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薄板坯连铸连轧与传统板带轧制的区别
论薄板坯连铸连轧与传统板带轧制的区别
1世界热轧板带生产工艺现状
世界现有热轧板带轧机约160余台套,总生产能力约3.4亿t/a。
这些轧机大多数是以连铸板坯为原料(200~250mm)。
其中,采用半连轧工艺的轧机70余台套,采用全连轧工艺的轧机60余台套,采用炉卷工艺的轧机30余台套。
已建和准备建设采用薄板坯连铸连轧工艺的轧机约30台套,其中美国7台套,欧洲5台套,亚洲15台套,中国3台套。
薄板坯连铸连轧工艺由于其流程短、投资较低、能耗低、劳动生产率高等特点,受到国际钢铁界的普遍重视。
自1989年第一套生产设备投产以来,其推广应用的速度很快,截止2001年12月,全球已建立了36条生产线,共54流,其生产能力到了5500万吨/年,其中包括CSP,ISP,FTSR,CONROLL等工艺[1]。
2薄板坯连铸连轧主要生产工艺及特点
2.1CSP技术
CSP(CompactStripProduction)即为紧凑式板带生产工艺,是由德国施罗曼·西马克(SMS)公司研究开发的薄板坯连铸连轧技术。
世界第一条CSP生产线于1989年在美国的纽柯公司建成。
目前,CSP技术建成有38台CSP连铸机在内的24条CSP生产线,广泛分布在北美、南美、欧洲、亚洲、非洲等世界各地,生产能力达到3900万吨/年。
CSP技术的主要特点是采用立弯铸机、漏斗形结晶器,最初的铸坯很薄,一般为40-50mm,采用5-6架精轧机,成品带钢最薄为1-2mm。
为了提高生产能力和改进铸坯质量,铸坯厚度增加到70-90mm。
随着第二代CSP技术配置和产品质量得到进一步改善;所生产的钢种数量不断增加,如奥氏体和铁素体不锈钢及电工钢;新轧制规程使微合金细晶粒钢和微合金管线钢的生产成为可能;第二代双流连铸CSP年生产能力已达到250-300万吨。
新建生产线中普遍采用了高压水除鳞、液芯压下、结晶器液压振动、第一架精轧机前加立辊轧机、板型和平直度控制等多项新技术。
2.2ISP技术
ISP(InlineStripProduction)即在线板带生产工艺,是德国曼勒斯·德马克公司(MDH)开发的薄板坯连铸连轧技术。
ISP工艺生产线布置紧凑,不使用长的均热炉,总长近180m,是目前最短的薄板坯连铸连轧生产线,从钢水变成热轧带钢仅需20-30min,可以生产低碳钢、高碳钢、深冲钢、结构钢、管线钢、不锈钢等。
ISW工艺技术含量高,液芯压下、大压下轧机、感应加热等都有特色,但设备复杂,对管理及技术水平要求较高。
2.3FTSR技术
FTSR(FlexibleThinSlabRolling)即灵活性薄板坯轧制工艺,是由意大利达捏利(Danieli)公司开发的薄板坯连铸连轧技术。
2.4CONROLL技术
CONROLL技术是由奥钢联(VAI)开发的薄板坯连铸连轧工艺。
CONROLL技术特点是采用平行板直结晶器,结晶器出口处板坯厚70mm,由于铸坯在结晶器内未变形,因此具有良好的表面质量。
该铸机浇铸板坯厚度75一125(150)mm。
另外,由于板坯断面积大,故可采用较低的拉速,降低结晶器的磨损,减少拉漏率;在卷重相同的情况下,板坯定尺短,输出辊道、加热炉长度均较短。
2.5几种薄板坯连铸连轧工艺生产特点
经过上述对几种典型薄板连铸连轧工艺技术的分别介绍,对比其主要工艺特点如表2.1所示。
表2.1几种薄板坯连铸连轧技术的主要特点
3薄板坯连铸连轧工艺与传统板代轧制工艺的比较
3.1对热轧带钢轧机工艺方案的比较与选择
