低碳高效的螺紋鋼生產工藝實踐

朱鳳泉，倪 磊，王志波，舒樂意，潘天成，陳志強

（1.中冶華天工程技術有限公司鋼鐵設計研究總院，安徽 243061；2.山東鋼鐵集團永鋒臨港有限公司，山東 276613）

0 引言

螺紋鋼是熱軋帶肋鋼筋的俗稱，是國民經濟建設中廣泛應用的基礎材料之一。從工信部網站新聞了解到2020 年中國的鋼產量為13.25 億噸，其中螺紋鋼產量約2.6億噸，占全國鋼產量的19.6%。目前國家明確提出力爭2030 年前二氧化碳排放達到峰值，努力爭取2060 年前實現碳中和的目標，因此，碳減排是鋼鐵行業實現可持續發展所面臨的最大挑戰[1]。另外由于國內鋼鐵行業同質化競爭激烈，導致了鋼鐵企業生存的關鍵是對產品生產成本的控制。因此，從鋼鐵廠生產成本方面以及碳減排的宏觀國家政策方面考慮，都需要開發一種低碳高效的螺紋鋼生產工藝。目前，我國棒線材生產節能減排高效生產技術主要是以降低能源消耗、減小合金用量為目的，涉及的技術包括：多線切分軋制技術、直接軋制技術、熱裝熱送技術、低溫軋制技術、無頭軋制技術等[2]。直接軋制技術由于直軋率不高、產線年產量低，因此現階段應用不廣泛[3-5]。而在低溫軋制技術中仍然無法解決多切分高產能生產下的控軋技術[6]。

本文在滿足生產廠高產能的要求下，提出了一種全新的低碳、高效螺紋鋼生產工藝。該工藝以直接軋制和熱送來降低能源消耗，實現碳減排；以多線切分生產方式下的控軋控冷來降低坯料合金用量，實現降本增效。

1 高產量的多線切分工藝

目前螺紋鋼生產主要包括：多線切分、單線高速棒材、雙線高速棒材三種工藝。多線切分工藝即通過切分（五切、四切、三切和二切）工藝生產螺紋鋼。表1 為三種螺紋鋼生產方式對比表，由表1 中可以看出多線切分工藝具有高產能的特點。

表1 三種螺紋鋼生產方式對比表

2 螺紋鋼直軋和熱送工藝

有研究表明，典型的螺紋鋼生產過程中，鋼材軋制的能耗僅占總能耗的16.9%，而鋼坯加熱能耗占80%[7]。因此，采用直接軋制可以免去加熱爐加熱工序，不需要消耗煤氣；采用熱送工藝可以減少煤氣消耗。上述兩種技術都能大幅度降低軋制工序能耗和二氧化碳排放量，實現低成本生產和碳減排的目標。

2.1 直軋工藝存在的問題

連鑄熱坯直軋工藝主要存在三個問題亟需解決[8]：鑄軋界面的銜接不匹配，影響連鑄坯直軋率和產量；連鑄坯頭尾溫差影響產品性能穩定性；直軋工藝缺少加熱爐工序，生產過程微合金碳氮化物的析出和再溶解過程強化效果不明顯。

螺紋鋼生產原料多為150mm×150mm 和165mm×165mm方坯，與之配套的連鑄機流數為6～8 流，連鑄機拉速為2.5～4m/min。取連鑄機拉速3.3m/min，估算連鑄機在不同坯型、不同流數下的小時產量，如表2 所示。對比表1 與表2，多線切分工藝下的生產線與連鑄機的小時產量相對比較匹配，可以有效的增加直軋率。

表2 不同流數的連鑄機平均拉速生產的小時產量/t·h-1

而在現實生產中，由于各個鋼廠煉鋼-連鑄-軋鋼之間的銜接以及布局有差別、連鑄機結晶器的更換與軋線換輥的周期不一致、連鑄與軋線的生產方式及效率都不相同等因素影響，必然會產生下線冷坯。

2.2 直軋和熱送工藝及其改進措施

2.2.1 直軋和熱送工藝

因此，為了滿足生產需要，需將直接軋制+熱送+冷坯生產工藝結合起來。當熱坯通過保溫在950℃左右時，可進行直接軋制；當冬季或外部環境使鑄坯溫度在降至300～850℃時，可進入加熱爐補熱、均熱，使其溫度達到1000℃左右時進行軋制；因生產節奏及故障等因素產生的冷坯以及外購坯集中到一定數量時，可通過加熱爐加熱進行生產。其爐區布置簡圖如圖1所示。

圖1 生產線爐區布置簡圖

2.2.2 改進措施

（1）為解決坯料在運輸過程中的溫降以及連鑄坯頭尾溫差問題，采取單支鋼坯進入直軋輥道措施，減少鋼坯從出坯通道到直軋通道的運輸時間，同時在所有運輸輥道上加裝保溫罩，減少運輸過程的溫降。

