提高連鑄直軋工藝連鑄坯溫度的途徑探討

張文旭，李沈毅，沈鐵成，劉華鑫

（陜西冶金設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安710032）

1 前 言

連鑄直軋屬于連鑄熱送熱裝工藝之一，是指連鑄坯溫度在1 100 ℃以上，省去加熱爐加熱工序，直接進(jìn)行軋制［1］。與其他連鑄熱送熱裝工藝相比較，連鑄直軋工藝省去了加熱爐加熱工序，實(shí)施難度較大，但其綜合經(jīng)濟(jì)效益也是最高的［2］。在連鑄直軋工藝條件下，軋鋼所需坯料直接由連鑄機(jī)提供，這就要求鑄坯被送到軋機(jī)時滿足開軋溫度要求。實(shí)現(xiàn)這一技術(shù)的重要因素之一就是要提高連鑄坯的溫度。

2 連鑄直軋工藝優(yōu)勢

熱軋工序能耗中，燃耗占總能耗的70%以上［3］，且燃耗僅在加熱爐的加熱工序中產(chǎn)生，因此加熱爐的節(jié)能是軋制過程中節(jié)能的關(guān)鍵。與傳統(tǒng)的冷裝相比，采用連鑄直軋工藝省去了加熱爐加熱工序，利用連鑄坯本身的物理熱能，不僅減少了燃料消耗和污染物的排放，同時也節(jié)省了維護(hù)加熱爐所需的維護(hù)成本［4］。

以年產(chǎn)100 萬t 棒線材車間為例，傳統(tǒng)冷裝與連鑄直軋加熱爐能耗對比，取消加熱爐加熱采用直接軋制能節(jié)省4.5 萬t 標(biāo)煤，每年能節(jié)省費(fèi)用4 500萬元。直接軋制避免了坯料的二次加熱，使氧化損失至少降低1.5%，3 000 元/t 的單價計(jì)算則每年可節(jié)省4 500萬元。傳統(tǒng)冷裝與連鑄直軋加熱爐管理維護(hù)成本對比數(shù)據(jù)表明，采用連鑄直軋取消加熱爐加熱工序，全年節(jié)約加熱爐管理維修費(fèi)用325 萬元。綜上所述，對于年產(chǎn)100萬t的棒線材車間，取消加熱爐加熱工序后，可獲得年效益9 325 萬元。取消加熱爐加熱工序前后污染物排放對比，從指標(biāo)上講，連鑄直軋可以做到相關(guān)污染物的零排放。能耗、管理維護(hù)成本及污染物排放數(shù)據(jù)如表1 所示。綜上可知，連鑄直軋工藝的推廣可以帶來很大的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。

表1 冷裝與連鑄直軋工藝參數(shù)對比

3 提高連鑄直軋工藝連鑄坯溫度的途徑

設(shè)計(jì)鋼廠時，原連鑄機(jī)軋鋼車間沒有考慮直軋熱送功能，因此在后期進(jìn)行連鑄直軋工藝改造時需要進(jìn)行系統(tǒng)地優(yōu)化。連鑄坯的溫度主要受出坯溫度，以及由切割定尺后運(yùn)送至軋機(jī)過程中溫降的影響，因此工程上提高連鑄坯溫度的主要措施都是提高出坯溫度以及降低溫降的影響。

3.1 提高連鑄拉速

連鑄拉速增加，可以減少鑄坯在結(jié)晶器、二冷區(qū)的冷卻停留時間，鑄坯溫度就會升高。國內(nèi)小方坯連鑄的拉拔速度一般為2～3 m/min，而國際上開發(fā)的無頭軋制技術(shù)中的連鑄拉拔速度為6～8 m/min；因此，小方坯連鑄的拉速還有較大的提升空間［5-6］。

在實(shí)際生產(chǎn)過程中，連鑄拉速還要受到煉鋼產(chǎn)量的限制，可以減少澆注流數(shù)的方法來提高各流的拉速。在方坯連鑄時，將澆注流數(shù)從n減少到n-1，提速前后的拉速分別為V1及V2，鑄坯斷面面積為A。參照質(zhì)量守恒定律計(jì)算得出，將澆注流數(shù)從n減少到n-1后，可將拉速提高n/（n-1）倍。

