CN101181718B - 薄板坯连铸连轧生产宽带钢的方法及其系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种薄板坯连铸连轧生产宽带钢的方法及其系统。该方法先将钢水连铸成50～90mm厚的薄板坯，再对其进行均匀加热、电磁感应加热、表面除鳞、热连轧制、层流冷却和卷取处理，通过对其中工艺参数的调整来控制钢中碳、氮、硫化物的固溶和析出行为，最终生产出合格的宽带钢产品。其系统主要由依次串联布置的板坯连铸机、板坯剪切装置、辊底式加热炉、板坯电磁感应加热炉、高压水除鳞装置、板坯热连轧机、层流冷却装置和钢带卷取机组成，板坯电磁感应加热炉又由快速电磁感应段和电磁感应保温段组合而成。采用本发明能够有效控制钢中碳、氮、硫化物的固溶和析出形为、以较低成本和灵活工艺生产出高质量的热连轧宽带钢产品。

Description

薄板坯连铸连轧生产宽带钢的方法及其系统
技术领域
本发明涉及热轧带钢生产技术，具体地指一种薄板坯连铸连轧生产宽带钢的方法及其系统。
技术背景
目前，钢铁企业生产热轧带钢的方法主要有以下两种：其一，采用厚度大于或等于120mm的厚板坯或中薄板坯，经加热-粗轧-精轧-层流冷却-卷取，获得带钢成品，此为传统工艺。传统工艺的缺陷在于其流程长、设备多、投资大、成本高，但由于其可以将原料厚板坯或中薄板坯加热到1000～1350℃的范围，能够较为灵活地控制钢中碳、氮、硫化物的固溶和析出行为，因而其生产的品种范围较广，特别是可以生产深冲用冷轧基材、控轧控冷钢种如管线钢等产品。其二，采用厚度小于或等于100mm的薄板坯，经均热-精轧-层流冷却-卷取，获得带钢成品，此为短流程工艺。现有的短流程工艺主要有CSP生产线、UTSR生产线和ISP生产线等。CSP或UTSR生产线的均热炉出炉温度和热连轧机的开轧温度都只有1150℃一种，由于钢中碳、氮、硫化物的固溶温度一般要高于1250℃，而固溶和析出是一个相反的过程，因此这种工艺不具有灵活控制钢中碳、氮、硫化物的固溶和析出行为的能力，生产与传统工艺质量相同的热轧带钢产品，需要原料薄板坯有较高的合金含量，因而其生产成本偏高。ISP生产线先将未经过均热的薄板坯粗轧成15～25mm厚的带坯，再对带坯进行快速感应加热处理，一方面薄板坯在粗轧前没有足够的均热时间，板坯断面温度极不均匀，粗轧后的断面组织也不均匀；另一方面15～25mm厚的带坯太薄，在快速感应加热的条件下，无法为厚规格成品带钢实现控制轧制提供足够的变形率。可见，薄板坯连铸连轧技术出现以来，虽然体现了在短流程低成本上的优势，但在品种拓展上因不能对影响钢材性能的碳、氮、硫化物进行有效控制，使其应用受到了很大的限制。如何在基本上不改变现有热轧带钢生产线、不增加生产成本的状况下克服上述传统工艺和短流程工艺的不足，成为科研人员急需解决的难题。
发明内容
本发明的目的就是要提供一种改进的薄板坯连铸连轧生产宽带钢的方法及其系统。采用该方法和系统能够有效控制钢中碳、氮、硫化物的固溶和析出形为、以较低成本和灵活工艺生产出高质量的热连轧宽带钢产品。
为实现上述目的，本发明所设计的薄板坯连铸连轧生产宽带钢的方法，包括如下步骤：
1)采用成熟的连铸生产工艺，将合格钢水连铸成厚度为50～90mm、宽度满足用户要求的薄板坯，本步骤可以省去粗轧工序，节省轧制变形能耗，同时使钢中的碳、氮、硫化物部分固溶，部分析出；
2)将连铸成的薄板坯按用户需要的卷重或尺寸在线剪切成定长；
3)对剪切成定长的薄板坯在长度、宽度和厚度三个方向进行均热处理，使薄板坯的温度控制在980～1150℃的范围内，使钢中的碳、氮、硫化物继续固溶或析出；
