条钢直接轧制技术

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生产普通钢的电弧炉业界，一直在采取节能措施，以改善电炉操作。近年，全世界以减排CO2等温室气体为首要目标，重新评价从钢液连铸到铸坯轧制生产工艺的活动十分活跃，将高温状态的连铸方坯（下简称铸坯）供给轧机直接轧制再次引人注目。该技术可大幅度减少能耗，节能效果显著。
    直接轧制一直是业界的梦想，为实现这一梦想，曾进行过各种各样相关的技术开发。在日本的普钢电炉厂家中至今未能全面采用该工艺的原因是当年建厂时没有直接轧制的设想，连铸设备与轧制设备相距太远，铸坯在运送过程中温降大而无法将之高温送轧。
    为了满足高温铸坯直接送轧的要求，神户制钢公司发展了“V60-MOULD高速铸造技术”和“连铸坯的二次冷却带温度控制技术”，确立了可省略铸坯升温的设备与工序，将之在高温状态稳定送轧的直接轧制技术。
    本文概要介绍神户制钢采用的直接轧制设备和连铸二冷带动态控温技术，以及确立的直接轧制设备技术，指出了今后的改进方向。
    1 生产工艺
    普钢的生产工艺可分类如下：
    1）从连铸机拉出的铸坯一旦停留，就需在加热炉加热升温后再送到轧制设备进行轧制（下简称送轧），这就是加热炉轧制工艺；
    2）将铸坯在较高温度下装入加热炉，待达到所需温度后再送轧，即热装轧制（简称HCR）；
    3）将从铸机拉出的高温铸坯直接送轧，这是直接轧制（简称HDR）。由于HDR工艺在连铸和轧制工序之间实现了没有升温的设备和工序，故可以降低操作成本并减少设备投资和维护费用。
    从热装轧制和直接轧制（HDR）的铸坯温度变化历程比较可知：实施HCR的普钢电炉生产厂家需将铸坯温度提高150℃后再送轧。以城市煤气作为燃料而实施HCR的日本电炉生产厂家的操作为例，试算实施HDR时的节能效果。试算设定了如下的条件和参数：铸坯在加热炉中升温ΔT＝150℃、城市煤气发热值J＝46046kJ/m3、加热炉热效率η＝30％、铁的比热C＝0.461kJ/m3。计算其煤气耗量为（ΔT×C×1000）/η/J＝（150×0.461）/0.3/46046＝5m3（加热1t铸坯的煤气耗量）。
    以上计算结果表明，较之HCR，实施HDR时每吨铸坯可以节省煤气消耗5.0m3，这相当于普钢总能耗的3.3％。另外，若与一般将冷至常温的铸坯再重新升温的加热炉轧制工艺比较，HDR的每吨铸坯则可减少煤气消耗30m3。
    2 HDR设备与技术
    2.1 设备概要
    直接轧制设备上，必须连续供应高温铸坯。即使因细小事故而使设备停止运转，也会造成高温铸坯的供应中断而影响整体生产，故要求设备具有高的可靠性。
    2004年神户制钢投产的直接轧制设备，由4流铸机（小方坯尺寸120mm×120mm），轧制设备和高速运送设备构成，月产能3万t。
    2.2 设计理念
    为了进行铸坯的直接轧制，必须提高连铸机供给铸坯的温度，故首先应考虑在铸机的二冷带，将铸坯的冷却控制最小限度。对在铸速2.5m/min下改变比水量，将通过二冷带的铸坯温度控制为1050℃时和按铸坯质量要求将其设定允许温度提高至1100℃时，进行铸坯温度变化模拟实验，其结果表明，若比较2种铸坯按预定长度切断开始运送时的温度仅相差15°，且铸坯到预定长度切断间的温降大。因此，为了提高送轧铸坯的温度，可提高铸机的铸速，并缩短切断铸坯的时间周期。
    另外，模拟结果还表明，将连铸机的铸坯铸速（也称拉速）控制在3m/min以上时，就可以达到轧制温度950℃的要求。但是，因铸速还受到电炉出钢周期的影响，故有必要考虑铸速低于3m/min的情况。为了保持直接轧制作业的灵活性，在轧制设备的上流设置了感应加热装置，具有将铸坯温度提高50℃的升温能力。这样，即使因故将铸速降到2.5m/min，也可以继续进行直接轧制操作。
    2.3 引进技术
    2.3.1 高速铸造结晶器（V60-MOULD）
    在高速铸造的条件下，可以缩短铸坯按预定长度切断的周期时间，故能将保持高温状态铸坯供给下流工序设备。另一方面，在结晶器内的凝固坯壳厚度变薄的高速连铸中，因结晶器内坯壳的不均匀凝固，使坯壳易破裂而产生向外飞散的拉漏。为了实现稳定的高速铸造，结晶器内对铸坯的均匀冷却技术特别重要。因此采用了即使高速铸造也能发挥均匀冷却效果的（具有特殊锥度）管式结晶器V60-MOULD，从而保证了铸速的高速化。
