CSP-紧凑型带钢生产技术

zhd1998cn

编者按：薄板坯连铸连轧是生产热轧板卷的新一代工艺流程，突破了传统的工艺概念，采用了许多先进的新技术、新装备。它将热轧板卷的生产集中在一条短流程的生产线上，与传统工艺流程相比，在节约投资、缩短生产周期、提高成材率、降低生产成本等方面有明显优势，生产的钢种也不断扩大，生产高附加值产品比例逐渐上升。薄板坯连铸连轧是一项正在发展的技术，随着技术的不断完善，产品的范围还会进一步扩大。 本专版对薄板坯连铸连轧技术进展情况进行介绍，以飨读者。
　　前言
　　对于技术水平已经高度发达的产业，如钢铁行业，其技术创新是很少见的。的确如此，最新的一项持续改变钢铁行业的创新技术，就是由西马克公司在1989年以“紧凑型带钢生产”（CSP） 的名义引入市场的薄板坯技术。除了CSP 技术的优势以外，本文还将阐述客户对于CSP的不同需求，讨论选择性配置的理念以及对未来的展望。
　　1 CSP 技术的发展
　　1.1 20世纪80年代的钢铁行业
　　只有结合行业的大环境,才能更好的理解CSP 技术的发展。战后的大飞跃在20世纪70年代中叶嘎然而止，整个钢铁行业经历着一个短暂上升和突然跌落的时期。美国受到危机的冲击最大，在1982年，整个钢铁产量下降了将近40% 。随之而来的是工厂关闭、裁员，对于更有竞争力的设备及车间的投资也只好推迟。
　　与此同时，美国已建成的钢铁厂在长材领域也面临着来自小型钢铁生产线的新竞争。由于电炉采用便宜的废钢炼钢，与后续的轧钢工序相结合，这些小型钢铁生产线可以更加廉价和灵活地进行生产。这种基于废钢的钢材生产模式，使得这些厂商可以独立于大型的钢铁生产设施来进行生产，可以把生产线建在离客户很近的地方。
　　1.2 近终形连铸技术和CSP 概念
　　在20世纪80年代，钢铁制造商和工厂建设者开始讨论改进扁平材生产的工艺配置，这使得连铸技术中引入了“近终形连铸技术”概念。 这一技术的目标是在轧线上用最小的变形量来满足材料和成形的要求，从而可以减少轧制道次。
　　1985年，SMS Siemag公司的前身——西马克股份公司在Kreuztal-Buschhütten的实验工厂成功地铸出第一块50mm的薄板坯。这项技术的核心是漏斗形结晶器和优化的浸入式水口的专利技术。其他的部分还包括一个立弯段，具有使用简单的特性。
　　为了对薄板坯进行加工，西马克引入了一种理念，就是在铸机和热轧之间，用一个辊底式隧道炉连接。在生产过程中，薄板坯从铸机出来后，按卷重被迅速地切割。均温后，薄板坯在辊底式隧道炉中加速，喂入后续的轧线。考虑到其短暂的生产周期和紧凑的布局，这种生产工艺被命名为“紧凑型带钢生产技术 ”, 简称 CSP。
　　1.3 CSP的优势
　　从经济角度，相比于传统工艺，这种生产线的优势可以在其投资和转化成本的大幅降低中得到体现。由于不需要粗轧机组，所以投资显著降低。连铸连轧的组合带来的“一火成材”显著降低了能量消耗，降低了加工费用，在年产量少于一百万吨的情况下，也能盈利。通过增加第二流铸机，并通过一个输送系统进行连接，产能可以加倍。
　　CSP 工艺不仅降低了能量需求，而且由于其独特的工艺条件，也对带钢微观组织及机械、几何尺寸等特性的一致性创造了更好的先决条件，原因之一是由于本身就是薄板坯。同厚板坯相比，薄板坯凝固更加迅速，铸造组织具有更少量的宏观偏析和非常均匀分布沉降的特点。
　　这对于高质量的钢种如微合金钢或者是硅钢是有好处的。同用传统工艺生产的材料相比，CSP生产的非取向电工钢的变形损失减少显著。
　　另一方面，产品性能与轧钢工艺有很大关系。出炉以后，薄板坯在宽度、厚度和长度方向上展示了很好的温度一致性。传统生产线上出现的“冷边”问题不再出现，这个区域形成粗大晶粒的现象也消失了。从而，在带钢的整个宽度和长度方向上，可以得到更加一致的力学性能。均匀条件也保证了轧制工艺的高度稳定、无事故生产，带钢的宽度和厚度都很好的控制在小公差范围内。CSP 卷和传统轧制卷的横向屈服强度曲线比较见图1。