4)对均热后的薄板坯分两种情况作进一步的热处理：对于开始轧制温度要求在980～1150℃范围内的钢种，通过电磁感应加热一直保持其要求的温度6～12min，使钢中的碳、氮、硫化物保持原来的状态；对于开始轧制温度要求在1151～1350℃范围内的钢种，通过电磁感应加热在1～2min内快速提升到其要求的温度，再继续保持这个温度5～10min，使钢中的碳、氮、硫化物充分固溶；
5)对电磁感应加热后的薄板坯进行高压水除鳞处理，去除薄板坯在均热和电磁感应加热过程中所产生的氧化铁皮；
6)对除鳞处理后薄板坯进行常规轧制处理，轧制温度控制在980～1350℃的范围内，终轧温度控制在750～980℃的范围内，将薄板坯轧制成成品要求厚度的带钢；在轧制过程可以采用成熟的变形率分配制度，配合机架间冷却水量，利用钢中固溶或已析出的碳、氮、硫化物来控制再结晶行为；
7)对轧制成成品规格厚度的带钢进行常规层流冷却处理，使其冷却到卷取温度所要求的550～700℃范围内；通过层流冷却可以进一步控制轧制后钢中碳、氮、硫化物的析出行为，为相变和相变后的晶粒变化提供条件；
8)将冷却到卷取温度的带钢卷取成钢卷。
进一步地，上述步骤3)中，先采用高压水对剪切成定长的薄板坯进行除鳞处理，清除其上、下表面连铸时所产生的氧化铁皮和保护渣残渣，以提高薄板坯的表面质量，再对其进行均热处理。
进一步地，上述步骤4)中，对均热后的薄板坯进行电磁感应加热处理时，在薄板坯的周围通入有惰性保护气体，以最大限度地减少薄板坯表面的氧化损失。
为实现上述方法而专门设计的薄板坯连铸连轧生产宽带钢的系统，包括依次串联布置的板坯连铸机、板坯剪切装置、辊底式加热炉、高压水除鳞装置、板坯热连轧机、层流冷却装置和钢带卷取机、以及布置在板坯热连轧机机架之间的冷却水喷淋装置。其特殊之处在于：所述辊底式加热炉和高压水除鳞装置之间串联布置有板坯电磁感应加热炉，所述板坯电磁感应加热炉由两段功率可调节的电磁感应加热段组合而成。其中位于辊底式加热炉一侧的是快速电磁感应段，主要采用大功率电磁感应加热，使薄板坯在短时间内快速升温至符合要求的开始轧制温度；位于高压水除鳞装置一侧的是电磁感应保温段，主要采用小功率电磁感应加热，使薄板坯在设定时间内维持其开始轧制温度，直至进入下一道工序。
为防止和减轻薄板坯上、下表面氧化铁皮和保护渣残渣被辊底式加热炉压入薄板坯内，在板坯剪切装置和辊底式加热炉之间串联布置有高压水除皮装置，可以在薄板坯进入辊底式加热炉前对其进行一次表面除鳞处理。
为进一步减少薄板坯的氧化损失，在所述板坯电磁感应加热炉的大功率电磁感应加热段和小功率电磁感应加热段上均设置有惰性保护气体输入装置。
本发明的优点在于：在薄板坯连铸连轧的生产工艺中，先将薄板坯均匀加热到开始轧制温度或低于开始轧制温度的某一温度，再利用电磁感应加热高效、快捷的特性，保持薄板坯的开始轧制温度或将薄板坯快速提升到开始轧制温度后保持一段时间，促使钢中的碳、氮、硫化物在这段时间内充分固溶，从而避免了现有短流程工艺对原料薄板坯的合金含量要求高、薄板坯的均热温度低、薄板坯断面温度和断面组织不均匀、变形率不够的缺陷，也克服了传统工艺流程长、设备多、投资大、成本高的不足。采用本发明的方法及设备能够有效控制钢中碳、氮、硫化物的固溶和析出行为，可实现用薄板坯工艺生产常规热连轧机生产的品种，如冷轧用低碳钢、控轧控冷钢、冷轧用取向硅钢基板等产品，且生产成本低、生产工艺灵活便捷、所得宽带钢产品质量好，可以使薄板坯连铸连轧所生产的钢品大为扩展。
附图说明
