热轧无头轧制技术的发展与应用

何奕平 肖雅文 戴照宝

(中国第二重型机械集团公司，四川618013)

热轧无头轧制技术的发展与应用

何奕平 肖雅文 戴照宝

(中国第二重型机械集团公司，四川618013)

介绍了最新发展的热轧无头轧制技术的发展和应用情况。着重讲述了两种典型的无头轧制技术在国内外应用实例和装备水平。

无头轧制；薄板坯铸轧；高速拉坯；超薄带钢铸轧

热轧无头轧制技术作为钢铁加工流程的第三次飞跃，在21世纪得到了不断发展和壮大，其轧线设备构成和布置形式也因为无头轧制生产工艺发展的多样性呈现出灵活多变的组合方式。但它们都保持了无头轧制技术的共性优势——即钢材生产不再是单块的、间隙性的，而是连续进行轧制，钢品啮入次数减少，对轧辊的冲击也减小，有利于提高轧辊寿命，且连续轧制使钢材断面形状波动减少，钢材质量得到改善，有利于生产薄规格和超薄规格带钢，且能够根据需求剪切成所需长度或卷重，显著提高了产品的成品率。鉴于以上生产工艺优势带来的广阔市场前景，近年来国家加大力度推进产业升级转型，淘汰高排放、高耗能的落后产能。越来越多的钢厂用户为确保自身在未来的市场竞争中立于不败之地，纷纷计划运用新技术和新工艺新建生产线置换落后产能。新一代各类无头轧制生产线作为新技术和新工艺运用的典范之一，因其轧线长度短，投资少，连续不间断生产模式，并且适用于经济生产超薄宽带钢的特性成为钢厂用户投资的一个主要方向。

1 无头轧制技术的主要发展方向

无头轧制技术的第一次工业化大量应用始于20世纪90年代，经过近20年的发展，其生产工艺和设备装备水平也不断完善和成熟，因此在国内外新建该类轧线的用户不断增多。通过对近十年来各个用户新建热连轧无头轧制生产线的不同生产工艺技术进行划分，可以归纳为两种典型的技术：一种是薄板坯铸轧式无头轧制技术；另一种是高速拉坯式无头轧制技术。

2 薄板坯铸轧式无头轧制技术的发展与运用

薄板坯铸轧技术也称为双辊薄带铸轧技术。这种工艺的显著特点是其结晶器为两个带水冷系统的旋转铸轧辊，熔体在其辊缝间完成凝固和热轧两个过程，而且在很短的时间内(2～3 s)完成的，形成的半成品厚为1～5 mm的薄板坯后，然后在后续的主轧机上连续轧成板材，其铸轧和轧制是两道相对独立又紧密衔接的工序。该工艺的主要优点是流程短，投资额低，大幅度降低了生产成本，且生产组织灵活；此外，利用其急冷凝固特性能够生产一些普通工艺难以生产的合金产品。

目前，各发达国家都在积极开发研究钢铁材料的铸轧技术，建立自己的试验性工厂。如日本的大学院校及专业研究机构，在新日铁的资助下，开发出的双辊式薄带铸轧工艺。韩国浦项制铁与英国戴维金属合作建设一条配置双辊薄带连铸机的薄带连铸示范厂，最大轧线速度为132 m/min，最大带宽为1250 mm。德国蒂森克鲁伯、法国阿赛洛集团和奥钢联合作开发出EUROSTRIP薄带铸轧技术。美国Nucor与澳大利亚BHP(Broken Hill Proprietary Co.)钢铁公司、日本石川岛播磨(IHI)联合开发出CASTRIP薄带铸轧技术，最大铸轧速度为150 m/min，工作铸轧速度为80 m/min，产品厚度为0.7～3.2 mm，最大宽度为2000 mm，单卷重25 t。现在，国内也已经有较多的铸轧机组在进行研究性实验和工业性实验，且有部分铸轧线接近工业化生产的水平。

