連鑄—直接熱裝軋制過程中鋼坯溫度變化規律的研究

劉燕燕,孫業中,司文強

(寶山鋼鐵股份有限公司 1.中央研究院,上海 201999;2.熱軋廠,上海 200941)

近十年,各級政府相繼發布限煤控碳法律法規。目前,隨著碳配額的進一步收緊,碳達峰、碳中和目標日漸明確,加之中國與國際碳市場的接軌,寶鋼股份所面臨的碳排放缺口越來越大,碳稅履約成本越來越高,控煤控碳給鋼鐵轉型發展帶來的壓力遠比想象的要嚴峻。

能源效率提升是鋼鐵行業應對碳達峰、碳中和的關鍵路線和重點方向之一。《上海市鋼鐵行業超低排放改造工作方案(2019—2025年)》也提出要通過工藝改造實現源頭減量。

在連鑄到熱軋之間,有諸多的節能減碳技術,特別是連鑄直接軋制技術的應用,可有效降低能耗,節能即意味著減碳,減少1 kg標煤可減少約2.62 kgCO2排放[1],效果相當顯著。臺灣東河新鋼廠通過鑄機和軋機的直接相連,在140 t/h的軋制產能下,減少CO2排放72 000 t/a[2]。

從廣義上來講,采用連鑄—熱坯軋制的工藝,都可以稱作連鑄直接軋制[3]。有學者根據鑄坯溫度并考慮技術裝備條件、工藝流程給出以下分類:①連鑄—直接軋制:簡稱CC-DR(Continuous Casting-Direct Rolling)。連鑄機與軋機連接緊湊,生產節奏完全協調。鑄坯溫度在1 100 ℃條件下不經加熱爐,進行邊部補熱后送到軋機軋制。連鑄坯表面應沒有缺陷。②連鑄—熱直接軋制:簡稱CC-HDR(Continuous Casting-Hot Direct Rolling)。連鑄機與軋線緊相連。鑄坯溫度在1100 ℃以下、鐵碳相圖A3線以上,不經加熱爐,在輸送過程中通過補熱均熱后送軋機軋制。連鑄坯表面應沒有缺陷。③連鑄—直接熱裝軋制:簡稱CC-DHCR(Continuous Casting-Direct Hot Charging Rolling)。連鑄機距軋鋼車間較近。鑄坯溫度在鐵碳相圖A3線以下、A1線以上,鑄坯可不落地通過輥道直接送加熱爐加熱后軋制。④連鑄—熱裝軋制:簡稱CC-HCR(Continuous Casting-Hot Charging Rolling)。連鑄機距軋鋼車間較遠,鑄坯溫度在鐵碳相圖A1線以下、400 ℃以上,在軋鋼車間落地后經保溫坑等設備進行中間緩沖,然后送至加熱爐加熱再至軋機軋制[4-5]。一般將400 ℃作為熱裝的低溫界限。

連鑄直接軋制可最大限度地利用鑄坯的余熱,縮短生產周期,提高產量,降低燃耗和CO2排放。這幾種方式中,CC-DR工藝最為節能,但會受到許多條件限制,諸如連鑄與軋機距離、連鑄坯溫度或表面質量無法達到工藝要求等,因此直接軋制CC-DR工藝實現難度較大。

寶鋼熱軋廠為進一步降低燃耗和減排CO2,綜合考慮廠內現有的工藝裝備、位置、技術條件及連鑄坯溫度、表面質量等,探索實施連鑄—直接熱裝軋制CC-DHCR(以下簡稱為DHCR)工藝試驗。高溫無缺陷連鑄坯切割后,通過輥道短程運輸進入加熱爐加熱,然后再送到軋機軋制。在此工藝中,鋼坯的溫度控制與加熱是技術關鍵,而這就極其有賴于對整個坯料輸運、加熱過程中溫度變化規律的把握。鋼坯溫度如何變化以及溫度均勻性如何,將直接影響到是否滿足終軋溫度、坯料的組織形態及軋制質量。目前對加熱爐內鋼坯受熱規律的研究,多采用有限元或有限差分等數值方法,取得了一些有益的結果[6-8],但對連鑄—直接熱裝軋制過程中鋼坯溫度變化規律的研究則相對較少。

本文采用計算流體力學CFD方法來研究連鑄—直接熱裝軋制DHCR工藝中鋼坯的溫度變化規律。在工業試驗之前,通過數值模擬計算鋼坯從連鑄切割后通過輥道運輸,再經過加熱爐預熱段、加熱段、均熱段之后的坯料溫度分布,由此獲得鋼坯在整個過程中的溫度變化規律并考察其溫度均勻性,以求能滿足終軋溫度及軋制質量的要求。將計算結果與工業試驗結果進行對比,以驗證數值模擬的合理性。最后,對試驗鋼坯進行軋制跟蹤,以了解實施DHCR工藝對軋制和最終成材的影響。

