薄板坯连铸连轧工艺技术发展的概况.doc

薄板坯连铸连轧工艺技术发展的概况
张绍贤
摘　要：薄板坯连铸连轧工艺问世10年来发展迅速,CSP、ISP、FTSR为代表的各种工艺技术的发展各具特色。总的发展趋势是,提高铸机生产能力充分发挥后部连轧机的生产能力;改进品种质量,提高产品的市场覆盖率;采用无头轧制工艺、生产超薄规格产品,以取代部分冷轧产品的市场;应用范围扩大,越来越多的在以高炉铁水为原料的大型联合企业中得到应用,为该工艺的发展开拓了更广阔的前景。
关键词：薄板坯　连铸连轧　发展趋势
Survey of Technological Development of Thin Slab
Continuous Casting and Rolling
Zhang Shaoxian
(Wuhan Iron & Steel Design Research Institute)
Abstract：Technology of thin slab continuous casting and rolling has been rapidly developped these ten years since its invention.some typical process technologics,such as CSP,ISP and FISR,etc.have been developped with their own characteristics.The overall development tendency is:1)to increase concaster capability to make full use of caster;2)to improve product quality to increase product marketability;3)to produce super thin products with endless rolling process technology to take place of some cold-rolled products in market; 4)to enlarge applications in order to make it widely used in large joint ventures with hot metal as raw material.As a result ,this process will have great expectations in future development
Keywords：thin slab　continuous casting and rolling　development tendency▲
1　前　言
　　自1989年美国纽科格拉福特斯维尔厂第一条CSP薄板坯连铸连轧生产线投产至今的10年中,又相继有CSP、FTSR、CONROOL、TSP等类型的生产线相继投入生产。薄板坯连铸连轧技术的成功应用和发展,是20世纪最后10年中在钢铁生产方面最具有重大意义的技术革新。　
　　薄板连铸连轧工艺与常规的工艺相比,由于它具有节能、投资省、生产周期短、劳动成本低及适应性强等优点,故引起了全世界的重视。据统计全球各地已建成投产及在建的薄板坯连铸共约50流,总生产能力为5228万t/a。
2　几种主要类型的技术特点及其发展
2.1　CSP工艺技术
　　世界第一条CSP生产线薄板坯连铸连轧生产线已于1989年建成投产,因其工艺开发早,技术成熟,工艺及设备相对较简单可靠,故实际应用也最多。至1997年末,SMS已签定的合同已有27流铸机。
　　CSP技术的主要特点是采用立弯式铸机漏斗形结晶器,最初的铸坯很薄,一般为40～50mm,未采用液芯压下,后部设辊底式隧道炉作为铸坯的加热均热及缓冲装置,采用5～6架精轧机,成品带钢最薄为1～2mm。