附图为一种薄板坯连铸连轧生产宽带钢的系统中各设备之间的连接关系示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的薄板坯连铸连轧生产宽带钢的方法及其系统作进一步的详细说明：
图中所示的薄板坯连铸连轧生产宽带钢的系统，主要由依次串联布置来完成连铸连轧工艺的板坯连铸机1、板坯剪切装置2、高压水除皮装置5、辊底式加热炉3、板坯电磁感应加热炉4、高压水除鳞装置6、板坯热连轧机7、层流冷却装置9和钢带卷取机10组成。辊底式加热炉3的长度最短为：加热段长度+最大单块薄板坯长度。如果炉长过短，则加热温度均匀性变差；如果炉长过长，则节能效果变差；合理的炉长可以保证薄板坯在长、宽、厚三个方向温度均匀，最大限度地降低能耗。
板坯电磁感应加热炉4又由两段功率可调节的电磁感应加热段4a、4b组合而成，其中：位于辊底式加热炉3一侧的是快速电磁感应段4a，位于高压水除鳞装置6一侧的是电磁感应保温段4b。调整快速电磁感应段4a的加热功率(一般采用大功率)，可以确保薄板坯在短时间内提升到需要的温度；调整电磁感应保温段4b的加热功率(一般采用小功率)，可以保持薄板坯的温度不变，并通过控制薄板坯的运行速度来调整感应加热时间。快速电磁感应段4a和电磁感应保温段4b上均设置有惰性保护气体输入装置，以进一步减少薄板坯表面的氧化损失。
板坯热连轧机7机架之间布置有冷却水喷淋装置8，可以配合板坯热连轧机7的负荷分配，控制钢中碳、氮、硫化物的析出过程。
上述薄板坯连铸连轧生产宽带钢的系统的生产工艺过程如下：
实施例1：
将钢中化学成份按重量百分数计C占0.08、Si占0.23、Mn占1.43、P占0.012、S占0.008、Nb占0.034的合格钢水，经板坯连铸机1连铸成厚度为70mm、宽度等于或大于1250mm的薄板坯。该薄板坯从板坯连铸机1输出的温度约为1000℃，由板坯剪切装置2剪切成45m长的定尺。剪切成定尺的薄板坯先经过水压为10～38Mpa的高压水除皮装置5进行除鳞处理，清除其上、下表面的氧化铁皮和保护渣残渣，以提高薄板坯的表面质量。经过除鳞的薄板坯再进入辊底式加热炉3，在长度、宽度和厚度三个方向上被均匀加热至1150℃。此时通过取样试验，可以发现钢中碳、氮化物Nb(CN)的大小在200～500nm左右。
然后，薄板坯进入带惰性保护气体输入装置的板坯电磁感应加热炉4。通过其中的快速电磁感应段4a，以大功率加热使薄板坯在1～2min内快速升温至1260℃，使钢中碳、氮、硫化物达到其固溶温度；再通过其中的电磁感应保温段4b，以小功率加热使薄板坯保持这一温度5～10min，使钢中碳、氮、硫化物在这段时间充分固溶。此时进行观察，可以发现试验样在视场中已看不到了，说明钢中碳、氮化物Nb(CN)已经完全固溶。
再后，薄板坯从板坯电磁感应加热炉4中输出，经过水压为10～38Mpa的高压水除鳞装置6，对其上、下表面的氧化铁皮进行最后一次清除后，送入板坯热连轧机7中进行热轧处理，配合机架间的冷却水喷淋装置8，使轧制温度从1260℃开始到810℃轧制完成，将薄板坯轧制成8.9mm厚的宽带钢成品。在轧制过程中，钢中的Nb(CN)由于在感应电磁加热时已经充分固溶，在轧制过程中随着温度的降低，钢中的Nb(CN)以细小弥散的形式析出，为再结晶提供了形核的条件，并可以阻碍再结晶后的晶粒过分张大，从而细化了再结晶晶粒。
从板坯热连轧机7中输出宽带钢的温度约为810℃，经层流冷却装置9将其冷却到610℃，完成从奥氏体向铁素体的转变。在此过程中，由于奥氏体晶粒在轧制过程中已经充分细化，从而在向铁素体转变时可以得到细小的铁素体晶粒。最后由钢带卷取机10将其卷取成需要重量或尺寸的钢卷。
