【技术前沿】日照钢铁ESP产线的技术创新及应用

一、研究的背景与问题

薄规格带钢是指厚度小于2.0mm的热轧板带，广泛应用于汽车、集装箱、家电、电缆桥架等领域，用于替代冷轧产品，是热轧板带发展的重要方向。

薄规格轧制是在高速度和高负荷条件下的复杂制造过程，存在板型不良和过程失稳等一系列关键技术难题。1.5mm薄规格以下常规热轧难以批量生产，该规格热轧带钢稳定轧制是目前国内外产线追求的技术目标。稳定实现1.5mm以下轧制具有重大的技术意义和经济意义。

薄板坯连铸连轧技术的出现，适应了这种客观形势的需要，是近30年来世界钢铁工业取得的重要技术进步之一，是继氧气转炉炼钢、连续铸钢之后，又一项带来钢铁工业技术革命的新技术。CSP轧机上的生产工艺研究和生产实践上取得了显著成果，并在国内某些厂家实现了半无头生产模式，在提高产品的厚度精度、板形质量、通卷组织性能稳定性、均匀性和成材率方面体现出显著的优势。

但面对钢铁产能过剩，特别是热轧板卷严重过剩的现实，此类薄板坯连铸连轧产线面临着传统产线日益严峻的挑战，需要进一步开发全无头轧制技术，从而更大程度发挥流程优势、增加产品的附加值、降低产品的制造成本并增加生产过程的环境友好性。2009年2月意大利Arvedi无头轧制技术（ESP）投入工业化生产，标志着连铸连轧技术的又一次进步。

全无头超薄钢带制造技术在国外已经通过实践证明是先进实用的，其工艺技术和能耗指标等相关技术特性在行业内处于先进水平。中国钢铁业界很早就关注到薄板坯连铸连轧技术，从“七五”计划开始，中国一直将薄板坯连铸连轧技术列为高新技术和重点鼓励技术范围，其中以CSP技术发展最为成熟。

通过技术引入、消化、推广和稳定发展四个阶段，在薄板坯连铸连轧技术领域取得了一系列的成果，包括薄板坯连铸连轧物理冶金特点及其组织演变规律、单块和半无头的薄规格产品生产技术、薄板坯连铸连轧微合金化技术、中高碳钢生产技术和硅钢生产技术等。但整体看，我国与国外仍然存在较大的差距，全无头轧制的研究依然处于理论探讨阶段，没有相应的设备研发、工艺生产技术实践经验和研究结论。

在应对气候变化、碳中和、碳达峰的大背景下，传统的冶金制造工艺面临低碳发展的巨大挑战，冶金工艺过程与产品应用一体化的节能减排技术创新成为钢铁绿色制造、可持续发展方向。

“十三五”期间，我国板带材产量从5.02亿吨增加到5.68亿吨，占钢材总产量的43%，生产过程总排放超过50%(包括冷轧、热处理及表面处理等)。板带材生产应用节能减排是钢铁工业碳达峰、碳中和的重要关键领域。流程节能、工序节能、产品应用节能，高质量发展是钢铁绿色制造的必然选择。热轧板带产线流程发展的趋势是流程缩短，能耗降低。

基于此，2015年，日照钢铁率先引入亚洲第一条，世界第二条薄规格无头轧制生产线。

无头轧制的优势有：

1)节能效果显著：同传统热连轧比较，节能40-60%；

2)大规模生产高质量薄/超薄宽带钢，实现“以热代冷”；

3)带钢高性能均一性、高尺寸形状精度(传统工艺无法实现)；

4)成材率比传统工艺提高1%以上(高成材率，低氧化烧损、无切损)；

5)吨钢生产成本低，产线投资低。

无头轧制生产也存在以下难点：

1)产线高拉速、高刚性(无缓冲)、多工序装备一体化集成控制；

2)单浇次连轧数千吨薄宽带钢生产组织、质量控制、带出品最低化、事故控制处理等远大于传统工艺。同时ESP生产技术在引进过程中，因国内无可参考技术，生产中发现与理想状况还存在较大差距。ESP生产过程中面临的主要问题如下图所示。

图1 ESP需解决主要问题示意图

无头轧制的意义：以最先进的短流程、近终形、低成本、高效节能生产方式，推动钢铁产品绿色制造、碳达峰、碳中和发展。因此开发应用该技术符合国家总体规划和行业规划，符合国家相关政策规定，能够满足工艺现代化、设备大型化、生产集约化、资源和能源循环化、经济效益最佳化的高起点发展目标，对于推进钢铁行业节能减排和技术进步，促进企业转型升级、科技创新和产品结构调整，都具有十分重要的意义。

