沙钢高效薄带铸轧稳定化生产关键技术创新及应用

一、研究背景与问题

薄带铸轧技术是一种短流程、近终型薄带钢生产技术，其工艺原理自19世纪50年代提出以来，世界上一些先进钢铁企业和研究机构进行过不同程度的技术探索，如德国蒂森克虏伯的EuroStrip技术、日本新日铁的Hikari技术、韩国浦项的PoStrip技术、美国纽柯的Castrip技术、宝钢的BaoStrip技术、东北大学的E²Strip技术等，但只有部分技术实现了工业化生产，其中工业化程度最高的纽柯Castrip单条产线年产量仅15万吨，远未达到50万吨的设计产能目标。

当前限制薄带铸轧技术进一步发展的瓶颈主要有四个方面：

1.生产稳定性差，核心技术指标偏低，生产成本高。薄带铸轧产线是将钢水到带钢卷取集合在一起的连续性产线，其中一个环节出问题，整个生产过程就要中断，计划完成率、连浇炉数、成材率等指标将明显降低。尤其是在铸区，对钢水质量、耐材质量、工艺控制等要求非常高。纽柯公司Castrip产线计划完成率不到80%，连浇炉数不足4炉，成材率也不到90%，这导致其生产成本较高，产品竞争力不强。

2.薄规格产品比例低，技术优势未充分发挥。薄带铸轧技术可直接铸出2.0mm以下厚度的铸带坯，易于实现薄规格产品生产，同时单机架轧制也利于板型控制。但在集中生产薄规格产品时，单道次轧制压下率大，导致板型控制困难。同时，轧机长时间处于高负荷及高辊温工况下，工作辊磨损快，导致多炉连浇后期带钢板面粗糙度快速上升，表面质量恶化，因此薄规格产品高比例连续集中生产难度极大。纽柯Castrip产线，0.9mm及以下规格产品生产比例仅2%左右，1500mm以上宽规格占比更低，薄带铸轧工艺易于生产薄规格产品的优势未能发挥。

3.工艺优势未充分利用，特色品种少。薄带铸轧亚快速凝固的优势，可消除易偏析元素含量高的钢种在凝固过程中的偏析，从而充分利用相应元素的有利作用。但部分元素对于凝固过程和相变过程的影响，会导致钢水稳定成带困难、带钢易出现表面微裂纹等问题，因此此类产品一直未能量产。此外，利用薄带铸轧过程强化元素特殊的物理冶金规律表现，以及短氧化过程的特点，可开发具有显著成本优势和良好使用性能的产品。但技术引进时纽柯公司Castrip产品主要是结构用低碳钢和低合金高强钢，在特殊钢种的开发和推广应用方面一直没有涉及。

4.设备由国外供应商提供，采购成本高，部分设备使用效果不理想。薄带铸轧产线流程短、工序紧凑，在很短距离内工艺控制点多，设备要求高，目前产线设备只能由国外少数供应商供应，价格高且供货及时性难以保证。此外，部分设备使用性能不理想，如轧辊热凸度准确控制困难，影响板形质量；冷却系统对薄带钢冷却均匀性差，局部性能波动大；飞剪系统在大冲击力条件下难以保证剪切精度等。此类问题提高了技术普及的成本，也影响了产品质量。

以上这些问题导致薄带铸轧生产成本高、产品品种少、应用面窄、产品竞争力相对较差，严重影响了薄带铸轧技术的推广和应用。薄带铸轧技术如何实现从“可以生产”到“稳定高效生产”的突破已成为钢铁行业亟待解决的难题。

二、研究思路及技术解决方案

沙钢项目团队依托国家科技支撑计划研究，通过对薄带铸轧技术原理、工艺过程及产品特性进行深入了解，对当前薄带铸轧技术进一步发展的瓶颈问题有了新的认识。为快速解决相应的瓶颈问题，加快实现薄带铸轧工艺的高效稳定生产及技术落地，推广该技术在国内的应用，项目团队采用引进、消化、吸收、再创新的“高铁”发展模式。经报科技部批准，于2016年引进美国纽柯公司的Castrip技术。在此基础上，重点针对原有技术生产稳定性差、核心技术指标水平较低、1.0mm以下规格占比少、品种覆盖面窄、铸后区设备能力精度不足等问题，在以下几个方面开展工作：稳定生产方面，进行断带问题分析，重点开展蛇蛋预警及控制研究，侧封板新材料开发；薄规格比例提升方面，进行铸辊辊型设计技术创新、轧机工作辊表面粗糙度控制技术研究；产品品种开发方面，进行薄带铸轧工艺过程中物理冶金规律研究，特殊钢种成带问题及表面微裂纹问题研究等；设备方面，进行铸区后关键设备的创新及国产化等。

技术方案及研究内容如下：

1.开展“十二五”国家科技支撑计划《高品质特殊钢新型短流程生产线技术开发与应用示范》课题研究，在此基础上了解并初步掌握薄带铸轧的技术原理、工艺过程及产品特性，建设薄带铸轧生产线，并自主设计铸区后全套设备。

2.在生产实践中，重点对各类新技术、新措施进行工业化探索，对关键部件的材质及设计进行改进并优化其使用性能，改进水口设计、优化熔池内钢水流场等，实现生产稳定化，提升各项生产指标，实现薄带铸轧产线高效稳定化运行。

3.通过开发铸辊辊型渐进式设计技术及带钢表面粗糙度控制技术，实现1.0mm以下薄规格产出比例的大幅提升；利用薄带铸轧工艺优势，开发可充分发挥亚快速凝固、快速冷却特点的高强钢、高耐候钢等多个类型产品，拓展薄带铸轧产品结构及应用领域。

