無頭軋制專題
編者按：無頭軋制技術是鋼鐵加工流程的一次重大飛躍式發展，即鋼材生產不再是單塊的、間隙性的，而是連續進行軋制，從而使生產率和成材率大幅提高，節能減排效果明顯，既實現了經濟效益也實現了社會效益。世界金屬導報特組織了棒線材和板帶無頭軋制專題，包括DUE、MIDA、Castrip、ESP、CEM等近年來廣受關注的無頭軋制技術，使讀者全面了解不同無頭軋制技術的優勢和局限性以及未來發展趨勢，對無頭軋制技術的應用具有重要參考意義。
達涅利為滿足中國鋼鐵「大產能、高效率、節能環保」的市場需求，在達涅利小型短流程鋼廠（MI.DA.）理念的基礎上，開發了雙流無頭連鑄連軋工藝，即雙MI.DA.生產線。雙MI.DA.產線配備雙流高速連鑄機，分別向兩臺獨立軋線持續供料，可使成品產量翻倍，最高產能可達160萬噸/年。中國的桂林平鋼和山西建邦是首批安裝雙MI.DA.生產線的中國鋼鐵企業，其中桂林平鋼的雙MI.DA.產線首次將線材產品併入螺紋鋼生產組合中。雙MI.DA.產線的連鑄機採用了達涅利最新的FastCastTM技術，可以實現高生產率，並採用超細晶粒（UFG）工藝，增強產品機械性能，儘可能減少甚至避免使用合金元素，節省資源。
1 引言
繼達涅利成功開發和產業化應用無頭連鑄連軋（ECR）工藝以及達涅利小型短流程鋼廠（MI.DA.）理念之後，達涅利已經開發了雙MI.DA.產線設備。利用電弧爐或轉爐，在一臺連鑄機上對鋼水進行鑄造，然後通過兩條軋線生產長材產品。中國已有兩家鋼鐵公司訂購了全球首批該套設備。
多年以來，達涅利開發出了多項成熟技術，可在高達7.0m/min（甚至更高拉坯速度）的穩定速度條件下進行連鑄生產，並以94%的正常運行時間將整個生產流程的成材率提高至99%。因此，達涅利的ECR工藝是未來發展的必然趨勢，滿足了客戶日益增長的需求，以競爭的方式實現鋼廠生產能力的最大化。目前，ECR工藝成為了一種成熟、可靠且經濟的棒材、鋼筋和線材的生產方式，這種方式將取代傳統的短流程鋼廠。
2 雙MI.DA.理念
自2009年起，採用ECR工藝的達涅利MI.DA.理念投入工業化運營，旨在區域性地生產棒線材等特定產品。目前中國正在擴大該小型鋼廠概念的應用，通過雙MI.DA.概念使鋼廠生產能力加倍，滿足本地客戶的需求。在本質上是一個高速的雙流連鑄機，每流均以無頭軋制模式分別向兩條獨立的軋線供料，使成品產量增倍，達到130萬-140萬噸/年。
中國的兩份重要訂單預示著MI.DA設備的規模發展和增長，它將會逐步取代傳統短流程鋼廠。正如本文所述，由於對自然資源保護的呼聲日盛，對節能技術的關注也隨之增加。
3 中國鋼企訂單
達涅利已經收到兩份來自中國的訂單，將在桂林平鋼鋼鐵有限公司（簡稱桂林平鋼）和山西建邦集團各建一套雙MI.DA設備。這是中國首批從MI.DA.鋼廠獲益的鋼鐵製造商，該理念具有運營成本和操作維護成本上的優勢，採用最佳的節能和環保方式。
桂林平鋼配有一條可生產70萬噸/年帶肋線材的軋線和一條可生產70萬噸/年螺紋鋼的軋線，而山西建邦的每條軋制線（共兩條）可生產70萬噸/年螺紋鋼。
這是MI.DA.設備首次將線材產品併入螺紋鋼生產組合中。
兩套設備均配有高速雙流連鑄機（每流鑄機每小時產量為110噸）、一個通用中間包（根據配置可連續為兩條獨立的軋制線供料，生產螺紋鋼和/或線材）。桂林平鋼產線的工藝設備配置示意圖如圖1所示。
圖1 桂林平鋼雙MI.DA.鋼廠工藝設備配置
兩套雙MI.DA.設備都將安裝在現有廠區內：桂林平鋼的鋼水來自一座以廢鋼為原料的電弧爐，而山西建邦的鋼水則來自高爐-轉爐，由此顯示了MI.DA.技術在鋼水來源方面的巨大靈活性。