热轧宽带钢生产线,根据连铸坯厚度、轧机布置和能力等,可分为常规热连轧、中厚板坯连铸连轧、薄板坯连铸连轧。
3.1.1常规热连轧生产线
常规连轧工艺通常是采用200~250mm厚板坯为原料,经过多机架连轧出1.25~25mm厚成品板带。
常规连轧工艺又可分为全连轧工艺、3/4连轧工艺、半连轧工艺和炉卷工艺几种,目前以3/4连轧和半连轧工艺居多。
常规板带轧制工艺已成熟,基本上实现了计算机在线控制下的高速化、连续化、大型化和高精度,在控制产品质量上,实现了在线板形、板厚和板宽的自动控制。
这种常规连轧工艺经济规模多在200~400万t/a。
其优势是生产灵活、适应面广、高质量、高产量、多品种,所不足的是设备投资大。
常规热连轧以厚板坯为原料,主要特点是
(1)生产能力大;
(2)产品品种规格范围宽、产品精度高、质量稳定,规格可覆盖全部板材产品;(3)生产效率高、成材率高、自动化程度高;(4)压缩比大于其他轧制工艺;(5)工艺生产环节多、工艺流程长、占地面积大、能耗高,所以生产成本相对较高;(6)生产优质高档产品时,需配备技术含量高的精炼、连铸等设施,投资相应增加;(7)生产超薄规格带钢难度大、成本高[8]。
目前,这种生产工艺仍是大型或特大型钢铁联合企业建设热轧带钢生产线的首选。
3.1.2薄板坯连铸连轧生产线
薄板坯连铸连轧以薄板坯(50-90mm,有增厚趋势)为原料,主要特点是
(1)生产能力偏低,适合中型钢铁企业生产板材;
(2)布置紧凑、设备重量轻、流程短、占地少、能源和动力消耗少,因此运行成本低;(3)可应用半无头轧制技术,批量生产超薄规格热带,实现以热代冷;(4)生产一般用途板材和超薄带钢有较强的市场竞争力;(5)产品压缩比较小、质量一般、规格品种受到一定限制。
薄板坯连铸连轧生产线,目前其产品只能覆盖板材品种的70%一80%,汽车和家电面板、超深冲板、部分高碳钢板和奥氏体不锈钢等还处于研究阶段。
鉴于此,世界上已投产的40多条薄板坯连铸连轧线,中低档产品约占80%。
3.1.3两种轧制工艺的比较
常规厚板坯连铸连轧、薄板坯连铸连轧与中厚板坯连铸连轧的比较见表3.1
表3.1三种热带连铸连轧比较比较项目
3.2生产规模及产品质量
3.2.1生产规模
到目前为止薄板坯连铸连轧工艺生产规模一般为50万吨~200万吨。
当设置一台薄板坯连铸机与热连轧机相配时,需视铸坯厚度、宽度及轧制成品以及冶炼工序、炉容量及炉子座数的配置而定。
当二台薄板坯连铸机与热轧机相配时,一般年产量在150万吨~200万吨。
薄板坯连铸连轧工艺一般宜用于中、小钢铁厂的建设。
3.2.2生产品种及质量
一般而言,常规生产工艺生产的品种,薄板坯连铸连轧工艺均能生产,目前已生产的钢种有低、中、高碳的优质碳素钢,其中要求高深冲性能的钢板也已能生产,部分带钢表面质量已达到05级。
此外,微合金化钢、铁素体不锈钢、硅钢亦能生产,但至今尚未见到大规模生产不锈钢的报导[4]。
3.3几种宽带钢生产工艺投资情况
仅以常规宽带钢生产工艺单位投资为100%,与其它工艺相比较。
常规多流连铸机+连续热带钢轧制工艺(供200mm厚板坯,80%热装率)其最经济规模是年产280万t以上,其设备的基建投资包括机械、电气等是全厂总投资的48%。
采用薄板坯连铸工艺,可以省掉粗轧和节能,这样可减少投资和降低生产成本。
若保证连轧机组经济规模,则必须至少2~4台薄板坯连铸机供坯才能满足,这样就会因增加连铸机台数和保温炉而与前面因省掉粗轧和节能减少的投资相抵消。
因此若采用薄板坯连铸工艺,其后需配单线连轧才能显现其经济性,而单机单流薄板坯连铸机能力一般80~120万t/a。
为其经济性,整个生产线一般是按连铸能力平衡。
