钢-材系统热过程

图1　钢锭系统热过程

2.1　钢锭冷装流程
　　从热能利用角度看，钢锭放冷后再加热，这本身就是热能的浪费，该流程增加了钢锭加热炉(均热炉)的负担，致使均热炉的能耗大，产量低。如果钢锭不放冷，趁热装炉加热，即钢锭热装，则可全面改善均热炉的热工作。
2.2　钢锭热装流程
　　热装均热炉的钢锭温度每提高50 ℃，均热炉产量提高7%左右，节能8%～10%。该流程已普遍为生产采用，为此生产中尽可能提高钢锭装炉温度，甚至高到钢锭内部尚有未凝固的钢液就装炉，即钢锭带液芯装炉。
2.3　钢锭液芯加热流程
　　该流程不仅利用了钢锭的高温显热，而且利用了液芯凝固所释放的潜热，用来均热钢锭自身，因此其节能效果显著，达70%～85%，钢锭在炉时间也显著缩短，均热炉产量水平提高2倍。从80年代初在我国各普碳钢厂陆续采用该流程。该流程钢锭液芯在炉内全凝后出炉。
2.4　钢锭液芯轧制流程
　　钢锭带液芯装炉，出炉时钢锭仍有少量液芯，在轧制过程中液芯全凝，称之为钢锭液芯轧制流程。该流程进一步缩短钢锭在炉时间，均热炉节能90%～95%，产量水平提高3倍。从80年代初我国各普碳钢厂陆续开发应用该流程。
　　由于液芯加热流程和液芯轧制流程的均热炉耗能极少；亦可称之为微能加热和轧制工艺。理论计算和实践表明，高温液芯锭所具有的显热和凝固潜热已大大高于出轧钢锭应具有的热能，因此存在着不供热靠钢锭自身均热而直接轧制的可能。
2.5　钢锭不加热轧制流程
　　液芯锭在不供热的保温设备中均热，在轧制过程中液芯全凝。由于不供热，没有能量消耗，有的称之为零能轧制。钢锭自身的均热可以在不供热的均热炉内进行，也可以专门修建保温设备用于均热，因此均热炉的生产能力如何对该流程不存在任何约束。
　　上述由钢锭至钢坯各流程的优化顺序是：不加热轧制→液芯轧制→液芯加热→热装→冷装。由于生产过程受制于很多因素，不可能全部实现最佳流程，要根据装炉钢锭的热状态按优化顺序选定流程，而装炉钢锭热状态的情况则取决于钢液出炉到钢锭装炉这一过程中的各个环节的生产状况，如钢锭浇注、钢锭静置、钢锭脱模、钢锭运送等。为了提高钢锭装炉温度，必须对钢锭传送过程各环节的不合理规章制度进行改革，并要加强调度管理工作。
　　钢锭经初轧开成钢坯后，由钢坯到钢材也有不同流程。
2.6　钢坯冷装流程
　　初轧后的热钢坯放冷，再送加热炉加热后轧制成材，显然是热能的浪费，加热炉的能耗多，产量低。
2.7　钢坯热装流程
　　如车间布置及运输等条件允许，初轧后的热钢坯直接装炉，在炉内补充热量，使钢坯达到热轧要求，则加热炉必然节能和高产。一般而言钢坯装炉温度每提高50 ℃，加热炉节能3%～4%，产量水平提高3%～5%。
2.8　钢坯直接轧制流程
　　初轧后的热钢坯直送轧机轧制成材，即所谓“一火成材”，这就取消了中间的加热工序，显然是最高效节能的。但一些老厂在流程布置上不具备条件，需进行改造。
　　钢坯到钢材流程以直接轧制(一火成材)为最佳，若不具备条件也应争取钢坯热送，实现钢坯热装炉。

3　连铸系统^［1，3］
　　70年代连续铸钢流程得到迅速发展，到80年代末(1989年)全世界的连铸比(连铸坯占全部铸钢的比率)达61.8%，法国、意大利、日本的连铸比高达94%左右，联邦德国为90%，英国为80%，美国65%，前苏联17.3%，我国为16.3%。我国连铸比逐年增加迅速，1993年为34%，1998年为68%，2000年计划达到80%。连铸系统取消了钢锭系统的初轧开坯工序，经济效益显著，是钢铁工业的重要技术突破。以板坯为例的连铸系统热过程见图2所示。

