長型材直軋技術應用實踐

徐 斌，陳文勇，趙永劭，劉可可

（河鋼股份有限公司承德分公司，河北 承德 067102）

1 前言

近年來，隨著我國對鋼鐵生產能耗和環保的要求日益嚴格，以及我國承諾在2030年前實現“碳達峰”，2060年前實現“碳中和”，業內掀起了開發低能耗軋制工藝的熱潮。作為國民經濟建設中廣泛應用的熱軋帶肋鋼筋，在傳統的熱軋生產中，鋼坯必須經加熱爐加熱到足夠溫度且溫度均勻后才能進入軋機進行軋制，以典型的棒材軋機生產能耗為例，用于鋼材軋制的能耗僅占總能耗的16.9%，而鋼坯加熱能耗占80%。因此，取消加熱爐，是大幅降低軋制工序能耗和生產成本的最有效的途徑，對鋼鐵行業實現節能減排、降本增效具有重要意義［1-2］。

2 技術可行性

傳統的長型材熱軋生產線，鋼坯需經二次加熱后軋制，且連鑄和軋鋼多分布在不同車間。而長型材免加熱直接軋制工藝中，需將切斷后的鑄坯快速送往軋線進行軋制。在直接軋制工藝中，鑄坯溫度越高，越有利于該工藝的順利實施。但連鑄過程中鑄坯溫度過高，可能會引起漏鋼事故。因此要實現直接軋制，一方面要合理提高鑄坯的溫度，另一方面要減少鑄坯在運輸過程中的熱量損失，以最大限度提高軋機入口鑄坯溫度。

3 工藝技術改造

3.1 連鑄機工藝設備改造

一般認為，拉速是影響鑄坯表面溫度的最主要因素之一，且拉速越高，鑄坯表面溫度越高。大量計算表明，拉速在2.0 m/min 以上時才能保證免加熱直接軋制工藝的順利實施［3］。如需提高拉速，必須使得凝固終點前移，保證足夠的安全距離（一般需＞0.5 m），可通過提高鑄機半徑，優化結晶器與二冷區的冷卻工藝制度等。

（1）對原連鑄機進行改造。將原來8 機8 流生產模式改為6 機6 流，定徑水口由17 mm 改為19 mm，拉速由1.8～1.9 m/min 提高至2.5～2.7 m/min，鑄坯切后溫度達1 050 ℃以上［4］。

（2）對連鑄機的配水系統進行優化。增加結晶器足輥及噴淋，將原來的手動配水改為自動配水。優化噴淋集管布置，改進二冷區冷卻制度［5］，在保證切割時鑄坯完全凝固的前提下，更好地利用凝固潛熱，提高鑄坯溫度。

3.2 出坯輥道改造

為了最大限度地提高軋制入口鑄坯溫度以實現直軋功能，對主要裝備進行改造。

（1）在原有出坯輥道末端，設計鑄坯快速直送輥道，建立鑄坯直送通道，提高鑄坯傳送速度，縮短鑄坯輸送時間，提高軋制入口鑄坯溫度。

（2）切前輥道、輸送輥道、直送輥道設置保溫裝置，以減少鑄坯輸送過程中散熱，提升出坯溫度。首先，拆除掉現有液壓站和加熱爐等輔助設施，連鑄坯快速直送輥道接續于原有出坯輥道末端，同時保留原有出坯方式；其次，重新設計輸送輥道，大幅提高鑄坯輸送速度，在切前輥道、輸送輥道、直送輥道上設置保溫罩；最后將出坯輥道末端固定擋板改為升降擋板，以實現直接熱送與原出坯方式間的切換。

3.3 增設電磁感應爐加熱

因產線地處承德地區，冬季環境溫度最低可達-30 ℃，鑄坯頭尾溫差最高可達100 ℃。為了降低頭尾溫差導致的產品性能波動，選用了占地面積較小的電磁感應爐，對鑄坯頭部進行智能補溫，尾部快速通過感應爐，確保頭尾溫差控制在50 ℃以內，具體實施情況如表1所示。由表1可以看出，承鋼直軋生產線溫度控制穩定，鑄坯出感應爐后頭尾溫差10～50 ℃，改善了頭尾溫差問題。

表1 鑄坯經感應爐補熱后頭尾溫度 ℃

3.4 高拉速、高傳輸速度

高拉速和高傳輸速度是保證軋制入口鑄坯溫度的前提。為了保證鑄坯溫度滿足免加熱直接軋制工藝的要求，提出了一種對鑄坯溫度進行在線控制拉速、中包溫度和環境溫度來自動設定二冷各段配水量的“拉速關聯配水法”和以實測表面溫度與目標溫度差值來修正二冷各段配水量的“溫度反饋控制法”結合在一起的在線配水方法，既考慮了生產工藝條件對鑄坯凝固傳熱過程的影響，又可以保證關注點的鑄坯表面溫度在允許范圍內。優化配水方法后，拉速由1.8～1.9 m/min 提高至2.5～2.7 m/min。在連鑄機產能不變的前提下，鑄坯表面溫度可以提升50～60 ℃。鑄坯切后溫度達1 050 ℃以上，重新設計輸送輥道，出火切機部分和出坯輥道前采用單流集中傳動，其余部分采用4流共用長輥結構，輥身利用現有設備，傳動裝置重新設計，提高鑄坯輸送速度至4～5 m/s，以縮短鑄坯輸送時間，提高軋制入口鑄坯溫度。

