朱鳳泉，倪 磊，王志波，舒樂意，潘天成，陳志強

（1.中冶華天工程技術有限公司鋼鐵設計研究總院，安徽 243061；2.山東鋼鐵集團永鋒臨港有限公司，山東 276613）

0 引言

螺紋鋼是熱軋帶肋鋼筋的俗稱，是國民經(jīng)濟建設中廣泛應用的基礎材料之一。從工信部網(wǎng)站新聞了解到2020 年中國的鋼產(chǎn)量為13.25 億噸，其中螺紋鋼產(chǎn)量約2.6億噸，占全國鋼產(chǎn)量的19.6%。目前國家明確提出力爭2030 年前二氧化碳排放達到峰值，努力爭取2060 年前實現(xiàn)碳中和的目標，因此，碳減排是鋼鐵行業(yè)實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展所面臨的最大挑戰(zhàn)[1]。另外由于國內(nèi)鋼鐵行業(yè)同質(zhì)化競爭激烈，導致了鋼鐵企業(yè)生存的關鍵是對產(chǎn)品生產(chǎn)成本的控制。因此，從鋼鐵廠生產(chǎn)成本方面以及碳減排的宏觀國家政策方面考慮，都需要開發(fā)一種低碳高效的螺紋鋼生產(chǎn)工藝。目前，我國棒線材生產(chǎn)節(jié)能減排高效生產(chǎn)技術主要是以降低能源消耗、減小合金用量為目的，涉及的技術包括：多線切分軋制技術、直接軋制技術、熱裝熱送技術、低溫軋制技術、無頭軋制技術等[2]。直接軋制技術由于直軋率不高、產(chǎn)線年產(chǎn)量低，因此現(xiàn)階段應用不廣泛[3-5]。而在低溫軋制技術中仍然無法解決多切分高產(chǎn)能生產(chǎn)下的控軋技術[6]。

本文在滿足生產(chǎn)廠高產(chǎn)能的要求下，提出了一種全新的低碳、高效螺紋鋼生產(chǎn)工藝。該工藝以直接軋制和熱送來降低能源消耗，實現(xiàn)碳減排；以多線切分生產(chǎn)方式下的控軋控冷來降低坯料合金用量，實現(xiàn)降本增效。

1 高產(chǎn)量的多線切分工藝

目前螺紋鋼生產(chǎn)主要包括：多線切分、單線高速棒材、雙線高速棒材三種工藝。多線切分工藝即通過切分（五切、四切、三切和二切）工藝生產(chǎn)螺紋鋼。表1 為三種螺紋鋼生產(chǎn)方式對比表，由表1 中可以看出多線切分工藝具有高產(chǎn)能的特點。

表1 三種螺紋鋼生產(chǎn)方式對比表

2 螺紋鋼直軋和熱送工藝

有研究表明，典型的螺紋鋼生產(chǎn)過程中，鋼材軋制的能耗僅占總能耗的16.9%，而鋼坯加熱能耗占80%[7]。因此，采用直接軋制可以免去加熱爐加熱工序，不需要消耗煤氣；采用熱送工藝可以減少煤氣消耗。上述兩種技術都能大幅度降低軋制工序能耗和二氧化碳排放量，實現(xiàn)低成本生產(chǎn)和碳減排的目標。

2.1 直軋工藝存在的問題

連鑄熱坯直軋工藝主要存在三個問題亟需解決[8]：鑄軋界面的銜接不匹配，影響連鑄坯直軋率和產(chǎn)量；連鑄坯頭尾溫差影響產(chǎn)品性能穩(wěn)定性；直軋工藝缺少加熱爐工序，生產(chǎn)過程微合金碳氮化物的析出和再溶解過程強化效果不明顯。

螺紋鋼生產(chǎn)原料多為150mm×150mm 和165mm×165mm方坯，與之配套的連鑄機流數(shù)為6～8 流，連鑄機拉速為2.5～4m/min。取連鑄機拉速3.3m/min，估算連鑄機在不同坯型、不同流數(shù)下的小時產(chǎn)量，如表2 所示。對比表1 與表2，多線切分工藝下的生產(chǎn)線與連鑄機的小時產(chǎn)量相對比較匹配，可以有效的增加直軋率。

