从专利文献看我国薄板坯连铸连轧的技术开发与生产实践

何琴琴

1.前言

截止至2017年年底，全球已建成不同工艺类型的薄板坯连铸连轧产线67条，年生产能力超过1.2亿吨。

1990年，由原冶金部钢铁研究总院牵头，在兰州钢厂安装了我国第一台薄板坯连铸试验机。这是钢铁研究总院自主开发的薄板坯连铸用结晶器、浸入式水口、保护渣及制造方法等专有技术。

1996年，冶金部主导捆绑引进三条CSP产线，由此拉开了我国薄板坯连铸连轧技术工业化发展的序幕。

1999年，国内第一条薄板坯连铸连轧生产线在珠钢建成投产，采用SMS公司基本定型的技术和设备配置。

截止2017年，我国共建成17条产线，见表1。目前，我国是拥有薄板坯连铸连轧产线最多、产能最大的国家，产能占比超过34%，并且各种技术比较齐全，包括薄板坯连铸连轧技术如CSP、中薄板坯连铸连轧技术如FTSR、半无头轧制技术如涟钢的CSP、无头轧制技术如日照的ESP等。自主设计的鞍钢ASP技术也得到了成功应用。另外，有4条在建或待建，采用无头轧制技术的薄板坯连铸连轧产线分别为日照钢铁的ESP（2条）、首钢京唐的MCCR和唐山全丰薄板的多功能无头轧制等，总产能约850万吨。

2.我国薄板坯连铸连轧技术的专利申请现状

本文以Orbit专利分析平台为主要研究工具，截止2017年5月，薄板坯连铸连轧领域，中国专利申请量为1056个专利族。以我国薄板坯连铸连轧技术的专利文献为基础，梳理我国薄板坯连铸连轧技术的开发现状和生产实践，以揭示我国薄板坯连铸连轧技术进步、技术创新等，有助于在生产实践中调整思路和方向，提高研发效率。

国内薄板坯连铸连轧工艺的研究，除武钢、鞍钢、马钢、唐钢、珠钢、涟钢、邯钢、日照、包钢、本钢、国丰等相关生产企业外，还包括钢铁研究总院、北京科技大学、东北大学、燕山大学、华南理工大学、重庆大学、辽宁科技大学、安徽工业大学等国内相关科研院所，西峡龙成、维苏威高级陶瓷（中国）有限公司、中钢集团洛阳耐火材料研究院、河南西宝冶材、中冶赛迪、首钢冶金机械厂等设备制造企业及关键材料供应商。这些专利权人分别围绕薄板坯连铸连轧的基础理论、工艺技术、重大装备、关键材料（结晶器、保护渣、轧辊等的国产化）开展了大量的研究工作。

通过进一步梳理发现，国内专利申请量较多的发明人主要集中在武钢、马钢等生产企业及开展重大装备及关键材料研究工作的西峡龙成等单位。

近几年，在该技术上国内研究比较活跃的发明人主要有马钢的董梅、施立发、裴陈新、王立涛、裴英豪，其主要研究方向为电工钢生产工艺；武钢的毛新平、汪水泽、谭文、韩斌等，其研究方向聚焦于低碳酸洗钢、中高碳钢、合金工具钢、热轧成形钢、热轧双相钢、耐候钢等产品的开发；西峡龙成的朱书成、赵家亮、黄国团、廖春谊等，其主要研究方向为薄板坯连铸结晶器及材质的国产化研究。

表1 我国已建薄板坯连铸连轧生产线 万吨

3.我国薄板坯连铸连轧的技术开发与生产实践

（1）钢铁研究总院

1990年，由原冶金部钢铁研究总院牵头，在兰州钢厂安装了我国第一台薄板坯连铸试验机。钢铁研究总院自主开发了薄板坯连铸用结晶器、浸入式水口、保护渣及制造方法等专有技术，同时对薄板坯连铸连轧流程生产取向电工钢、冲压加工用热轧钢板、低碳高铌、高强韧性钢带等领域进行了研究。1991年至今保持了稳定的专利申请量，共申请36个专利家族，涉及专利38件，其中有效专利占比41.7%，无效专利占比58.3%。

其1991年的专利CN91227348中，公开了一种薄板坯连铸结晶器内的异型浸入式水口，1993年CN2171434专利公开的复合式浸入水口。而在1992年公开的发明专利CN1028613中提供了一种超节能型热钢带的生产方法及装置。主要适用于生产1.8mm-10mm厚、500mm-1300mm宽，年产20万吨-60万吨的热钢带。其主体流程是：钢水通过楔形结晶器连铸成30mm-50mm厚的薄板坯，薄板坯出铸机后经均热炉，立即进入五机架连轧机，最后卷取成带卷。其自主开发的楔形结晶器见专利CN2103257.9。同年公开了发明专利CN1023860C，该发明涉及薄板坯连铸保护渣及其制造方法。

