提高連鑄直軋工藝連鑄坯溫度的途徑探討

張文旭，李沈毅，沈鐵成，劉華鑫

（陜西冶金設計研究院有限公司，陜西 西安710032）

1 前 言

連鑄直軋屬于連鑄熱送熱裝工藝之一，是指連鑄坯溫度在1 100 ℃以上，省去加熱爐加熱工序，直接進行軋制［1］。與其他連鑄熱送熱裝工藝相比較，連鑄直軋工藝省去了加熱爐加熱工序，實施難度較大，但其綜合經濟效益也是最高的［2］。在連鑄直軋工藝條件下，軋鋼所需坯料直接由連鑄機提供，這就要求鑄坯被送到軋機時滿足開軋溫度要求。實現這一技術的重要因素之一就是要提高連鑄坯的溫度。

2 連鑄直軋工藝優勢

熱軋工序能耗中，燃耗占總能耗的70%以上［3］，且燃耗僅在加熱爐的加熱工序中產生，因此加熱爐的節能是軋制過程中節能的關鍵。與傳統的冷裝相比，采用連鑄直軋工藝省去了加熱爐加熱工序，利用連鑄坯本身的物理熱能，不僅減少了燃料消耗和污染物的排放，同時也節省了維護加熱爐所需的維護成本［4］。

以年產100 萬t 棒線材車間為例，傳統冷裝與連鑄直軋加熱爐能耗對比，取消加熱爐加熱采用直接軋制能節省4.5 萬t 標煤，每年能節省費用4 500萬元。直接軋制避免了坯料的二次加熱，使氧化損失至少降低1.5%，3 000 元/t 的單價計算則每年可節省4 500萬元。傳統冷裝與連鑄直軋加熱爐管理維護成本對比數據表明，采用連鑄直軋取消加熱爐加熱工序，全年節約加熱爐管理維修費用325 萬元。綜上所述，對于年產100萬t的棒線材車間，取消加熱爐加熱工序后，可獲得年效益9 325 萬元。取消加熱爐加熱工序前后污染物排放對比，從指標上講，連鑄直軋可以做到相關污染物的零排放。能耗、管理維護成本及污染物排放數據如表1 所示。綜上可知，連鑄直軋工藝的推廣可以帶來很大的經濟效益和環境效益。

表1 冷裝與連鑄直軋工藝參數對比

3 提高連鑄直軋工藝連鑄坯溫度的途徑

設計鋼廠時，原連鑄機軋鋼車間沒有考慮直軋熱送功能，因此在后期進行連鑄直軋工藝改造時需要進行系統地優化。連鑄坯的溫度主要受出坯溫度，以及由切割定尺后運送至軋機過程中溫降的影響，因此工程上提高連鑄坯溫度的主要措施都是提高出坯溫度以及降低溫降的影響。

3.1 提高連鑄拉速

連鑄拉速增加，可以減少鑄坯在結晶器、二冷區的冷卻停留時間，鑄坯溫度就會升高。國內小方坯連鑄的拉拔速度一般為2～3 m/min，而國際上開發的無頭軋制技術中的連鑄拉拔速度為6～8 m/min；因此，小方坯連鑄的拉速還有較大的提升空間［5-6］。

在實際生產過程中，連鑄拉速還要受到煉鋼產量的限制，可以減少澆注流數的方法來提高各流的拉速。在方坯連鑄時，將澆注流數從n減少到n-1，提速前后的拉速分別為V1及V2，鑄坯斷面面積為A。參照質量守恒定律計算得出，將澆注流數從n減少到n-1后，可將拉速提高n/（n-1）倍。

3.2 優化二冷區水量

鑄坯出結晶器后，將形成一定厚度的殼體。二次冷卻區的作用是通過冷卻水對鑄坯進行連續冷卻，使其逐漸完成凝固，因此二次冷卻區中的水量分布對鑄坯的溫度有重要影響。圖1 顯示了二次冷卻區中總水量對鑄坯在切割點的表面溫度的影響。由圖1可知，減少二次冷卻區中的水量可以提高鑄坯的溫度，但二次冷卻區中的水量太小，可能出現鋼漏［7-10］，因此需要對鑄坯的溫度進行自動控制。

圖1 二冷水水量對鑄坯表面溫度的影響

1）首先應用有限元模擬對連鑄生產的溫度場進行有限元分析。回歸計算出二冷水水量以及其他影響因素對鑄坯表面溫度及凝固終點溫度影響的數學模型。

2）鑄坯溫度自動控制系統中配備在線測溫儀并能夠實時讀取連鑄過程的拉速、澆注溫度、二冷水水量等工藝參數，根據實時測定的工藝參數，參照相應的數學模型，對二冷水水量進行實時調整。實測溫度小于預設溫度，鑄坯表面溫度偏低，不能滿足連軋要求，需要根據數學模型適當減少二冷水水量。若實測溫度大于預設溫度，鑄坯表面溫度偏高，可能會出現漏鋼事故，需要根據數學模型增加二冷水水量。

