between the TSCR and conventional slab casting

此外，冷卻速度的大幅提高也極大程度地細(xì)化了氧化物、氮化物等非金屬夾雜物.如圖7所示，非金屬夾雜物尺寸一般為幾十納米至幾百納米[28-29]，從而達(dá)到阻止奧氏體晶粒長大和通過細(xì)晶、沉淀強(qiáng)化提高材料強(qiáng)度的作用.

圖7 薄板坯連鑄連軋微合金鋼中納米析出顆粒的TEM形貌像.(a)VN納米顆粒；(b)AlN和MnS顆粒Fig.7 TEM images showing the morphology of nanoprecipitates of the TSCR-produced microalloyed steel: (a) VN precipitates; (b) AlN and MnS precipitates

薄板坯在連鑄后未進(jìn)行中間冷卻直接熱裝，使大部分合金化元素以固溶的形式分布于基體中，有利于充分發(fā)揮合金元素的潛在作用[30].薄板坯連鑄連軋流程微合金元素在熱軋開始前，在奧氏體中幾乎完全溶解，可用于奧氏體晶粒細(xì)化和終態(tài)組織中的析出強(qiáng)化.而在傳統(tǒng)工藝流程的中間冷卻過程中，部分合金元素以碳化物和氮化物的形式析出，隨后因加熱溫度和加熱時間有限，僅有部分析出物能夠溶解，大幅削弱了合金元素對組織調(diào)控與析出強(qiáng)化效果[31].

熱履歷對產(chǎn)品表面脫碳厚度影響顯著，尤其是對中高碳鋼的影響更為突出.圖8為不同加熱溫度和加熱時間對薄板坯連鑄連軋高碳鋼SK85表面脫碳層厚度的影響[32].結(jié)果表明薄板坯連鑄連軋流程的低溫加熱和短時保溫有利于表面脫碳現(xiàn)象的控制.

圖8 不同加熱溫度和加熱時間對高碳鋼SK85脫碳層厚度的影響.（a）脫碳層厚度隨加熱溫度的變化；（b）脫碳層厚度隨加熱時間的變化Fig.8 Influence of the heating temperature and durations on the decarburization layer thickness of high-carbon steel SK85: (a) the evolution of decarburization layer thickness with the variations of heating temperate; (b) the evolution of decarburization layer thickness with the variations of heating durations

與傳統(tǒng)流程相比，雖然薄板坯連鑄連軋流程的總壓下量相對小，但是其高速、大應(yīng)變速率的軋制工藝（最大道次壓下率可高達(dá)60%以上）及快速凝固的特點(diǎn)能有效彌補(bǔ)其總壓下量較小的問題，使其終態(tài)組織更為細(xì)小，如圖9所示[33].

圖9 兩種流程生產(chǎn)低碳鋼晶粒尺寸比較[33].(a)傳統(tǒng)流程；(b)薄板坯流程Fig.9 Comparison of the grain size of low-carbon steels produced by different processes[33]: (a) conventional steel manufacturing process; (b) TSCR process

此外，薄板坯連鑄連軋流程緊湊，一般采用恒速軋制，鑄坯及帶鋼全長溫度可控制在±10 ℃[34]，使薄板坯連鑄連軋的軋制過程更穩(wěn)定，尺寸精度更高，更適合薄規(guī)格熱軋產(chǎn)品的生產(chǎn).

2.2 薄板坯連鑄連軋流程的產(chǎn)品定位思考

薄板坯連鑄連軋流程早期的產(chǎn)品定位是充分利用豐富而廉價(jià)的廢鋼資源和電力，盡可能減少人工成本，低投資、低成本地規(guī)?；a(chǎn)中低檔熱軋產(chǎn)品.隨著人們對薄板坯連鑄連軋流程的工藝特點(diǎn)和物理冶金特征的認(rèn)識不斷深入，對其產(chǎn)品定位也有了越來越清晰的認(rèn)識[35].如圖10所示，基于薄板坯連鑄連軋流程的工藝特征，分析認(rèn)為其在特殊鋼、高強(qiáng)鋼、電工鋼和薄規(guī)格等4大類產(chǎn)品的開發(fā)上具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢，同時這也是薄板坯連鑄連軋流程產(chǎn)品開發(fā)應(yīng)該重點(diǎn)關(guān)注的發(fā)展方向[36].