在利用薄板坯连铸连轧流程生产硅钢方面，2013年在发明专利CN103266266B中提到一种薄板坯连铸连轧流程生产低牌号无取向硅钢及其制备方法。2014年在专利CN103774042中公开了一种薄板坯连铸连轧高磁感取向硅钢及其制备方法。同年，在发明专利CN103741031中提到一种基于薄板坯连铸连轧工艺的含钒普通取向硅钢及其制造方法。

（2）北京科技大学

从1992年开始，北京科技大学对薄板坯连铸及结晶器、浸入式水口、生产工艺等开展了一系列研究，并保持了稳定的专利申请。与珠钢合作，发现了在普通低碳钢热轧板卷中存在着纳米尺度的析出物。与涟钢合作开发了薄板坯连铸连轧半无头生产工艺（CN101905247、CN102189111等）、与济钢、首钢等也有深入合作，并利用该流程研究生产低碳贝氏体高强钢、硅钢等品种。

其2008年自主研发了一种可抑制CSP薄板坯结晶器液面动态失稳的水口，并申请专利CN101298093B。

电工钢生产方面，2006年在专利CN1775391中提到了一种以薄板坯连铸连轧板坯生产低牌号取向电工钢板的工艺流程。2007年在专利CN100567544C中提到了一种含微量抑制剂的取向电工钢板及其制造方法。

（3）珠钢电炉—CSP生产线

珠钢电炉—薄板坯连铸连轧生产线是我国第一条CSP生产线，从2001-2010年共申请了53个专利族，涉及56件专利，其中有效专利占比3.8 % ，无效专利占比96.2%，形成了一系列具有自主知识产权的专有技术，包括CSP薄板坯连铸结晶器保护渣（专利号CN01129771）、电炉冶炼低碳钢的终点控制方法（专利号CN02115094）、纳米粒子强韧化低碳钢生产法（专利号CN02115101）、集装箱板生产法（CN01114640）、改善热轧钢板冷加工性能的方法（CN02119771）等。

（4）邯钢CSP产线

邯钢于1999年建成了高炉—转炉—薄板坯连铸连轧产线，从2001年开始共申请34个专利族，涉及34件专利，其中有效专利占比11.8%，无效专利占比88.2%。邯钢CSP产线的技术创新点在于前接高炉—转炉工序、采用漏斗型结晶器，增设了液芯压下技术，在精轧机组前增设了一架不可逆粗轧机。自主研发了薄板坯连铸流程的结晶器及浸入式水口，同时对轧机的工艺润滑系统也有新的改进，相继开发了低合金高强度船板、管线钢，电工钢及高强汽车用钢等。

2012年该厂与北京科技大学合作开发的一种超高强热轧汽车结构用钢及制备方法(CN102534367)。同年在专利CN102776346中提到一种非传统薄板坯连铸连轧生产无取向电工钢的热轧方法。

（5）包钢CSP产线

包钢2011年至今共申请19个专利族，涉及19件专利，其中有效专利占比63.2%。包钢CSP是我国第一家单机双流CSP生产线。

包钢与内蒙古科技大学合作开发了管线钢，先后与东北大学合作开发热轧双相钢并形成了一系列专利技术，如专利CN102296229、CN102212743等。2015年与东北大学开发了一种基于CSP工艺的厚规格热轧双相钢制造方法（CN104593665）。

自主研发了低碳贝氏体钢、电工钢等产品。2012在专利CN102345001中公开了一种稀土处理的低牌号无取向电工钢制备方法。2013年在专利CN103205636B中公开了一种低碳贝氏体连续屈服带钢的生产方法，包括冶炼加连铸过程和轧制加冷却过程。

（6）鞍钢ASP产线

鞍钢自行开发的、具有自主知识产权的ASP中薄板坯连铸连轧生产线分别于2000年、2005年正式投产，中薄板坯连铸机结晶器系平行板式，整条产线除结晶器和振动装置是引进奥钢联的技术外，其余设备全部国产化。2001年至今，其专利申请量稳定增长，共申请106个专利族，涉及127件专利，其中有效专利占比63.2%，无效专利占比36.8%。

