鋼鐵洪流，川流不息——超薄帶鋼無頭連鑄連軋_風聞

马氏体-2022-01-27 13:20

2022-01-27

從鋼鐵廠到千家萬户，從灼熱的鋼水到汽車上使用的薄鋼板，要經歷怎樣的千錘百煉？

讓我們走進火龍奔騰的鋼鐵生產現場。

在現代鋼鐵工業的大規模生產中，經由轉爐或電爐冶煉得到的鋼水，首先要在連鑄機上鑄成規格統一的鋼錠。

鋼包迴轉台從鍊鋼爐一側接手盛滿數百噸鋼水的大鋼包，通過旋轉把大鋼包轉運到澆注位置。

中間包在大鋼包下就位。它能容納數十噸鋼水，在澆注過程中暫存鋼水，起到緩衝、穩流、上浮分離夾雜物等作用。

鋼水經由陶瓷材料製成的水口，在隔絕空氣的條件下，從中間包流向結晶器。板坯結晶器是一個橫截面呈扁長方形、兩端開口的水冷銅模。鋼水流經此處，側面接觸結晶器而冷卻凝固成殼體，而內部仍然處於液態（剛開始澆注鋼水時，結晶器還帶有“底板”——引錠杆，引導鋼殼穿過連鑄機）。結晶器作上下往復振動，避免鋼殼粘在結晶器上。

離開結晶器後，對鋼流噴霧冷卻，使其內部完全凝固。與此同時，鋼流通過弧形段，從垂直轉為水平狀態。趁芯部鋼水完全凝固前，對鋼殼的側面進行擠壓，可以打碎晶粒，減輕鑄坯中心部位的疏鬆和偏析（即“液芯壓下”）。對於薄板坯連鑄，液芯壓下還起到減薄鑄坯、匹配連鑄機和軋機對鋼坯厚度的不同要求的作用（結晶器不宜太薄，但進入軋機的鋼坯不能太厚）。

連綿的鋼流被切割成特定長度的鋼坯，等待熱軋。

熱軋是一個“趁熱打鐵”的過程，利用高温下鋼坯較好的塑性，如同擀麪一般把厚鋼坯壓制成鋼板；同時鋼坯內部粗大的鑄造狀態晶粒發生變形，再結晶為更細小的晶粒，從而提高鋼材的強度和韌性。

如果連鑄和熱軋是兩個相互獨立的工序，那麼連鑄坯冷卻後需要在熱軋前重新加熱（一般要加熱到1200℃左右，加熱時間以小時計），這顯然會增加能耗（下面動圖是板坯從加熱爐中取出，進行往復粗軋初步減薄的過程，之後還要進行連續的精軋得到薄鋼板，詳見面朝大海，金石為開——走進首鋼京唐（下））。因此，一個很自然的想法是利用連鑄鋼坯的餘熱，直接進行熱軋（為了保證熱軋時鋼坯的温度均勻、恆定，從連鑄機出來的鋼坯還是要先進過均熱爐加熱）。這就是連鑄連軋。

對於薄鋼板的生產，常規熱軋只能做到數毫米厚度（軋製得到的是長條狀的鋼帶，被稱為帶鋼，再捲成鋼卷）。而採用薄板坯連鑄連軋工藝，把薄的（幾十毫米厚）連鑄坯經過液芯壓下進一步減薄後進行高速熱軋得到薄帶鋼，最薄可以做到一兩毫米。

傳統上，要得到一毫米左右厚度的薄鋼板，需要以較厚的熱軋帶鋼為原料進行冷軋（詳見冷連軋起點——武鋼一米七軋機工程）。冷軋使鋼帶處於加工硬化狀態，隨後還需進行退火，使鋼材發生再結晶，重新恢復高塑性、韌性的狀態，以利於用鋼企業對鋼板進行加工。但這樣熱軋後冷卻-軋製-再加熱-再冷卻的生產流程顯然增加能耗、提高了成本。

過去，冷軋薄板是鋼鐵行業高技術產品的代表之一，替代了“傻大黑粗”的熱軋鋼板，讓汽車、家電、日用品更加輕薄（上圖為國內還不能生產冷軋薄鋼板的上世紀八十年代以前，用鏤空的厚鐵皮做的熱水瓶外殼）。而如今，用熱軋薄板代替冷軋薄板，即“以熱代冷”，成為了鋼鐵材料開發的熱點之一，已被不少汽車廠商採用。據測算，熱軋薄板將可能取代30%～35%的傳統冷軋薄板的市場。

