钢铁洪流，川流不息——超薄带钢无头连铸连轧
马氏体
2022-01-27 13:20
从钢铁厂到千家万户，从灼热的钢水到汽车上使用的薄钢板，要经历怎样的千锤百炼？
让我们走进火龙奔腾的钢铁生产现场。
在现代钢铁工业的大规模生产中，经由转炉或电炉冶炼得到的钢水，首先要在连铸机上铸成规格统一的钢锭。
钢包回转台从炼钢炉一侧接手盛满数百吨钢水的大钢包，通过旋转把大钢包转运到浇注位置。
中间包在大钢包下就位。它能容纳数十吨钢水，在浇注过程中暂存钢水，起到缓冲、稳流、上浮分离夹杂物等作用。
钢水经由陶瓷材料制成的水口，在隔绝空气的条件下，从中间包流向结晶器。板坯结晶器是一个横截面呈扁长方形、两端开口的水冷铜模。钢水流经此处，侧面接触结晶器而冷却凝固成壳体，而内部仍然处于液态（刚开始浇注钢水时，结晶器还带有“底板”——引锭杆，引导钢壳穿过连铸机）。结晶器作上下往复振动，避免钢壳粘在结晶器上。
离开结晶器后，对钢流喷雾冷却，使其内部完全凝固。与此同时，钢流通过弧形段，从垂直转为水平状态。趁芯部钢水完全凝固前，对钢壳的侧面进行挤压，可以打碎晶粒，减轻铸坯中心部位的疏松和偏析（即“液芯压下”）。对于薄板坯连铸，液芯压下还起到减薄铸坯、匹配连铸机和轧机对钢坯厚度的不同要求的作用（结晶器不宜太薄，但进入轧机的钢坯不能太厚）。
连绵的钢流被切割成特定长度的钢坯，等待热轧。
热轧是一个“趁热打铁”的过程，利用高温下钢坯较好的塑性，如同擀面一般把厚钢坯压制成钢板；同时钢坯内部粗大的铸造状态晶粒发生变形，再结晶为更细小的晶粒，从而提高钢材的强度和韧性。
如果连铸和热轧是两个相互独立的工序，那么连铸坯冷却后需要在热轧前重新加热（一般要加热到1200℃左右，加热时间以小时计），这显然会增加能耗（下面动图是板坯从加热炉中取出，进行往复粗轧初步减薄的过程，之后还要进行连续的精轧得到薄钢板，详见面朝大海，金石为开——走进首钢京唐（下））。因此，一个很自然的想法是利用连铸钢坯的余热，直接进行热轧（为了保证热轧时钢坯的温度均匀、恒定，从连铸机出来的钢坯还是要先进过均热炉加热）。这就是连铸连轧。
对于薄钢板的生产，常规热轧只能做到数毫米厚度（轧制得到的是长条状的钢带，被称为带钢，再卷成钢卷）。而采用薄板坯连铸连轧工艺，把薄的（几十毫米厚）连铸坯经过液芯压下进一步减薄后进行高速热轧得到薄带钢，最薄可以做到一两毫米。
传统上，要得到一毫米左右厚度的薄钢板，需要以较厚的热轧带钢为原料进行冷轧（详见冷连轧起点——武钢一米七轧机工程）。冷轧使钢带处于加工硬化状态，随后还需进行退火，使钢材发生再结晶，重新恢复高塑性、韧性的状态，以利于用钢企业对钢板进行加工。但这样热轧后冷却-轧制-再加热-再冷却的生产流程显然增加能耗、提高了成本。
过去，冷轧薄板是钢铁行业高技术产品的代表之一，替代了“傻大黑粗”的热轧钢板，让汽车、家电、日用品更加轻薄（上图为国内还不能生产冷轧薄钢板的上世纪八十年代以前，用镂空的厚铁皮做的热水瓶外壳）。而如今，用热轧薄板代替冷轧薄板，即“以热代冷”，成为了钢铁材料开发的热点之一，已被不少汽车厂商采用。据测算，热轧薄板将可能取代30%～35%的传统冷轧薄板的市场。
那能不能把热轧板做得更薄，从而代替更多冷轧板的市场呢？
恐怕不太容易，因为薄钢板的冷却速度太快，在热轧过程中难以保证带钢的温度均匀。
那能不能再提高热轧的速度以战胜冷却速度呢？
很难，因为轧制中的钢带坯之间有断头，钢带坯头部进入轧机、尾部离开轧机的速度是受限的，以确保钢带坯运行平稳、可控。
那么解决方案就是——减少甚至取消断头。
这可以从两个方面着手，一是在薄板坯连铸连轧生产线上延长连铸坯的长度（几十米到上百米），从而尽量减少断头的数量，即所谓“半无头轧制”，减少钢带坯进出轧机时加减速的耗时；另一种方法是在粗轧后把钢带迅速焊接起来，实现“无头轧制”。
随着薄板坯连铸连轧技术的进步，无头连铸连轧技术（ESP）应运而生。