鞍钢自主研发了中薄板连铸结晶器 (专利CN100443201C等)、浸入式水口（专利CN2810819U、CN201012386U、CN201442096U、CN201455252U等），在线火焰补热装置（专利CN2815536U）、表面质量检查输送装置（专利CN2885443U），并开展了冷却系统（专利CN2617485）、板型控制(专利1291803 、CN100463735C)、中薄板坯连铸连轧生产控制模型(专利CN1640570)等一系列研究，形成了中薄板坯连铸连轧板形综合控制方法(专利CN1291803C)、表面氧化铁皮控制方法(专利CN100443201C)等专有技术。成功开发了超低碳钢(专利CN101096034B等)、低碳钢、低合金钢、管线钢(专利CN101684539B、CN101992213B CN101994059B等)、焊瓶钢、汽车专用钢(专利CN101130847B、CN102400046B等)、耐蚀钢、搪瓷用钢（CN100453678C）、集装箱钢、无取向硅钢(专利CN103882291B等)、取向硅钢(专利CN101210297B等)等品种。

（7）唐钢FTSR产线

唐钢于2002年建成的薄板坯连铸连轧生产线，采用了日本三菱公司和意大利达涅利公司的FTSR技术，连铸机是意大利达涅利公司提供的FTSC直弧形薄板坯连铸机、粗轧机组由三菱公司设计达涅利制造、精轧机组由三菱公司提供。采用的H2结晶器、浸入式水口、软压下和液芯控制系统均为达涅利公司的专利，并配备了漏钢预报装置。2004年至今，唐钢共申请59个专利族，涉及59件专利，其中有效专利占比67.8%，无效专利占比32.2%。

在装备的国产化方面，唐钢自主开发了薄板坯连铸用四孔异型浸入式水口，如专利CN2784106U。开展了薄板坯连铸用低碳钢保护渣及制备方法(专利CN1927502)等相关技术的研究。开发了超低碳钢（专利CN105463316B）、低合金钢（专利CN105018842B）、高碳钢（专利CN101974721）、集装箱板（专利CN105603320B）、汽车专用钢等一系列产品。

唐钢在铁素体轧制方面进行了大量的研究。2005年申报了国家发明专利“一种薄板坯连铸连轧低碳钢铁素体生产方法”，主要涉及到采用铁素体轧制生产低碳钢的方法。

（8）涟钢CSP产线

涟钢2004年投产的薄板坯连铸连轧生产线是按照半无头轧制工艺来设计的，轧机和连铸机设备采用第二代CSP生产技术，均热炉为布里克蒙的技术，应用了漏斗型结晶器、电磁制动、液芯压下、多点高效除鳞等技术和设备、半无头轧制技术。2000年至今，涟钢共申请39个专利族，涉及专利39件，其中有效专利占比46.2%，无效专利占比53.8%。

涟钢与钢铁研究总院共同开展了薄板坯连铸连轧高磁感取向硅钢(专利CN103774042)、结晶器结构及材质（专利CN203778719U）等一系列的研究。与东北大学联合开展了在薄板坯连铸连轧产线上，应用半无头轧制工艺，采用三段式冷却工艺，生产出600MPa级热轧双相钢（专利CN102703815）的研究。还应用薄板坯连铸连轧半无头工艺，开展了0.6mm-0.8mm超薄规格产品的研究（专利CN102069092B）。同时还开发了基于薄板坯连铸连轧流程生产低碳贝氏体高强钢的方法(专利CN101254527B)。

（9）马钢CSP产线

2003年投产的马钢CSP薄板坯连铸连轧产线设备由德国西马克.德马克公司提供，电气控制和自动化部分由德国西门子公司设计。采用了铁素体轧制技术和半无头轧制技术等，是我国第一家两机两流同时投产、且冷轧产线配套同时投产的企业。2005年至今共申请专利90件，其中有效专利占比78.9%，无效专利占比21.1%。

2010年以后，马钢公司的相关专利呈快速增长趋势。近年来，马钢研发重点聚焦于用薄板坯连铸连轧流程生产取向、无取向硅钢、高强耐候钢板、汽车用钢等产品，并在铁素体轧制、半无头轧制方面进行了大量的研究。

2016年马钢公开的专利CN106381451中提到了一种CSP流程生产1000MPa级热轧马氏体钢及其生产方法。

（10）武钢CSP产线

2009年投产的武钢薄板坯连铸连轧产线，引进德国西马克的技术，绝大部分设备为国外设计，国内合作制造。采用漏斗形结晶器和液芯软压下技术，已成功轧制厚度为0.8mm的薄板，厚度＜2mm的产品比例高达45%以上，硅钢生产比例高达40%。2007年至今，武钢专利申请呈爆发式增长态势，共申请148个专利家族，涉及152件专利，其中有效专利占比93.2%，无效专利占比6.8%。

