一、項目名稱
MCCR多模式全連續(xù)鑄軋一體化技術(shù)集成與創(chuàng)新
二、研究的背景與問題
《國家產(chǎn)業(yè)技術(shù)政策》、《關(guān)于促進鋼鐵工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的指導(dǎo)意見》提出推進以近終形制造技術(shù)為代表的工藝流程優(yōu)化，實現(xiàn)薄規(guī)格、高強鋼的低碳、高效生產(chǎn)。薄板坯連鑄連軋將鑄造、加熱、軋制等工序融為一體，工序簡約、生產(chǎn)高效。30多年間，經(jīng)歷三代發(fā)展，形成了CSP、FTSR、ISP、ESP等多種技術(shù)形式。
2015年，首鋼響應(yīng)“京津冀協(xié)同發(fā)展”戰(zhàn)略要求，開始謀劃建設(shè)京唐二期工程，規(guī)劃新建一條薄板坯連鑄連軋產(chǎn)線，與已有的4條常規(guī)熱連軋產(chǎn)線形成優(yōu)勢互補，新產(chǎn)線產(chǎn)品定位生產(chǎn)“薄規(guī)格+高強”熱軋帶鋼，同時要能夠適應(yīng)“多品種、多規(guī)格”靈活生產(chǎn)的要求。當(dāng)時已有的技術(shù)受產(chǎn)線布局等因素限制也存在一些問題：①生產(chǎn)靈活性不足，帶鋼寬度不能適應(yīng)市場需求靈活調(diào)整；②連鑄頭尾坯不能軋制成卷、連鑄連澆過程不能更換軋輥，影響綜合成材率；③粗軋前沒有除鱗裝置，易產(chǎn)生氧化鐵皮壓入缺陷；④鑄坯邊角部溫度低，裂紋敏感性鋼種易產(chǎn)生邊部缺陷；⑤采用“縱磁”感應(yīng)加熱技術(shù)，帶鋼不同程度存在“三明治”組織缺陷。
三、項目整體思路與技術(shù)方案
1、項目整體思路
針對已有薄板坯無頭軋制技術(shù)生產(chǎn)靈活性差，難以滿足市場需求等問題，基于對各工藝段功能進行了充分的解析、集成、重構(gòu)，結(jié)合對生產(chǎn)線的目標定位，首鋼決定通過整合國際、國內(nèi)優(yōu)勢資源，采用自主創(chuàng)新與集成創(chuàng)新相結(jié)合方式，開發(fā)全新布局薄板坯全連續(xù)鑄軋一體化的流程體系，即多模式全連續(xù)鑄軋生產(chǎn)線（MCCR：the Multi-mode Continuous Casting & Rolling plant），以實現(xiàn)高鋼通量條件下多品種多規(guī)格靈活生產(chǎn)，產(chǎn)品質(zhì)量更優(yōu)良。項目研究思路如下：
（1）以生產(chǎn)高強薄規(guī)格帶鋼為目標的產(chǎn)線，必須采用無頭軋制技術(shù)，且能夠靈活的進行寬度調(diào)整。開發(fā)多模式溫度控制與軋制控制技術(shù)，解決不同模式下溫度控制問題及其導(dǎo)致的壓下策略變化問題；開發(fā)無頭軋制模式下鑄坯在線調(diào)寬、鑄軋協(xié)同的寬度控制策略，解決帶鋼寬度靈活調(diào)整的難題。（2）無頭軋制模式下連鑄必須實現(xiàn)高拉速、高鋼通量；高鋼通量結(jié)晶器流場流速高，液位波動大，保護渣耗量降低，易造成鑄坯缺陷發(fā)生率升高。開發(fā)支撐連鑄高拉速的系列技術(shù)、鑄坯表面缺陷控制、長壽命結(jié)晶器銅板等關(guān)鍵技術(shù)。（3）為滿足高拉速連鑄要求，需解決冶煉工序穩(wěn)定深脫硫與短周期快節(jié)奏矛盾，要開發(fā)防增硅高效深脫硫生產(chǎn)工藝。開發(fā)VD真空脫碳與脫氣精準控制技術(shù)，實現(xiàn)超潔凈鋼高效低成本冶煉。（4）開發(fā)針對多模式軋制的輥形配置與板形控制模型、表面氧化鐵皮控制技術(shù)、性能一致性控制技術(shù)，解決多模式長輥期軋制條件下高質(zhì)量帶鋼生產(chǎn)難題。
2、技術(shù)方案