    为了查明上述V60-MOULD管式结晶器的实际使用效果，对加金铸坯进行辐射线处理，利用金和钢的辐射化率之差对比测定了结晶器内铸坯凝固壳厚度。结果表明：无论是在结晶器的中部或是下端位置，原来结晶器的四边凝固壳形状不够规则、厚度不够均匀，特别是四个转角部厚度更不均匀、形状更不规则。反之，使用了新型结晶器的坯壳形状规则，厚度均匀，且四个转角部的坯壳规则且厚度均匀。这就表明，后者的铜板内壁与铸坯壳接触良好，即使在高速铸造时，也难以产生热应力，从而可以稳定操作（生产实践也证实了此效果）。
    2.3.2 二冷控制设备
    从结晶器拉出的铸坯，由连接结晶器下端的二冷带的喷雾器直接冷却而促进其凝固。二冷带的水流量过少会造成铸坯凝固壳生长不良，恶化内部质量；反之，冷却水量过大会降低铸坯温度，导致直接轧制操作困难。二冷带的铸坯温度主要受铸速的影响；其次，也受到钢液中的碳含量、钢液温度的影响。因此，对每个钢种的铸速和二冷水量的关系进行了整理，从而确定了具有最佳喷水量的冷却系统。此系统中将铸速与二冷水量的关系细分为10种特殊性曲线，根据钢种和出钢温度选择最佳曲线，从而可以在从低速-高速浇铸的宽范围内控制铸坯的温度。
    2.3.3 剪切机
    为了防止切断面的宽延，一般是对铸坯进行对角线方向（45°倾斜方向）切断，故剪切机自身需倾斜45°；在各流之间的距离（简称流间距）狭窄的铸机上，为了避免相邻剪切机相互间的干扰，可将奇数的剪切机排列在一条线上，将偶数的排列在相距一定距离的另一条线上。
    这次采用的是在同一条线上配置的剪切机，机体倾斜30°从而避免了相邻之间的干扰。结果可使各流从结晶器到剪切机之间距离相等，从而防止了各流间剪切铸坯温度可能产生的波动。
    2.3.4 铸坯高速运送设备
    由于追求了从连铸设备-轧制设备的约140m长的距离上铸坯运送的高速化，所以输送导辊的旋转速度快，造成铸坯和导辊的接触面发生滑移，导致运送不良；并且，辊子因旋转而向铸坯转角部的高速冲进，会给辊子轴承造成大的冲击而损坏设备。
    为了解决上述问题，利用变换器控制起动地点、铸坯直线部与转角部的导辊转速的最佳化，从而防止了滑移，缓和了冲击，达到了最快4m/s的运送速度。并且，在切断铸坯平均120s后即可将之运送到轧机前，从而可将运送过程温降控制在小于等于50℃。
    2.4 实机验证
    2.4.1 铸坯温度验证
    对铸坯温度分别进行了模拟和实测，并将二者进行了比较。结果表明：在连铸设备的夹送辊机架处和剪切机处的铸坯实测温度与模拟值基本一致。在轧制设备入口处的铸坯实测温度平均值与模拟值虽然一致，可是实测值有一定波动，推定这是由于切断后的铸坯到达轧制设备的时间存在波动造成。
    2.4.2 直接轧制力矩
    从直接轧制时轧制力矩的验证结果可知，当轧制温度为950℃时，可以容纳设计值70％左右的力矩负荷率。
    神户制钢的直接轧制设备，因引进了上述的多项技术而达到了95％的作业率。同时，实机验证中也表明如何实现送轧铸坯温度的稳定化是今后的课题。
    为了解决上述问题，有必要将原来按操作经验手动选择的连铸二冷特性曲线的方式，转变为完全自动化系统，为轧制提供稳定温度铸坯。
    3 二次冷却动态控制
    3.1 动态控制
    对铸机注入结晶器的每流钢液连续测温，若能将温度反映到二冷水量的计算中，即可提高铸坯温度控制精度。用辐射温度计虽可测温，但其可靠性尚未达到实用化程度。
    神户制钢不采用上述方法，而是决定开发实测铸坯表面温度，动态地改变二冷水量，从而任意控制铸坯温度的系统。并且，为了缩短控制周期，还在二冷带铸坯出口附近设置了辐射温度计，并将之纳入冷却水套中以提高使用寿命。
    另外，为了提高测温精度，还用空气清洗刮跑了罩住铸坯的水蒸汽。
    为了提高实际生产设备的可靠性，特别有必要充实检测温度异常时的无差错功能。在此并行了动态控制和原来的铸速串级控制，当判定无法进行动态控制时，可在瞬间切换为铸速的串级控制。
    3.2 实机试验结果
    从串级控制和动态控制的铸坯温度的比较可知，在已设的串级控制中，每次更换大包时，铸坯温度都有变化的倾向，因换包前后铸速无大的变化，故可以认为这是受到钢液温度影响之故。另一方面，动态控制开始后，较之设定温度，铸坯温度有±10℃的变化。
    由于各流铸速的波动，铸坯的切断顺序随时间而变化，每块铸坯在轧机侧的待轧时间也就不同。故担心铸坯温度不能收敛为设定值。为了防止起因于待轧过程温降的轧制温度波动，将铸造高速化而减少流数的方法是有效的。
    4  结语
    神户制钢公司利用直接轧制工艺实现了不用加热炉的无加热轧制作业。此工艺中重要的是铸坯温度的稳定。为了提高连铸设备上二冷动态控制，重复进行了实机试验。今后，为了开发连铸-轧制完全直接连接的设备，必须加强对高速连铸系列技术的研发。（肖英龙）