圖10 基于薄板坯連鑄連軋流程特點(diǎn)的產(chǎn)品定位Fig.10 Product orientation proposed based on the characteristics of the TSCR process

3 薄板坯連鑄連軋流程高性能產(chǎn)品的開發(fā)與應(yīng)用現(xiàn)狀

隨著薄板坯連鑄連軋技術(shù)不斷的改進(jìn)和完善，如采用液芯壓下技術(shù)，增加鑄坯厚度，提高除鱗水壓力，改進(jìn)除鱗裝置，增加精軋機(jī)架，甚至增加粗軋機(jī)等，其產(chǎn)品的品種和規(guī)格范圍不斷擴(kuò)大[16,37-38]，如圖11所示[39-40]，已經(jīng)可以覆蓋80%以上的熱軋板帶產(chǎn)品.下面結(jié)合薄板坯連鑄連軋流程的工藝特征及產(chǎn)品定位，重點(diǎn)介紹了其在中高碳特殊鋼、熱軋高強(qiáng)鋼和電工鋼等高性能產(chǎn)品上的開發(fā)與應(yīng)用現(xiàn)狀.

圖11 薄板坯連鑄連軋流程產(chǎn)品與技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷[39-40]Fig.11 Development history of the TSCR technology[39-40]

3.1 中高碳特殊鋼

熱軋寬帶中高碳鋼是機(jī)械制造、交通運(yùn)輸、航空航天、石油天然氣開采、采礦等領(lǐng)域必須的關(guān)鍵基礎(chǔ)材料.傳統(tǒng)熱軋流程生產(chǎn)中高碳鋼存在成分偏析和表層脫碳嚴(yán)重、厚度精度不高與組織性能不穩(wěn)定等問題[41-42].薄板坯連鑄連軋流程具有凝固速率高，均熱爐溫低、時間短，道次壓下大等特點(diǎn)，有利于中高碳特殊鋼的生產(chǎn)[41].

在我國，珠鋼率先基于薄板坯連鑄連軋產(chǎn)線開發(fā)中高碳鋼.工業(yè)實(shí)踐證明了薄板坯連鑄連軋?jiān)谥懈咛继厥怃撋a(chǎn)上的技術(shù)優(yōu)勢.與傳統(tǒng)流程相比，其帶鋼的中心偏析、表面脫碳和組織均勻性等關(guān)鍵質(zhì)量指標(biāo)都有明顯改善，特別是在表面脫碳層的控制方面優(yōu)勢明顯，如表4所示[43-44].目前，唐鋼、漣鋼、武鋼等都已在薄板坯連鑄連軋產(chǎn)線上實(shí)現(xiàn)了 30CrMo、50Mn2V、75Cr1、65Mn、60Si2Mn等系列中高碳特殊鋼的批量化生產(chǎn)，所開發(fā)產(chǎn)品碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高超過1.0%[45-46]，產(chǎn)品已廣泛應(yīng)用于汽車零部件，高端鋸片等領(lǐng)域.

表4 兩種流程生產(chǎn)典型中高碳鋼脫碳層深度比較Table 4 Comparison of the decarburization layer thickness of mediumand high-carbon steel produced by the TSCR process and conventional steel manufacturing processes

3.2 熱軋高強(qiáng)鋼

在過去30年，國內(nèi)外已在薄板坯連鑄連軋高強(qiáng)鋼開發(fā)與生產(chǎn)方面開展了大量的研究工作，目前可生產(chǎn)的產(chǎn)品范圍已得到極大程度的拓展[30,47-49].如美國紐柯克勞福茲維爾 (Crawfordsville ) CSP產(chǎn)線可生產(chǎn)的高強(qiáng)鋼產(chǎn)品涵蓋結(jié)構(gòu)鋼 (SS30～55)、HSLA 鋼 (HSLA 45～80)、API鋼 (X42～X65)、合金鋼、AHHS鋼、硼鋼和耐磨鋼等系列產(chǎn)品；德國蒂森克虜伯CSP產(chǎn)線可生產(chǎn)50種以上產(chǎn)品，其中包括高強(qiáng)捆帶、HSLA鋼、調(diào)質(zhì)鋼、多相鋼、API鋼、SCALUR?熱軋酸洗鋼等系列高強(qiáng)鋼.韓國浦項(xiàng)CEM產(chǎn)線的高強(qiáng)鋼代表產(chǎn)品主要有SAPH440、PHT590D(600DP)、PHT780D(800DP)、PHT590F(600FB)、PHT780F(800FB)、PDT1470M(1470MART)等；意大利阿維迪公司的ESP生產(chǎn)線可生產(chǎn)HSLA鋼、管線鋼 (最高至X80)、雙相鋼、多相鋼等品種.

