连铸—直接热装轧制过程中钢坯温度变化规律的研究

刘燕燕,孙业中,司文强

(宝山钢铁股份有限公司 1.中央研究院,上海 201999;2.热轧厂,上海 200941)

近十年,各级政府相继发布限煤控碳法律法规。目前,随着碳配额的进一步收紧,碳达峰、碳中和目标日渐明确,加之中国与国际碳市场的接轨,宝钢股份所面临的碳排放缺口越来越大,碳税履约成本越来越高,控煤控碳给钢铁转型发展带来的压力远比想象的要严峻。

能源效率提升是钢铁行业应对碳达峰、碳中和的关键路线和重点方向之一。《上海市钢铁行业超低排放改造工作方案(2019—2025年)》也提出要通过工艺改造实现源头减量。

在连铸到热轧之间,有诸多的节能减碳技术,特别是连铸直接轧制技术的应用,可有效降低能耗,节能即意味着减碳,减少1 kg标煤可减少约2.62 kgCO2排放[1],效果相当显著。台湾东河新钢厂通过铸机和轧机的直接相连,在140 t/h的轧制产能下,减少CO2排放72 000 t/a[2]。

从广义上来讲,采用连铸—热坯轧制的工艺,都可以称作连铸直接轧制[3]。有学者根据铸坯温度并考虑技术装备条件、工艺流程给出以下分类:①连铸—直接轧制:简称CC-DR(Continuous Casting-Direct Rolling)。连铸机与轧机连接紧凑,生产节奏完全协调。铸坯温度在1 100 ℃条件下不经加热炉,进行边部补热后送到轧机轧制。连铸坯表面应没有缺陷。②连铸—热直接轧制:简称CC-HDR(Continuous Casting-Hot Direct Rolling)。连铸机与轧线紧相连。铸坯温度在1100 ℃以下、铁碳相图A3线以上,不经加热炉,在输送过程中通过补热均热后送轧机轧制。连铸坯表面应没有缺陷。③连铸—直接热装轧制:简称CC-DHCR(Continuous Casting-Direct Hot Charging Rolling)。连铸机距轧钢车间较近。铸坯温度在铁碳相图A3线以下、A1线以上,铸坯可不落地通过辊道直接送加热炉加热后轧制。④连铸—热装轧制:简称CC-HCR(Continuous Casting-Hot Charging Rolling)。连铸机距轧钢车间较远,铸坯温度在铁碳相图A1线以下、400 ℃以上,在轧钢车间落地后经保温坑等设备进行中间缓冲,然后送至加热炉加热再至轧机轧制[4-5]。一般将400 ℃作为热装的低温界限。

连铸直接轧制可最大限度地利用铸坯的余热,缩短生产周期,提高产量,降低燃耗和CO2排放。这几种方式中,CC-DR工艺最为节能,但会受到许多条件限制,诸如连铸与轧机距离、连铸坯温度或表面质量无法达到工艺要求等,因此直接轧制CC-DR工艺实现难度较大。

宝钢热轧厂为进一步降低燃耗和减排CO2,综合考虑厂内现有的工艺装备、位置、技术条件及连铸坯温度、表面质量等,探索实施连铸—直接热装轧制CC-DHCR(以下简称为DHCR)工艺试验。高温无缺陷连铸坯切割后,通过辊道短程运输进入加热炉加热,然后再送到轧机轧制。在此工艺中,钢坯的温度控制与加热是技术关键,而这就极其有赖于对整个坯料输运、加热过程中温度变化规律的把握。钢坯温度如何变化以及温度均匀性如何,将直接影响到是否满足终轧温度、坯料的组织形态及轧制质量。目前对加热炉内钢坯受热规律的研究,多采用有限元或有限差分等数值方法,取得了一些有益的结果[6-8],但对连铸—直接热装轧制过程中钢坯温度变化规律的研究则相对较少。

本文采用计算流体力学CFD方法来研究连铸—直接热装轧制DHCR工艺中钢坯的温度变化规律。在工业试验之前,通过数值模拟计算钢坯从连铸切割后通过辊道运输,再经过加热炉预热段、加热段、均热段之后的坯料温度分布,由此获得钢坯在整个过程中的温度变化规律并考察其温度均匀性,以求能满足终轧温度及轧制质量的要求。将计算结果与工业试验结果进行对比,以验证数值模拟的合理性。最后,对试验钢坯进行轧制跟踪,以了解实施DHCR工艺对轧制和最终成材的影响。