表2 不同流數(shù)的連鑄機平均拉速生產(chǎn)的小時產(chǎn)量/t·h-1

而在現(xiàn)實生產(chǎn)中，由于各個鋼廠煉鋼-連鑄-軋鋼之間的銜接以及布局有差別、連鑄機結晶器的更換與軋線換輥的周期不一致、連鑄與軋線的生產(chǎn)方式及效率都不相同等因素影響，必然會產(chǎn)生下線冷坯。

2.2 直軋和熱送工藝及其改進措施

2.2.1 直軋和熱送工藝

因此，為了滿足生產(chǎn)需要，需將直接軋制+熱送+冷坯生產(chǎn)工藝結合起來。當熱坯通過保溫在950℃左右時，可進行直接軋制；當冬季或外部環(huán)境使鑄坯溫度在降至300～850℃時，可進入加熱爐補熱、均熱，使其溫度達到1000℃左右時進行軋制；因生產(chǎn)節(jié)奏及故障等因素產(chǎn)生的冷坯以及外購坯集中到一定數(shù)量時，可通過加熱爐加熱進行生產(chǎn)。其爐區(qū)布置簡圖如圖1所示。

圖1 生產(chǎn)線爐區(qū)布置簡圖

2.2.2 改進措施

（1）為解決坯料在運輸過程中的溫降以及連鑄坯頭尾溫差問題，采取單支鋼坯進入直軋輥道措施，減少鋼坯從出坯通道到直軋通道的運輸時間，同時在所有運輸輥道上加裝保溫罩，減少運輸過程的溫降。

（2）為了解決鋼坯在弧形輥道運輸中鋼坯彎曲問題，在坯料進加熱爐前增設一臺矯直機，通過矯直機矯直，將坯料側彎控制在0.5%以內(nèi)。

（3）為了解決直軋過程中坯料無加熱，微合金碳氮化物的析出和再溶解過程強化效果不明顯問題，開發(fā)出了在多線切分生產(chǎn)方式下的控軋控冷技術，使得坯料減少或不用微合金元素，從而避免了坯料通過加熱使得微合金碳氮化物析出產(chǎn)生強化效果。

2.3 直軋和熱送工藝生產(chǎn)實踐

此直軋及熱送工藝在某廠已經(jīng)投入使用，現(xiàn)場照片如圖2 所示。該生產(chǎn)線位于中國偏北方，春、夏、秋季采用直軋工藝，冬季采用熱送工藝，直軋率約為75%，熱送率約為20%（冬天采用熱送工藝），冷坯加熱約5%。

圖2 現(xiàn)場照片

表3 為不同生產(chǎn)方式下對應的噸鋼CO2排放量。高爐煤氣熱值按3763kJ/m3計，折合標準煤0.1286 kgce/m3；標準煤二氧化碳排放量按2.456tce/t 計（國家發(fā)改委推薦值）；直軋時噸鋼電耗比加熱軋制高5kWh/t；每度電排放CO2按0.928kg/kWh 計。通過計算，該產(chǎn)線每噸鋼CO2排放量為23.036kg，比全冷坯生產(chǎn)CO2少排放94.8kg，比全熱送生產(chǎn)CO2少排放31.62kg，綜合（與冷坯與熱送比為1：1 對比）噸鋼CO2少排放63.2kg，節(jié)能減排效果顯著。

表3 不同生產(chǎn)方式下對應的每噸鋼CO2排放量

3 多線切分生產(chǎn)方式下的控軋控冷工藝

3.1 螺紋鋼控軋控冷原理

螺紋鋼產(chǎn)品新國標編號是：GB/T 1499.2-2018，標準對鋼筋的金相組織要求為鐵素體加珠光體，基圓上不得出現(xiàn)回火馬氏體組織。也就是說，符合標準的建筑用鋼筋應同時應滿足以下要求：即產(chǎn)品的組織形式以鐵素體加珠光體為主，不能存在影響使用性能的其他組織；晶粒度下限為9級。