　　近10年中CSP铸机的单量已从初期的80～90万t/a提高到如美国的纽科厂3号铸机能力150万t/a。为了提高生产能力和改进铸铸坯的质量,铸坯的厚度根据用户情况有所增加,并采用了液芯压下技术。美国Dynamics厂1995年12月投产的一流CSP铸机坯厚度70mm,第一次采用了液芯压下技术。我国正在建设的邯郸钢厂CSP铸坯厚度为60～80mm,因铸坯加厚而采用了1架粗轧和5架精轧的轧机组成。随着铸坯的厚度的增加及拉速的提高,铸坯的冶金长度也相应增加。现SMS对铸坯厚度大于70mm的铸机也设计了直结晶器弧形铸机。
　　由于在工艺技术及装备方面的改进,在墨西哥HYLSA厂的CSP线已成功批量生产了厚度1mm左右的超薄带钢,美国Dynamics等厂也在试生产1mm的超薄带钢。
2.2　ISP工艺技术
　　ISP工艺由MDH公司开发,采用矩形平板结晶器,并相应采用扁平薄形浸入式水口、直结晶器弧形铸机。1992年在意大利Arvedi厂最初建成投产ISP铸机铸坯厚度60mm,经0段的液芯压下减薄到43mm,在铸机后设有3架在线预轧机架,在不切断铸机的情况下将铸坯轧薄成15～25mm厚度的中间坯,按定尺切断后通过安装在辊道上的感应加热后进入称为Cremona炉的用煤气加热保温的卷取箱,两卷位的中间坯卷交替向4架的精轧机(现已增加了第5机架以生产更薄的产品)喂料。生产能力可达80万t/a,最薄成品为1mm。后建的韩国POSCO光阳厂1号ISP车间,两流铸机的生产能力为180万t/a,铸坯厚度已加大到85mm,经液芯压下后为67.5mm,成品厚1.2～12.7mm。在这里已将过去的Cremona炉改成了具有两个无芯卷取位(双流铸机)一个开卷位及每流4个中间输送贮存卷位的通道式炉。光阳厂的第2 ISP车间,两流铸机生产能力为200万t/a,铸坯厚度100mm,经液芯压下后为80mm,成品厚1.0～12.7mm。它与第一车间不同,铸坯是经定尺剪切后再进入预轧机。南非SALDANHA钢厂新建的ISP铸坯厚芳90mm,液芯压下后75mm,采用辊底式隧道炉,不用预轧机而设有两架粗轧机,精轧机为5架。经粗轧后的中间坯厚20～30mm,成品厚1.0～8.5mm,单流铸机的生产能力140万t/a。MDH于1998年1月接受了荷兰Hoogovens钢厂的ISP铸机订货合同。铸坯厚90mm经液芯压下后70mm,成品厚1.0～25mm。出铸机的铸坯经剪切后进入辊底式隧道炉,再经2架粗轧机及温度控制段进入5架精轧机组。该生产线的特点是按半无头轧制生产超薄带钢设计,成品厚度最薄约0.8mm。铸坯长度由于辊底的长度(312mm),相当于一般4根坯的长度中间不切断连续的通过轧机。这可能使多的带钢是在有一定卷取的张力的情况下进行轧制,避免了超薄带钢在离开轧机的自由状态经层流冷却辊道通向卷取机的过程中产生漂浮和不稳定状态;同时也减少了单卷轧时头尾的超差,这样可提高成品的收得率。在粗轧与精轧之间设有强冷却温度控制段,其目的是为了生产低碳和超低碳的超薄带钢时在精轧机组中进行全铁素体轧制,以避免超薄带钢在精轧过程中由于温降产生奥氏体向铁素体的相变,以致因流变应力的突变影响轧制过程,造成带钢机械性能不均、产品厚度波动及板形缺陷。为此在中间坯进入精轧机组前就使其在强冷段内将温度从Ar3线以上降到Ar3以下再进入精轧机组。该机组为单流铸机生产线,生产能力为150t/a,计划将于1999年10月投产,它代表了ISP的最新技术成果。
2.3　FTSR工艺技术
　　 FSTR由达湟利公司开发,采用透镜形结晶器,在铜板结晶的下口宽面仍具有凸出的形状,一直延伸到二冷0段末铸坯才逐步就矩形,铜板结晶器连带0段一起被称为长漏斗形结晶器,或称H2结晶器。它具有CSP漏斗形结晶器的优点,但又减少了铸坯的变形率,有利于生产包晶在内的一些裂纹敏感性钢种并有利于提高拉速。采用直结晶器弧形铸机及液芯压下,但它不同于ISP只在0段完成液芯压下,而是应用一套液穴长度控制软件系统,通过所浇钢种、铸坯断面、中包温度、拉速、结晶器冷却及二冷等参数来测算和控制铸坯液穴长度,并合理分配各扇形段的压下,使最终的压下点接近液穴的末端,以获得最佳的减少偏析及中心疏松而提高铸坯质量的效果。