在兩個項目中，軋線均配有上遊感應加熱爐（平衡鋼坯溫度）、20架H/V無牌坊軋機、直接軋制打捆系統（DRB）、線材生產線及與其相匹配的精整區。DRB系統包括裙板輥道，對於直徑大於20mm的棒材，在進入步進梁式冷床之前，抬高裙板就可停止棒材輸送。
通過使用圓弧半徑為12m的連鑄機生產190mm厚方坯，桂林平鋼的DRB可生產10-16mm的直條螺紋鋼，使用裙板輥道生產20-28mm直條螺紋鋼，以及6-12mm的帶肋線材。
山西建邦的DRB可生產12-20mm直條螺紋鋼，使用裙板輥道可生產22-40mm的直條螺紋鋼。
這兩家客戶對雙MI.DA配置感興趣的原因，不僅因為其在大規模生產中的有效性和經濟性，還由於它在環境可持續性及節能方面的極高效率，能使CO的排放量降至最低。首套雙MI.DA設備將在桂林平鋼啟動，預計2020年9月投產。山西建邦的雙MI.DA項目預計2021年春季投產。
4 關鍵技術
隨著轉換成本的競爭日益激烈，採用最新一代連鑄機應用的最新FastCastTM技術，便可以實現高生產率。達涅利FastCastTM技術以兩個創新高科技系統，即ECO高效結晶器TM和高速澆注TM結晶器振動系統為主，下文將詳細說明。
4.1 ECO高效結晶器TM
高效結晶器實現了性能與操作的一致性，從而將注意力集中在進一步提升產品成本競爭力所需的技術上，因此選定了ECO高效結晶器。
因使用最新技術通過薄壁銅管及新設計的水冷通道，增強了水冷性能，從而降低彎月面的溫度，減少了結晶器中的保護渣消耗量。根據傳統結晶器和原高效結晶器進行的設計改變如圖2和圖3所示。
圖2 ECO高效結晶器的設計
圖3 通過不同結晶器的熱傳遞模型
ECO高效結晶器TM是高效結晶器TM的升級版，改進如下：
冷卻通道採用全新幾何結構，熱傳遞效率更高；
薄銅壁；
新塗層可提高硬度；
減少偏離角裂縫，改善次表面質量；
改進了冷卻系統；
自適應熱傳遞；
6萬噸的使用壽命；
降低冷卻水流速。
4.2FCC裝置
圖4所示的Fast Cast Cube（FCC）是最先進的結晶器振動裝置，特點是硬度高、振動質量和慣性低（振動頻率更高），採用無支撐懸浮系統和免維護原理。因此有可能達到無與倫比的鑄造速度性能，即7.2m/min，相當於單流鑄造以約56.6t/h的能力生產130mm×130mm方坯和以120t/h的能力生產更大截面方坯。
圖4 達涅利結晶器振動裝置FastCast Cube（FCC）
5 工藝
採用專業的優化化學處理方式，儘可能減少甚至避免使用某些合金元素（如生產低碳鋼和低錳鋼），以及儘可能減少或避免採用低表面溫度軋制，形成較小晶粒。採用這種方法，通過使用超細晶粒（UFG）工藝取得的微觀結構，平衡了精密化學處理產生的低機械性能。
兩套設備均採用了UFG工藝，可實現極細微結構（如圖6所示），增強最終機械性能，儘可能減少甚至避免使用合金元素，符合中國的結構鋼國家標準，例如生產的無馬氏體高韌性結構鋼確保抗震性能。
中國鋼筋國家標準——新版GB/T 1499.2–2018《鋼筋混凝土用鋼》中明確規定了鋼筋必須具備的幾項特性，主要是因為用於中國地震頻次較高的地區，必須具有更高的抗震性。
圖5 軋制和冷卻過程中的溫度趨勢
通過專門的溫度可控軋制策略來控制晶粒尺寸，保證高UTS和生產率的平衡以及高的延伸率（表面與核心的硬度差HV應小於40）。軋制過程中的距離-溫度曲線如圖5所示。
採用UFG工藝，有可能將晶粒尺寸由5μm降至1μm，從而生產出延展性比採用傳統淬火回火熱處理工藝更高的鋼材。
QTB是一種表面淬火和自回火熱處理作業線，分為三步：
淬火階段；中心溫度保持在奧氏體化溫度範圍內；
自回火階段；棒材的餘熱從中心傳至表面，對表面形成的馬氏體進行熱處理，獲得較高的硬度；
