棒線材無頭連鑄連軋的應用及展望

何 濱

（中鋼石家莊工程設計研究院有限公司，河北 石家莊 050021）

我國是世界第一鋼鐵大國，據業內相關機構的不完全統計，截止2020年底，中國粗鋼產量已經超過10億t，鋼材產量超過12億t。鋼鐵產業是我國的工業基礎，也是國防建設的支柱。然而隨著國內鋼鐵產能過剩，環保壓力的加劇，鋼鐵產業需要謀變求發展。無頭連鑄連軋技術是鋼鐵領域的核心技術，該技術在板帶領域發展比較塊，如ESP連鑄連軋已取得了長足的發展，在世界范圍處于領跑位置。棒線材產品占據鋼材市場的半壁江山，在國民經濟和基礎產業中占據重要地位，因此棒線材的連鑄連軋技術是我們攻堅克難的關鍵。

在競爭激烈的鋼鐵市場中，如果不主動改造創新新模式，就會面臨被淘汰的命運。因此，必須拋棄傳統生產模式，尋求可以將鋼水、連鑄機、連軋機和熱處理集于一體的全新生產模式，即無頭連鑄連軋工藝。該工藝技術是棒線材產品的一項創新技術，它能夠實現從鋼水到鋼材產品的不間斷生產，不僅節能環保，而且還能生產出高附加值的產品。

1 工藝簡介和技術優勢

1.1 技術簡介

棒線材主要是指棒材和線材，棒線材無頭連鑄連軋技術就是將精煉后的鋼水在連鑄上采用速度為6~8 m/min的高拉速，連續穩定拉出高質量的連鑄方坯或者圓坯，使澆注出的坯料尺寸為150 mm×150mm~200 mm×200 mm或者Φ160~Φ220 mm。連鑄坯在澆注后，經在線電感應補熱鋼坯邊角部，優化鋼坯內外溫差，使鑄坯表面溫度達到950℃左右，上下溫度偏差在25℃，送入連軋機軋制，軋機入口溫度不得低于920℃。通過連軋機、控冷設備以及在線熱處理設備，最終生產出Φ5~Φ20 mm的熱軋盤卷和Φ12~Φ25 mm的熱軋直條棒材。無頭連鑄連軋的工藝設備是由高速連鑄機、直軋熱送設備、連軋機組、控制冷卻設備、在線熱處理等組成。

1.2 技術優勢

無頭連鑄連軋技術取消了連鑄區的切割工序，減少了燃料的消耗，也減少了金屬損耗。僅取消連鑄區鑄坯切割，就使得金屬收得率提高了2.5個百分點。

軋鋼區域取消了加熱爐二次加熱工序。傳統的棒線材軋鋼線，加熱爐能耗約占整個工序能耗的60%~70%，取消加熱爐后，可節約大約30 m3/t（凈值）的天然氣用量，相當于300 kWh/t，同時，CO2排放量相應地減少約120 kg/t。采用連鑄連軋后，需要在入爐前對鋼坯邊角部進行補熱，噸鋼能耗增加30~40 kWh電。軋鋼采用控軋空冷后，電機能耗相比傳統軋鋼線能耗增加30~50 kWh電。綜合各項因素，采用連鑄連軋，軋鋼工序能耗降低40%~60%，而且還使鋼材成材率提高了約2%。由于取消了加熱爐的二次加熱，減少了大量煙塵和廢氣排放，而且還節省了加熱爐煤氣的脫硫設施，節能環保。無頭連鑄連軋工藝將連鑄和軋鋼近距離的銜接，縮短了整個工藝流程線，取消了連鑄區的下料設施、軋鋼區的加熱爐以及爐前上料設施等，僅設備投資就能節省2 500萬元~3 500萬元。由于實施短流程，整個廠房的建筑面也大大縮小了，僅出坯跨、原料跨和加熱跨的廠房面積，就能縮小4 000~6 000 m2，從而節省了不少一次性投資。

無頭連鑄連軋技術是鋼鐵加工流程上的一次重大飛躍式發展，它將煉鋼、連鑄、軋鋼融為一體，且生產工藝順暢、設備布局緊湊、廠房占地少，提高了金屬收得率，節省了能源，再加上自動化高度集中以及統一管理，使鋼鐵流程呈現連續化和短流程化，將鋼鐵流程提高到了一個前所未有的高度。目前該技術已經在國內鋼廠推廣，山西建邦鋼鐵就在采用無頭連鑄連軋技術，建設短流程生產線，該項目正在實施中。

