薄板坯连铸技术的现状及应用分析

1薄板坯连铸技术的现状及应用分析吴健鹏,余新河(武汉钢铁(集团)公司第一炼钢厂,湖北武汉430083)摘要:叙述了薄板坯连铸技术的类型、发展及工艺技术特点,并介绍了各种典型工艺的技术现状,讨论了薄板坯连铸工艺的应用问题。此文是经审稿者与作者经过研究讨论后，共进行了三次修改补充而定稿的。刊于《炼钢》2005年第4期，时间太久，故未找到具体修改的地方。关键词:薄板坯;连铸;典型工艺中图分类号:TF777.7文献标识码:B文章编号:1002-1043(2005)04-0045-08AnalysisonCurrentStatusandApplicationofThinSlabCCTechnologyWUJian-peng,YUXin-he(No.1Steel-makingPlantofWISCO,Wuhan430083,China)Abstract:Thetype,developmentandprocesscharacteristicsofthethinslabcontinuouscastingaswellasthecurrentstatusofeachtechnologyaredescribed,andtheproblemsconcerningtheapplicationofthethinslabCCtechnologydiscussed.Keywords:thinslab;continuouscasting;typical2process薄板坯连铸连轧技术是20世纪90年代以来世界钢铁工业迅速推广的一项重大新技术,它的开发成功是近终形连铸技术的重大突破。薄板坯连铸工艺具有流程短、生产工艺简化、节能、减少投资费用、降低生产成本和提高钢材收得率等优点。与传统钢材生产技术相比,从原料到成品,薄板坯连铸设备吨钢投资降低19%~34%,每吨钢材成本降低80~100美元,生产时间可缩短10倍以上,厂房面积减少24%,金属消耗减少66.7%,加热能耗减少40%,电耗减少80%[1]。自1989年世界上第1套薄板坯连铸连轧设备投产以来,该技术发展迅速,已有十多种工艺出现,比较典型的有:CSP工艺、ISP工艺、FTSR工艺和CONROLL工艺等。这些工艺的开发成功和实现商业化生产,已经为许多钢铁企业带来了显著的经济效益和竞争优势,使一些中小型钢厂,如美国的纽柯公司、动力钢公司等,利润大增,成为钢铁工业结构改革成功的典范,而且一些长流程钢厂也竞相新建或改建成薄板坯连铸厂。据统计,截止2001年12月,全球已有包括生产及少数在建项目共36条作业线(54流),其年产能约为6000万t。其中CSP:26条生产线(包括ISP5条),42流(包括ISP7流),其中年产能约为4200万t(包括ISP765万t);FTSR:4条作业线,5流,其年产能力为500万t;QSP:3条作业线,4流,年产能力约为500万t;CONROLL:3条作业线,3流,年产能力约为315万t。我国自31999年8月,珠江钢厂CSP投产以来,至今已有邯郸、鞍山、包头、唐山、马鞍山、涟源7条线投入生产;并有本溪、酒泉2条作业线开始建设。可以看出,薄板坯—热连轧工艺将在我国钢铁生产中占有更加重要的地位。1技术发展阶段薄板坯连铸连轧技术的发展到目前为止大体可分为如下3个阶段:开发期(1984年~1989年):德国施罗曼-西马克(SMS)公司于1984年率先投资进行薄板坯连铸连轧技术的开发工作,并于1987年在美国纽柯公司建成了第1代CSP薄板坯连铸连轧设备,在1989年7月成功投产,此阶段为该技术的开发期。20世纪80年代,常规板坯连铸技术已日益成熟,把常规板坯连铸的成熟技术应用到薄板坯连铸上,成为研究、开发的指导思想。对此,德国的SMS公司走在了研究和开发的前列。德国施罗曼-西马克(SMS)公司于1985年在1台立弯式连铸机上开发了漏斗形结晶器,并成功地浇注了薄板坯。