3.2 優(yōu)化二冷區(qū)水量

鑄坯出結(jié)晶器后，將形成一定厚度的殼體。二次冷卻區(qū)的作用是通過冷卻水對鑄坯進(jìn)行連續(xù)冷卻，使其逐漸完成凝固，因此二次冷卻區(qū)中的水量分布對鑄坯的溫度有重要影響。圖1 顯示了二次冷卻區(qū)中總水量對鑄坯在切割點(diǎn)的表面溫度的影響。由圖1可知，減少二次冷卻區(qū)中的水量可以提高鑄坯的溫度，但二次冷卻區(qū)中的水量太小，可能出現(xiàn)鋼漏［7-10］，因此需要對鑄坯的溫度進(jìn)行自動控制。

圖1 二冷水水量對鑄坯表面溫度的影響

1）首先應(yīng)用有限元模擬對連鑄生產(chǎn)的溫度場進(jìn)行有限元分析?；貧w計(jì)算出二冷水水量以及其他影響因素對鑄坯表面溫度及凝固終點(diǎn)溫度影響的數(shù)學(xué)模型。

2）鑄坯溫度自動控制系統(tǒng)中配備在線測溫儀并能夠?qū)崟r讀取連鑄過程的拉速、澆注溫度、二冷水水量等工藝參數(shù)，根據(jù)實(shí)時測定的工藝參數(shù)，參照相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，對二冷水水量進(jìn)行實(shí)時調(diào)整。實(shí)測溫度小于預(yù)設(shè)溫度，鑄坯表面溫度偏低，不能滿足連軋要求，需要根據(jù)數(shù)學(xué)模型適當(dāng)減少二冷水水量。若實(shí)測溫度大于預(yù)設(shè)溫度，鑄坯表面溫度偏高，可能會出現(xiàn)漏鋼事故，需要根據(jù)數(shù)學(xué)模型增加二冷水水量。

3.3 連鑄坯切割采用液壓剪

傳統(tǒng)的連鑄坯切割采用的是火焰切割，切割一根坯料的時間是30 s，而采用液壓剪則整個切割過程約為8 s，遠(yuǎn)低于火焰切割機(jī)的30 s，這給連鑄坯減少了至少25 ℃的溫度損失［11］。隨著液壓剪設(shè)計(jì)制造技術(shù)的不斷進(jìn)步以及在實(shí)踐過程中的積極運(yùn)用，設(shè)備運(yùn)行質(zhì)量大幅度提升，可以在更換連鑄中間包時，在線更換液壓剪，對生產(chǎn)的影響較小。但無論是哪種類型的液壓剪，剪切后的坯料端面均沒有火焰切割機(jī)質(zhì)量好，在選擇無頭軋制工藝時，需要謹(jǐn)慎選擇［12-13］。

3.4 快速輸送輥道

鑄坯定尺切割后溫降速度約為25 ℃/min，對于現(xiàn)有的棒線材生產(chǎn)線，由于連鑄車間與軋鋼車間布置的相對平面距離較遠(yuǎn)，通常鑄坯轉(zhuǎn)運(yùn)都是通過輥道、天車、過跨小車以及專門的鑄坯運(yùn)輸保溫車運(yùn)送至軋鋼車間生產(chǎn)。在進(jìn)行連鑄直軋工藝改造時，改變連鑄機(jī)及軋機(jī)的相對位置不易實(shí)現(xiàn)，且影響面廣不易實(shí)現(xiàn)，因此增設(shè)快速輥道將定尺切割后的鑄坯由連鑄機(jī)直接送到粗軋機(jī)組，成為目前連鑄直軋工藝改造的首選。即使連鑄機(jī)與軋機(jī)之間距離為100 m，快速輥道速度達(dá)到3～5 m/s 后，30 s 左右可完成連鑄機(jī)與軋機(jī)之間的坯料轉(zhuǎn)運(yùn)，鑄坯在定尺切割前受連鑄拉速影響緩慢前行一般＞5 min，因此快速輸送輥道轉(zhuǎn)運(yùn)過程與鑄坯切割前相比，此過程的溫降要小10倍［14］。