采用CSP工艺,产量为80万t/a时,其单位投资是常规工艺的78%。
采用ISP工艺,产量为80万t/a时,其单位投资为常规工艺的60%。
3.3以CSP工艺为例与传统轧制工艺相比
3.3.1凝固与轧制过程的不同
把连铸和轧制衔接起来的工艺与传统工艺进行对比,这种新工艺有许多的组织现象。
薄板坯近终形浇铸产生良好的细化铸造组织,显微偏析小,组织细小且分布均匀。
板坯厚度减小,提高冷却速率,可减小二次枝晶间距。
在直装中,轧前原始奥氏体晶粒比传统工艺再加热后的晶粒尺寸要粗大。
直接轧制工艺取消了
相变温度区的中间冷却,热轧变形是在粗大的奥氏体组织上直接进行;而传统的所谓冷装或热装工艺,通过中间冷却的
相变过程,形成较为细化的新的奥氏体组织。
为了把粗大的奥氏体组织转变成细小的最终组织,对于直轧工艺需要确定合适的总变形量。
对于采用50mm厚的板坯而言,这个变形量比传统工艺厚板坯轧制的总变形量小,从这个角度讲,不利于减轻粗大铸态奥氏体组织及可能发生收缩带来的危害,从而导致粗大的结晶奥氏体组织和
相变后的粗大不均匀的铁素体组织,所以薄板坯连铸连轧的性能的提高有一定困难。
CSP工艺的压下规程安排也与传统生产方法有一定的区别,虽然总变形量小,但每道次的变形量较大,是传统工艺道次变形量的2倍左右。
通过优化工艺参数,使直轧工艺在总变形量较小时,仍可以获得与厚板坯冷装工艺相当的性能[2]。
a)薄板坯连铸连轧工艺流程
b)传统工艺流程
3.3.2第二相粒子的析出行为不同
在连铸连轧生产时,为了细化粗大的奥氏体晶粒,就不得不进行多次晶粒细化过程:
为了细化晶粒,必须发生完全再结晶。
奥氏体的再结晶行为可以通过加入微合金元素得以改善。
与传统工艺相比,薄板坯连铸连轧工艺具有独特的微合金元素行为,这是由于铸坯凝固后较高的冷却速度以及直装铸坯温度,使合金元素在溶解和析出过程中表现出来的行为与传统工艺不同,即可由碳、氮化合物溶解和沉淀强化的不同作用来解释[2]。
微合金元素在CSP工艺热轧开始前,在奥氏体中几乎完全溶解,不像传统生产工艺的板坯因冷却而析出,具有全部微合金优势,可用于奥氏体晶粒细化和最终组织的析出强化,所以会对最终产品的性能产生重要的影响。
在传统工艺再加热前的冷却过程中,部分合金元素己经以碳化物和氮化物的形式析出,随后因有限的加热温度,仅有少部分元素及化合物能够溶解,所以损失了一部分可细化奥氏体晶粒和最终沉淀强化的微量元素及第二相粒子。
3.3.3辊道上的传输速度不同
CSP线与传统热轧工艺的板带在传输辊道上的传输速度有较大差异。
例如在轧制1.0~2.0带材时,带材在输出辊道上的极限运行速度约为12.sm/s(传统速度20m/s左右)。
因为传输速度的差异,随后的冷却形式和卷取温度也因之而发生变化,从而进一步影响着板带组织的结构、状态和最终性能。
基于上述原因,薄板坯连铸连轧工艺与传统热轧工艺不同,必须对最终组织与析出物生成有直接关系的均热、压下规程和冷却等工艺参数给予高度重视。
3.3.4高效除鳞技术
在整个轧制过程中板坯始终处于很高的温度下,没有传统板坯温度下降到室温的过程,并且加热时间和板坯出加热炉到进入出鳞机时间很短,薄板坯温降很小,氧化铁皮在板坯表面薄且粘,很难去除,因此用薄板坯生产的热带,表面质量一直是一个较难解决的问题。
西马克公司开发的与薄板坯连铸连轧设备配套的高压小流量高效除鳞设备,压力达35-45MPa。
整个CSP生产线是一个系统工程,它涉及到各种设备的技术参数、材料的特性、材料的冶炼和轧制规程的设定等。
这种复杂的关系标志着CSP线的技术优势和发展潜力,为研制和开发新钢种及生产各种用途的优质产品提供了条件。