把“无头”修饰于“连铸”之前，意思是连铸坯不再被切断，而是连绵不断地送入轧机轧制，彻底消除钢坯之间的断头。
这意味着轧机和连铸机直接刚性相连，在连续生产过程中没有缓冲的余地，对连铸和轧制过程的控制技术提出了更高的要求。
70~90mm厚度的连铸坯被三机架粗轧机轧制成10~20mm厚度的中间坯。
随后通过感应加热炉，对中间坯进行快速、精准、高效加热。
最后，经过五机架精轧机，得到厚度最薄可达0.6mm的超薄带钢（最宽可达1600mm）。
精轧完成的带钢经冷却后，按所需长度裁切、卷取成钢卷。
短短193米长度的ESP生产线，仅需不到7分钟，就能把钢水变成钢卷。而传统热轧生产线长达数百米，加工时间以小时计，且还不包括连铸、冷轧的占地和用时。ESP技术显而易见的优势，就是能够充分利用连铸坯的余热并减少轧制过程中的散热，大大降低能耗（比传统热轧减低能耗40%~70%，比薄板坯连铸连轧降低能耗25%~35%）。由于钢坯在轧制过程中没有断头，也就不需要切除质量不好的头尾部分，从而提高了钢水的利用率（可达97%~98%）。更重要的是，ESP的轧制速度更快，可以轧制出1毫米厚度以下的超薄带钢，能够在更多场合代替冷轧带钢，极大地简化了钢铁生产流程，降低能耗和成本。
这种超薄带钢ESP无头连铸连轧技术，由意大利钢铁企业阿尔维迪（Arvedi）于2009年率先开发应用，国内由日照钢铁控股集团有限公司（位于山东省日照市，民企）在2013年引进首条ESP生产线，目前已建成5条，而国内其他钢铁企业也陆续引进了ESP。
除了ESP之外，国内还有江苏沙钢集团（位于江苏省苏州市张家港市，因张家港古名“沙洲”，故称沙钢，是我国钢产量最大的民营钢铁企业，也是位列宝武、鞍钢、河钢之后我国钢产量第四位的钢铁企业）引进美国著名钢铁企业纽柯公司（Nucor）的Castrip超薄带钢工艺。这种技术又被称作超薄带双辊铸轧技术，用两个相对旋转的水冷铜辊实现钢水的凝固并直接挤压成厚度1.4-2.1mm的铸带，再经单机架轧机热轧即可得到0.7-1.9mm厚的超薄带钢。这种技术让生产线变得极为紧凑，仅50米长，从钢水到热轧钢卷的时间不到30秒，省去了连铸机和加热炉，减少了轧制过程，能耗更低。另外，铸带厚度很薄而凝固速度很快（不到1秒），晶粒细小，不发生偏析，在厚度方向上成分均匀，有利于提高钢材的力学性能和耐腐蚀性。
钢铁是传统行业，但钢铁行业的创新从未止步。
新技术新装备的应用是为了更快、更高效地生产钢铁产品，也是为了让钢铁生产过程更加清洁、绿色。
永不停歇的滚滚钢流，奔向钢铁行业高质量发展的明天。
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参考资料：
山东卫视. 《早安山东》20181008山东超级工程：钢铁创新先锋
http://news.cctv.com/2018/10/08/VIDEEehoO9vtX58s57Bdqegq181008.shtml
山东日照广播电视台.日照海洋新闻. 日钢ESP：0.6毫米的钢是怎样炼成的
https://v-qq-com.observersnews.com/x/page/t0861kqv0iv.html
其他视频素材包括中央电视台《走遍中国》20190724《熔铸九州》第二集《破茧成蝶》（武钢冷轧）、《走遍中国》20190603-20190607《百炼成钢》（首钢京唐）、《钢铁脊梁》第二季《钢铁之翼》（沙钢超薄带钢）、《走遍中国》
王利民. 热轧超薄带钢ESP无头轧制技术发展和应用. 冶金设备, 2014, 000(0z1):60-65.
祭飞. 无头轧制技术的优势与我国现状. 重工与起重技术, 2014(3):8-9.
彭晓华. 薄板坯连铸连轧的液芯压下技术. 钢铁, 1999, 34(9):6.
刘津伟, 张清辉. CSP和ISP技术浅析. 鞍钢技术, 2003(5):37-40.
世界金属导报.独家专题：沙钢超薄带双辊铸轧技术工业化实践.