3.3 連鑄坯切割采用液壓剪

傳統的連鑄坯切割采用的是火焰切割，切割一根坯料的時間是30 s，而采用液壓剪則整個切割過程約為8 s，遠低于火焰切割機的30 s，這給連鑄坯減少了至少25 ℃的溫度損失［11］。隨著液壓剪設計制造技術的不斷進步以及在實踐過程中的積極運用，設備運行質量大幅度提升，可以在更換連鑄中間包時，在線更換液壓剪，對生產的影響較小。但無論是哪種類型的液壓剪，剪切后的坯料端面均沒有火焰切割機質量好，在選擇無頭軋制工藝時，需要謹慎選擇［12-13］。

3.4 快速輸送輥道

鑄坯定尺切割后溫降速度約為25 ℃/min，對于現有的棒線材生產線，由于連鑄車間與軋鋼車間布置的相對平面距離較遠，通常鑄坯轉運都是通過輥道、天車、過跨小車以及專門的鑄坯運輸保溫車運送至軋鋼車間生產。在進行連鑄直軋工藝改造時，改變連鑄機及軋機的相對位置不易實現，且影響面廣不易實現，因此增設快速輥道將定尺切割后的鑄坯由連鑄機直接送到粗軋機組，成為目前連鑄直軋工藝改造的首選。即使連鑄機與軋機之間距離為100 m，快速輥道速度達到3～5 m/s 后，30 s 左右可完成連鑄機與軋機之間的坯料轉運，鑄坯在定尺切割前受連鑄拉速影響緩慢前行一般＞5 min，因此快速輸送輥道轉運過程與鑄坯切割前相比，此過程的溫降要小10倍［14］。

3.5 配置保溫輥道

對于長度為12 m 的方坯，在拉速3 m/min 的條件下，從切割位置到達固定長度位置需要4 min；如果不采取保溫措施，則鑄坯的溫度下降4 min 約為100 ℃，尤其是邊角處的溫度下降最為嚴重。如果沒有特殊的保溫措施，溫度將不穩定。相關企業采用先進的保溫輥道，避免了輥道帶走坯料溫度。同時，可以保證鑄坯在進入連鑄冷卻床之前的表面溫度仍在1 000 ℃以上［15-16］。

鑄坯在轉運過程中主要是以熱輻射的方式向周圍環境散失熱量，在輥道上加蓋保溫罩后，可以有效減少輻射損失的熱量，保溫罩內的溫度遠高于室溫，減小了鑄坯與輻射環境的溫差，減少了輻射的熱量。研究表明，加蓋保溫罩后，可減少輻射損失的熱量約25%。

3.6 連鑄坯補溫加熱

在進行連鑄直軋工藝軋制時，可利用感應電爐對鑄坯邊角進行感應補熱，以提高產量和生產效率。同時對于有條件利用高爐煤氣等化工燃氣的企業，可采用隧道式加熱爐進行補熱［17］。

3.7 設置合理的連鑄及軋鋼區的運行節奏

多流連鑄，對應一條直軋線或多條直軋線，應設置自動檢測及分選功能，并可根據每條流的位置和溫度自動調整順序軋鋼，保證了工藝的可靠性。同時對連鑄坯轉運過程，應用排隊理論進行優化設計，減少設備空置率，確保坯料由連鑄機出坯后進入軋機的時間間隔短、溫降少［18］。

對溫度較低鑄坯均不再落地處理，過程中直接降級改判后熱送下道工序，減少處理低溫鋼的頻次，以確保高溫送坯的有效性。對軋線的粗軋機組進行裕量負荷驗算，合理地分配道次壓下量，使得軋線能夠順利軋制溫度較低的連鑄坯，形成煉-軋鋼一體化生產管理［19］。

4 總結和展望

連鑄直軋作為未來最有潛力的鋼鐵生產工藝之一，連鑄坯的溫度是可靠實施的重要因素，提高連鑄坯溫度，是推廣其廣泛應用的重要前提和保障。連鑄坯溫度主要是受到出坯溫度和溫降的直接影響。目前提出了多種提高連鑄坯溫度的方法，但目前對連鑄坯溫度影響的研究都只是簡單地提高出坯溫度和降低連鑄坯溫降的措施，而對于采取更加嚴格和精細的理論依據以及采取先進自動化設備實現高效熱坯直軋，卻少有研究；并且對于連鑄坯補熱的設備研究較少，未實現系統化，不能有效地在實際生產中針對性地應用。

連鑄直軋被廣泛地應用在各個鋼廠，還需要做以下大量的工作:1）開發高效的連鑄工藝，在確保安全生產的前提下盡量提高連鑄坯的溫度。2）對新設計的鋼鐵廠，優化布置，為連鑄直軋工藝提供條件。3）實現煉軋鋼一體化精細化管理，實現兩廠聯動機制，確保生產的穩定運行。4）對連鑄坯補熱工藝及設備應加強開發。