综上所述,CSP生产线有其独特的特点,并不是传统热轧生产的补充或简单改造,因而具有研究的价值和必要性。
3.4CSP工艺与传统工艺的不同热历史
CSP工艺过程与传统工艺的最大不同在于热历史的不同,从图3.1中可以看出:
在薄板坯连铸连轧工艺中,从钢水浇注到板带成型,板坯经历了由高温到低温,由
转变的单向过程,而传统连铸连轧工艺板坯的热历史为
过程。
目前,在CSP连轧技术中,均热采用直通式辊底隧道炉,冷却采用层流快速冷却技术,而且精轧机组与均热炉紧密衔接,采用大压下和高刚度轧制等,这些都是现代薄板坯连铸连轧的工艺特点之一。
这些关键技术及其独特的热历史及变形条件与过程决定了其再结晶、相变以及第二相粒子析出过程、状态和条件不同,影响着板带组织的结构、状态和最终性能。
图3.1薄板坯连铸连轧与传统连铸连轧工艺热历史比较
3.4CSP热轧板与传统热轧板力学性能和显微组织的对比分析
对于CSP工艺和传统工艺而言,由于工艺的不同,所以尽管低碳钢的成分一致,但是力学性能却存在着一定的差异,特别是CSP热轧带钢的屈服强度和屈强比要明显高于传统工艺热轧带钢。
本章的目的是在试验用钢成分一致的情况下,统计其力学性能上的差异,并试图从微观组织上进行解释。
各带钢试样除CSP热轧带钢SPHE外,均具有比较明显的屈服现象,并且都具有很好的塑性。
这符合热轧低碳钢板的基本特征。
在化学成分和钢板厚度基本一致的情况下,CSP工艺生产的热轧板的屈服强度、抗拉强度和屈强比明显要比传统工艺生产的热轧板要高,但是其延伸率却要低于后者。
CSP工艺生产的Q345B钢带与传统热轧生产的钢带相比,屈服强度较高,而抗拉强度较低,所得到的屈强比较大,且伸长率较大[6]。
3.4.1显微组织的对比分析
利用光学显微镜在常温下观察CSP轧制工艺和传统工艺生产的各带钢试样的组织,对比以上金相照片可以发现:
两种轧制工艺所生产的低碳钢热轧板的组织均为铁素体和微量的珠光体,但是由于含碳量比较低的原因,绝大多数地方并看不到珠光体组织的存在。
CSP工艺生产的热轧带钢SPHC和SPHE的铁素体晶粒比传统工艺所生产的热轧带钢的相同牌号的铁素体晶粒要略显粗大,但是两种工艺所生产的SPHD的晶粒却基本一致。
另外,CSP工艺生产的低碳热轧板的铁素体晶粒基本呈现不规则的多边形,大小不均匀,差别比较大;而后者虽然也呈现多边形,但是相比较而言,大小更加均匀。
其生产的低碳热轧钢板的强化机制与常规热轧工艺的强化机制有很大的不同,常规热轧工艺生产的低碳钢的屈服强度只取决于钢的成分和晶粒大小。
CSP工艺生产的热轧板的晶粒尺寸范围比传统工艺的更大,且前者的晶粒大小更不均匀。
产生这种现象的原因与CSP工艺的轧制流程有着很大的关系,CSP工艺中,从铸坯到热轧板的厚度变化是从70mm到3mm,而传统工艺是从250mm到3mm,后者的压下量要明显大于前者,所以在轧制过程中经历了更多的动态回复再结晶,从而获得了更为均匀的组织。
CSP工艺所生产的热轧带钢中观察不到明显的珠光体的存在,而传统工艺所生产的热轧带钢中,在铁素体晶界上分布着少量层状的珠光体。
珠光体的分布范围占晶界的而积特别小,从而对塑性变形时位错滑移的阻碍也特别小,由此引起的强度的变化也很小。
扫描电镜观察表明,传统工艺热轧板中存在着少量的珠光体片层组织。
同时CsP工艺下热轧板的拉伸断口显示其中有一定的弥散析出物。
EBSD分析表明,尽管传统工艺下的热轧板中含有更多的亚晶,但是由于亚晶结构对强度的影响有限,使传统工艺的热轧板的屈服强度并没有随着亚晶的大量出现而增高[2]。
CSP工艺热轧带钢的织构不明显,而传统工艺的织构比较明显。