二、解决问题的思路与技术解决方案

为解决ESP产线存在的技术瓶颈问题，日照钢铁联合国内知名高校和科研院所，不断调整思路，优化试验方案，对存在问题逐一分析。

1、炼钢与ESP产线调度匹配

ESP属于短流程连续生产，生产过程中要从铁水到精炼的工序的有序协调，优化炼钢时序，实现炼钢、连铸和轧线的调度匹配有序衔接，确保产线持续稳定生产。

2、连铸与连轧秒流量的控制

（1）如果二级计算结果与实际轧制状况有误差，机架间的秒流量控制不对等，一级ITC来不及吸收机架间囤积或者消耗的套量，容易导致拉钢或失张，因此首先对二级模型进行优化，确保二级计算准确；

（2）HGC缸由于响应速度等原因未及时按照二级设定执行，但二级系统仍按照设定辊缝计算机架设定速度。生产过程中尽可能避免轧制力执行不到位或过执行；

（3）避免前机架wedge后执行辊缝过程中出现楔形段；

（4）确保某精轧机架FGC时压到楔形段上。

3、薄规格稳定轧制

薄规格轧制是在高速度和高负荷条件下的复杂制造过程，存在板形不良和过程失稳等系列关键技术难题。常规产线生产1.5mm及以下薄规格非常困难，ESP理论上具备生产薄规格的条件，但依然面临着张力不稳、局部拉窄、无法穿带等诸多问题，稍有不慎即造成废钢，废钢损失远高于常规热轧损失。

通过工作辊/支承辊辊型设计、窜辊模型优化、轧制润滑、标准化操作等，同时解决飞头、轧机震动、飞剪剪切等问题，确保过程控制稳定。

4、轧制公里数控制

ESP产线突出优势是薄规格轧制，薄规格比例越高经济效益越好，但轧制过程中需要从厚规格往薄规格过渡，公里数是决定薄规格比例的最主要原因之一。后续需要通过优化轧辊材质、控制断面温差、优化生产时序和轧程排布等方面提高轧制公里数。

5、薄规格板形控制

板形良好的前提条件是各机架负荷等比例凸度，各个机架轧件的出口形状受不同因素的影响。包括：轧辊原始辊形、轧辊热膨胀、轧辊磨损、轧制力、弯辊力等。上述因素在开浇规格过渡阶段是动态变化的，保证快速过渡情况下各个机架出口轧件轮廓仍满足等比例凸度原则。

6、带钢表面质量控制

（1）ESP虽然从规格上可以实现“以热代冷”，但许多行业如电柜、消防、制桶等许多行业，对表面质量要求较高，从而对表面质量提出了更高的要求。对于“以热代冷”工艺，表面问题是第一致命影响因素，如果表面问题解决不了，则“以热代冷”就无从谈起，因此薄规格表面质量控制技术是提高产品核心竞争力的关键所在。

（2）在1.5mm以下薄规格生产以前，一般认为随着厚度增加横折缺陷会逐渐增加，但实际生产中发现横折纹问题与此说法有较大出入，后续在生产过程中，通过热轧工艺优化及后续工艺的配合，解决用户对表面质量的后顾之忧。

7、市场定位

ESP技术属于短流程生产，虽然具有节能降耗，可生产薄规格的优点，但伴随着产线结构的变化，对带钢内部性能也带来新的变化，需要对其进行全面深入分析了解，然后根据产品性能特点重新进行市场定位和规划，以便达到自身和客户利益最大化的特点。

8、产品种类多样化

充分发挥产线优势，并挖掘技术潜力，ESP技术适合生产的钢种范围需要进一步拓宽，从而进一步发挥超薄规格产品方面的优势，促进产品多样化，提高产品和社会效益。

三、主要创新性成果

ESP产线从投产至今，形成无头轧制工艺、装备、薄/超薄带钢质量稳定控制一体化集成创新技术，实现了大规模差产业化应用，取得了重大科技创新：

1、形成世界规模最大的低碳节能效果显著的高质量薄宽带钢短流程生产基地。开发出无头轧制工艺、装备、薄/超薄带钢质量稳定控制一体化集成创新技术。突破了无头轧制产线高拉速、高刚性、多工序、高效稳定生产超薄宽带钢的全流程生产组织、铸-轧工艺衔接与控制关键技术，实现系列产品大规模稳定生产应用，≤1.2mm超薄带钢比例达28.4%，≤1.5mm薄规格带钢比例达49.8%，单辊期轧制公里数达240km的国际领先指标。

2、开发出ESP线多炉高拉速连铸无缺陷铸坯控制技术，实现了105mm厚铸坯5.7m/min拉速条件下4500吨钢水连浇无缺陷铸坯、铸坯断面温差控制在35℃以内。

3、薄规格带钢板形稳定控制技术。薄规格轧制轧辊磨损量大，轧制过程中，随着轧辊磨损，凸度容易失控，带钢板形急剧恶化。通过特殊辊型的选用能够有效补偿磨损，同时通过全产线工艺优化，目前已经形成一套板形管控技术，保证长轧制公里数条件下薄规格带钢板形良好。