2 工藝流程及主要特點

2.1 工藝流程

為了達到'高效率、高質量、節能環保'的要求，棒線材和煉鋼連鑄之間采用無頭連鑄連軋工藝技術。連鑄區域配備雙流高速連鑄機，分別向獨立的軋線持續供料，實現連鑄和軋鋼之間的銜接。

該技術的連鑄機采用弧形結晶器，鑄坯經液芯壓下和動態軟壓下技術，改善了鑄坯中心處偏析和疏松。連鑄機連續拉出的連鑄鋼坯經過高壓水除磷和邊角部在線補熱，直接進入軋機區軋制，經過控軋控冷，最終軋成滿足用戶要求的棒材和線材。成品經過在線冷卻和在線熱處理，再經過成品收集，由無人天車自動下線、在智能倉庫智慧堆存。連鑄連軋工藝布置緊湊，取消了連鑄的火焰切割和軋鋼區的加熱爐二次加熱。該工藝技術是世界上最先進的棒線材連鑄連軋生產線，目前廣西平鋼的連鑄連軋生產線已經順利投產，并且運行穩定。雙無頭連鑄連軋工藝平面布置如圖1所示。

圖1 雙無頭連鑄連軋工藝平面布置簡圖

2.2 主要技術特點

2.2.1 較高的澆注速度

高效節能結晶器系統和結晶器振蕩系統是實現高拉速的關鍵。采用最新研發的快速澆注模塊技術，可通過優化鑄機配置及提高厚度、澆注速度變化的靈活性這些超常規技術來實現較高的澆注速度。通過對經過計算機優化的流體動力學計算及水模型測試進行數學模擬，表明目前的澆注速度可以提高至8 m/min。高拉速的實現，得益于高效節能結晶器的創新改進。

結晶器銅管是連鑄設備中的重要部件，是結晶器的'心臟'。銅管放置在連鑄機的中心位置，通過浸入式噴嘴將澆注的鋼水凝固，銅管的功能是接收鋼水，并實現從鋼水到冷卻水的快速熱傳遞，使之快速凝固。這就要求其具有良好的導熱性、抗熱腐蝕以及抗熱應力變形，而結晶器銅管即具有良好的導熱性和抗變形能力。高效節能結晶器通過減少銅管厚度，采用新的水冷槽設計來提高銅的有效性，從而可降低彎月面溫度和結晶器的介質消耗量。高效節能結晶器與振蕩臺相結合，有剛性高、振動小、慣性低等特點，適用于高頻振動。此外，利用無軸承懸掛系統以及免維護等理念，拉坯速度可提高到8 m/min，相當于單臺鑄流設備上165 mm×165 mm坯料的產量約為110 t/h。

根據《鋼筋混凝土用鋼》（GB/T 1499.2—2018）的特性要求，需要鋼筋混凝土用鋼筋在地震發生時能夠具有較高的能量吸收能力。軋鋼區域的熱機軋制和控軋控冷能夠實現鋼材的超細晶粒軋制工藝，形成非常精細的微觀結構并增強最終的機械性能，從而最大限度地減少甚至避免對合金元素的需求，以符合國家標準和用戶的要求。

2.2.2 穩定的澆注工藝控制

此外，還對鑄坯成型和坯料固化的穩定控制方面進行了改進，并針對不同鋼種所需的保護渣進行了優化。通過控制磨擦和調節結晶器的角度布置，實現了在高澆注速度下鑄坯地穩定澆筑。該技術在經過反復試驗后，取得了明顯的效果。

2.2.3 熱機軋制

熱機軋制工藝是棒線材軋制中的關鍵環節。軋鋼工序采用模塊精軋機、減定徑機組和控冷裝置后，使得熱機軋制實現晶粒細化。由于在無扭機組軋制期間再結晶機理是動態的，當發生變形時，形核和長大同時發生，在金屬內部發生動態再結晶。在減定徑軋制期間，動態再結晶過程在整個截面上均勻發生，最大的影響因素就是冷卻速率。冷卻裝置自動調節水壓和水量，準確控制不同鋼種的冷卻速度。這種工藝使鋼材從表面到芯部晶粒尺寸基本保持一致，而且溫度低，晶粒尺寸小，產品的性能均勻，延展性好。熱機軋制的采用，可以生產出超細晶粒組織的鋼材。該工藝還能形成非常精細的微觀結構并增強熱機最終的機械性能，最大限度地減少甚至避免對合金元素的需求，使產品具有較高的延展性，并確保滿足抗震性。