1 连铸—直接热装轧制过程的钢坯温度分布数值模拟

1.1 数学模型

笛卡尔坐标下钢坯的非稳态导热微分方程见式(1):

(1)

1.2 模拟边界条件

边界条件为第三类边界条件,见式(2):

(2)

式中:α为钢坯与气相的综合换热系数;tf为近坯料表面的气相温度;tw为钢坯表面温度。钢坯导热系数和比热容随温度变化,钢坯与气相间的换热方式为辐射和对流。

1.3 建模及网格

对钢坯建模,钢坯尺寸为长10 410 mm,宽1 250 mm,厚230 mm(参考图1,图中钢坯长、宽、厚分别对应X轴、Z轴、Y轴方向),采用六面体结构网格。经网格无关性试验后,最终确定网格数量为90万个。

图1 各段末钢坯表面温度分布

1.4 模拟工况条件

模拟工况条件参照表1。

表1 模拟工况基本参数

2 数值模拟计算结果

连铸坯切割后,经辊道输运至加热炉,加热达到预设温度并均热后出炉。该过程定义为4个阶段:辊道输送空冷段(此段末为加热炉入口)、加热炉预热段、加热炉加热段、加热炉均热段。对上述4个阶段的钢坯传热分别进行非稳态数值模拟计算(因钢坯长宽厚的尺寸差距很大,为方便云图呈现,对三方向的显示比例进行调整,长宽两方向的显示比例分别为原尺寸的1/10和1/2,厚度方向显示比例不变),结果及分析如下。

2.1 各段末钢坯整体温度分布

图1所示的各段末钢坯表面温度分布显示了钢坯经辊道输送空冷段降温以及经加热炉预热段、加热段、均热段后升温及均热的温度变化概况,也直观显示出表面温度的不均匀性主要体现在边部和中心的温差。从图2所示的钢坯温度极值、均值可以看出,初始温度1 060 ℃的连铸坯经辊道输送空冷段后,钢坯温度最低值为835 ℃,平均温度为951 ℃;送入加热炉中经三段加热,出炉钢坯平均温度达1 150 ℃,这个温度可满足此类钢终轧温度(880±30)℃的需求;出炉钢坯温差最大值35 K,可满足轧制工艺对钢坯加热均匀性的要求。

图2 各段末钢坯温度极值与均值

2.2 截面中心点温度随时间的变化关系

定义钢坯与辊道接触面(平行于X-Z平面)为下表面,与之相对的面为上表面,平行于上下表面且与两面距离相等的面为中心截面。中心点(即截面的几何中心)温度随时间的变化曲线可以反映出钢坯辊道输送过程中冷却和加热炉中加热全过程的状况。从图3可以看出,钢坯辊道输送空冷阶段(对应横坐标轴0～15 min),由于与空气的对流和辐射,上下表面冷却得较快;而由于导热热阻的存在及板坯厚度,所以中心截面冷却较慢,温度比上下表面高。到了加热炉预热阶段(对应横坐标轴15～42 min)及加热阶段(对应横坐标轴42～72 min),由于炉内烟气的辐射和对流作用,上下表面升温速度快;钢坯内部导热较慢,故中心截面温度逐渐低于上下表面温度。到达均热段后(对应横坐标轴72～97 min),上下表面与中心截面的温差逐渐缩小。加热炉出口处(对应横坐标轴97 min时间点),上表面中心点与中心截面中心点的温差为20 K。

图3 截面中心点温度随时间的变化关系

2.3 钢坯截面温度分布

整个工艺过程中,钢坯的温度均匀性直接影响到轧制成品的质量。由于篇幅限制,表2只展现辊道输送空冷段末与加热炉均热段末两个时间点上的钢坯截面温度分布,以了解其温度均匀性。从中可以看出,钢坯温差主要在于钢坯上下表面与中心截面的温差以及边部与中心的温差。图4选取上表面中心线(平行于Z轴)与边线(平行于Z轴)的温度分布来定量说明中心与边部的温差。

表2 段末钢坯截面温度分布

从表2(a)辊道输送空冷段末的截面温度分布及图4(a)可以看出,经过辊道空冷之后,钢坯温度明显降低。上下表面降温快于中心截面,边部降温最快。就各截面而言,4个角的温度最低。通过模拟计算结果可知,上表面与中心截面平均温差为74 K,下表面与中心截面平均温差为59 K。图4(a)显示,经空冷段后,上表面中心线与边线的最大温差(即上表面中心线的中点与边线端点之间温差)约为187 K。可见,经过辊道输送后,钢坯的温差较大,温度不均匀问题比较突出。