4、通过连铸设备改进及技术优化，实现薄板坯高拉速稳定生产，实现高拉速状态下铸坯的高储能，达到反向温度梯度，降低粗轧负荷；通过ESP二级自动化的精确控制获得保障；通过特殊辊型的选用能够有效补偿磨损，保证薄规格带钢顺利轧制。通过以上措施，目前0.8mm规格以上产品可以实现长轧制公里数稳定生产，最薄规格可达到0.6mm，达到世界领先水平。

5、对合金成分、工艺温度等对薄规格带钢氧化铁皮的影响进行了细致的研究，并对设备清洗形成常态化管控，提出了相应的改善方案。通过成分和轧制工序工艺控制，制定规范的工艺标准、调整除磷压力、工艺通道清理固化以及后续产线的配合控制，表面质量得到了合理的控制，氧化铁皮凹坑改判控制在1.0%以下。横折纹改判降低至0.5%以下，产品质量获得大幅度的提升，带钢表面接近或达到冷轧板表面要求。同时随着产品表面质量的提升，进一步拓展了产品的应用范围，提高了经济效益。

6、开发出低成本、大规模生产性能均匀、尺寸精度高的超薄宽带钢系列产品的ESP工艺技术。实现屈服强度700MPa级高强超薄带钢强度波动≤30MPa，厚度精度波动值<14μm。

7、探明了ESP工艺下低碳/微碳钢组织、析出物、固溶碳演变及强化、时效机理，开发出基于ESP产线的铁素体轧制工艺技术，实现了低碳/微碳钢的大规模生产，屈服强度降低40~60MPa，感应加热能耗降低40-60%，拓宽了低碳/微碳薄宽带钢“以热代冷”的应用范围。

目前ESP生产技术获授权专利34件(其中发明专利23件)，主导或参与制定国家标准5项，行业标准6项，企业标准10项，发表论文25篇，该项成果在5条ESP产线上推广应用，生产出超薄超宽、高精度、性能均匀、低成本的系列产品，广泛应用于汽车、机械、电力工程、门业等行业大批量推广应用，“以热代冷”、结构轻量化、节能减排成效突出，经济、社会及环境效益显著，对绿色制造、脱碳过程、碳减排作出贡献。

四、应用情况与效果

日钢ESP产线自投产至今，产品质量及钢种开发方面获得了极大的进步。在产线引进的初期，按照产品大纲要求，只生产低碳钢、超低碳钢、中碳钢、低合金高强钢、双相钢等产品，随着对该生产技术的日趋成熟，产品范围进一步扩大，逐步拓展到耐候钢、高碳钢、高强钢、硅钢等产品领域。

此前国内1.0mm及以下规格带钢全部使用冷轧产品，许多产品如家电、门业、桥架、制管等要求较低，且变形量较小，就表面要求而言，酸洗板足以满足其要求，但迫于无法生产此类规格热轧板，不得不用冷轧板， ESP薄规格产品，经过后续的酸洗平整，其表面及规格完全可满足客户要求，且价格低廉，满足了客户的根本需求。

针对电柜、消防、制桶等行业，表面质量要求较高。随着ESP产品表面质量的提高，逐渐拓展到此行业，产品应用范围得到进一步拓宽。

因ESP生产的高碳钢可轧至更薄规格，减少客户后续轧制道次及退火工序，节约成本的同时提高了生产效率。同时由于ESP成品无脱碳层，便于产品后续热处理工艺控制。部分产品可平整后直接使用，进一步降低客户成本，获得客户认可。

常规产线生产1.6mm薄规格耐候钢时比较困难，难以大批量生产，且头尾失张，头尾浪形大，导致成品波纹板凹凸不平。ESP生产的钢卷不存在此类情况，且尺寸、板形、性能稳定，非常适合连续生产，获得了客户的认可。

图2 产品应用实例

a电器柜b楼承板c汽车罐体d汽车结构件e集装箱f高碳成形件

目前该技术取得成功应用，在ESP生产线上稳定产出薄/超薄、高精度、性能均匀、低成本的300多个系列品种规格，成品大量应用在汽车、机械、电力工程、门业等行业。日照钢铁现已成为世界规模最大的高质量薄宽带钢短流程专业化生产基地。“以热代冷”、结构轻量化、节能减排成效突出。推广应用前景广阔，今后将进一步加大推广力度，为国家经济建设和节能减排作出更大的贡献。同时日照钢铁凭借ESP生产技术，获评中国钢铁行业竞争力A+企业，成功跻身钢铁行业第一梯队。