提高连铸直轧工艺连铸坯温度的途径探讨

张文旭，李沈毅，沈铁成，刘华鑫

（陕西冶金设计研究院有限公司，陕西 西安710032）

1 前 言

连铸直轧属于连铸热送热装工艺之一，是指连铸坯温度在1 100 ℃以上，省去加热炉加热工序，直接进行轧制［1］。与其他连铸热送热装工艺相比较，连铸直轧工艺省去了加热炉加热工序，实施难度较大，但其综合经济效益也是最高的［2］。在连铸直轧工艺条件下，轧钢所需坯料直接由连铸机提供，这就要求铸坯被送到轧机时满足开轧温度要求。实现这一技术的重要因素之一就是要提高连铸坯的温度。

2 连铸直轧工艺优势

热轧工序能耗中，燃耗占总能耗的70%以上［3］，且燃耗仅在加热炉的加热工序中产生，因此加热炉的节能是轧制过程中节能的关键。与传统的冷装相比，采用连铸直轧工艺省去了加热炉加热工序，利用连铸坯本身的物理热能，不仅减少了燃料消耗和污染物的排放，同时也节省了维护加热炉所需的维护成本［4］。

以年产100 万t 棒线材车间为例，传统冷装与连铸直轧加热炉能耗对比，取消加热炉加热采用直接轧制能节省4.5 万t 标煤，每年能节省费用4 500万元。直接轧制避免了坯料的二次加热，使氧化损失至少降低1.5%，3 000 元/t 的单价计算则每年可节省4 500万元。传统冷装与连铸直轧加热炉管理维护成本对比数据表明，采用连铸直轧取消加热炉加热工序，全年节约加热炉管理维修费用325 万元。综上所述，对于年产100万t的棒线材车间，取消加热炉加热工序后，可获得年效益9 325 万元。取消加热炉加热工序前后污染物排放对比，从指标上讲，连铸直轧可以做到相关污染物的零排放。能耗、管理维护成本及污染物排放数据如表1 所示。综上可知，连铸直轧工艺的推广可以带来很大的经济效益和环境效益。

表1 冷装与连铸直轧工艺参数对比

3 提高连铸直轧工艺连铸坯温度的途径

设计钢厂时，原连铸机轧钢车间没有考虑直轧热送功能，因此在后期进行连铸直轧工艺改造时需要进行系统地优化。连铸坯的温度主要受出坯温度，以及由切割定尺后运送至轧机过程中温降的影响，因此工程上提高连铸坯温度的主要措施都是提高出坯温度以及降低温降的影响。

3.1 提高连铸拉速

连铸拉速增加，可以减少铸坯在结晶器、二冷区的冷却停留时间，铸坯温度就会升高。国内小方坯连铸的拉拔速度一般为2～3 m/min，而国际上开发的无头轧制技术中的连铸拉拔速度为6～8 m/min；因此，小方坯连铸的拉速还有较大的提升空间［5-6］。

在实际生产过程中，连铸拉速还要受到炼钢产量的限制，可以减少浇注流数的方法来提高各流的拉速。在方坯连铸时，将浇注流数从n减少到n-1，提速前后的拉速分别为V1及V2，铸坯断面面积为A。参照质量守恒定律计算得出，将浇注流数从n减少到n-1后，可将拉速提高n/（n-1）倍。

3.2 优化二冷区水量

铸坯出结晶器后，将形成一定厚度的壳体。二次冷却区的作用是通过冷却水对铸坯进行连续冷却，使其逐渐完成凝固，因此二次冷却区中的水量分布对铸坯的温度有重要影响。图1 显示了二次冷却区中总水量对铸坯在切割点的表面温度的影响。由图1可知，减少二次冷却区中的水量可以提高铸坯的温度，但二次冷却区中的水量太小，可能出现钢漏［7-10］，因此需要对铸坯的温度进行自动控制。

图1 二冷水水量对铸坯表面温度的影响

1）首先应用有限元模拟对连铸生产的温度场进行有限元分析。回归计算出二冷水水量以及其他影响因素对铸坯表面温度及凝固终点温度影响的数学模型。

2）铸坯温度自动控制系统中配备在线测温仪并能够实时读取连铸过程的拉速、浇注温度、二冷水水量等工艺参数，根据实时测定的工艺参数，参照相应的数学模型，对二冷水水量进行实时调整。实测温度小于预设温度，铸坯表面温度偏低，不能满足连轧要求，需要根据数学模型适当减少二冷水水量。若实测温度大于预设温度，铸坯表面温度偏高，可能会出现漏钢事故，需要根据数学模型增加二冷水水量。