經(jīng)過充分的研究論證，項目團隊創(chuàng)新性的提出了MCCR多模式薄板坯全連續(xù)鑄軋一體化產(chǎn)線集成方案（見圖2），與ESP等產(chǎn)線相比具有以下顯著特點：（1）薄板坯連鑄機采用更厚（110/130mm）鑄坯、更長的冶金長度（26.5m），配合系列創(chuàng)新技術(shù)，在保證高拉速的基礎(chǔ)上，可獲得更高的鋼通量；（2）在鑄機與軋機之間增設(shè)79.2m長的多功能隧道式均熱爐；（3）采用三點除鱗，避免帶鋼表面氧化鐵皮殘留缺陷；（4）采用“橫磁”感應(yīng)加熱技術(shù)，避免帶鋼產(chǎn)生“三明治”組織缺陷；（5）采用加強型層流冷卻，更有利于生產(chǎn)高強鋼；（6）只用兩臺地下卷取機即可滿足產(chǎn)線多模式生產(chǎn)要求。主要研發(fā)技術(shù)內(nèi)容如下：
（1）靈活多模式薄板坯全連續(xù)鑄軋一體化技術(shù)
通過多功能隧道式均熱爐的緩沖作用，實現(xiàn)單坯、半無頭、全無頭三種軋制模式的靈活切換，可以使連鑄頭尾坯軋制成卷；可在連澆期間實現(xiàn)軋機在線換輥，單澆次可組織雙輥期甚至多輥期生產(chǎn)，實現(xiàn)連鑄長周期連澆，提高綜合成材率；板坯經(jīng)隧道爐均熱，溫度均勻性明顯提升，長寬厚各向溫差≤±10℃，有利于提高帶鋼邊部質(zhì)量，對于生產(chǎn)Nb、V、Ti微合金化的高強鋼尤為重要。
開發(fā)了多模式軋制控溫控軋技術(shù)。實現(xiàn)了多模式下帶鋼溫度的高精度控制與軋制模式的靈活切換。
開發(fā)了靈活的多寬度生產(chǎn)技術(shù)。創(chuàng)新性提出“鑄機在線調(diào)寬+立輥寬度粗調(diào)+活套寬度精調(diào)”的多寬度控制策略。通過在線調(diào)寬，實現(xiàn)一個澆次生產(chǎn)兩個及以上寬度產(chǎn)品，調(diào)寬量達80mm，調(diào)寬拉速4.7m/min。產(chǎn)線產(chǎn)品覆蓋900~1600mm寬度。
（2）高拉速高鋼通量薄板坯連鑄控制技術(shù)
為滿足全無頭生產(chǎn)需求，薄板坯鑄機必須實現(xiàn)高鋼通量。首次提出“鋼通量指數(shù)”概念，用來表征薄板坯全連續(xù)鑄軋一體化工藝技術(shù)水平。實踐證明：要實現(xiàn)高效、經(jīng)濟、優(yōu)質(zhì)的全連續(xù)鑄軋一體化生產(chǎn)，鋼通量指數(shù)應(yīng)大于500?？梢酝ㄟ^增加鑄坯厚度、提拉速來提高鋼通量指數(shù)。
開發(fā)了薄板坯連鑄結(jié)晶器流場控制技術(shù)。優(yōu)化“笑臉”形電磁制動鐵芯布置，增加水口出口處的電磁制動力；主導(dǎo)設(shè)計“小輥徑、變輥間距”輥列，可有效避免動態(tài)鼓肚引起的結(jié)晶器液面波動；開發(fā)國產(chǎn)五孔島式結(jié)構(gòu)水口，實現(xiàn)了所有鑄坯斷面的全覆蓋，結(jié)晶器±3mm液位波動合格率提升至99.8%。
開發(fā)出國產(chǎn)高潤滑控?zé)岜Ｗo渣，解決了銅板使用后期熱流密度高且不均勻，易產(chǎn)生“冷齒”或裂紋缺陷的問題?；凇皠討B(tài)邏輯判斷法”自主開發(fā)高精度結(jié)晶器專家系統(tǒng)，漏鋼預(yù)報報警時機提前約2s。2023年以來漏鋼及粘結(jié)預(yù)報準確率達到100%，連續(xù)無漏鋼生產(chǎn)達到166萬噸。
開發(fā)“L”型水槽變截面冷卻技術(shù)，通過對彎月面位置水槽結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，提升了冷卻強度，優(yōu)化后彎月面銅板溫度降低了20-30℃，有效緩解銅板表面裂紋發(fā)生，下線銅板表面良好。采用激光3D打印，將抗高溫?zé)釕?yīng)力裂紋材料熔覆在結(jié)晶器銅板表面，得到具有抗高溫?zé)釕?yīng)力裂紋合金材料層的結(jié)晶器銅板，單塊銅板修復(fù)次數(shù)從5次增加到10次，全壽命周期過鋼量從13.2萬噸增加到30萬噸以上。
為了解決難澆鋼種拉速受限，鋼通量低的問題，充分發(fā)揮冶金長度優(yōu)勢，開發(fā)多種規(guī)格輥縫調(diào)節(jié)技術(shù)，低拉速（≤5.0m/min）難澆鋼種采用厚鑄坯，也可實現(xiàn)高鋼通量。
（3）LF/VD-MCCR的低成本快節(jié)奏超潔凈鋼冶煉工藝路線