1 連鑄—直接熱裝軋制過程的鋼坯溫度分布數值模擬

1.1 數學模型

笛卡爾坐標下鋼坯的非穩態導熱微分方程見式(1):

(1)

1.2 模擬邊界條件

邊界條件為第三類邊界條件,見式(2):

(2)

式中:α為鋼坯與氣相的綜合換熱系數;tf為近坯料表面的氣相溫度;tw為鋼坯表面溫度。鋼坯導熱系數和比熱容隨溫度變化,鋼坯與氣相間的換熱方式為輻射和對流。

1.3 建模及網格

對鋼坯建模,鋼坯尺寸為長10 410 mm,寬1 250 mm,厚230 mm(參考圖1,圖中鋼坯長、寬、厚分別對應X軸、Z軸、Y軸方向),采用六面體結構網格。經網格無關性試驗后,最終確定網格數量為90萬個。

圖1 各段末鋼坯表面溫度分布

1.4 模擬工況條件

模擬工況條件參照表1。

表1 模擬工況基本參數

2 數值模擬計算結果

連鑄坯切割后,經輥道輸運至加熱爐,加熱達到預設溫度并均熱后出爐。該過程定義為4個階段:輥道輸送空冷段(此段末為加熱爐入口)、加熱爐預熱段、加熱爐加熱段、加熱爐均熱段。對上述4個階段的鋼坯傳熱分別進行非穩態數值模擬計算(因鋼坯長寬厚的尺寸差距很大,為方便云圖呈現,對三方向的顯示比例進行調整,長寬兩方向的顯示比例分別為原尺寸的1/10和1/2,厚度方向顯示比例不變),結果及分析如下。

2.1 各段末鋼坯整體溫度分布

圖1所示的各段末鋼坯表面溫度分布顯示了鋼坯經輥道輸送空冷段降溫以及經加熱爐預熱段、加熱段、均熱段后升溫及均熱的溫度變化概況,也直觀顯示出表面溫度的不均勻性主要體現在邊部和中心的溫差。從圖2所示的鋼坯溫度極值、均值可以看出,初始溫度1 060 ℃的連鑄坯經輥道輸送空冷段后,鋼坯溫度最低值為835 ℃,平均溫度為951 ℃;送入加熱爐中經三段加熱,出爐鋼坯平均溫度達1 150 ℃,這個溫度可滿足此類鋼終軋溫度(880±30)℃的需求;出爐鋼坯溫差最大值35 K,可滿足軋制工藝對鋼坯加熱均勻性的要求。

圖2 各段末鋼坯溫度極值與均值

2.2 截面中心點溫度隨時間的變化關系

定義鋼坯與輥道接觸面(平行于X-Z平面)為下表面,與之相對的面為上表面,平行于上下表面且與兩面距離相等的面為中心截面。中心點(即截面的幾何中心)溫度隨時間的變化曲線可以反映出鋼坯輥道輸送過程中冷卻和加熱爐中加熱全過程的狀況。從圖3可以看出,鋼坯輥道輸送空冷階段(對應橫坐標軸0～15 min),由于與空氣的對流和輻射,上下表面冷卻得較快;而由于導熱熱阻的存在及板坯厚度,所以中心截面冷卻較慢,溫度比上下表面高。到了加熱爐預熱階段(對應橫坐標軸15～42 min)及加熱階段(對應橫坐標軸42～72 min),由于爐內煙氣的輻射和對流作用,上下表面升溫速度快;鋼坯內部導熱較慢,故中心截面溫度逐漸低于上下表面溫度。到達均熱段后(對應橫坐標軸72～97 min),上下表面與中心截面的溫差逐漸縮小。加熱爐出口處(對應橫坐標軸97 min時間點),上表面中心點與中心截面中心點的溫差為20 K。

圖3 截面中心點溫度隨時間的變化關系

2.3 鋼坯截面溫度分布

整個工藝過程中,鋼坯的溫度均勻性直接影響到軋制成品的質量。由于篇幅限制,表2只展現輥道輸送空冷段末與加熱爐均熱段末兩個時間點上的鋼坯截面溫度分布,以了解其溫度均勻性。從中可以看出,鋼坯溫差主要在于鋼坯上下表面與中心截面的溫差以及邊部與中心的溫差。圖4選取上表面中心線(平行于Z軸)與邊線(平行于Z軸)的溫度分布來定量說明中心與邊部的溫差。

表2 段末鋼坯截面溫度分布

從表2(a)輥道輸送空冷段末的截面溫度分布及圖4(a)可以看出,經過輥道空冷之后,鋼坯溫度明顯降低。上下表面降溫快于中心截面,邊部降溫最快。就各截面而言,4個角的溫度最低。通過模擬計算結果可知,上表面與中心截面平均溫差為74 K,下表面與中心截面平均溫差為59 K。圖4(a)顯示,經空冷段后,上表面中心線與邊線的最大溫差(即上表面中心線的中點與邊線端點之間溫差)約為187 K。可見,經過輥道輸送后,鋼坯的溫差較大,溫度不均勻問題比較突出。

