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CSP技术20年发展历程
作者:     信息来源:     发表时间:2014-04-04     文章时间:     卷:     期:     页码:
   1 新理念的提出   在高度发达钢铁行业很少出现原创性技术。由德国SMS Siemag公司以“紧凑式板带生产”(CSP)的名字引入市场的薄板坯技术,是钢铁工业的一项创新技术。   20世纪70、80年代出现钢铁危机,带来的结果是许多公司被迫削减过剩产能,在新型、竞争优势的设备和生产线上的必要投资被迫终止。在这个时期,小钢厂(短流程)在长材生产领域确立了应用地位。由于以低价的废钢为原料进行炼钢,并且采用适应要求的轧制工序,小钢厂具备比联合钢铁厂低得多的成本,且更具生产灵活性。以废钢为原料进行钢材生产,可使小钢厂生产商在投资生产线时不受大规模工厂基础建设的约束,同时也使他们能够将厂房建在接近用户的地方。   在20世纪80年代,钢铁公司和生产商讨论在扁平材领域也采用新型的工艺布置。当时,已经多次讨论了“近终形”连铸的优势,并从理论上进行研究,目标是在轧机上仅施加满足材料性能和形状要求的最小变形量,因此使降低轧制阶段的投资成为可能。   SMS Siemag公司的前身SMS Schloemann-Siemag公司在这个问题上取得突破,1985年10月第一块50mm规格的薄板坯在Kreustal-Buschhutten的中试厂成功地铸造出来。   这种新技术的核心是具有专利技术的漏斗型结晶器和优化的浸入式水口设计。铸机为立弯式,这种技术设备的特点是易于操作。   为了能对薄板坯进行轧制,SMS Siemag公司使用一个辊底式隧道加热炉将铸机和热轧机连在一起。在该理念中,薄板坯从铸机出来后就被切成所需卷重长度。当铸坯在辊底式隧道加热炉完成温度均热化后,被送往轧机进行轧制。由于最小厚度50mm(40)的薄板坯生产稳定可靠,轧制阶段的工作减少到仅需精轧机组就可完成。鉴于从钢水到热卷所需的工艺时间短,且布局紧凑,因此将其称作“紧凑式板带生产”,简称CSP。 2 成本与工艺优势   CSP在投资和运行成本方面的经济优势是显而易见的。由于不采用粗轧机,大大降低了投资成本。并可减少能源消耗,降低加工成本。CSP在年产能约80万t时就开始显现出低成本运行优势。采用三流铸机,即可实现350万t钢的最大年产能力。   生产商在选择产能时具有高度的灵活性,这是CSP技术成功的根本因素。这些可使CSP生产商以少量的投资涉足热轧带钢生产领域,并随着市场壮大而逐步提高产能。因此,在总共28条CSP生产线中,其中有12条在投产时只有一流铸机,之后再扩大产能。   除了经济方面的优势外,具有特殊的工艺条件是CSP长期成功的关键。CSP工艺为获得均匀的微观组织、稳定的力学性能和尺寸精度的热轧带钢提供了理想条件。其原因,一方面在于薄板坯本身,由于与厚板坯相比,凝固速度大大加快,铸态组织中宏观偏析少,并有极细小弥散分布的析出。另一方面,在于轧制过程中,在离开加热炉时,在薄板坯宽向、厚度方向及长度方向上的温度几乎均匀一致。因而,不再出现传统热轧厂存在的“冷边”问题,也不会在该区域出现相关的粗晶问题。结果,钢带在整个宽度和长度上的力学性能更加均匀。恒定的条件也保证了稳定、无事故的轧制过程,因此保证钢带尺寸处在小公差范围内。 3 CSP灵活的理念   CSP设备由一个立弯连铸机、一个辊底式加热炉、带层流冷却系统的紧凑式热轧机组及一个地下卷取机组成。在这些基本设计理念上,有许多不同的设计方案,使CSP适应每个客户的特殊要求。对铸机,可选方案包括从2段式冶金长度5700mm到5段式冶金长度10300mm的设备。铸坯厚度在40mm~90mm之间。   隧道加热炉用于将铸机和轧机连起来,并均匀薄板坯的温度。炉子长度由保证换辊所需的足够缓冲能力及选择几流铸机而定。   CSP精轧机组的机架数从4架到7架不等,第一架精轧机架的驱动力矩从大约2000kNm到最大4000kNm。   其它设备理念可以在薄板坯生产带钢的每一阶段进行选择。