首創(chuàng)了VD配薄板坯連鑄的工藝路線。連鑄要實現(xiàn)高拉速、高鋼通量，要求所有鋼種[S]≤0.002%，[C]要避開包晶區(qū)和亞包晶區(qū)，對[H]等有害元素也有較高要求。高表面質(zhì)量的低碳鋼種還要求[Si]≤0.03%，以減少鐵橄欖石的生成，降低氧化鐵皮去除難度，開發(fā)了防增硅高效深脫硫渣系及相關(guān)工藝控制技術(shù)，實現(xiàn)了全量鋼水超低硫控制，月平均[S]含量穩(wěn)定在12ppm左右，低碳超低碳品種平均[Si]含量0.026%。開發(fā)了VD高效脫碳輕處理和深脫碳工藝技術(shù)，低碳產(chǎn)品平均[C]含量控制在0.014%，最低達到6.5ppm。突破了VD周期長、不能匹配連鑄快節(jié)奏的限制，開發(fā)了高效快節(jié)奏精煉工藝。LF+VD雙聯(lián)工藝供鋼周期縮短至29分鐘。同時做到了低成本，比首鋼同噸位RH工藝成本低13.5元。
（4）長輥期下薄寬帶鋼質(zhì)量動態(tài)精準耦合調(diào)控技術(shù)
開發(fā)了高精度板形控制技術(shù)。將8機架粗/精軋統(tǒng)籌考慮，針對不同機架軋制工況和板形控制特性，提出兼顧輥期延長和板形質(zhì)量的輥形配置策略，并匹配開發(fā)多模式軋制條件下工作輥竄輥策略。基于粗精軋負荷分配優(yōu)化控制，開發(fā)中間坯與成品凸度雙目標控制技術(shù)，實現(xiàn)全機架負荷與凸度分配協(xié)同控制，最大輥期長度達到264km，全量產(chǎn)品成品凸度（±20μm）命中率98.5%，無頭軋制凸度命中率99.6%。
開發(fā)了寬度高精度控制技術(shù)。突破傳統(tǒng)“套量優(yōu)先”理念，提出“粗軋?zhí)琢績?yōu)先，精軋張力優(yōu)先”的控制策略。開發(fā)活套變目標角度寬度控制、FET寬度補償、寬度反饋等控制技術(shù)，寬度命中率由85.6%提高到99.4%。
開發(fā)了高表面質(zhì)量控制技術(shù)?；谌c除鱗，開發(fā)高拉速連鑄、均熱及帶鋼軋制等過程氧化控制策略。提出以C/Si為基礎(chǔ)的帶鋼表面鐵皮粉化起泡控制思路，形成基于感應(yīng)加熱條件下不同鋼種的高效除鱗技術(shù)，氧化鐵皮缺陷發(fā)生率≤0.2%，產(chǎn)品表面質(zhì)量與常規(guī)熱連軋相當(dāng)，酸洗平整后產(chǎn)品達到冷軋FB級表面質(zhì)量水平。
開發(fā)了產(chǎn)品性能一致性控制技術(shù)。研究了感應(yīng)加熱、終軋和卷取溫度對帶鋼力學(xué)性能影響，明確控制性能一致性最佳溫度窗口。改進感應(yīng)加熱器邊部聚磁環(huán)、磁軛等結(jié)構(gòu)；調(diào)整控制思路、優(yōu)化控制參數(shù)，1500mm規(guī)格橫向溫差由35℃減至18℃。開發(fā)層冷保溫設(shè)備與高精度卷取溫度控制技術(shù)，CT溫度波動≤10℃。全無頭模式下，同規(guī)格GPa級高強薄規(guī)格帶鋼強度波動≤±30MPa。
四、主要創(chuàng)新性成果
首鋼整合國際、國內(nèi)優(yōu)勢資源，采用自主創(chuàng)新與集成創(chuàng)新方式，全球首創(chuàng)全新的第三代薄板坯連鑄連軋技術(shù)（MCCR），解決了薄規(guī)格熱軋帶鋼多品種多規(guī)格靈活穩(wěn)定生產(chǎn)、高效低成本冶煉超潔凈鋼、薄板坯連鑄高拉速高鋼通量、長輥期板形控制、表面質(zhì)量及性能一致性等諸多難題。主要創(chuàng)新點如下：
1.首創(chuàng)單坯/半無頭/全無頭軋制多模式薄板坯全連續(xù)鑄軋一體化技術(shù)。首次在無頭軋制產(chǎn)線集成多功能隧道式加熱爐，開發(fā)了無頭軋制模式下在線調(diào)寬、多模式控軋控溫策略等關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)多品種、多寬度、單澆次多輥期、多種軋制模式的靈活生產(chǎn)，鋼水至鋼卷綜合成材率達到98.7%，無頭軋制在線調(diào)寬量達到80mm，無頭軋制比例96%以上。