2.1 国内铸轧线发展情况及特点

2011年～2013年，国内某知名国企钢厂在浙江新建一条1580薄板坯铸轧线，2014年生产线进入试生产运行，运行结果显示：生产线设备工况稳定，浇铸过程正常，铸带边部及表面质量良好，薄带连铸板面平直，厚度波动小，薄带边浪极小，用于集装箱板的利用率大幅提高。该轧线的最大铸轧速度约为240 m/min，工作铸轧速度约为120 m/min，产品厚度为0.8～3.6 mm，最大宽度为1400 mm，单卷重为28.6 t。

该钢厂通过与上海钢铁研究所等多个科研院所合作并经过多年努力开发完善了关键技术：

(1)开发了新型双辊式薄板坯铸轧技术。

(2)采用具有前后张力调节功能的新型单机架主轧机。

(3)采用卡罗塞尔旋转式交替卷取机机组，该机组结构紧凑可以缩短铸轧线长度，并且可以确保两个卷筒卷取带钢的温度基本无差异，保证带钢钢卷产品性能一致。

(4)还解决了数十项其它配套轧线技术难题。

该钢厂还研制了许多适合薄带连铸工艺要求的相关技术，如炼钢、精炼、轧制工艺等，但这种新型轧线设备的设计和制造仍然未实现全部国产化，并且该铸轧线的设备配置仍然存在如下问题：

(1)该钢厂的双辊黑金属薄坯铸造机无法实现工业生产所需的多炉、大吨位钢水的连续浇铸薄带坯，其主要困难是钢铁材料的熔点高，控制铸轧过程稳定性的操作参数范围窄，边部质量控制与侧封难度大，铸轧过程中钢铁材料的传热、凝固过程比有色金属更复杂。

(2)卡罗塞尔旋转式交替卷取机机组结构复杂，采用两个卷筒在一个大转盘上回转实现工位切换，配置三助卷臂助卷(不是冷轧用的助卷器)，各组件布置紧凑，但铸轧线卷取速度慢，卷取时间过长，工况比冷轧恶劣许多，导致该卷取机受热辐射影响严重，维护次数频繁，作业率无法满足工业化生产的需求。

(3)主轧机未配置在线带载窜辊功能，工作辊磨损较快，在保证一个多炉浇铸批次的后续轧制精度时存在考验，因此配置有在线带载换辊，但在换辊过程中对薄板坯的浪费较大。该条薄板坯铸轧线是一条成功的工业试验生产线，但距离实现工业化批量生产线的水平仍需进一步完善。

2.2 与国外铸轧线的技术对比

与国外先进薄带铸轧技术相比，国内尚处于薄带铸轧技术初期探索尝试工业化应用阶段，因此关于薄带铸轧技术的突破性成果、适用钢种范围和产品性能质量均很难在公共信息平台上找到。2010年之前，除上述知名国企钢厂外，其他企业在资金投入和装备水平方面均非常有限。近年来，国家提出了低碳、绿色、环保的工业发展要求，上述情况发生了转变，国内多家民营钢企陆续看好该技术的应用前景，国外公司也在国内积极推广铸轧生产线和相关工艺技术。2015年8月，江苏某大型民营钢厂率先投资建设一条薄板坯铸轧生产线，由美国Nucor、澳大利亚BHP和日本IHI共同出资组建的Castrip LLC公司提供核心设备及技术培训。该条生产线是Castrip LLC公司提供给北美地区以外的第一条超薄带铸轧生产线(UCS：Ultra-thin Cast Strip)。该生产线完全比照Castrip LLC公司在2002年在北美Crawfords-ville建成的第一条商业化超薄带生产线进行建设，采用完全相同的设备配置和工艺，该铸轧生产线布局如图1所示。

根据其宣传资料显示；北美的超薄带生产线现已实现超薄带工业化生产，主要用于生产低碳钢，常规产品厚度为0.7～1.5 mm，部分产品已扩展到生产厚度范围属于冷轧带钢的范畴，实现部分产品的以热代冷，并建立了一些商用结构类产品的分级标准，在化学成分和力学性能方面，与常规热轧带材指标相当，其产品对比情况如下表1所示。