图2　连铸板坯系统热过程

3.1　连铸坯冷装流程
　　该流程是把连铸坯放冷后再装炉加热，其中同样存在热能的浪费，因此炉子能耗多，连铸坯在炉时间长，炉子产量低。
3.2　连铸坯热装流程
　　把热连铸坯装入保温设备(如保温坑、保温车等)内保温，然后再配装入炉，保温设备在连铸和加热炉之间起缓冲和协调作用，连铸和热轧可以各自独立地编制生产计划，其装炉的坯温为400～700 ℃，与冷装相比，加热炉节能20%～40%，产量提高30%～40%。
3.3　连铸坯直接热装流程
　　该流程连铸序号与装炉序号是相同的，连铸和热轧必须一体化组织生产，其装炉坯温可达700～1 000 ℃，加热炉节能40%～60%，产量提高40%～50%。
3.4　连铸坯直接轧制流程
　　该流程连铸坯在1 100 ℃条件下不装加热炉，在输送过程中通过边角补热装置将边角局部提温后直送轧机轧制，该流程对连铸与热轧一体化生产的要求更高，由于取消了加热炉这道工序，其综合经济效益最高，而实现的难度更大。
　　生产中可根据当时条件组织不同流程，其优化顺序是：直接轧制→直接热装→热装→冷装。
　　连铸技术的发展趋势是连铸与轧制工艺的衔接，使二者更紧密的结合，实现最短的生产工艺流程，最大限度地节约能源，提高金属收得率，缩短从钢液到成材的生产周期，获得更大的技术经济效益。在此趋势下有两个技术发展方向在世界范围内展开，一个是连铸坯的热送热装和直接轧制技术，即上面所述的诸流程，该项技术80年代以来已逐步实现了工业化生产；另一个是开发研究接近成品形状尺寸的连铸新技术，称之为近终形连铸技术，该技术有如下几个层次的流程。
3.5　薄板坯连铸流程
　　铸坯厚度为30～80 mm，可直接为热带精轧机供坯，取消了中厚板坯至薄板坯这一工序，通过一个热缓冲区均热炉的保温补热后，将薄板坯与现代化连轧机直接连接起来，实现连铸—连轧，缩短了工艺流程。我国珠钢、邯钢、包钢等厂都已引进该项技术，将陆续投产。
3.6　带钢连铸流程
　　铸坯厚度为1～10 mm，取代热带轧机，直接铸出带钢，比薄板坯连铸更前进一步，当然在设备和工艺方面的难度更大，目前处于开发研制阶段。
3.7　薄带连铸流程
　　薄带厚度为20～50 μm，取代带钢冷轧机，所研究的薄带浇铸方法很多，如单辊连铸、双辊连铸以及反向凝固等工艺。其中较为流行的是双辊薄带连铸工艺，钢液注入两个相对连续旋转的冷却辊间隙内，然后冷却成薄带。反向凝固工艺则突破了传统的连铸和轧制模式，将一定厚度的母带以一定速度通过反向凝固器内的钢液，母带使其表面附近的钢液迅速降温、凝固，并粘附在母带表面，当表面还处于半凝固状态时通过轧辊热轧并平整表面，还可以进一步冷轧，实现连铸—热轧—冷轧一次完成。薄带连铸的各种工艺尚处在实验开发阶段。

4　钢锭或连铸坯的热状态及流程选定
　　由于生产过程受制于很多因素，不可能都实现最佳流程，要根据钢锭或连铸坯的热状态按优化顺序选定流程。
4.1　热状态
　　主要内容是：
　　(1)温度场。即钢锭或连铸坯的任意时刻、任意点的温度，以此为基础可以知道钢锭或连铸坯有代表性的温度，如角部点温度、表面中点温度、表面平均温度、整体平均温度等。
　　(2)凝固场。即任意时刻钢锭或连铸坯的凝固情况，以此为基础可以知道钢锭或连铸坯的凝固层厚度，凝固率(或液芯率)以及全凝时间等。
　　(3)载热量。即任意时刻钢锭或连铸坯本身所具有的热量，以此为基础可以知道钢锭或连铸坯达到热轧要求还应补充的热量。
　　(4)应力场。即钢锭或连铸坯任意时刻、任意点的温度应力，为研究钢锭或连铸坯质量和判断产品是否出现裂纹等提供依据。在研究热送热装以及直接轧制等流程问题时，一般不计算应力场。
4.2　流程的选定
　　(1)钢锭不加热轧制流程或连铸坯直接轧制流程。如果钢锭、连铸坯以及钢坯的载热量(或温度场)远远超过轧制所应具有的热量(或温度场)，就有实现钢锭不加热轧制、连铸坯直接轧制以及钢坯一火成材的可能。对于钢锭或连铸坯而言，尽管载热量足够，但由于钢锭或连铸坯表面温度过低，还必须在保温设备内保温均热或表面边角补充加热，使表里温差小于规定值，达到所要求的温度均匀性后，方可进行轧制。
　　(2)钢锭液芯轧制流程。如果装炉钢锭载热量稍大于出轧钢锭应具有的热量，则有实现液芯轧制的可能，当钢锭液芯率小于6%～8%，并且炉内钢锭表面温度大于规定值后，即可出炉轧制，而且可以保证轧制过程中轧件不出鼓肚，并在轧制终了时液芯全凝。
　　(3)钢锭液芯加热流程。如果装炉钢锭载热量略小于或等于出轧钢锭应具有的热量，则可实现液芯加热，因为装炉时钢锭的液芯率不大，所以钢锭在炉内加热过程中液芯可以全凝。
　　(4)钢锭或连铸坯以及钢坯的热装流程。如果钢锭、连铸坯或钢坯的载热量小于出轧应具有的热量，但远远大于冷锭或冷坯的载热量，这属于热装流程。对于连铸坯而言，如果连铸和轧制的生产计划一致，即可直接热装加热炉，属连铸坯直接热装流程；如果连铸和轧制生产计划编制不统一，则连铸坯要放保温设备内保温，然后根据轧制计划安排再热装加热炉，就是连铸坯热装流程。
　　流程的选定取决于钢锭或连铸坯的热状态，而各种热状态参数可以通过钢-材系统热过程数学模型计算求得。