经过分析,前者中存在的织构主要为{110}<112>,后者主要为{112}<110>织构。
3.5CSP薄板坯连铸连轧辊底式加热炉
传统的连铸坯冷装炉工艺,简称CC-CCR,是指连铸坯冷至常温后,再装炉加热后轧制。
其缺点是:
铸坯存放占用厂房面积大;铸坯内部热量无代价地损失掉,轧制工序能耗高达1.25~1.67GJ/t。
连铸坯的低温热送热装工艺,简称CC—
HCR,是指连铸坯装炉的温度在300~700℃,经加热后轧制。
与CC-CCR相比,只是利用了铸坯内部的部分热能,装炉温度愈高,则节能愈多,在500℃热装时,可节能0.25GJ/t;在600℃热装时,可节能0.34GJ/t。
连铸坯热装多采用保温罩、保温车或保温坑作为缓冲和保温设备。
连铸坯高温热送热装工艺,简称CC—
HCR,是指连铸坯的热装炉温度介于α再结晶温度和再结晶温度之间。
虽然比CC-HCR较多地利用了铸坯的潜在热能,但容易产生混晶组织,对钢材的组织性能及其表面质量不利。
连铸坯直接热装轧制工艺,简称CC-DHCR或
HCR,是指连铸坯装炉温度在800~950℃,即未经
→α相变,在奥氏体状态下装炉。
连铸坯先经切断,大多采用在保温罩内以辊道输送的方式装入加热炉,再加热后进行轧制。
其优点是:
铸坯热装炉温度高,比一般热装炉(HCR)进一步节能0.19GJ/t,即比冷装节能0.63GJ/t;比一般热装炉进一步缩短了生产周期。
缺点是如输送辊道较长,铸坯温度在装炉前仍有所下降;铸坯未经
→α相变,原始奥氏体晶粒比较粗大,轧制工艺不当往往使钢材韧性降低。
连铸坯的直接轧制工艺,简称CC-DR。
是指连铸坯出连铸机并经切断后,不入加热炉加热,或略经均温及边角补偿加热,即直接入轧机进行与连铸基本上是同周期而不同步的轧制。
该工艺生产线紧凑,充分地利用了铸坯的热能,如果没有可靠的缓冲设施,各道工序相互牵连制约,一旦某道工序出现问题,将造成全线停产。
连铸板厚度在70mm以下时,辊底式加热炉是CSP生产线的最佳选择;当铸件厚度≥90mm时,应该考虑采用步进式加热炉。
当CSP辊底式加热炉的长度受到限制时,铸坯厚度≥70mm时,应该考虑双面加热。
两流组织生产时的板坯过渡型式,旋转摆动式优于水平横移式[7]。
4薄板坯连铸连轧生产工艺的优越性
随着冶金工业的发展,冶金新技术和新工艺在不断涌现。
薄板坯连铸连轧技术是20世纪80年代中期钢铁工艺的重大成果之一。
该生产工艺线与传统的板坯连铸及热带连轧生产工艺线相比,其优越性主要表现为:
(1)缩短了生产周期(仅为常规流程的1/6);
(2)减少厂房面积和设备重量(仅为常规流程的2/3~1/3);
(3)降低加热能耗(比常规流程的800C热装节能1/3);
(4)提高劳动生产率(作业时间从常规流程的5小时缩短到0.5小时,人员仅为常规流程的13%);
(5)降低投资成本(可减少50%以上);
(6)可进行钢种和质量要求不同的小批量生产;
(7)凝固速度快,板坯铸态组织细而致密,避免了中心疏松,改善了钢材质量,也可通过快速凝固创出新材质;
(8)使生产一些难轧制材料薄板成为可能。
因此,薄板坯连铸连轧技术是21世纪保持钢铁行业竞争能力的强有力手段之一。
参考文献
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[3]董志洪,李立复,板带生产工艺现状及其发展趋势[J].钢铁,1999(11).
[4]金渭民,陆朝勇,柳希明,薄板坯连铸连轧工艺技术的发展[J].钢铁技术,2001(06).
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