1986年,SMS公司在Thyssen公司的铸钢车间成功地进行薄板坯连铸机试验,使薄板坯连铸进入了新的篇章。薄板坯连铸机的成功使薄板坯连铸连轧成为可能,1989年7月美国纽柯公司引进德国的SMS型铸机,建立了世界上第1条把薄板坯连铸机和四辊连轧机组合运行的紧凑型带钢生产线(CSP工艺),设计能力为年产80万t,生产钢种为普碳钢、结构钢和深冲4钢等;薄板坯厚度为50mm,宽度1000~1350mm,成品厚度为2.5~12.7mm,宽度1000~1300mm。推广期(1989年~1997年):1989年美国纽柯公司克劳福兹维尔厂的CSP工艺投产以后,薄板坯连铸连轧的技术优势为人们所认识,并成为20世纪90年代世界钢铁工业的投资热点。除了SMS公司的CSP工艺外,还出现了德国德马克公司(MDH)的ISP、意大利达涅利公司(DANIE-LI)的FTSR、奥地利奥钢联公司(VAI)的CON-ROLL和日本住友金属公司的QSP等第2代薄板坯连铸工艺,这段时期为薄板坯连铸连轧技术的推广阶段。在推广期,各种工艺作了许多改进,体现在:(1)具有了改变连铸板坯宽度和厚度的调整装置(也称可调薄板坯连铸机),允许在40~80mm厚度范围内浇铸板坯。(2)采用液芯压下工艺,减少甚至消除了板坯中央疏松,改善了晶粒结构,改进了板坯表面质量,从而提高了板坯质量。(3)优化连铸振动控制,从而提高浇速和产量。同时还对板坯的下游设备进行了一些改变,如改善板坯冷却和除鳞设备、加强轧制控制提高表面质量和板型控制精度,还使用了人工智能神经网络来强化过程控制。提高期(1997年至今):从1997年开始,各国对原来的薄板坯连铸机技术存在的不足之处进行了不断的改进,并建造和投产了第3代薄板坯连铸机。代表生产线如加拿大阿尔戈马和5中国唐钢的FTSR生产线,南非萨尔达尼亚的ISP生产线,我国包钢、邯钢、涟钢和马钢的CSP生产线等。在提高期,通过应用软件技术的开发,使生产更加稳定,同时在生产线上成功地运用了半无头轧制技术和铁素体轧制技术,使该生产线在生产低碳钢、薄规格产品上更具优势,另外,在此阶段还开发出硅钢、多相钢等品种钢生产技术,使该工艺生产的品种在覆盖面上更接近传统工艺。2工艺技术特点[2]薄板坯连铸连轧的工艺技术特点为:(1)通过一系列有别于传统板坯连铸机的工艺装备,将铸出的板坯厚度减薄到某一合理的临界区间,以至可以省去传统热轧板生产机组中的粗轧机架,而只用5架以上精轧机架轧成热轧薄带卷。(2)通过一系列精确的工艺控制,使生产过程中各工序点的温度控制在某一合理范围内,且只需连铸机和热轧机之间予以较小的热量补充,从而在充分节能的条件下实现长时间的连铸连轧工艺运作,达到能量充分利用的目的。(3)通过一系列调控措施,使生产过程的物流维持在1个合理范围内(如拉速3~6m/min),使之在保持一定流量的前提下,控制1个合理的时间节奏。(4)通过一系列的技术措施,使从钢水进入结晶器至热轧卷取完毕的时间节奏缩短到25~40min。6(5)铸坯厚度尽量减薄到热带轧机可以取消粗轧机组,从而使板坯直接进入精轧机组轧成成品带,以达到减少工序和设备,降低投资和生产成本的目标。(6)实现快速浇铸,提高连铸机生产能力,达到与冶炼和轧机的生产能力相匹配的目标,进而取得最佳的规模效应和良好的经济效益。(7)实现连铸连轧,从冶炼到轧制产品一次成材,充分利用冶炼能力,降低能耗,降低成本,缩短生产周期,加快资金周转。(8)生产无缺陷坯,取消轧制前的板坯检查、清理并能保证产品质量。(9)连铸和连轧间的中间衔接技术能在热量输入很少的条件下满足铸坯加热/均热和缓冲的要求。(10)实现自由轧制,增加二次换辊间同宽度带钢轧制长度,减少换辊次数。(11)强化带钢厚度、板型和平直控制,提高带钢尺寸精度。3技术现状自第1条薄板坯连铸连轧生产线问世至今,在短短十余年间,全世界已建及在建各种形式的薄板坯连铸连轧生产线已超过40条、60多流,产能约6000万t,2002年薄板坯连铸连轧产品的市场占有率达17%。