3.5 配置保溫輥道

對于長度為12 m 的方坯，在拉速3 m/min 的條件下，從切割位置到達(dá)固定長度位置需要4 min；如果不采取保溫措施，則鑄坯的溫度下降4 min 約為100 ℃，尤其是邊角處的溫度下降最為嚴(yán)重。如果沒有特殊的保溫措施，溫度將不穩(wěn)定。相關(guān)企業(yè)采用先進(jìn)的保溫輥道，避免了輥道帶走坯料溫度。同時，可以保證鑄坯在進(jìn)入連鑄冷卻床之前的表面溫度仍在1 000 ℃以上［15-16］。

鑄坯在轉(zhuǎn)運(yùn)過程中主要是以熱輻射的方式向周圍環(huán)境散失熱量，在輥道上加蓋保溫罩后，可以有效減少輻射損失的熱量，保溫罩內(nèi)的溫度遠(yuǎn)高于室溫，減小了鑄坯與輻射環(huán)境的溫差，減少了輻射的熱量。研究表明，加蓋保溫罩后，可減少輻射損失的熱量約25%。

3.6 連鑄坯補(bǔ)溫加熱

在進(jìn)行連鑄直軋工藝軋制時，可利用感應(yīng)電爐對鑄坯邊角進(jìn)行感應(yīng)補(bǔ)熱，以提高產(chǎn)量和生產(chǎn)效率。同時對于有條件利用高爐煤氣等化工燃?xì)獾钠髽I(yè)，可采用隧道式加熱爐進(jìn)行補(bǔ)熱［17］。

3.7 設(shè)置合理的連鑄及軋鋼區(qū)的運(yùn)行節(jié)奏

多流連鑄，對應(yīng)一條直軋線或多條直軋線，應(yīng)設(shè)置自動檢測及分選功能，并可根據(jù)每條流的位置和溫度自動調(diào)整順序軋鋼，保證了工藝的可靠性。同時對連鑄坯轉(zhuǎn)運(yùn)過程，應(yīng)用排隊(duì)理論進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，減少設(shè)備空置率，確保坯料由連鑄機(jī)出坯后進(jìn)入軋機(jī)的時間間隔短、溫降少［18］。

對溫度較低鑄坯均不再落地處理，過程中直接降級改判后熱送下道工序，減少處理低溫鋼的頻次，以確保高溫送坯的有效性。對軋線的粗軋機(jī)組進(jìn)行裕量負(fù)荷驗(yàn)算，合理地分配道次壓下量，使得軋線能夠順利軋制溫度較低的連鑄坯，形成煉-軋鋼一體化生產(chǎn)管理［19］。

4 總結(jié)和展望

連鑄直軋作為未來最有潛力的鋼鐵生產(chǎn)工藝之一，連鑄坯的溫度是可靠實(shí)施的重要因素，提高連鑄坯溫度，是推廣其廣泛應(yīng)用的重要前提和保障。連鑄坯溫度主要是受到出坯溫度和溫降的直接影響。目前提出了多種提高連鑄坯溫度的方法，但目前對連鑄坯溫度影響的研究都只是簡單地提高出坯溫度和降低連鑄坯溫降的措施，而對于采取更加嚴(yán)格和精細(xì)的理論依據(jù)以及采取先進(jìn)自動化設(shè)備實(shí)現(xiàn)高效熱坯直軋，卻少有研究；并且對于連鑄坯補(bǔ)熱的設(shè)備研究較少，未實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)化，不能有效地在實(shí)際生產(chǎn)中針對性地應(yīng)用。

連鑄直軋被廣泛地應(yīng)用在各個鋼廠，還需要做以下大量的工作:1）開發(fā)高效的連鑄工藝，在確保安全生產(chǎn)的前提下盡量提高連鑄坯的溫度。2）對新設(shè)計(jì)的鋼鐵廠，優(yōu)化布置，為連鑄直軋工藝提供條件。3）實(shí)現(xiàn)煉軋鋼一體化精細(xì)化管理，實(shí)現(xiàn)兩廠聯(lián)動機(jī)制，確保生產(chǎn)的穩(wěn)定運(yùn)行。4）對連鑄坯補(bǔ)熱工藝及設(shè)備應(yīng)加強(qiáng)開發(fā)。