2.2.4 自動化及云技術的廣泛應用

生產線采用當今世界最先進的自動化控制系統，在技術工藝控制、傳感器技術、數據管理、大數據運用、生產統一管理及工藝技術上的改進是生產線成功運作的關鍵。在厚度控制、溫度控制、料型控制方面，加強了工藝模型的靈活性、標準性。自動化貫穿了從澆注冷卻到軋制再到冷卻的全過程，實現了完整的流程控制。多功能、完善的自動化控制系統，保證了生產線的高產量、高效率、低成本和高質量。

3 工藝的主要優勢

3.1 技術優勢

1）生產線將連鑄和軋鋼緊密結合在一起，取消了傳統加熱爐的二次加熱，避免了大量的能源浪費，縮短了生產流程。

2）工藝技術采用超細晶粒工藝，提高了產品微觀組織的均勻性，使產品的性能得到提高。

3）整個生產線布置緊湊，屬于超短流程，減少了設備和廠房投資，金屬收得率提高約2%。

4）該工藝是生產建筑用鋼筋和盤卷的最佳方式，能減少熔煉車間微合金的添加量，避免在軋制期間形成馬氏體微觀結構。不添加微合金釩，并通過控軋控冷工藝，降低了錳合金元素，可節約大約150元/t的平均成本。

5）在節能環保方面，能耗比傳統工藝減少了約40%~50%，與能耗降低相關的是直接或間接地減少了溫室氣體和有害氣體的排放。該工藝每年可減少約18萬t的CO2排放，排放量相當于8萬輛行駛中的汽車所排放的二氧化碳總量。水消耗方面，其耗水量比傳統生產工藝降低了60%。

3.2 品種結構優勢

3.2.1 全系列鋼種范圍

該工藝設計產品大綱目前主要是普碳鋼、低合金鋼，合金鋼對于連鑄和軋鋼要求更嚴格，棒線材合金鋼軋鋼工序工藝已經成熟，和連鑄機實現連鑄連軋，目前還在研究試驗階段。

3.2.2 產品規格

該工藝采用無頭軋制技術以及控軋控冷工藝，不僅可以生產高速熱軋盤卷，還可以生產直條棒材。產品尺寸最小直徑為5 mm，最大到40 mm，產品覆蓋面寬，產品附加值高。

3.3 成本優勢

該工藝由于采用無頭連鑄連軋工藝、控軋控冷工藝和緊湊式短流程生產布置，因此其具有極大的工序成本優勢。經分析得出，該工藝的工序成本大約是傳統工序成本的50%，金屬收得率提升至99%，是一個值得關注和期待的新工藝。

4 結論及建議

4.1 結論

棒線材無頭連鑄連軋工藝是小型鋼廠的一項創新技術，它將小方坯和圓坯連鑄和棒線材連軋融合為一體，運用高拉速連鑄機、高速連軋機實現了無頭軋制，它代表了當前棒線材軋鋼生產線的最高水平。該技術能夠實現從鋼水到鋼材最終產品的不間斷連續生產，實現了高速連鑄機與連軋機設備的直接連接，將煉鋼、連鑄和棒材、高線生產線結合為一個整體。該工藝技術生產高效、自動化程度高、節能環保，是將來棒材線發展的方向。在未來鋼鐵行業不斷向節能環保、生產高效低耗、產品高品質方向發展的進程中，該工藝具有核心競爭優勢。

4.2 建議

該工藝技術采用超緊湊的布置，實現了連鑄和軋制速度同步。隨著對鋼鐵產量和綠色發展的不斷要求，今后需要繼續提升連鑄機、軋機速度以及生產的穩定性，實現大產量高質量的連續生產。品種上，除了普碳鋼和低合金鋼外，還要繼續開發品種鋼的生產。同時在生產工藝中融入更多的數字技術，采用互聯網+和云技術平臺，繼續提升生產線的智慧系統，讓無頭連鑄連軋工藝為更多的棒線材鋼鐵企業提供服務。