该UCS生产线设计总长度约为50 m，轧线设备组成包括：双辊黑金属薄坯铸轧机组、四辊轧机机组1台、水雾冷却及辊道1套、飞剪机组1套、1号和2号卷取机组1套、废料收集设备1套、钢卷运输线1套。因为不需要铸坯火焰切割和加热炉，因此热连轧机组更加紧凑。燃料消耗减少了95%，生产热轧薄带的水耗量减少80%，电耗减少90%。具体参数如下：

铸坯厚度：0.9～2.1 mm

铸坯宽度：1345 mm、1680 mm

最大轧制力：2250 t

轧制速度：1.5～4.0 m/s

产品厚度：0.7～1.91 mm

产品宽度：1345 mm、1680 mm

图1 美国纽柯公司CASTRIP黑色金属铸轧生产线示意图Figure 1 Schematic diagram of CASTRIP ferrous metal roll casing line in Nucor Steel (USA)

表1 UCS轧线生产的薄带化学成分和力学性能与常规产品的比较Table 1 Comparison of chemical composition and mechanical property between the thin strip produced from UCS rolling line and the conventional product

最大卷重：约32.8 t

最大卷径：∅2050 mm

最大卷取速度：4.5 m/s

卷取温度：420～760℃

最大卷取张力：112 kN

最大卷取时间：8 min/卷

2.3 我国铸轧线发展趋势

我国的各个科研院所也在不断加速铸轧技术方面自主研发工作和技术推广工作。诸如东北大学、重庆大学、燕山大学和上海钢铁研究所等院校和机构在铸轧实验和理论方面做了大量工作，作为国内较早开展铸轧工艺研究的东北大学从1998年起研究双辊式薄带坯铸轧工艺，开发出了异径双辊式薄带坯铸机，并且建成了一条小规格的铸轧生产线，试验性生产了铸轧产品，主要为普碳钢、高速钢、硅钢和不锈钢等。此外，东北大学还积极寻求与地方政府和大型民营钢厂合作，来推广自己在薄带坯铸轧领域取得的成果。最值得期待和接近工业化水平的合作项目是2016年东北大学与河北某大型民营钢厂合作新建的一条1500 mm高品质、短流程的薄板坯铸轧热带钢生产线，该生产线主要参数如下：

铸坯厚度：1.5～3.5 mm

铸坯宽度：1350 mm

轧制速度：0～2.5～5.0 m/s

产品厚度：1.2～3.5 mm

产品宽度：1350 mm

最大卷重：约25 t

最大卷径：1900 mm

最大卷取速度：5.0 m/s

卷取温度：300～750℃

最大卷取时间：25 min/卷

被卷取材料强度极限：700 MPa(按3.5 mm厚，低温300℃)

将国内正在兴建的这两条薄板坯铸轧生产线的轧制段主机设备配置进行对比，如表2所示，可以发现轧制段主机设备配置基本相同，但在各个设备的功能模块和能力需求上各有侧重点。

和传统的轧制工艺相比，薄板坯铸轧生产线没有常规流程的连铸机、加热炉、粗轧机、精轧机、层流冷却等设备，1000 m长的带钢生产线被浓缩至50 m，实现了铸轧一体化，大大简化了热带钢的生产工序。由于铸机被简化，轧线缩短，生产流程因此更紧凑，生产、投资成本更低，薄板坯铸轧生产线的典型厂房布置图，如图2所示。

表2 国内两条薄板坯铸轧生产线轧制段主机设备配置对比Table 2 Configuration comparison of host devices in rolling line section of two slab casting production in China

图2 薄板坯铸轧生产线厂房布置图Figure 2 Workshop layout of slab casting line

3 高速拉坯式无头轧制技术的发展与运用

高速拉坯式无头轧制技术也称为新一代薄板坯连铸连轧技术(ESP：Endless Strip Production)，是将新一代薄板坯连铸设备与升级改进后的热连轧设备(省略板坯分段再加热环节)直接串接起来，实现薄规格热态连续板坯直接生产热轧成品带钢。

ESP，是在ISP(Inline Strip Production)(在线热带生产工艺)工艺基础上发展而来，属于薄板坯连铸连轧(TSCR)工艺之一。德马克公司早期开发的ISP使用传统的平行板型结晶器，浇出60 mm左右铸坯，经液芯压下由60 mm降低至40 mm，然后在全凝固状态下经3机架粗轧机将40 mm厚度轧成15～25 mm，铸坯经克雷莫纳炉(Cremona)卷取、开卷，送至4机架精轧机，终轧成3 mm或更薄的带卷，层流冷却后卷取。