4.创新技术的应用及各项指标进一步提升，实现连浇炉数及连续稳定浇铸时间大幅提升，争取薄规格产出占比达行业领先水平。实现新开发产品的质量提升及大范围应用，提高经济效益，并带动行业的产品结构调整及技术推广等。

三、主要创新性成果

沙钢项目团队针对薄带铸轧从“可以生产”到“稳定高效生产”跨越的关键性技术难题，在工艺控制、装备改进、产品规格及品种方面进行了大量自主创新，形成了具有独特优势的创新性高效薄带铸轧生产技术（也叫“超薄带技术”）。与纽柯现有的Castrip技术相比，关键技术指标大幅提升，薄规格比例不断突破，产品品种大幅拓展，并实现了轧线设备的全部国产化，设备投资及工序成本显著降低，完成了薄带铸轧技术从跟跑、并行到领跑的转变。沙钢薄带铸轧产线已成为世界上生产指标最好的薄带铸轧生产线。主要创新性成果如下：

1.实现连续稳定生产：薄带铸轧生产过程中，由铸辊和侧封板形成的熔池是一个非稳态的开放结构，受到各种因素影响，稳定控制难度极大。当前制约薄带铸轧连续稳定生产的两个主要瓶颈为：“蛇蛋”断带导致的意外停浇、侧封板磨损快导致的被迫停浇。针对铸轧生产过程断带频繁发生、侧封故障不断的行业难题，创新开发出“蛇蛋”预警、控制模型及高性能侧封板新型材料等连续稳定化生产关键技术，连浇炉数较纽柯公司的不足4炉提升至约6炉，连续稳定浇铸时间由约5小时提高到接近8小时，较纽柯公司提高50%以上。

2.实现1.0mm以下薄规格高比例生产：生产1.0mm以下薄规格热轧带钢一直是钢铁行业的难题，常规热连轧、薄板坯连铸连轧都存在生产成本高、过渡材多的问题。纽柯公司的Castrip产品0.9mm及以下的超薄规格占比仅2%，薄带铸轧工艺易于生产薄规格的优势未能充分体现。针对超薄规格热轧带钢生产难度大、占比低的问题，自主开发出铸辊辊型渐进式设计技术和长时间大压下工况下带钢表面粗糙度稳定控制技术，使带钢表面粗糙度均值稳定控制在1μm以下，实现典型浇次中1.0mm、0.9mm和0.8mm及以下规格产出占比分别达到90%、80%和55%以上的行业最高水平。

3.实现多种高品质特殊钢产品量产：薄带铸轧自钢水凝固至卷取成卷时间不足半分钟，添加的微合金元素没有充足时间析出，卷取后基本仍以固溶态存在于基体中，析出强化效果未发挥。另外，还存在“以热代冷”产品表面质量难以达到使用要求，特殊钢品种生产难度大等问题。针对这些问题，自主开发出新型轧后热处理工艺、封闭型表面氧化控制技术和特殊钢成带及缺陷控制技术等一系列生产工艺诀窍，率先开发出合金减量化高强钢、外观件用“以热代冷”产品、高碳钢、高磷钢及含硼钢等多个特殊钢产品，拓展了薄带铸轧产品的品种结构及应用领域。

4.实现铸区后设备全部国产化：针对薄带铸轧工艺对设备制造精度、运行稳定性要求高的特点，开发了适用于薄带铸轧的CERI©四辊轧机、超强精密气雾冷却装置、双剪刃耦合飞剪等成套装备，实现了浇铸区域后生产线设备的全部国产化，填补了设备从设计到制造成套技术的空白，解决了超薄规格产品长期轧制稳定性差、辊耗高、尺寸控制精度低的技术难题。

项目共申请专利58项（其中发明47项），已授权27项，制定团体标准4项；经中国钢铁工业协会鉴定为“国际领先水平”，并荣获2021年冶金科学技术奖一等奖。

四、应用情况与效果

该创新成果在沙钢薄带铸轧产线的工业化实践过程中不断完善成型，并在该产线上得到了全面应用，取得了明显的效果。关键技术指标如计划完成率、连浇炉数、连续稳定浇铸时间、成材率、薄规格产出占比等较原有技术均大幅提升，典型浇次中薄规格产出占比达到行业最高水平。

2020年全年沙钢薄带铸轧产线生产结构钢、高强钢、耐候钢、高强镀锌板、加硼钢等共43万吨，超过世界上其它3条工业化Castrip产线年产量之和，创造产值超20亿元。2021年上半年完成产量25.4万吨，首次实现薄带铸轧产线达到设计产能，产品出口占比超50%，提高了创效能力，有力地提升了中国钢铁产品在世界范围的形象。

产品中，结构钢、车辆用高强钢、耐候集装箱板、中高碳钢、高强度镀锌板等产品，应用于农机、桥架、厢式货车、高强支架、轻型车轮、集装箱、五金工具、外观饰板等领域，取得了良好的使用效果，并在不断扩大应用领域。

该技术的应用推广也创造了巨大的社会效益，产线长度不足50米，总能耗、CO₂排放量仅为传统热轧产线的16%、25%，在节能、降耗、减排方面效果显著。

沙钢薄带铸轧产线经过技术创新，已成为世界上同类技术生产指标最好的生产线，在生产效率、产品质量、装备水平及生产成本等方面树立了新的标尺，为薄带铸轧技术的推广及应用起到了示范作用。在碳达峰、碳中和的大背景下，为金属材料加工领域提供了一个新的低碳、超低碳的加工路径及方法，对全世界金属加工行业的转型升级都将产生新启发。

信息来源：江苏沙钢集团有限公司

来源：中国金属学会