2.首次提出鋼通量指數(shù)概念，建立了高拉速高鋼通量薄板坯連鑄控制技術(shù)體系。主導(dǎo)設(shè)計了“小輥徑、變輥間距”輥列與“L”型強冷卻結(jié)晶器，開發(fā)了五孔島式結(jié)構(gòu)浸入式水口、結(jié)晶器流場精準控制、高潤滑控?zé)岜Ｗo渣、激光3D打印結(jié)晶器修復(fù)等關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)了110mm鑄坯最高拉速6.0m/min，鋼通量指數(shù)達到660mm*m/min，結(jié)晶器液位波動≤±3mm命中率99.8%。
3.首創(chuàng)“KR-BOF-VD-LF-MCCR”和“KR-BOF-LF-(VD)-MCCR”工藝路線。開發(fā)出VD精準脫碳、防增硅高硫容量渣系及高效深脫硫等關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)≤0.03%低硅、≤0.0020%超低硫、≤0.01%超低碳系列鋼種及T[O]≤0.001%超潔凈鋼高效穩(wěn)定生產(chǎn)，LF-VD雙聯(lián)精煉供鋼周期低至29分鐘，滿足高鋼通量連鑄長周期連澆要求。
4.首次提出長輥期下薄寬帶鋼質(zhì)量動態(tài)精準耦合調(diào)控策略。開發(fā)出無頭軋制模式粗精軋凸度雙閉環(huán)、活套寬度控制、高表面質(zhì)量與性能均質(zhì)化控制等關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)無頭軋制板帶凸度命中率99.6%，寬度命中率99.4%，單輥期軋制里程達到264km，實現(xiàn)700MPa~1500MPa高強鋼穩(wěn)定生產(chǎn)，GPa級薄規(guī)格高強鋼同規(guī)格性能波動≤±30MPa。
項目獲授權(quán)發(fā)明專利34項，申報團體標準2項，企業(yè)技術(shù)秘密11項，論文17篇。中國金屬學(xué)會對項目組織成果評價，評價委員會一致認為項目成果總體達到國際領(lǐng)先水平。
五、應(yīng)用情況與效果
首鋼通過自主創(chuàng)新與集成創(chuàng)新完成的MCCR多模式全連續(xù)鑄軋一體化產(chǎn)線，于2019年4月成功下線第一卷帶鋼，2021年5月實現(xiàn)18.88萬噸的全面月達產(chǎn)，實現(xiàn)長周期穩(wěn)定生產(chǎn)，月均全線非計劃停機次數(shù)降至2次，最長實現(xiàn)連續(xù)58天無故障停機，單澆次最高連澆29爐、1006分鐘、產(chǎn)合格帶卷6291噸，鋼水至鋼卷綜合成材率達到98.7%，無頭軋制比例達到96%，最薄規(guī)格突破至0.75mm，實現(xiàn)單澆次0.8mm薄規(guī)格千噸級穩(wěn)定生產(chǎn)。
產(chǎn)品涵蓋薄規(guī)格熱軋板卷、熱軋酸洗板、熱基鍍鋅板等大類，廣泛應(yīng)用于汽車、家電、建筑、物流等各個行業(yè)。其中，薄規(guī)格SPA-H產(chǎn)品在中集、新華昌等企業(yè)廣泛應(yīng)用，700~1500MPa級薄規(guī)格高強鋼產(chǎn)品在商用車領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，其中1.1mmGPa級熱軋薄規(guī)格超高強鋼等5項產(chǎn)品實現(xiàn)行業(yè)內(nèi)獨家供貨。近三年累積生產(chǎn)高質(zhì)量薄寬規(guī)格熱寬帶鋼536.1萬噸，銷售收入175.3億元，利潤4.75億元，實現(xiàn)流程降碳59.47萬噸，為鋼鐵流程低碳化、綠色化發(fā)展做出重要貢獻。
MCCR產(chǎn)線首次應(yīng)用的增厚鑄坯的高拉速高鋼通量連鑄、無頭軋制在線調(diào)寬、橫磁感應(yīng)加熱、多點式除鱗等技術(shù)，引領(lǐng)了薄板坯連鑄連軋技術(shù)的發(fā)展方向，在近幾年新建的無頭軋制產(chǎn)線中得到推廣應(yīng)用，促進了薄板坯鑄軋一體化技術(shù)的多元化發(fā)展。