數值模擬結果顯示,經過加熱爐預熱段之后,鋼坯整體溫度上升,上下表面溫度高于中心截面,邊部溫度得到較大提升,溫度分布趨于均勻:上表面與中心截面平均溫差為27 K,下表面與中心截面平均溫差為17 K。圖4(b)顯示,經預熱段后,上表面邊線與中心線的最大溫差(即上表面邊線端點與中心線的中點之間溫差)約為29 K。

經過加熱爐加熱段之后,鋼坯的溫度進一步升高,上下表面溫度高于中心截面。上表面與中心截面平均溫差為31 K,下表面與中心截面平均溫差為19 K。從圖4(c)可以看出,經加熱段后,上表面邊線與中心線的最大溫差(即上表面邊線端點與中心線的中點之間溫差)約為25 K。

從表2(b)加熱爐均熱段末的截面溫度分布可以看出,經均熱段后,由于爐膛溫度較高,因此鋼坯溫度繼續上升并進一步均勻化。此時,上表面與中心截面平均溫差為21 K,下表面與中心截面平均溫差為11 K。從圖4(d)中可以看出,均熱段后,上表面邊線與中心線的最大溫差(即上表面邊線端點與中心線的中點之間溫差)約為19 K。

圖4 各段末上表面中心線與邊線(平行于Z軸)溫度分布

3 寶鋼連鑄—直接熱裝軋制的工業試驗及與數值模擬結果的對比

寶鋼進行的連鑄—直接熱裝軋制試驗共安排2爐鋼,產出熱卷435.6 t(21卷)。工業試驗工況完全與模擬工況一致。通過紅外熱成像儀測量了鋼坯切割處、鋼坯輥道輸送至加熱爐前、鋼坯出爐后3個關鍵時間節點對應的坯料上表面中心點溫度。試驗結果與數值模擬結果進行了對比,并對后續軋制情況進行了追蹤。

3.1 工業試驗實測溫度值與數值模擬結果的對比

從表3中可以看出,試驗實測溫度值與數值模擬溫度計算值誤差在10 K以內,符合精度要求,從而驗證了數值模擬的正確性。

表3 鋼坯溫度的試驗測量值與數值模擬結果對比

3.2 工業試驗的軋制情況

現場工業試驗中,試驗鋼坯經過粗軋區域和精軋區域后的表現如下。

(1)粗軋區域:粗軋軋制過程正常,各道次軋制力、電流情況正常。

(2)精軋區域:①精軋穿帶過程正常,軋制過程穩定;②終軋溫度控制正常,卷取溫度控制正常,熱卷表面正常;③熱軋在線檢測表面正常;④冷軋連退產出質量正常。

對于這類鋼,終軋溫度要求為(880±30)℃,卷取溫度為(570±30)℃,從圖5和圖6中可以看出,這兩項數值都滿足要求。

圖5 工業試驗的終軋溫度實績曲線

圖6 工業試驗的卷取溫度實績曲線

從以上軋制實績可見,這次連鑄—直接熱裝軋制工業試驗是成功的,說明該工藝具有可推廣性,這為以后開發其他鋼種的連鑄直接軋制工藝設計提供了依據。與常規軋制流程相比,此次試驗大幅縮短了鋼坯傳輸和加熱時間,燃耗降低為28.6 kgce/t(1 kgce=29.3 MJ),與現有工藝相比,降幅達33.7%,降低CO2排放38.09 kg/t,在滿足軋制要求的同時,實現了節能減碳。

4 結論

(1)通過數值模擬獲得了連鑄—直接熱裝軋制DHCR工藝過程中鋼坯溫度變化規律。出爐鋼坯平均溫度1 150 ℃,可滿足此類鋼終軋溫度(880±30)℃的需求。

(2)工藝過程中鋼坯溫差主要在于鋼坯上下表面與中心截面的溫差以及邊部與中心的溫差。通過數值模擬計算得到,出爐鋼坯溫差最大值在35 K以內,可滿足軋制工藝對鋼坯加熱均勻性的要求。

(3)對試驗鋼坯進行了軋制性能跟蹤,結果良好,證明了連鑄—直接熱裝軋制DHCR工藝的可行性,可推廣至具備相關條件的機組。

(4)連鑄—直接熱裝軋制DHCR工藝,可有效利用坯料余熱,縮短鋼坯傳輸和加熱時間,實現節能減碳的目的。工業試驗燃耗降低為28.6 kgce/t,與現有工藝相比,降幅達33.7%,CO2排放降低了38.09 kg/t。