（2）為了解決鋼坯在弧形輥道運輸中鋼坯彎曲問題，在坯料進加熱爐前增設一臺矯直機，通過矯直機矯直，將坯料側彎控制在0.5%以內。

（3）為了解決直軋過程中坯料無加熱，微合金碳氮化物的析出和再溶解過程強化效果不明顯問題，開發出了在多線切分生產方式下的控軋控冷技術，使得坯料減少或不用微合金元素，從而避免了坯料通過加熱使得微合金碳氮化物析出產生強化效果。

2.3 直軋和熱送工藝生產實踐

此直軋及熱送工藝在某廠已經投入使用，現場照片如圖2 所示。該生產線位于中國偏北方，春、夏、秋季采用直軋工藝，冬季采用熱送工藝，直軋率約為75%，熱送率約為20%（冬天采用熱送工藝），冷坯加熱約5%。

圖2 現場照片

表3 為不同生產方式下對應的噸鋼CO2排放量。高爐煤氣熱值按3763kJ/m3計，折合標準煤0.1286 kgce/m3；標準煤二氧化碳排放量按2.456tce/t 計（國家發改委推薦值）；直軋時噸鋼電耗比加熱軋制高5kWh/t；每度電排放CO2按0.928kg/kWh 計。通過計算，該產線每噸鋼CO2排放量為23.036kg，比全冷坯生產CO2少排放94.8kg，比全熱送生產CO2少排放31.62kg，綜合（與冷坯與熱送比為1：1 對比）噸鋼CO2少排放63.2kg，節能減排效果顯著。

表3 不同生產方式下對應的每噸鋼CO2排放量

3 多線切分生產方式下的控軋控冷工藝

3.1 螺紋鋼控軋控冷原理

螺紋鋼產品新國標編號是：GB/T 1499.2-2018，標準對鋼筋的金相組織要求為鐵素體加珠光體，基圓上不得出現回火馬氏體組織。也就是說，符合標準的建筑用鋼筋應同時應滿足以下要求：即產品的組織形式以鐵素體加珠光體為主，不能存在影響使用性能的其他組織；晶粒度下限為9級。

3.1.1 控軋

螺紋鋼的控制軋制是通過對變形溫度和累計變形量的合理控制，以便軋制時增加鐵素體相變核，結合軋后分級冷卻，以獲得相變組織的微細化，提高鋼材的綜合力學性能。

控制軋制第一階段：軋件在第一精軋機組，溫度控制在900～950℃間軋制，此時螺紋鋼處在奧氏體相的未再結晶型區，其累計變形量為60～75%；控制軋制第二階段，軋件通過第二精軋機組進行終軋時，軋件的表面溫度控制在Ar3 附近（800～850℃），其累計變形量為35～50%。變形奧氏體的晶界是奧氏體向鐵素體轉變的有利形核部位[9]，在二階段的控制軋制過程中，軋制溫度控制在奧氏體未再結晶型區，經過多道次軋，制奧氏體晶粒被拉長，變形帶的數量增多且分布均勻，提供了更多的相變時的形核地點，為后續相變產生細小均勻的鐵素體晶粒創造了良好的條件。

3.1.2 控冷

軋后采用分級冷卻方式[10]，對控制軋制后的軋件施以控制冷卻，保證鋼筋基圓截面組織為珠光體加鐵素體，避免鋼筋基圓截面出現馬氏體組織或其他低溫組織。將晶粒尺寸和鐵素體組織占比量控制在合適的范圍內，確保鋼筋力學性能和組織形態滿足國家標準要求。

綜上所述，控制軋制的關鍵因素有兩點：一是累計變形量，二是變形溫度。累計變形量主要與孔型系統、軋制道次數量和每道次的變形量有關；變形溫度的控制主要與水冷線的布置以及水箱冷卻能力有關。

3.2 傳統多切分工藝下控制軋制工藝

傳統多線切分工藝精軋孔型為平輥→立箱孔→預切分孔型→切分孔型→平輥→成品孔型，其控軋孔系簡圖如圖3 所示。水箱布置在精軋前，這樣水冷后的變形為精軋6 道次，累計變形量遠遠大于50%，同時精軋孔型中包含預切孔型和切分孔型，屬于不規則變形，軋件難于冷卻均勻，不利于控制軋制的效果。

圖3 傳統多切分控軋孔系簡圖

3.3 改進后多切分工藝下控制軋制工藝

3.3.1 改進方案（一）

改進后的精軋孔型為平輥→立箱孔→預切分孔型→切分孔型→橢孔→圓孔→水箱→橢孔→成品孔，其控軋孔系簡圖如圖4所示。水箱布置在K3與K2 道次之間，控軋軋制主要在最后兩道進行，其累計變形兩在35～50%之間，且為橢圓孔系，變形均勻，完全滿足控制軋制理論，其冷卻軋件規格如表4所示。