意大利阿维迪钢厂与合作伙伴普锐特冶金技术(原西门子奥钢联)，对厂内的ISP轧线进行了持续性改进。经过多年的分阶段改进工作，包括对连铸机、结晶器、大压下量轧机、感应加热器、精轧机弯窜辊系统及工作辊系、高速飞剪和高速卷取机等的改进，最终发展成为生产优质热轧带钢的成熟生产线AST。根据上述结合实践的技术积累，连续式薄板无头轧制生产工艺成为更高目标。意大利阿维迪钢厂在2006年又与普锐特冶金技术签订了新建一条基于AST轧线技术升级的薄板坯连铸连轧生产线——新一代薄板坯连铸连轧生产线(ESP)。ISP轧线逐步升级为ESP轧线的技术发展历程图如图3所示。

该ESP轧线作为阿维迪钢厂的第一条新一代薄板坯连铸连轧生产线，能耗比ISP轧线减少约25%～30%，比传统轧线减少约40%。ISP与ESP生产工艺对比见表3。

图3 薄板坯连铸连轧技术发展历程示意图Figure 3 Schematic diagram of development historty of slab continuous casting rolling technique

表3 ISP与ESP生产工艺对比Table 3 Comparison of production technology between ISP and ESP

ESP还具有以下特点：

(1)全连续带钢生产，单条连铸线即可达到出色的生产能力。

(2)大规模生产高品质超薄带钢和优质带钢，可在许多用途中替代冷轧带钢。

(3)吨钢投资少，从钢水到热轧卷的转换成本低。

(4)生产线工艺布置最为紧凑，连铸和轧制工艺直接串联，成本显著降低。

(5)减少了轧线消耗件和易更换件的更换频率。

日照钢铁集团率先在2013年和2014年先后与“普锐特冶金技术”订购了5条ESP热连轧无头轧制生产线，该生产工艺首次在国内实现工业化生产。该生产线长度仅180 m。普锐特冶金技术与意大利阿维迪钢厂负责整条生产线的设计、机械设备设计及监制、流体系统、工艺控制和自动化系统的供货，该轧线布置如图4所示。

日照钢铁新建的ESP生产线，充分运用了普锐特冶金技术为意大利阿维迪钢厂建设首条ESP生产线的成功经验和生产工艺，并且将意大利ESP轧线近几年来各设备的许多技术细节和控制工艺的优化、完善成果一并投入到日照ESP轧线的建设中，确保实现日照用户提出的更高产量(255万t/年)和大批量薄规格(0.8～1.2 mm)带钢生产的需求。日照ESP轧线设备的技术特点如下：

(1)配置高拉速连铸机。该机提供了更薄的铸坯厚度、更高的拉速、更纯净的钢水、更安全的智能结晶器及专家系统，保证了连铸坯的质量，使无头轧制成为可能。

(2)采用带正负弯辊功能的更大压下量的粗轧机。该大压下粗轧机为三机架布置，将铸坯从70～90 mm压下到10～18 mm的中间坯。配置的正负弯辊功能可以对凸度和楔形进行调节控制。

(3)配置感应加热炉和精轧前高压除鳞箱。感应式加热炉可实现温度闭环控制，根据终轧温度进行调整，满足终轧温度的需求；精轧前高压除鳞箱采用了单排喷嘴布置，除鳞压力最大为40 MPa；小水量、大压力的设计，在保证除鳞效果的基础上，可大幅减少带钢温降，节约能源。

(4)配置5机架高刚度精轧机组，用于将9～18 mm的中间坯轧制到0.8～12.0 mm的钢板，并且可保证表面和板形达到较高的质量。还配备了长行程液压AGC系统、工作辊正弯辊系统、带负荷动态窜辊系统、工作辊动态冷却系统、低惯量快速响应液压活套系统和轧制润滑系统等。