將成品棒材放置冷床上，冷卻至室溫，中心處的奧氏體轉化成鐵素體和珠光體。
圖6 不同工藝處理的材料微觀結構
UFG工藝是生產建築用鋼筋和盤卷的最佳方式，能減少熔煉車間微合金的添加量，避免在軋制期間形成馬氏體微觀結構。經過評估，不添加微合金釩，可節約大約120元/噸的平均成本。
6 關鍵因素
在節能與環境可持續性的硬性約束下，中國和大多數國家目前採用的結構鋼生產工藝即將發生巨大變化，就像美國曾經歷的改變一樣。
中國正在逐步用排放量較低的電弧爐取代現有的高爐，避免在坯料進入軋機之前使用二次加熱的再加熱爐（RHF），因為再加熱爐的環境溫度超過1100℃。
圖7 粗軋機架之前的感應加熱爐模塊
達涅利的ECR工藝中全面杜絕使用再加熱爐，這就避免了大量的能源浪費，可節約大約30Nm/t（淨值）的天然氣用量，相當於300kWh/t；CO排放量相應地減少約100kg/t。ECR利用鑄坯內的熱量，在軋制之前進行輔助感應加熱，以優化軋制溫度（見圖7）。
雙MI.DA.設備每年可大幅減少約15萬噸CO排放，相當於7.5萬輛行駛中的汽車所排放的二氧化碳總量。
7 工業4.0技術
多年來，ECR工藝得到一項增長戰略的鼎力支持，該戰略保證了卓越的資本支出和運營成本效益，這得益於將傳統設備轉為「智能設備」的數位化技術的廣泛應用。
智能設備實現了安全、靈活、高效、環保的製造理念，基礎是工藝的廣泛數位化、控制論的完全整合，以及人類與智能人工系統之間穩固的互連性。
圖8 3Q數位化控制室
但是隨之增加的自動化複雜性，需要採用不同的方法協助操作員來挖掘智能設備的全部潛力。就這一點而言，3Q數位化控制室（見圖8）是完全基於電腦屏幕即可提供「軟桌面」的革命性解決方案，操作員可通過該解決方案監控並採用人體工學及人性化方法來管理設備。
兩套雙MI.DA設備將採用最新的數位技術，使用3Q數位化控制室及大量機器人和機械手來全面協助操作員。
智能設備可能將直接人工減掉一半，為操作員提供可靠且持續的支持，使其採用符合人體工學的便捷方法監控和安全操作設備。
在中國，傳統軋機通常每個班次需要操作員125人（共四個班次），負責連鑄機、鋼坯貯存、再加熱爐和螺紋鋼軋機。這125人中有45人負責鋼坯貯存和操作再加熱爐與精整區的長冷床。
雙MI.DA.採用了高度數位化技術，可減少從連鑄機到兩臺軋機所需的人力，2×40×4班次=320人/每年，相當於節約18元/t。
8 節約成本
中國的雙MI.DA設備將為鋼鐵企業節約轉換成本總計約190元/t。主要在這些方面實現節約：勞動力節約18元/t；應用UFG工藝節約120元/t；應用ECR工藝節約50元/t（與高速雙通道輸出系統（HTC）相比）。HTC是一套不同於DRB系統的棒材出料系統，DRB系統採用雙轉鼓和定尺剪切；而採用HTC，棒材是倍尺剪切而不是定尺剪切，還需將倍尺棒材綑紮成束，再切割成定尺短棒材，因此成材率比DRB低。
9 結論
幾年來，達涅利MI.DA.設備的規模與配置保持穩步提升。因採用了雙MI.DA.配置，短短數年，由原生產能力3萬噸/年增至目前的160萬噸/年。
由於MI.DA.設備系統全面整合，優化了先進自動化和創新型數字解決方案，不僅要用豐富的信息流來支持操作員的操作決策，還要在最危險的作業中和多塵地區替換人工，將MI.DA.理念與ECR工藝結合成為一項具有競爭力的技術，能夠滿足以高效節能的方式生產建築用鋼筋和線材的需求。
ECR工藝與高端數位化應用之間堅固穩定的關係，已經證明不僅能減少轉換總成本，還可以在熱試數月後實現快速的全面投產，從而使鋼廠的盈利能力和投資回報速度高於傳統短流程鋼廠。
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