那能不能把熱軋板做得更薄，從而代替更多冷軋板的市場呢？

恐怕不太容易，因為薄鋼板的冷卻速度太快，在熱軋過程中難以保證帶鋼的温度均勻。

那能不能再提高熱軋的速度以戰勝冷卻速度呢？

很難，因為軋製中的鋼帶坯之間有斷頭，鋼帶坯頭部進入軋機、尾部離開軋機的速度是受限的，以確保鋼帶坯運行平穩、可控。

那麼解決方案就是——減少甚至取消斷頭。

這可以從兩個方面着手，一是在薄板坯連鑄連軋生產線上延長連鑄坯的長度（幾十米到上百米），從而儘量減少斷頭的數量，即所謂“半無頭軋製”，減少鋼帶坯進出軋機時加減速的耗時；另一種方法是在粗軋後把鋼帶迅速焊接起來，實現“無頭軋製”。

隨着薄板坯連鑄連軋技術的進步，無頭連鑄連軋技術（ESP）應運而生。

把“無頭”修飾於“連鑄”之前，意思是連鑄坯不再被切斷，而是連綿不斷地送入軋機軋製，徹底消除鋼坯之間的斷頭。

這意味着軋機和連鑄機直接剛性相連，在連續生產過程中沒有緩衝的餘地，對連鑄和軋製過程的控制技術提出了更高的要求。

70~90mm厚度的連鑄坯被三機架粗軋機軋製成10~20mm厚度的中間坯。

隨後通過感應加熱爐，對中間坯進行快速、精準、高效加熱。

最後，經過五機架精軋機，得到厚度最薄可達0.6mm的超薄帶鋼（最寬可達1600mm）。

精軋完成的帶鋼經冷卻後，按所需長度裁切、卷取成鋼卷。

短短193米長度的ESP生產線，僅需不到7分鐘，就能把鋼水變成鋼卷。而傳統熱軋生產線長達數百米，加工時間以小時計，且還不包括連鑄、冷軋的佔地和用時。ESP技術顯而易見的優勢，就是能夠充分利用連鑄坯的餘熱並減少軋製過程中的散熱，大大降低能耗（比傳統熱軋減低能耗40%~70%，比薄板坯連鑄連軋降低能耗25%~35%）。由於鋼坯在軋製過程中沒有斷頭，也就不需要切除質量不好的頭尾部分，從而提高了鋼水的利用率（可達97%~98%）。更重要的是，ESP的軋製速度更快，可以軋製出1毫米厚度以下的超薄帶鋼，能夠在更多場合代替冷軋帶鋼，極大地簡化了鋼鐵生產流程，降低能耗和成本。

這種超薄帶鋼ESP無頭連鑄連軋技術，由意大利鋼鐵企業阿爾維迪（Arvedi）於2009年率先開發應用，國內由日照鋼鐵控股集團有限公司（位於山東省日照市，民企）在2013年引進首條ESP生產線，目前已建成5條，而國內其他鋼鐵企業也陸續引進了ESP。

除了ESP之外，國內還有江蘇沙鋼集團（位於江蘇省蘇州市張家港市，因張家港古名“沙洲”，故稱沙鋼，是我國鋼產量最大的民營鋼鐵企業，也是位列寶武、鞍鋼、河鋼之後我國鋼產量第四位的鋼鐵企業）引進美國著名鋼鐵企業紐柯公司（Nucor）的Castrip超薄帶鋼工藝。這種技術又被稱作超薄帶雙輥鑄軋技術，用兩個相對旋轉的水冷銅輥實現鋼水的凝固並直接擠壓成厚度1.4-2.1mm的鑄帶，再經單機架軋機熱軋即可得到0.7-1.9mm厚的超薄帶鋼。這種技術讓生產線變得極為緊湊，僅50米長，從鋼水到熱軋鋼卷的時間不到30秒，省去了連鑄機和加熱爐，減少了軋製過程，能耗更低。另外，鑄帶厚度很薄而凝固速度很快（不到1秒），晶粒細小，不發生偏析，在厚度方向上成分均勻，有利於提高鋼材的力學性能和耐腐蝕性。