(5)配置高速飞剪，满足对厚度为0.8～4 mm的带钢进行剪切分卷，最大剪切力3300 kN，最大剪切速度17 m/s。高速飞剪采用转鼓式，上下转鼓各配置一个刀片，采用偏心驱动动态调节转鼓中心，实现剪切和直通的转变。

(6)配置连续交替卷取机组，满足对连铸轧制分切后带钢的快速交替卷取，卷取厚度为0.8～12.0 mm，最大卷取速度为17.5 m/s，最大卷径为1980 mm，卷取温度185～850℃，最大卷重为32 t。该卷取机组，配置气动压带装置，确保带钢头部从飞剪后夹送辊到卷取机夹送辊的平稳穿带；卷取机夹送辊配置高速切换功能，确保前后段带钢从一台卷取机到另一台卷取机的顺利切换。

图4 新一代薄板坯连铸连轧生产线(ESP)布置图Figure 4 Schematic diagram of production line of new generation slab continuous casting(ESP)

表4 UCS生产线与ESP生产线技术比较Table 4 Technical comparison of production line between UCS and ESP

4 两种典型无头轧制生产线的对比

将薄板坯铸轧式无头轧制技术的代表USC生产线与高速拉坯式无头轧制技术的代表ESP生产线进行比较，可以发现短流程铸轧线在一次性投资额和单位能耗方面存在较大的优势和灵活性，如表4所示。

如果将传统半连续式热连轧生产线、ESP生产线与UCS生产线布置上进行比较，能够发现UCS生产线最具投资优势，轧线设备最为精简，同时大幅缩短了轧线长度，厂房尺寸和用地规模成倍地减少，如图5所示。

当然薄板坯铸轧技术也存在的局限性，其主要针对薄规格和较少钢种的生产(以普碳钢为主，尝试小批量生产硅钢、Nb钢、汽车用高强钢等)，单条轧线的年产量较低，且产品性能指标还有待进一步检验。基于上述原因，短流程铸轧线是无法完全替代传统半连续式热连轧线和新一代薄板坯连铸连轧线(ESP)的，短流程铸轧线更多解决的是投资额低，小批量灵活生产薄带、超薄带的市场需求。

图5 短流程铸轧线与其它轧线布置的比较示意图Figure 5 Comparison schematic diagram of rolling line layout between short flow cast and other rolling lines

5 结论

以薄板坯铸轧(UCS)技术和高速拉坯式无头轧制(ESP)技术为代表的热轧无头轧制技术，均为实现利润化带钢生产，最终目标都是为了追求降低成本和提高产品附加值，实现竞争优势。

相对传统半连续式热连轧生产线，上述两种技术在低成本大批量生产薄规格和超薄规格板带方面更具优势，在节能减排方面效果显著。两者的竞争优势存在差异，但他们均是现代板带轧制技术主要发展方向之一，对推动钢铁生产技术的进步方面意义重大。随着技术本身的不断发展和完善，相信会有更多的投资者引入上述热轧无头轧制技术。

[1] 喻尧，郑旭涛.日照钢铁ESP无头带钢生产技术[J].连铸，2016，41(5)：1-4.

[2] 王利民.热轧超薄带钢ESP无头轧制技术发展和应用[J].冶金设备，2014，212(1)：60-65.

[3] 郑旭涛.日钢ESP 无头轧制技术[J].冶金设备，2016，2(1)：44-46.

[4] J． Siegl，A． Jungbauer，G． Arbedi，et al． Arvedi ESP (Endless Strip Production) First Thin Slab Endless Castingand Rolling Results[C]． 第七届( 2009) 中国钢铁年会论文集，2009．

[5] 方园，崔健，于艳，等.宝钢薄带连铸技术发展回顾与展望[J].宝钢技术，2009，增刊：83-89.

编辑 陈秀娟

Development and Application of Endless Hot Rolling Strip Production Technology

HeYiping，XiaoYawen，DaiZhaobao

This paper introduces the development and the application of latest development of endless hot rolling technology. It focuses on describing the application examples of endless rolling technique in China and abroad and the equipment level as well.

endless rolling; slad casting and rolling; high speed casting; ultra-thin strip casting

2017—05—09

TG335.11

A