3.1.1 控軋

螺紋鋼的控制軋制是通過對變形溫度和累計變形量的合理控制，以便軋制時增加鐵素體相變核，結合軋后分級冷卻，以獲得相變組織的微細化，提高鋼材的綜合力學性能。

控制軋制第一階段：軋件在第一精軋機組，溫度控制在900～950℃間軋制，此時螺紋鋼處在奧氏體相的未再結晶型區(qū)，其累計變形量為60～75%；控制軋制第二階段，軋件通過第二精軋機組進行終軋時，軋件的表面溫度控制在Ar3 附近（800～850℃），其累計變形量為35～50%。變形奧氏體的晶界是奧氏體向鐵素體轉變的有利形核部位[9]，在二階段的控制軋制過程中，軋制溫度控制在奧氏體未再結晶型區(qū)，經(jīng)過多道次軋，制奧氏體晶粒被拉長，變形帶的數(shù)量增多且分布均勻，提供了更多的相變時的形核地點，為后續(xù)相變產(chǎn)生細小均勻的鐵素體晶粒創(chuàng)造了良好的條件。

3.1.2 控冷

軋后采用分級冷卻方式[10]，對控制軋制后的軋件施以控制冷卻，保證鋼筋基圓截面組織為珠光體加鐵素體，避免鋼筋基圓截面出現(xiàn)馬氏體組織或其他低溫組織。將晶粒尺寸和鐵素體組織占比量控制在合適的范圍內(nèi)，確保鋼筋力學性能和組織形態(tài)滿足國家標準要求。

綜上所述，控制軋制的關鍵因素有兩點：一是累計變形量，二是變形溫度。累計變形量主要與孔型系統(tǒng)、軋制道次數(shù)量和每道次的變形量有關；變形溫度的控制主要與水冷線的布置以及水箱冷卻能力有關。

3.2 傳統(tǒng)多切分工藝下控制軋制工藝

傳統(tǒng)多線切分工藝精軋孔型為平輥→立箱孔→預切分孔型→切分孔型→平輥→成品孔型，其控軋孔系簡圖如圖3 所示。水箱布置在精軋前，這樣水冷后的變形為精軋6 道次，累計變形量遠遠大于50%，同時精軋孔型中包含預切孔型和切分孔型，屬于不規(guī)則變形，軋件難于冷卻均勻，不利于控制軋制的效果。

圖3 傳統(tǒng)多切分控軋孔系簡圖

3.3 改進后多切分工藝下控制軋制工藝

3.3.1 改進方案（一）

改進后的精軋孔型為平輥→立箱孔→預切分孔型→切分孔型→橢孔→圓孔→水箱→橢孔→成品孔，其控軋孔系簡圖如圖4所示。水箱布置在K3與K2 道次之間，控軋軋制主要在最后兩道進行，其累計變形兩在35～50%之間，且為橢圓孔系，變形均勻，完全滿足控制軋制理論，其冷卻軋件規(guī)格如表4所示。

圖4 改進方案（一）多切分控軋孔系簡圖

根據(jù)表4 所述，其冷卻軋件的料型為圓型，因此冷卻噴嘴設計為環(huán)形噴嘴，冷卻水成環(huán)狀，噴到軋件上，環(huán)形水縫可通過墊片調(diào)整大小。水箱內(nèi)設計三通道形式，左右兩邊的通道用作兩線（Φ 20mm×2，Φ22mm×2，Φ25mm×2）軋件同時冷卻；中間通道用作單線（Φ28～Φ50mm）軋件的冷卻，其水箱結構示意圖如圖5所示。

圖5 改進方案（一）水箱結構示意圖

表4 改進方案（一）冷卻軋件規(guī)格

3.3.2 改進方案（二）

改進后的精軋孔型為平輥→立箱孔→預切分孔型→水箱→切分孔型→平輥→成品孔型，其控軋孔系簡圖如圖6所示。水箱布置在K4與K3道次之間，這樣也基本滿足變形溫度以及累計變形量的要求，其冷卻軋件規(guī)格如表5所示。