　　 1.4  CSP的灵活性
　　与CSP 设施有关的机械设备中主要包括了一台容纳长度从6m到10m的立式铸机，一个隧道炉和一条带有层流冷却装置及地下卷曲机的5～7机架的紧凑型轧钢线，见图2。从薄板坯开始，在各个阶段，其它的机械设备也是可以采用的。比如，CSP 的漏斗形结晶器也可以与弧形连铸机匹配。在铸机和轧线的连接上，除了均热炉，也可以用保温罩、一个热卷箱和感应式加热系统，或者是这些设备的组合。轧线可以加一台或几台粗轧机。在相应产能的要求下，炉卷机组作为最终轧制阶段的选择也是可以的。
　　SMS Siemag公司已经建了配有一台或两台粗轧机及一个热卷箱的生产线。然而，在已建成的28 条CSP 线中，26条都是采用的最初的设备组合，这是因为其投资成本低，操作更加经济。
　　2 客户对CSP的要求
　　客户最初投资CSP是基于节约成本的考虑，但这在过去20年中已经发生了巨大转变。曾经作为节约生产成本的生产线，今天却已经被钢铁制造商们专门使用来生产高等级的钢种。这种发展变化进一步说明了CSP 技术作为一项技术创新的重要性。图3所示是从1989年开始，市场和客户对CSP要求的变化。
　　2.1. 低成本生产
　　在最初的CSP 生产线中, 成本优势是最被看重的。同传统的钢厂相比，CSP 给予了大幅度削减投资和在绝对的成本优势条件下，进入市场的机会。
　　 Nucor是投资CSP 的第一家公司，其生产线如图4所示。20世纪80年代后期，Nucor已经有了几条小型长材生产线。当时，该公司也想在扁平材的市场中有立足之地。在1989年初，第一条CSP 生产线在Crawfordsville（印第安那） 投产。这条生产线被设计生产宽度在1100～1350 mm ，厚度在2.5～12.7 mm的带钢。 它包括一台一流连铸机，一个辊底式隧道炉，4机架的轧线和一台卷曲机。
　　Nucor 的投资获得了回报。仅仅一年之后， Nucor 又向西马克下了第二套CSP 生产线的订单。这条生产线于1992年在Hickman （阿堪萨斯）投产。1994年，经过改造，两条生产线都加入了第二流连铸。1996年，Nucor的第三条CSP 在Berkley （南卡罗莱纳）投产。这些成功活跃了美国的市场，激励了更多的公司来仿效，如Gallatin 钢铁厂和 SDI 钢铁厂（都是 1995年）。
　　除了美国的公司，中国的钢厂如珠江钢厂（1999），邯钢（1999）, 包钢（2001）, 马钢（2003）, 涟钢（2004）和酒钢 （2005）都通过CSP生产扁平材。同美国的公司不同，中国公司（除了珠钢） 都把生产线同他们已有的高炉和转炉炼钢的传统车间融合在一起。在他们成功进入市场以后，邯钢和马钢通过从西马克引入传统热轧线，进一步扩大了热轧生产能力。
　　2.2. 薄带的生产
　　由于CSP生产的连续性，很早就发现小于1.5mm的薄带和小于1.0mm的超薄带可以在非常稳定的状态下生产。
　　这个领域第一步是由Hylsa (今天叫做 Ternium Hylsa) 和西马克在其墨西哥公司的CSP 生产线上实施的, 这条生产线是于1995年投产。仅仅调试后六个月，就于1995年的9月进行了1mm薄带的轧制。后来，最小的带钢厚度减小到了0.91 mm。实际操作显示，为了得到这种最小的厚度，采用的自动化系统要能把CSP 技术的效率全部发挥出来。首先要有一个板形控制模型的扩展，一个高速自动厚度控制系统 (AGC) 和一个高精确的质量流控制及带有优化活套的张力控制系统。通过使用差分张力活套及基于此的自动矫直控制，工艺的稳定性可以进一步的增强。另外，辊缝润滑系统也被引入来减小轧制力和辊子磨损。同Ternium Hylsa一样, 在EZDK (曾经的 ANSDK)的一流 CSP 生产线上也生产了大量的薄带。从1999年投产开始，在最初的3年里，生产了100多万t厚度小于1.5mm的热轧带钢。