在技术开发方面,已形成各具特色的薄板坯连铸连轧工艺十余种[3]。从全世界已建成投产的薄板坯连铸连轧生产线来看,CSP工艺、ISP工艺、FTSR工7艺以及CONROLL工艺在工业化应用方面更为成熟,并普遍在最近新建的薄板坯连铸连轧生产线中被采用。以下主要围绕上述4种成熟工艺展开详细论述,其它工艺则由于应用较少或尚处于实验阶段,一般不会作为工艺选型的对象,故不作介绍。3.1CSP工艺(CompactStripProduc-tion)3.1.1工艺布置及特点CSP工艺是由施罗曼—西马克公司(SMS)开发的,第1套工业化CSP生产线在美国纽柯公司投产后取得了满意的生产效果和良好的经济效益,因而得到广泛应用,是目前世界上处于主流地位的薄板坯连铸连轧工艺。其典型工艺流程为:冶炼炉→钢包精炼炉→钢包回转台→中间包→浸入式水口→漏斗形结晶器→均热(保温)炉→热连轧机→层流冷却→地下卷取。典型工艺布置见图1。图1CSP典型工艺布置图CSP技术的主要工艺特点如下:(1)首创漏斗形结晶器,其示意图如图2所示。结晶器具有较厚的上口尺寸,便于浸入式水口的插入,水口和结晶8器壁间的距离不少于25mm,有利于保护渣的熔化。图2CSP漏斗形结晶器(2)典型铸坯厚度为70/50mm,最高铸速可达7m/min,从钢水的冶炼到成品的离线仅需1.5h,能生产1~1.25mm厚的热轧带卷。(3)铸机与轧机之间采用辊底式均热炉连接,炉子长度200~300m;薄板坯入炉温度约1080℃,出炉温度1150℃,升温较少,均热炉能耗少。(4)精轧机列一般由5~7机架组成。(5)铸坯保温后直接进精轧机轧制成卷,单流产能力80~150万t;双流最高年产能力可达250~300万t,双流配置时,结晶器-卷取机的生产线总长为310~340m,单流配置时可缩短50m。3.1.2生产钢种CSP工艺经过不断的实践改进,可生产的品种范围不断扩大。目前在采用CSP工艺的工厂中可以批量生产10个钢种组,尚有2个钢种组正在试验之中。这批钢种组分别是[4]:9第1组:建筑用的可焊接非合金钢,即一般建筑用结构钢;第2组:中碳钢,相当于我国Q345;第3组:冷轧用的低碳钢,相当于Stl4;第4组:冷加工和冷轧用的高强度微合金钢,该钢种用于汽车和机器制造工业中的冲压部件,其显微组织的均匀性比传统的热轧板带略胜一筹;第5组:高强度含磷合金钢,这组钢种也称“烘烤硬化钢”,大部分用于汽车工业;第6组:改善后的耐大气腐蚀的低合金高强度钢,这组钢也称“CORTEN”,相当于我国的耐候钢和JIS标准的SPA-H;第7组:微合金高强度钢,这组钢种具有高抗拉强度和屈服点,广泛应用于工程机械、大型厂房结构、桥梁以及大梁等结构件的制造;第8组:电工用硅钢,生产的热轧硅钢带在纵向和横向上机械性能都很均匀,物理性能良好,可与传统方法生产出的冷轧硅钢片相媲美;第9组:热处理合金钢,CSP工艺可以确保低的偏析率,显微组织在厚度上非常均匀;第10组:铬不锈钢,即铁素体不锈钢AISI409,CSP工艺能生产铁素体不锈钢。目前,正在试验的2组钢种是:铬镍不锈钢和高碳钢(w(C)0.60%)。103.1.3应用现状CSP工艺自1989年7月首次在美国纽柯公司克拉夫兹维尔厂建成投产以来,世界范围内已订购了26套CSP工厂,其中21套已投产,有8套是所谓的整体CSP工厂,即全套的炼钢和CSP工厂设备。所有已订购的CSP工厂的总年产能力为4000万t左右。最近建成投产的代表着当前CSP先进水平的生产线有德国蒂森—克虏伯公司、我国包钢、邯钢、马钢和涟钢的生产线。这些新建的生产线中普遍采用了高压水除鳞、电磁制动、液芯压下、结晶器液压振动、第1架精轧机架前加立辊轧机、板型和平整度控制、新型旋转式卷取机等多项新技术,使CSP生产线更优于传统长流程工艺来生产更多的热轧带钢。3.2ISP工艺(InlineStripProduction)3.2.1ISP工艺布置及特点ISP工艺由德国曼内斯曼—德马克公司(MDH)开发,是最先采用液芯压下技术的薄板