　　FTST工艺按不同的要求,铸坯出结晶器厚为50～90mm,经液芯压下后为35～70mm,在采取半无头轧制的情况下最薄的产品可达到0.7～0.8mm,单流铸机生产线生产能力可达160万t/a。
　　美国纽科公司希克曼厂原按CSP技术建成的一流铸机后按FTSR技术进行了改造并于1995年5月顺利投产。加拿大阿尔戈马钢厂双流铸机年产200万t的FTSR生产已于1997年建成投产,并取得了良好的效果。埃及阿达比亚AL—EZZ重工业公司的带钢直接生产厂(DSRP)的单流铸机生产线一期规模120万t/a。它最能代表FTSR先进技术水平,计划于2000年下半年投产。该生产线的特点是按铁素体轧制和半无头轧制设计,成品厚0.7～20mm,宽800～1600mm。铸机配有70mm及90mm两种不同厚度的长漏斗形结晶器,经动态液芯压下后铸坯厚度为70mm或50mm。在铸坯剪切机与辊底式隧道炉之间设有一台高压低流量旋转式除鳞机。辊底式隧道炉,当进行单卷轧制时可储存4～6块铸坯;若进行半无头轧制,可储存一块长坯。另设有一架带立辊的不可逆四辊粗轧机,精轧机组为5架四辊轧机组成,精轧机前设有强力冷却控温段。为了实现超薄带钢的无头轧制,在精轧机后设有带钢强力冷却系统、高速滚筒式飞剪及近距离轮盘卷取机。为了进行厚规格产品的单卷轧制,在后面还设有层流冷却及一台地下卷取机。这将是一条装备最完备的增头轧制生产线。该厂第二期工程将增加第二台电炉和精炼炉,在R1前增加一台二辊不可逆转粗轧机R0扩增加第二台卷取机,使生产能从120万t/a增加到160万t/a。
　　达湟利FTST工艺技术的开发经CSP及ISP晚,它是前二者的基础上开发和发展了有自己特色的专有技术,在技术颇有后来居上之势。
3　薄板坯连铸连轧工艺技术的发展趋势
3.1　提高生产能力
　　初期的单流薄板坯连铸机的生产能力为50～80万t/a,与相配的一条装备完善的热连轧线的生产能力可达280～300t/a。但轧制部分的投资约占全部的三分之二,因此应通过提高拉速及增加铸坯厚度等措施尽量提高连铸部分的生产能力,以便充分发挥投资效益。
　　通过改进保护渣性能,采用高频率小振幅振动曲线可调的液压振动机构,优化浸入水口的设计及采用结晶器电磁闸等主要措施,使拉速能进一步提高。在生产低碳钢时CSP的浇铸速度可达6.0m/min(最大保证5.5m/min),FTSR可达6.6m/min(最高设计为7.5m/min)。铸坯厚度根据用户具体要求可在一个比较大的范围内变化,CSP初期的坯厚为40～50mm。正在建设的我国邯郸CSP坯厚为60～80mm。Arvedi的ISP坯厚为60mm,正在建的Hoogovens ISP坯厚为90mm,韩国POSCO光阳2号ISP坯厚为100mm。加拿大阿尔戈马的FTSR坯厚为70mm,正在建设的埃及AL—EZZ厂的FTSR坯厚70mm及90mm,由上述可见铸坯厚度有增加的趋势。坯厚增加则需要增加后面的轧机的架数,一般是在5～6架精轧架前增加1～2架不可逆转粗轧机前或1架可逆初轧机或不增加粗轧机而设7架精轧机。
　　近期新建的生产线一般都是具有更高的生产能力,如蒂森CSP 2流铸机,铸坯45～60mm×900～1600mm生产能力240万t/a。Hoogovens ISP单流铸机,铸坯70mm×750～1560mm,其能力为150万t/a。埃及AL—EZZFTSR单流铸机铸坯70～90mm×900～1600mm,生产能力为160万t/a。
3.2　扩大品种提高质量
　　薄板坯连铸连轧工艺最初主要是以满足小钢厂生产大路货产品为目标,其生产厂是以低成本参与市场竞争。随着工艺技术和装备的改进,不仅在生产能力上而且在品种方面都有很大的改进和提高。