　　生产这些薄带或者超薄带的背景是想用热轧带钢取代冷轧带钢，从而带来显著的成本优势。在20世纪90年代，人们估计薄带的需求会上升。
　　生产薄带的关键点还是穿带过程和在精轧最后的甩尾。为了得到更高的操作稳定性，西马克开发了半无头轧制工艺。这个工艺在马钢和涟钢得到了成功的实施。马钢CSP 厂的飞剪和地下卷曲机区域见图5。在半无头轧制过程中，一个超长的、达270m的扁坯铸造出来，然后一次轧制成型。在开始轧制这段扁坯的时候，先使用安全辊缝。这可以使穿带过程稳定控制。轧制中，缩小辊缝，以生产超薄带钢。在卷曲机的上游，带钢被分切成单个的卷。这使得超薄带钢几乎无风险的生产成为可能。
　　半无头轧制的配置在整体上同基本的CSP 生产线差不多。只是在出口侧，需要有一个特殊的高速剪切机在带钢速度高达20m/s的情况下，将其剪成单个的卷。同时，特殊的夹送辊可以允许带钢在卷曲机间快速的交替更换。作为备选，旋转卷曲机也可以使用。
　　使用这一系统，涟钢可以可靠的生产最小厚度为0.78 mm的带钢。这套系统的调试正好赶上了中国钢铁大蓬勃的时期。对于钢铁的巨大需求使得公司不再需要专注于薄带的生产，因而，只在一定程度上得到了利用。然而，伴随着现在市场的发展，很有可能，薄带会再次在市场上挤占出一个重要的位置。
　　2.3 高附加值钢种，总成材率的优化
　　尽管CSP 生产线的用户在最初的几年只专注于碳钢热卷的生产，但是人们那时已经估计到由于CSP特殊的工艺条件，它特别适合生产高等级的钢种。
　　1999年德国的蒂森克虏伯首先进行了高等级钢的生产。当时他们拥有4条热轧线。最初的计划是新的CSP 生产线不仅需要接过一条传统轧线的部分生产任务，而且要用来生产先进钢种。新的 CSP生产线完全达到了预期目标，蒂森克虏伯最近称此项目为“对于未来的一个非常成功的投资”。
　　在最初的几年里，蒂森克虏伯钢厂主要生产中低碳钢。通过对整体工艺的持续改进和上游工艺的优化，钢种范围得到了显著的扩展，产品线开始偏向高附加值的产品。蒂森克虏伯 CSP 厂2005/2006 年产品大纲见图6。中低碳钢、非合金钢在今天占到总产量的不到一半，比例大概是30%, 非取向电工钢已经占据了第二位。再有就是高强钢, 调质钢和高强度打包带。同传统的产品相比，这些带钢在微观组织、力学性能和外形尺寸方面表现出更高的一致性。
　　安赛乐米塔尔在使用CSP 生产线时也使用了类似的方式。例如，在其西班牙Bilbao的生产线上，不只是轧制薄到1mm的带钢，更重要的是生产高强钢，管线钢钢种 (一直到 X70)，以及压力容器用钢和双相钢。
　　CSP生产线在生产一定高质量钢种上有其专业性，这有利于集团内部产品结构的总体优化。这些钢种在传统的热轧线上通常更难轧制，从而限制了这些轧线的生产效率。当这些产品转移到CSP线上以后, 传统的生产线可以开发出其最大的生产效率。这就带来了公司总成材率的提高，以及高附加值产品成材率的提高。
　　这种策略已经逐步在各个已经建成的钢厂中得到使用。武钢2009年2月投产的新的CSP生产线专门生产非取向电工钢。同样在印度塔塔（2010年调试），硅钢，管线钢和双相钢占据了产品大纲的很大比例。
　　3 可选择性理念
　　在生产扁平材方面，不管是新厂还是旧厂都可以成功运营CSP 生产线，CSP 理念的重要性在未来不会减弱。然而，某些特殊情况或者客户仍需要扩展CSP 理念，或者找到新的可选择性。
　　3.1. 带有并列厚板坯线的CSP 生产线
　　一个可选性就是把一条单流CSP 生产线同一条传统的粗轧机组结合起来。CSP 厂同厚板坯线的组合生产线如图7所示。在单机架的粗轧机组中，厚板坯减径到典型的薄板坯厚度50～70mm ，然后通过一个输送装置喂入CSP 线，在精轧机组中一直轧到最后。这种扩展，使得生产线可以生产由于工艺考而虑不能在CSP 上生产或者只能有限生产的钢种及最终规格。其中不锈钢就是一种典型的产品，它们对表面质量的要求非常高。
　　这种厚薄板坯线组合的方式对于那些想在一条线上覆盖所有热轧钢种及尺寸，而同时又不想放弃CSP 技术优点的用户，具有很大的吸引力。