國內(nèi)的珠鋼、武鋼、漣鋼等典型的薄板坯連鑄連軋產(chǎn)線也已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了系列高強(qiáng)鋼的批量生產(chǎn)，其中最具代表性的是鈦微合金化高強(qiáng)集裝箱用鋼[50-51]和汽車白車身用高強(qiáng)鋼.550 MPa級新一代集裝箱用鋼，主體規(guī)格為1.5～4.0 mm，已批量用于替代普通集裝箱用鋼SPA-H，取得了良好的輕量化效果，可減重12%～14%[52].700 MPa級的高強(qiáng)集裝箱用鋼，可生產(chǎn)的最小厚度達(dá)到1.2 mm，已取代冷軋產(chǎn)品用于特種集裝箱的頂板和門板制造，實(shí)現(xiàn)“以熱代冷”，大幅度降低特種集裝箱的制造成本.傳統(tǒng)汽車白車身用高強(qiáng)鋼主要采用熱軋+冷軋+熱處理的制造工藝.基于對薄板坯連鑄連軋流程的快速凝固、道次壓下大、溫度均勻等工藝特點(diǎn)與汽車用高強(qiáng)鋼對高強(qiáng)度、薄規(guī)格、板型好等產(chǎn)品質(zhì)量要求的適應(yīng)性分析，國內(nèi)率先提出了基于薄板坯連鑄連軋流程的汽車用高強(qiáng)鋼制備新的工藝技術(shù)路線.目前基于薄板坯連鑄連軋產(chǎn)線，武鋼、漣鋼、首鋼已成功開發(fā)出了340～700 MPa低合金高強(qiáng)鋼、580～780 MPa雙相鋼[53]、1500 MPa級熱成形鋼[54]等系列汽車白車身用用高強(qiáng)鋼，并在汽車上實(shí)現(xiàn)了示范應(yīng)用，可等效替換同類型的冷軋產(chǎn)品.基于薄板坯連鑄連軋產(chǎn)線開發(fā)780～980 MPa級CP鋼、980～1180 MPa級QP鋼以及1200～1500 MPa級馬氏體鋼等先進(jìn)高強(qiáng)鋼也取得了突破，并表現(xiàn)出比傳統(tǒng)流程制備的相關(guān)材料更為優(yōu)異的綜合性能.

3.3 硅鋼

1991—1992年美國Nucor公司最早采用CSP產(chǎn)線開展無取向硅鋼的工業(yè)試制.1997—1998年意大利AST公司的Terni廠也進(jìn)行了取向和無取向硅鋼的試制，并成功開發(fā)出Si質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.2%的無取向硅鋼，性能與傳統(tǒng)流程相當(dāng)[55].德國蒂森-克虜伯 (Thyssen Krupp ) 的CSP產(chǎn)線已實(shí)現(xiàn)了硅鋼的批量穩(wěn)定生產(chǎn)，其所生產(chǎn)的無取向硅鋼已用于上海的磁懸浮列車.西班牙ACB廠也采用了CSP生產(chǎn)線生產(chǎn)硅鋼[56].韓國浦項(xiàng)的CEM和意大利阿維迪的ESP產(chǎn)線均有生產(chǎn)硅鋼的報(bào)道.