　　在生产钢种方面,SMS将热轧带钢产品分为12大类,其中CSP进入工业化生产的有10大类,另一类乃是高碳钢品种。在美国ACME厂已对含碳＜1.00%的品种试生产成功。目前难以满足的品种是奥氏体不锈钢,特别是含钛的不锈钢。纽科1号CSP已生产过铁素体不锈钢。并计划2000年每月生产10 000t此类钢种。关于包晶钢,到目前为此SMS认为无论常规板坯还是薄板坯均不能100%的保证。还应指出,CSP采用漏斗型结晶器是不利于包晶钢之类裂纹敏感钢种生产的。管线钢要求轧制变形量至少为1:5,因此当铸坯厚度＞80mm时则可生产。MDH也将热轧带钢产品分为12大类,在ISP的生产钢种中,除电工硅钢、包晶钢、不锈钢、轴承钢等尚属试验钢种外,其余均能生产。
　　达湟利称FTSR包括晶钢、电工硅钢、奥氏体不锈钢在内的钢种都生产。实际上一般认为目前铁素体不锈钢可在线进行直接轧制,而奥氏体不锈钢还在试验中;目前至少还需要对头尾坯进行修磨清理,但可望在不久的将来得到解决。
　　由于冶炼及连铸工艺技术不断改进,轧制工艺技术也在不断改进,至使成品带钢的质量同样也在不断提高。目前薄板坯连铸连轧产品的质量已基本相当或接近普通热连轧产品水平。在考虑最多的表面质量及板形方面,有些生产厂已达到了很高水平。如荷兰Hoogovens厂对Arvedi厂ISP生产的St23厚1.2mm带卷进行检验后的评价认为,相当于S06冷轧板,S06冷轧板相当于05级冷轧汽车面板的表面质量标准。并指出板形很好,没有边浪 ,凸度也在40μm以下。
3.3　生产超薄带材代替部分冷轧产品
　　一般用于建筑材料、普通焊管、普通容器及空气管道等,常用0.8～1.5mm的冷轧薄板为材料,这并不是出于对板材的性能及表面状态的要求,而是受市场供应所限。因为常规的热轧带钢工艺不适合生产超薄规格的产品。但薄板坯连铸工艺,是更能适合生产超薄规格产品的。在市场上冷轧板带比热轧板带的价格贵些。据报导在国外市场上同等规格的热轧带钢每吨价格比冷轧带钢低100～200美元,这对用户有很大的吸引力。目前许多薄板坯连铸连轧厂家都努力多生产薄规格产品。墨西可HYLSA公司的CSP当前约有30%的产品厚度是0.9～1.5mm。蒂森CSP主要生产1.2～1.7mm的高强度带及1.0mm左右的低碳带钢。
　　为了生产1.0mm及更薄的产品,最新设计和采用了低碳及超低碳钢铁素体轧制和半无头轧制工艺生产线。它们可生产的带钢最薄可达0.7～0.8mm。目前有关厂家正在研究开发全无头轧制工艺。
3.4　技术发展的多样化
　　任何工艺技术都必须适应市场条件和用户的具体要求,这些条件和要求的多样性决定了技术发展的多样化。
　　奥钢联工程技术公司(VAI)开发的CONROOL薄板坯连铸及直接轧制工艺,特点是采用类似传统的VAI直弧形铸机,铸坯比一般薄板坯稍厚,更适合于高品质的特殊钢生产。美国阿姆科公司曼斯菲尔德厂1995年投产了一条CONROOL生产线。由135t电炉供钢水,铸坯厚75～130mm,宽635～1283mm,后面设有一座步进式加热炉,一架可逆粗轧机及6架精轧机,生产能力为70万t/a。该厂1996年生产的钢种比例为:低碳钢55.6%,包晶钢及中碳钢0.3%,高碳钢6.5%,低合金钢1.2%,合金钢1.2%,不锈钢(铁素体及马氏体)35.1%,无取向硅钢0.1%,所有产品内部质量和表面质量都达到了满意的结果。
　　美国Tippins公司与韩国三星重工业公司联合开发了TSP薄板坯连铸连轧工艺。其特点是将一台中等厚度(100～125mm)板坯连铸机和一台单机架炉卷轧机结合起来,具有年产40～120万t热轧卷带材的能力。它适合于较小规模的带材生产,并适合于产品品种及产品宽度及厚度变化较大的板带材生产。捷克Nova hut钢厂曾建设一条TSP生产线,单流铸机,一架炉卷轧机,铸坯为125mm×800～1600mm,产品最小厚度1.5mm年产能力90万t。据报导加拿大IPSCO公司获得TSP技术的专利许可证,正在建设一条生产线,它的电炉和连铸机由MDH提供。铸坯厚度127～152mm,宽1219～3136mm,铸速最达1.9mm/min,后面设有步进式加热炉及炉卷轧机。生产能力为1 125 000t/a,产品包括带钢卷及热轧板,带卷厚2.29～19.0mm,宽1219～2438mm,4.78～38.0mm,其产品的规格范围很宽。