3.3 连铸坯切割采用液压剪

传统的连铸坯切割采用的是火焰切割，切割一根坯料的时间是30 s，而采用液压剪则整个切割过程约为8 s，远低于火焰切割机的30 s，这给连铸坯减少了至少25 ℃的温度损失［11］。随着液压剪设计制造技术的不断进步以及在实践过程中的积极运用，设备运行质量大幅度提升，可以在更换连铸中间包时，在线更换液压剪，对生产的影响较小。但无论是哪种类型的液压剪，剪切后的坯料端面均没有火焰切割机质量好，在选择无头轧制工艺时，需要谨慎选择［12-13］。

3.4 快速输送辊道

铸坯定尺切割后温降速度约为25 ℃/min，对于现有的棒线材生产线，由于连铸车间与轧钢车间布置的相对平面距离较远，通常铸坯转运都是通过辊道、天车、过跨小车以及专门的铸坯运输保温车运送至轧钢车间生产。在进行连铸直轧工艺改造时，改变连铸机及轧机的相对位置不易实现，且影响面广不易实现，因此增设快速辊道将定尺切割后的铸坯由连铸机直接送到粗轧机组，成为目前连铸直轧工艺改造的首选。即使连铸机与轧机之间距离为100 m，快速辊道速度达到3～5 m/s 后，30 s 左右可完成连铸机与轧机之间的坯料转运，铸坯在定尺切割前受连铸拉速影响缓慢前行一般＞5 min，因此快速输送辊道转运过程与铸坯切割前相比，此过程的温降要小10倍［14］。

3.5 配置保温辊道

对于长度为12 m 的方坯，在拉速3 m/min 的条件下，从切割位置到达固定长度位置需要4 min；如果不采取保温措施，则铸坯的温度下降4 min 约为100 ℃，尤其是边角处的温度下降最为严重。如果没有特殊的保温措施，温度将不稳定。相关企业采用先进的保温辊道，避免了辊道带走坯料温度。同时，可以保证铸坯在进入连铸冷却床之前的表面温度仍在1 000 ℃以上［15-16］。

铸坯在转运过程中主要是以热辐射的方式向周围环境散失热量，在辊道上加盖保温罩后，可以有效减少辐射损失的热量，保温罩内的温度远高于室温，减小了铸坯与辐射环境的温差，减少了辐射的热量。研究表明，加盖保温罩后，可减少辐射损失的热量约25%。

3.6 连铸坯补温加热

在进行连铸直轧工艺轧制时，可利用感应电炉对铸坯边角进行感应补热，以提高产量和生产效率。同时对于有条件利用高炉煤气等化工燃气的企业，可采用隧道式加热炉进行补热［17］。

3.7 设置合理的连铸及轧钢区的运行节奏

多流连铸，对应一条直轧线或多条直轧线，应设置自动检测及分选功能，并可根据每条流的位置和温度自动调整顺序轧钢，保证了工艺的可靠性。同时对连铸坯转运过程，应用排队理论进行优化设计，减少设备空置率，确保坯料由连铸机出坯后进入轧机的时间间隔短、温降少［18］。

对温度较低铸坯均不再落地处理，过程中直接降级改判后热送下道工序，减少处理低温钢的频次，以确保高温送坯的有效性。对轧线的粗轧机组进行裕量负荷验算，合理地分配道次压下量，使得轧线能够顺利轧制温度较低的连铸坯，形成炼-轧钢一体化生产管理［19］。

4 总结和展望

连铸直轧作为未来最有潜力的钢铁生产工艺之一，连铸坯的温度是可靠实施的重要因素，提高连铸坯温度，是推广其广泛应用的重要前提和保障。连铸坯温度主要是受到出坯温度和温降的直接影响。目前提出了多种提高连铸坯温度的方法，但目前对连铸坯温度影响的研究都只是简单地提高出坯温度和降低连铸坯温降的措施，而对于采取更加严格和精细的理论依据以及采取先进自动化设备实现高效热坯直轧，却少有研究；并且对于连铸坯补热的设备研究较少，未实现系统化，不能有效地在实际生产中针对性地应用。

连铸直轧被广泛地应用在各个钢厂，还需要做以下大量的工作:1）开发高效的连铸工艺，在确保安全生产的前提下尽量提高连铸坯的温度。2）对新设计的钢铁厂，优化布置，为连铸直轧工艺提供条件。3）实现炼轧钢一体化精细化管理，实现两厂联动机制，确保生产的稳定运行。4）对连铸坯补热工艺及设备应加强开发。