在“十五”國家科技攻關(guān)期間，馬鋼與武鋼、鋼鐵研究總院合作，開展了薄板坯連鑄連軋生產(chǎn)無取向和取向硅鋼研究，并在 2005 年取得重要進(jìn)展，利用薄板坯連鑄連軋工藝生產(chǎn)出了我國第一卷合格的無取向硅鋼熱軋卷[57].之后，武鋼、漣鋼、唐鋼、邯鋼、通鋼、包鋼均有采用薄板坯連鑄連軋流程生產(chǎn)無取向電工鋼的工業(yè)實(shí)踐，使薄板坯連鑄連軋流程在國內(nèi)電工鋼生產(chǎn)領(lǐng)域得到迅速發(fā)展[58].目前武鋼、馬鋼等企業(yè)利用薄板坯連鑄連軋產(chǎn)線已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了無取向硅鋼的規(guī)?；a(chǎn)，其中武鋼的產(chǎn)量最大，2018年產(chǎn)量達(dá)到96.4萬噸.武鋼CSP的生產(chǎn)實(shí)踐表明，薄板坯連鑄連軋流程生產(chǎn)無取向硅鋼的磁性更高，鐵損更低，尺寸精度和成材率更高[59].此外，武鋼與馬鋼還進(jìn)行了高牌號無取向硅鋼和高磁感取向硅鋼的試制，但目前還未進(jìn)入規(guī)?；a(chǎn).

4 薄板坯連鑄連軋技術(shù)發(fā)展展望

三十多年來，經(jīng)過不斷探索和創(chuàng)新，薄板坯連鑄連軋已經(jīng)取得了長足的進(jìn)步，該技術(shù)已經(jīng)成為熱軋板帶一種重要的生產(chǎn)方式.特別是在國家碳中和戰(zhàn)略目標(biāo)的背景下，薄板坯連鑄連軋因其制造流程更加簡約和高效，節(jié)能減排效果顯著，未來必將成為鋼鐵工業(yè)進(jìn)行流程再造的重要技術(shù)路徑之一，得到更快更好地發(fā)展.在這個過程中，還有以下問題值得進(jìn)一步研究和探索：

（1）連續(xù)化生產(chǎn)一直是熱軋帶鋼工藝技術(shù)發(fā)展的方向.正因?yàn)槿绱?，無論是基于傳統(tǒng)熱軋流程，還是基于薄板坯連鑄連軋流程，人們都在不斷探索，并努力實(shí)現(xiàn)連續(xù)化生產(chǎn)方式.近年來，以無頭軋制為代表的第三代薄板坯連鑄連軋技術(shù)實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化突破，并得到較為廣泛的應(yīng)用，實(shí)踐再次證明了連續(xù)化生產(chǎn)的各項(xiàng)優(yōu)勢.在未來發(fā)展過程中，進(jìn)一步優(yōu)化無頭軋制的技術(shù)形式、流程布置等，將是今后熱軋帶鋼生產(chǎn)工藝技術(shù)的發(fā)展方向.

（2）薄板坯連鑄連軋流程具有鮮明的物理冶金特征，在高強(qiáng)鋼、中高碳特殊鋼以及硅鋼等高附加值產(chǎn)品的生產(chǎn)上具有明顯優(yōu)勢.充分發(fā)揮流程的物理冶金特征，建設(shè)專業(yè)化的薄板坯連鑄連軋產(chǎn)線，構(gòu)建與之相適應(yīng)的產(chǎn)品體系，有助于提高產(chǎn)線的競爭力，將是未來薄板坯連鑄連軋技術(shù)及工業(yè)化發(fā)展的新趨勢.

（3）目前我國現(xiàn)有的薄板坯連鑄連軋流程主要依靠高爐+轉(zhuǎn)爐的長流程提供鋼水.隨著全社會的鋼鐵蓄積量和廢鋼資源年產(chǎn)出量持續(xù)快速增長，未來“廢鋼+電爐+薄板坯連鑄連軋”的鋼鐵制造流程可能成為新的發(fā)展趨勢.因此，基于薄板坯連鑄連軋的工藝特點(diǎn)研究廢鋼中殘余元素的作用規(guī)律具有必要性和前瞻性.

（4）智能制造已經(jīng)成為全球制造業(yè)的重要發(fā)展趨勢，也是鋼鐵工業(yè)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)型升級的必然選擇.薄板坯連鑄連軋流程短、工序簡約、自動化程度高，更有利于智能制造技術(shù)的實(shí)施.智能化將成為未來薄板坯連鑄連軋產(chǎn)線進(jìn)一步提高競爭力的重要途徑.