数值模拟结果显示,经过加热炉预热段之后,钢坯整体温度上升,上下表面温度高于中心截面,边部温度得到较大提升,温度分布趋于均匀:上表面与中心截面平均温差为27 K,下表面与中心截面平均温差为17 K。图4(b)显示,经预热段后,上表面边线与中心线的最大温差(即上表面边线端点与中心线的中点之间温差)约为29 K。

经过加热炉加热段之后,钢坯的温度进一步升高,上下表面温度高于中心截面。上表面与中心截面平均温差为31 K,下表面与中心截面平均温差为19 K。从图4(c)可以看出,经加热段后,上表面边线与中心线的最大温差(即上表面边线端点与中心线的中点之间温差)约为25 K。

从表2(b)加热炉均热段末的截面温度分布可以看出,经均热段后,由于炉膛温度较高,因此钢坯温度继续上升并进一步均匀化。此时,上表面与中心截面平均温差为21 K,下表面与中心截面平均温差为11 K。从图4(d)中可以看出,均热段后,上表面边线与中心线的最大温差(即上表面边线端点与中心线的中点之间温差)约为19 K。

图4 各段末上表面中心线与边线(平行于Z轴)温度分布

3 宝钢连铸—直接热装轧制的工业试验及与数值模拟结果的对比

宝钢进行的连铸—直接热装轧制试验共安排2炉钢,产出热卷435.6 t(21卷)。工业试验工况完全与模拟工况一致。通过红外热成像仪测量了钢坯切割处、钢坯辊道输送至加热炉前、钢坯出炉后3个关键时间节点对应的坯料上表面中心点温度。试验结果与数值模拟结果进行了对比,并对后续轧制情况进行了追踪。

3.1 工业试验实测温度值与数值模拟结果的对比

从表3中可以看出,试验实测温度值与数值模拟温度计算值误差在10 K以内,符合精度要求,从而验证了数值模拟的正确性。

表3 钢坯温度的试验测量值与数值模拟结果对比

3.2 工业试验的轧制情况

现场工业试验中,试验钢坯经过粗轧区域和精轧区域后的表现如下。

(1)粗轧区域:粗轧轧制过程正常,各道次轧制力、电流情况正常。

(2)精轧区域:①精轧穿带过程正常,轧制过程稳定;②终轧温度控制正常,卷取温度控制正常,热卷表面正常;③热轧在线检测表面正常;④冷轧连退产出质量正常。

对于这类钢,终轧温度要求为(880±30)℃,卷取温度为(570±30)℃,从图5和图6中可以看出,这两项数值都满足要求。

图5 工业试验的终轧温度实绩曲线

图6 工业试验的卷取温度实绩曲线

从以上轧制实绩可见,这次连铸—直接热装轧制工业试验是成功的,说明该工艺具有可推广性,这为以后开发其他钢种的连铸直接轧制工艺设计提供了依据。与常规轧制流程相比,此次试验大幅缩短了钢坯传输和加热时间,燃耗降低为28.6 kgce/t(1 kgce=29.3 MJ),与现有工艺相比,降幅达33.7%,降低CO2排放38.09 kg/t,在满足轧制要求的同时,实现了节能减碳。

4 结论

(1)通过数值模拟获得了连铸—直接热装轧制DHCR工艺过程中钢坯温度变化规律。出炉钢坯平均温度1 150 ℃,可满足此类钢终轧温度(880±30)℃的需求。

(2)工艺过程中钢坯温差主要在于钢坯上下表面与中心截面的温差以及边部与中心的温差。通过数值模拟计算得到,出炉钢坯温差最大值在35 K以内,可满足轧制工艺对钢坯加热均匀性的要求。

(3)对试验钢坯进行了轧制性能跟踪,结果良好,证明了连铸—直接热装轧制DHCR工艺的可行性,可推广至具备相关条件的机组。

(4)连铸—直接热装轧制DHCR工艺,可有效利用坯料余热,缩短钢坯传输和加热时间,实现节能减碳的目的。工业试验燃耗降低为28.6 kgce/t,与现有工艺相比,降幅达33.7%,CO2排放降低了38.09 kg/t。