对铸坯厚度为90mm或更厚时,SMS Siemag提供一个带CSP漏斗型结晶器的圆弧式连铸机。为了将连铸段和轧制段连起来,除了使用均热炉外,可能采用保温罩、热卷箱以及感应加热系统,或者这些设备组合。轧机可以增加一架或更多粗轧机架。当需要相应的生产能力时,炉卷轧机也能作为精轧工序。   所有这些理念仍在探讨中,其中一些已经得到实施。SMS Siemag已建起了带一个或两个粗轧机架和一个热卷箱的设备,不过,在已建成的28条CSP生产线中,其中的26条都按最初理念实施,因为这是最经济的方案。 4 客户对CSP的要求   CSP理念的成功是由于更加关注CSP客户的目标变化。CSP最初提出的理念是低成本生产吨钢,而今天却在有针对性地生产高质量钢种。 5 低成本生产   在建造第一条CSP生产线时,优先考虑的是这种新技术的成本优势。首家决心真正投资CSP技术的公司是美国纽柯。该生产线设计热带产品规格:宽1100mm~1350mm,厚2.5mm~12.7mm。由一个铸机、一个辊底式隧道炉和4机架轧机及一个卷取机组成,因此可以看出,生产线只配置了绝对必要的设备。   之后,世界上许多公司使用CSP技术进入扁平材市场,大部分公司使用电弧炉炼钢,以废钢或直接还原铁为原料。其中也有一些例外,那就是在我国邯钢、包钢、马钢、涟钢和济钢。这些公司已经使用高炉和转炉,将CSP设备综合集成到传统的钢厂中去。 6 薄板带生产   由于独特的工艺特点,CSP技术首先主要用于薄板带生产。薄的(<1.5mm)及超薄(<1.0mm)的板带,是理想的以热代冷产品,可获得显著的成本优势。因此,在90年代末,普遍认为对薄板的需求将会增加。   在这方面的工作由墨西哥希尔萨 (现为Ternium Hylsa)于1995年开始。实践表明,为了能生产薄规格产品,必须调整自动化以充分发挥CSP技术优势。除了轧制规程调整外,最重要的是必须有板形和平直度模型、高速厚度控制系统、高精度活套优化的质量流与张力控制系统。此外,安装了辊缝润滑系统以减少轧制力和轧辊磨损。采用这些设备后,Ternium Hylsa实现了轧制最薄0.91mm的热轧板带。差分张力活套的开发使用及在此基础之上进行的自动矫直控制,进一步提高了工艺稳定性。   薄带生产的关键点仍是带钢在精轧机上的穿带和尾部抛钢。为了实现更高的工艺可靠性,SMS Siemag开发出半无头轧制技术,并成功地应用在马钢和涟钢。采用半无头轧制,在一个作业中连铸及轧制270m长的超长薄板坯。这种超长板坯一开始轧制成非临界厚度板带,保证穿带过程得到可靠地控制。在轧制过程中,辊缝开口度降低,轧制超薄规格精轧带钢。在进卷取机前,带钢被切成单个带卷。这使无危险的生产超薄带钢成为可能。   与CSP基本理念在生产线布置上唯一差别是使用特殊的高速剪和特殊的夹送辊,高速剪能将速度高达20m/s的带钢剪切成单个板卷,而夹送辊采用普遍使用的切换设备,可将钢带从一个卷取机快速切换到下一卷取机。使用该系统,涟钢可以稳定地生产0.77mm厚带钢。 7 高品质钢种   尽管CSP设备最初在普碳钢生产中采用,但在早期由于本身特有的均匀一致生产条件的特点,CSP适合于生产高品质钢种和轧制需要精确温度控制的材料。   美国的ACME,现为安塞乐米塔尔Riverdale公司,专注于生产高强度微合金钢,而纽柯Berkeley厂生产IF钢。   蒂森克虏伯钢铁公司不断挖掘CSP固有特点,生产高品质钢。1999年CSP技术投入市场时,该公司已经拥有4条传统的热轧板带厂。该公司打算上一条新的CSP设备替代其中一个传统热带厂的部分生产,用来生产先进钢种。   在最初几年,蒂森克虏伯CSP生产线主要生产低碳软钢。经过对整体工艺的不断改进及对上游工序的不断优化,生产钢种的范围大大拓宽,产品大纲包括了高附加值产品。如今,软钢产量不到总产量的一半。而无取向硅钢比例接近30%。更高级别的产品还包括HSLA钢、淬回火钢以及高强度包装带。与传统热带工艺相比,这些带钢在微观组织、力学性能和尺寸精度方面的均匀性更高。   安塞乐米塔尔以同样的方式充分利用CSP生产线。该公司位于西班牙的Bilbao厂,不仅生产1.0mm厚的薄带,也生产高强度钢、管线钢(最高级别X70)、压力容器用钢以及双相钢。   