圖6 改進方案（二）多切分控軋孔系簡圖

根據(jù)表5 所述，其冷卻軋件的形狀為骨頭狀，因此冷卻噴嘴設計為矩形噴嘴，通過矩形的上下各一組噴嘴對軋件進行冷卻，以保證對軋件的冷卻均勻性。其水箱結構示意如圖7所示。

表5 改進方案（二）冷卻軋件規(guī)格

圖7 改進方案（二）水箱結構示意圖

3.4 軋后分級冷卻工藝

軋后分級冷卻方式是在傳統(tǒng)的一段控冷方式的基礎上加入了中間的空冷過程。空冷的主要目的是為了減小水冷后表面和心部的溫差。分級控冷過程溫度曲線圖如圖8所示，從圖8可以看出，分級控冷有效的減小了棒材在控冷過程中表面和心部的溫差，從而為獲得均勻一致的室溫組織創(chuàng)造了條件，避免表面產(chǎn)生低溫組織。

圖8 Φ25mm規(guī)格軋后分級冷卻橫截面上不同位置的溫度分布模擬結果

4 改進后控制軋制工藝實際應用

4.1 生產(chǎn)線軋機區(qū)域布置

軋機區(qū)域布置同時兼顧改進方案（一）和改進方案（二）兩種控軋控冷工藝，形成全規(guī)格、高產(chǎn)能下的控軋控冷工藝。生產(chǎn)線軋制區(qū)布置如圖9所示。

圖9 生產(chǎn)線軋制區(qū)布置簡圖

4.1.1 軋機布置

軋機共分4個機組：粗軋機組6架軋機、中軋機組4架軋機、棒材精軋-1機組6架軋機、棒材精軋-2機組3架軋機，全線共19架軋機。

4.1.2 穿水冷卻裝置布置

穿水冷卻裝置布置分為三部分：第一部分位于中軋機組最后一架軋機中心線至精軋-1 機組第一架軋機中心線之間；第二部分位于精軋-1機組最后一架軋機中心線至精軋-2 機組第一架軋機中心線之間；第三部分位于精軋-2機組最后一架軋機中心線至倍尺飛剪中心線之間，均由水箱及恢復段導槽組成。

4.2 新工藝生產(chǎn)棒材金相組織狀況

所有成品規(guī)格均從精軋機組后兩架或后三架軋出成品。在精軋-1機組前后設有預水冷裝置，實現(xiàn)控制軋制，為軋后相變提供了更多的形核地點；在精軋-2機組后設有分級穿水冷卻裝置，控制軋件軋后的冷卻速度，使得軋件表面不進入馬氏體和貝氏體轉變區(qū)域，基圓不出現(xiàn)回火馬氏體和異于基體的閉環(huán)組織，并且防止奧氏體晶?？焖匍L大。圖10為傳統(tǒng)工藝與新工藝成品金相組織對比，由圖10可以看出新工藝生產(chǎn)出的產(chǎn)品組織細密均勻，均為鐵素體與珠光體，未出現(xiàn)不利的組織。

圖10 傳統(tǒng)工藝與新工藝成品金相組織對比

5 結語

本分介紹我國棒線材生產(chǎn)主要的節(jié)能降耗技術，并對這些技術存在的不足進行了分析。同時在滿足生產(chǎn)廠高產(chǎn)能、低消耗的生產(chǎn)需求下，提出了一種全新的低碳、高效螺紋鋼生產(chǎn)工藝，并已成功應用在某鋼廠新建生產(chǎn)線上，完全達到了低碳高效的生產(chǎn)目標。

（1）該新工藝解決了在高產(chǎn)能下的螺紋鋼生產(chǎn)線實現(xiàn)直接軋制技術，實際應用的生產(chǎn)線日產(chǎn)在5500～5800t 之間，直軋率在75%，噸鋼CO2少排放63.2 kg。

（2）改進后的多切分控制軋制工藝提出了在多切分生產(chǎn)方式下的螺紋鋼控軋控冷改進技術，實現(xiàn)了生產(chǎn)400E螺紋鋼（Φ25mm規(guī)格以下）不添加微合金元素。