圖4 改進方案（一）多切分控軋孔系簡圖

根據表4 所述，其冷卻軋件的料型為圓型，因此冷卻噴嘴設計為環形噴嘴，冷卻水成環狀，噴到軋件上，環形水縫可通過墊片調整大小。水箱內設計三通道形式，左右兩邊的通道用作兩線（Φ 20mm×2，Φ22mm×2，Φ25mm×2）軋件同時冷卻；中間通道用作單線（Φ28～Φ50mm）軋件的冷卻，其水箱結構示意圖如圖5所示。

圖5 改進方案（一）水箱結構示意圖

表4 改進方案（一）冷卻軋件規格

3.3.2 改進方案（二）

改進后的精軋孔型為平輥→立箱孔→預切分孔型→水箱→切分孔型→平輥→成品孔型，其控軋孔系簡圖如圖6所示。水箱布置在K4與K3道次之間，這樣也基本滿足變形溫度以及累計變形量的要求，其冷卻軋件規格如表5所示。

圖6 改進方案（二）多切分控軋孔系簡圖

根據表5 所述，其冷卻軋件的形狀為骨頭狀，因此冷卻噴嘴設計為矩形噴嘴，通過矩形的上下各一組噴嘴對軋件進行冷卻，以保證對軋件的冷卻均勻性。其水箱結構示意如圖7所示。

表5 改進方案（二）冷卻軋件規格

圖7 改進方案（二）水箱結構示意圖

3.4 軋后分級冷卻工藝

軋后分級冷卻方式是在傳統的一段控冷方式的基礎上加入了中間的空冷過程。空冷的主要目的是為了減小水冷后表面和心部的溫差。分級控冷過程溫度曲線圖如圖8所示，從圖8可以看出，分級控冷有效的減小了棒材在控冷過程中表面和心部的溫差，從而為獲得均勻一致的室溫組織創造了條件，避免表面產生低溫組織。

圖8 Φ25mm規格軋后分級冷卻橫截面上不同位置的溫度分布模擬結果

4 改進后控制軋制工藝實際應用

4.1 生產線軋機區域布置

軋機區域布置同時兼顧改進方案（一）和改進方案（二）兩種控軋控冷工藝，形成全規格、高產能下的控軋控冷工藝。生產線軋制區布置如圖9所示。

圖9 生產線軋制區布置簡圖

4.1.1 軋機布置

軋機共分4個機組：粗軋機組6架軋機、中軋機組4架軋機、棒材精軋-1機組6架軋機、棒材精軋-2機組3架軋機，全線共19架軋機。

4.1.2 穿水冷卻裝置布置

穿水冷卻裝置布置分為三部分：第一部分位于中軋機組最后一架軋機中心線至精軋-1 機組第一架軋機中心線之間；第二部分位于精軋-1機組最后一架軋機中心線至精軋-2 機組第一架軋機中心線之間；第三部分位于精軋-2機組最后一架軋機中心線至倍尺飛剪中心線之間，均由水箱及恢復段導槽組成。

4.2 新工藝生產棒材金相組織狀況

所有成品規格均從精軋機組后兩架或后三架軋出成品。在精軋-1機組前后設有預水冷裝置，實現控制軋制，為軋后相變提供了更多的形核地點；在精軋-2機組后設有分級穿水冷卻裝置，控制軋件軋后的冷卻速度，使得軋件表面不進入馬氏體和貝氏體轉變區域，基圓不出現回火馬氏體和異于基體的閉環組織，并且防止奧氏體晶粒快速長大。圖10為傳統工藝與新工藝成品金相組織對比，由圖10可以看出新工藝生產出的產品組織細密均勻，均為鐵素體與珠光體，未出現不利的組織。

圖10 傳統工藝與新工藝成品金相組織對比

5 結語

本分介紹我國棒線材生產主要的節能降耗技術，并對這些技術存在的不足進行了分析。同時在滿足生產廠高產能、低消耗的生產需求下，提出了一種全新的低碳、高效螺紋鋼生產工藝，并已成功應用在某鋼廠新建生產線上，完全達到了低碳高效的生產目標。

（1）該新工藝解決了在高產能下的螺紋鋼生產線實現直接軋制技術，實際應用的生產線日產在5500～5800t 之間，直軋率在75%，噸鋼CO2少排放63.2 kg。

（2）改進后的多切分控制軋制工藝提出了在多切分生產方式下的螺紋鋼控軋控冷改進技術，實現了生產400E螺紋鋼（Φ25mm規格以下）不添加微合金元素。