　　此外,还在一些各具有特点的工艺技术,如CPR、UTHS等工艺还处于研究阶段。
3.5　应用领域不断扩展
　　薄板坯连铸连轧工艺初期只应用于短流程小型钢厂。它使此类小钢厂步入了板带材生产领域,并以它特有的低投入、低成本及地域市场的优势从大型钢铁联合企业里争夺了一份板带产品市场,90年代中、后期,随着薄板坯连铸连轧技术的不断发展,市场竞争力进一步加强,促使了一些大型钢铁也开始建设薄板坯连铸连轧生产线。其匹配情况按金属炉料及冶炼方法的不同,计有以下几种主要类型。
　　(1)以高炉铁水及废钢为原料,以电炉冶炼向薄板坯连铸连轧线提供钢水。即高炉铁水+废钢—电炉—二次精炼—连铸连轧—成品。韩国POSCO光阳钢厂的ISP车间,利用该厂铁前系统的能力,在不增建焦炉及烧结有关设施下,只增建一座高炉,向电炉提供铁水,1号ISP车间两座130t的双壳直流电弧炉,炉料中铁水40%,粒铁15%,废钢45%。两流铸机ISP生产能力180万t/a,该厂正城建设的2号ISP车间情况与1号车间相似,生产能力200万t/a。POSCO将其称为MMIM(Mini Mill in Mill)模式即大钢铁厂中的小钢厂模式,特点是充分利用原有铁前系统的存量资产,并在有限的铁水供应情况下配足部分废钢利用电炉多生产钢和有市场竞争力的带材。
　　(2)以高炉铁水为原料,以转炉冶炼提供钢水。即高炉—转炉—二次精炼—连铸连轧—成品,适用于现有大型钢铁联合企业,充分利用原有冶炼系统的能力或新增冶炼能力向新建的连铸连轧生产线提供钢水。如美国ACME钢铁厂在原有86t复吹转炉车间建一条单流铸机CSP生产线,年产100万t热轧卷。德国蒂森克虏伯厂由原有380t大型转炉提供钢水新建了一条两流铸机CSP生产线,年产200万t热轧卷。荷兰Hoogovens以及我国的邯钢及包钢都是正在建设转炉配薄板坯连铸连轧生产线。
　　转炉配薄板坯连铸连轧生产线的优点在于生产能力和生产节奏上更易于相匹配,使热轧机组充分发挥能力;同时转炉比电炉更有利于生产低碳钢和超低碳钢种以轧制超薄带钢材。特别在我国目前的情况下,转炉钢一般比电炉钢的成本要低150～200元/t。这种匹配方式,今后定将有更多的发展。
　　(3)新建融熔还原及直接还原装置将向炼钢车间电炉或转炉提供铁水或同时提供DRI(直接还原铁)。即熔融还原(或和直接还原铁)—电炉或转炉—二次精炼—连铸—成品。如南非SALDANHA厂由Corex融熔还原装置提供铁水,并由Midrex直接还原装置提供DRI,再由1座容量为170t的CONARC电炉向1条单流铸机ISP生产线提供钢水,生产能力为140万t/a。墨西哥HYLSA厂由HYL直接还原装置生产DRI配加废钢作为电炉原料,配单流CSP,生产能力为90万t/a。
4　结　语
　　薄板坯连铸连轧工艺问世10年来发展迅速,最初阶段只是以废钢为原料的电炉小钢厂及生产一般板带钢产品得到应用。随着工艺及装备技术的发展,生产能力及品种质量都有长足的提高。近年来已在以高炉铁水为原料,以转炉冶炼为主的大型钢铁企业中得到应用。其产品除奥氏体不锈钢等个别品种尚处试验阶段外,几乎能覆盖其余所有的常规热轧带钢产品,其产品性能、内部和表面质量也与常规产品基本相当。
　　由于薄板坯连铸连轧的工艺更适宜于生产超薄规格的板带材,特别是采用无头轧制工艺后可生产极薄0.7～0.8mm的超薄产品,并可直接或经酸洗,或经热镀锌后代替过去必须使用价格过高的冷轧材的地方,这在经济效益和市场竞争方面更具有独特的优势。
　　为了适应不同的市场和用户的不同要求,在下一世纪初,薄板坯连铸连轧及其它近终形连铸生产工艺技术必将得到更快的发展。■
作者单位：张绍贤(武汉钢铁设计研究院)