武钢CSP产线生产的主要品种有低碳钢、中高碳钢、合金钢、集装箱用钢、汽车用钢、高端工具钢、热轧酸洗钢、高牌号无取向硅钢、取向硅钢等，也开展了铁素体轧制工艺的研究。

2013年在专利CN106244921中提供了一种薄板坯连铸连轧生产高牌号无取向硅钢及制造方法。2016年在专利CN106244921中提到了一种在CSP产线采用铁素体轧制工艺生产低碳钢的方法。在专利CN104357744B中公开了一种抗拉强度≥780MPa级的热轧双相钢及其生产方法。对于高强热成型钢的研究，武钢在专利CN106119693B中提到了一种用薄板坯直接轧制的抗拉强度≥2100MPa薄热成形钢及生产方法。

3.我国薄板坯连铸连轧的技术创新

通过对该领域关键核心专利的筛选和阅读，总结出薄板坯连铸连轧领域关键技术的重要专利挖掘点和创新点。

（1）合理的铸坯厚度是该技术开发的关键。

（2）结晶器形状和材质、结晶器振动装置、浸入式水口、液芯压下、连铸保护渣、二次冷却、高压水除鳞等一系列技术的改进和完善。

（3）薄板坯连铸机与热连轧机组间的有效连接和协调匹配技术。包括产量的匹配、铸坯规格的匹配、生产节奏的匹配、温度与热能的衔接与控制以及钢坯表面质量与组织性能的传递与调控等。无论是哪种类型的薄板坯连铸连轧工艺，铸坯不需要进加热炉加热，只需在输送过程中进行补热和均热，即直接送入轧机进行轧制。

（5）开发包括低碳钢、低合金板带、高强汽车用钢、耐蚀钢、硅钢、双相钢等不同钢种。并在碳钢及超低碳钢领域开展铁素体轧制工艺的研究，如珠钢、唐钢、武钢等。

（6）半无头轧制工艺、无头轧制工艺的开发。利用半无头轧制和无头轧制工艺生产超薄规格热带产品能克服单坯轧制超薄规格产品时轧机穿带咬入的不足，既能提高成材率，又能改善带钢质量。我国的涟钢、唐钢、马钢、通钢、本钢等均进行了半无头轧制的研究，产品厚度可达到0.6mm。采用无头轧制技术的薄板坯连铸连轧产线分别为日照的ESP、首钢京唐的MCCR和唐山全丰薄板的多功能无头轧制等。日照基于ESP薄板坯连铸连轧流程开发了低碳铁素体钢。

4.总结

（1）在数量上，中国已成为薄板坯连铸连轧专利申请第一大国。国内主要围绕薄板坯连铸连轧的基础理论、工艺技术、重大装备、关键材料（结晶器、保护渣、轧辊等的国产化）等开展了大量的研究工作。这些研究单位主要包括武钢、鞍钢、马钢等相关生产企业，钢铁研究总院、北京科技大学、东北大学等国内相关科研院所，西峡龙成等设备制造企业及关键材料供应商。

（2）近几年研究比较活跃的发明人主要是马钢的董梅等，其主要研究方向为电工钢生产工艺；武钢的毛新平等，其研究工作聚焦于低碳酸洗钢、中高碳钢、合金工具钢、热轧成形钢、热轧双相钢、耐候钢等的开发；西峡龙成的朱书成等，其主要研究方向为薄板坯连铸结晶器及材质的国产化研究。

（3）合理的铸坯厚度设计是薄板坯连铸连轧流程开发的关键，随着该技术在全球范围内的推广应用，工艺上不断改进、完善结晶器形状、液芯压下、固相轧制、二次冷却制度、铸轧衔接工艺等，设备及相关技术上研究并开发结晶器材质、浸入式水口、结晶器振动装置、连铸保护渣、高压水除鳞、轧辊在线磨辊等仍然是该领域发展的方向。

（4）薄板坯连铸连轧流程经历了单坯轧制——半无头轧制——无头轧制的过程，产品厚度可达到0.6mm，开发了包括低碳钢、低合金板带、高强汽车用钢、耐蚀钢、硅钢等不同钢种，部分企业成功实现了铁素体轧制。

（5）在薄板坯连铸连轧领域，我国的研究、开发和推广工作起步较晚，与德国、韩国、美国和意大利等国家相比，技术创新有待加强，专利质量有待提高。