3.5 感應爐頭部加熱技術

為克服連鑄坯軋制工藝中因連鑄坯表面溫差過大影響軋材性能穩定性之缺陷，進而提供一種能夠在線控制連鑄坯表面溫度差穩定軋材性能的方法，在不影響直接軋制節奏的情況下，有效縮小連鑄坯長度方向表面溫度差，進而提高軋材的性能穩定性，根據鑄坯溫降重點對鑄坯頭部1/3 處進行補熱而非全部鑄坯補熱的生產工藝方法，對降低能耗、提產、降低生產成本起到了顯著效果。其步驟如下：

（1）連鑄工序連鑄坯切割后首先通過輥道輸送至粗軋機前的表面溫度控制裝置進行補熱調溫。

（2）在輥道輸送過程中通過鑄坯表面溫度檢測情況，重點從距離連鑄坯頭部至1/3 定尺長度之間的部位開始調溫，縮小連鑄坯長度方向上的表面溫度差。

（3）經過在線溫度調整后的連鑄坯進入至軋機進行軋制。

3.6 逐支單流坯料跟蹤

本功能由熱金屬檢測器、PLC 控制系統、IME人機交流界面、PDA系統組成。熱金屬檢測器安裝在輥道上特定位置，根據鋼坯的速度和發送順序、時間，實現鋼坯的逐支位置定位與跟蹤。PLC控制系統采集熱金屬探測器的信號進行邏輯運算，自動跟蹤鋼坯的位置和發送自連鑄工序第幾個鑄機流。人機交流界面實現全流程所有連鑄坯的逐支實時位置的即時顯示。PDA系統對數據進行記錄，根據PDA 系統的歷史紀錄，以時間為軸，可以跟蹤連鑄坯到軋機的各項工藝參數并儲存記錄，實現連鑄機的生產狀態與軋機的生產狀態縱向實時調度；同時建立大數據庫，為產品的性能預報提供數據支撐。

3.7 高效率生產

3.7.1 匹配鋼、軋工序產量

研究現有裝備條件下可實現的軋鋼生產線不同規格、產品的軋制速度范圍以及鑄機拉速范圍，提高軋制速度或鑄機拉速，使鋼軋工序機時產量相匹配，并通過優化連鑄開澆頭一爐的冷卻工藝，當鑄坯過切割槍后更換大水口，提高鑄坯溫度至滿足送鋼要求，降低鑄坯下線數量、縮短軋機待料時間。優化軋制速度、鑄機拉速后的機時產量見表2。

表2 優化軋制速度、鑄機拉速后的機時產量

3.7.2 優化軋輥材質

免加熱直軋工藝與傳統加熱爐加熱的生產方式相比軋件溫度較低，軋件在各架次軋機的變形行為出現極大變化，這就導致各架軋輥的磨損速度和單槽軋制量也發生了變化。對不同規格鋼種線上軋槽的壽命周期進行統計，摸索現行工藝下普通軋輥、高氮鋼軋輥、高速鋼軋輥的單槽軋制量，優化軋輥材質使各架軋槽的上線壽命趨于一致，集中更換軋槽，減少換槽、換輥時間。不同規格各架軋輥材質及換槽周期見表3。

表3 不同規格各架軋輥材質及換槽周期

4 實施效果

4.1 直軋率提升

通過對連鑄機改造、二冷配水、高速輥道改造、感應爐控制以及連鑄坯的智能化跟蹤等工藝技術的改造，提高了設備安全和工藝穩定，使直軋產線自動化、智能化水平得到了一定提升，使連鑄機與軋線產能更好的匹配，提高了軋機作業率。期間軋線產量46 792 t，平均小時產量為105.4 t，平均班產843.2 t，平均日產2 529.6 t；其中23個班次班產超過1 000 t，最高班產1 282 t；連續7 d日產3 000 t以上，最高日產3 207 t。軋線因各種因素累計停機3 315 min，直軋率83.76%。

4.2 直軋能耗降低

直軋項目實施前，軋線工序能耗為41 kgce/t以上。改造實施后，能耗降低34.92 kgce/t。軋鋼工序能耗差值對比見表4。

表4 改造前后軋鋼工序能耗差值對比 kgce/t

4.3 直軋產品性能穩定

直接軋制產品性能穩定，對以下各種工藝條件軋制試驗的HRB400 熱軋帶肋鋼筋產品進行取樣。與常規軋制工藝相比，免加熱直接軋制工藝對產品的晶粒有一定的細化作用，其中頭部晶細化較為明顯（見圖1）。觀察其金相組織并對其取樣進行力學性能分析，結果見表5。從表5 可知，晶粒度的變化規律與鋼坯開軋溫度變化的規律一致，即溫度較低的頭部軋制成材后晶粒較細，溫度較高的尾部軋制成材后晶粒較粗。數據表明，用直接軋制工藝生產的高強抗震帶肋鋼筋各項性能指標均滿足國標要求。

圖1 不同軋制工藝條件下的金相組織

表5 產品取樣分析結果

5 結語

采用長型材直接軋制工藝生產建筑用帶肋鋼筋完全可行，在降低生產成本和節能降耗、減少廢氣排放方面具有明顯的優勢。本產線通過對設備、工藝的改造以及自動化、智能化應用，產品性能均勻穩定，能耗降低34.92 kgce/t，直軋率達到83.76%。