　　这一理念在泰国的G钢厂第一次实施，一条现有的连铸连轧线同一条单机架粗轧线相融合。新的生产线将在2011年投产。  
　　3.2. 分批/无头轧制理念
　　数十年中，无头轧制的理念已经是一个反复提到的话题。连续操作的主要优点就是工艺条件的一致性和由其带来的带钢沿长度方向上的产品稳定水平。由于不再需要穿带和甩尾，因而整个工艺在非常稳定的状态下开展，能获得很高的成材率。分批/半无头 和分批/无头车间模型如图8所示。
　　目前在探讨的无头轧制理念体现在一个非常紧凑的工艺布置图上。极短的车间长度通过薄板坯的感应式加热来实现，这也就意味着后续的两流操作变得不再可能。
　　一个紧凑的无头轧制生产线带来的好处需要同工厂操作带来的巨大挑战之间找到平衡点。为了得到产品所需的质量参数，需要使用高拉速以保证线上足够大的质量流。今天，这些高拉速只能在简单钢种上实现 (LC钢)。而且，是否经济还是个疑问。
　　还有，如果不使用辊底式隧道炉，铸机和轧线间就没了缓冲环节。这就意味着，在每个换辊的环节，都要切坯，或者整个生产都得停下来。
　　看到了纯无头生产厂的这些缺点，SMS Siemag公司开发了一套既满足无头生产，又满足分批生产的方法，就是铸机带了一个小的隧道炉。一个感应式加热器将板坯加热到轧制温度。另外，感应加热系统安装在中间机架区域，以使无头操作所需的拉速降下来。
　　分批操作在铸机投产和拉速提高的时候具有实际意义，也使得存储能力得到体现，从而使得换辊不再影响成材率。
　　比较了分批/无头车间在无头操作中的能量消耗和经典的CSP 线的能量消耗后发现，分批/无头车间消耗量更大。而且，感应式加热系统需要用电，而电要比辊底式隧道炉所用的天然气贵好几倍。分批和无头轧制的能量消耗比较见图9。
　　4 范例: Severstal Columbus
　　最新投产的CSP 生产线之一就是Severstal Columbus (以前叫 SeverCorr)的CSP 厂。它是一个包含从电炉炼钢到热镀锌的所有生产流程的综合性钢铁基地的核心部分。整个钢铁基地都由西马克供货，包括钢厂及CSP线的电气和自动化部分，以及生产规划系统。
　　Severstal Columbus 是俄罗斯钢铁集团和对CSP有丰富经验的几个美国经理们组建的合资公司。他们选择了美国的密西西比作为厂址，因为美国南部在过去的几年里已经发展成为一个新的工业中心。选择CSP 的决定是基于Nucor 在20世纪80年代同样的观点: 清晰的易于理解的投资，低的转化费用和可以在主要的销售市场中找到合适位置的机会。
　　然而，同那个工厂一个显著的不同就是Severstal Columbus厂的产品范围。这个钢铁基地从一开始就定位于高质量钢种，以给这个区域的家用产品公司和汽车制造商供货。
　　Severstal Columbus的 CSP 生产线在2007年9月投入生产，5个月以后，就达到了设计产能的90%以上。这很好的证明了从一个供货商处采购机、电和自动化系统的好处。在准备调试的时候，用到了即插即用的工艺。在调试阶段，操作数据就已经显示了热轧带钢极好的产品质量。
　　总结和展望
　　CSP 技术20年的成功故事证明了这种工厂理念适用于客户和市场的不同要求。CSP已经而且正被用做进入扁平材领域的生产技术和高质量钢种的生产技术。CSP的“亮点”是最小化的能量消耗和转化成本，生产出色力学性能和小尺寸公差的热轧带钢的稳定工艺条件，以及HSLA 钢和薄带钢的高生产效率。
　　将来，SMS Siemag公司将继续致力于发展CSP技术，焦点就是进一步提高表面质量和通过提高最大拉速来提升生产效率。
　　还有，可浇铸钢种的范围需要进一步扩拓宽。在这方面，同Salzgitter Flachstahl GmbH 公司一起，西马克已经开发了用于裂纹敏感性钢种的连铸技术。第一条工业级生产线将在2010年投产。

lidongjun

这就是铸轧一体化吧？