利用CSP设备专门生产某些特定高品质钢种,就有可能优化一个集团公司的整个生产,充分发挥各个不同厂的优势。这些很难在传统热轧带钢厂生产的钢种会制约传统热轧带钢机的生产效率。而如果这些钢种由CSP设备生产,则传统热带设备的生产效率就可以得到充分利用,从而提高集团的总产量。   这种策略目前正逐渐地被那些已经涉足带钢领域的钢铁企业利用。该铸机冶金长度10.3m,由5段组成,因此为铸坯提供了最佳的支撑条件。为了清除硅钢中粘性极高的氧化铁皮,该厂在辊底式加热炉入口侧的圆盘剪前安装了一个回转式高压除鳞机。 8 CSP理念的未来发展   在CSP技术进入市场20年内,目前已有28条生产线,代表了CSP厂用户的各种布置形式。不过,为了能够给客户带来更高的生产率和灵活性,CSP理念正在不断地进一步开发和优化。 (1) 三流铸机CSP设备   CSP开发的一个重要里程碑将是在印度Essar钢铁公司首次投产的3流铸机生产设备。该厂于2010年先投产2流铸机,年产能250万t。在增加第三流铸机后,2011年产能将提高到340万t,这与传统热轧带钢厂的产能相当。对那些已经运行的CSP厂,增加第三流铸机基本上是可行的。 (2) 带厚板坯生产线的CSP设备   另一个理念是将一个单流CSP设备与一个传统的粗轧机组组合起来。在单机架粗轧生产线中,将厚板坯轧制到薄板坯的典型规格50mm~70mm,随后通过一个摆动台送入CSP生产线,并在精轧机中进行轧制。典型的产品是对表面质量要求特别高的不锈钢。   将薄板坯和厚板坯组合起来的生产线,对那些希望仅采用一套设备就可以涵盖所有钢种和尺寸范围的热轧产品、而同时又无需超前使用CSP技术优势的客户来说,这种理念很有吸引力。   SMS Siemag正在泰国的G钢铁公司首次实施这样的理念,在G公司,在现有的铸轧厂增加一个单机架可逆式粗轧机。新设备将于2011年投入使用。 (3) 批/无头轧制理念   无头轧制理念是数十年来专家关注的话题,连续轧制的一个主要优势是均匀一致的工艺条件以及相应的在钢带整个长度方向上的稳定的产品质量。不再需要穿带和抛钢过程,因此加工过程非常稳定,从而可以获得极高的生产率。   此外,无头轧制理念具有高度紧凑的设备布置。采用薄板坯感应加热实现极短的厂房长度要求。   紧凑式无头轧制需要高速连铸以保证足够大的质量流,进而保证产品的质量。如今,这种高连铸速度仅在简单钢种(低碳钢)上取得成功。连续运行能否带来足够的优势以证明超过薄板生产的工艺难度是值得的,这一点还存在疑问。紧凑式无头轧制的优势面临巨大的挑战。   无头轧制设备的紧凑布置是通过取消隧道加热炉而实现的。因此,在铸机和轧机之间将没有缓冲区,每一次换辊必须进行薄板坯的切断抛弃处理,或者整条生产线停产。此外,必须放弃在现有设备上增加一台或几个铸机的想法。轧机使用强度太大,设备投资额高,因此该理念是不可能的。   鉴于纯粹的无头轧制的这些缺点,SMS Siemag开发出一种可进行无头和批轧制的理念,在这种新型的设计中,铸机后面加一个短的隧道式加热炉,采用感应加热将薄板坯加热到轧制温度。此外,感应加热系统可安装在机架之间,因此可降低无头轧制所要求的连铸速度。   在铸机启动及提高连铸速度的过程中,进行批轧制操作,并可以提供铸坯缓冲,以便在换辊时不会造成成材率的下降。   比较无头轧制中的批/无头轧制设备与典型CSP设备的能耗,发现批/无头轧制设备需要更高的能耗。此外,感应加热系统需要消耗电能,这比辊底式隧道炉加热用的天然气等价格要贵几倍。 9 展望   CSP技术20年持续成功的历程证明这种设备理念适合于客户和市场的不同要求,特别是鉴于目前的市场形势和对环境问题的日益重视,CSP是钢铁业合适的选择。CSP具有下列优势:   .通过降低投资规模和生产成本而具有高的经济效益;   .能耗低,节约资源;   .由于产品范围广而具有高度的生产灵活性,因此具备快速响应市场变化的能力。   另外,SMS Siemag公司还将对CSP技术进行进一步开发,以改善钢材的表面质量,并通过提高连铸速度而提高生产率。
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