对轧制阶段的试样实验检测可知：钢中的碳、氮化物Nb(CN)充分析出，成品中的大小约为50～300nm，细化了奥氏体晶粒，对再结晶过程起到了良好的作用。对成品钢卷的检测可知：其抗拉强度达530Mpa、屈服强度达420Mpa、晶粒度为ASTM12级。说明采用本发明能够有效控制钢中碳、氮、硫化物的固溶和析出形为、以较低成本生产出高质量的热连轧宽带钢产品。
实施例2：
将钢中化学成份按重量百分数计C占0.04、Si占0.02、Mn占0.20、P占0.010、S占0.013、Nb占0.034，Als占0.04的合格钢水，经板坯连铸机1连铸成厚度为70mm、宽度等于或大于1250mm的薄板坯。该薄板坯从板坯连铸机1输出的温度约为1000℃，由板坯剪切装置2剪切成45m长的定尺。剪切成定尺的薄板坯先经过水压为10～38Mpa的高压水除皮装置5进行除鳞处理，清除其上、下表面的氧化铁皮和保护渣残渣，以提高薄板坯的表面质量。经过除鳞的薄板坯再进入辊底式加热炉3，在长度、宽度和厚度三个方向上被均匀加热至1100℃。此时通过取样试验，可以发现钢中氮化物AlN的大小在200～500nm左右。
然后，薄板坯进入带惰性保护气体输入装置的板坯电磁感应加热炉4。先通过其中的快速电磁感应段4a，在1～2分钟内使薄板坯升温到1320℃的温度，再通过其中的电磁感应保温段4b，使薄板坯保持1320℃的温度6～10min，使薄板坯中的AlN在这段时间充分固溶此时进行观察，可以发现试验样在视场中已看不到了，说明钢中AlN已经完全固溶。
再后，薄板坯从板坯电磁感应加热炉4中输出，经过水压为10～38Mpa的高压水除鳞装置6，对其上、下表面的氧化铁皮进行最后一次清除后，送入板坯热连轧机7中进行热轧处理，配合机架间的冷却水喷淋装置8，使轧制完成温度控制在890℃，将薄板坯轧制成2.75mm厚的宽带钢成品。由于轧制完成温度较高，钢中AlN在轧制过程中没有时间析出，经层流冷却装置9将宽带钢冷却到550℃，由于冷却温度较低，钢中AlN在相变过程中也不能析出。最后由钢带卷取机10将其卷取成需要重量或尺寸的钢卷。
从轧制阶段的实时检测可知：钢中的AlN充分固溶，在轧后层流冷却时，速度较快，成品中的AlN还固溶在铁素体中。成品中检测不到析出的AlN颗粒。
实施例3：
将钢中化学成份按重量百分数计C占0.08、Si占0.23、Mn占1.43、P占0.012、S占0.008、Nb占0.034的合格钢水，经板坯连铸机1连铸成厚度为70mm、宽度等于或大于1250mm的薄板坯。该薄板坯从板坯连铸机1输出的温度约为1000℃，由板坯剪切装置2剪切成45m长的定尺。剪切成定尺的薄板坯先经过水压为10～38Mpa的高压水除皮装置5进行除鳞处理，清除其上、下表面的氧化铁皮和保护渣残渣，以提高薄板坯的表面质量。经过除鳞的薄板坯再进入辊底式加热炉3，在长度、宽度和厚度三个方向上被均匀加热至1100℃。此时通过取样试验，可以发现钢中碳、氮化物Nb(CN)的大小在200～500nm左右。
然后，薄板坯进入带惰性保护气体输入装置的板坯电磁感应加热炉4。调节快速电磁感应段4a和电磁感应保温段4b的功率大小，维持薄板坯在1100℃的轧制温度6～12min，使钢中的碳、氮、硫化物保持继续固溶而不会析出。此时进行观察，可以发现试验样在视场中大部分都看不到了，说明钢中碳、氮化物Nb(CN)基本上已经固溶。
再后，薄板坯从板坯电磁感应加热炉4中输出，经过水压为10～38Mpa的高压水除鳞装置6，对其上、下表面的氧化铁皮进行最后一次清除后，送入板坯热连轧机7中进行热轧处理，配合机架间的冷却水喷淋装置8，使轧制温度从1100℃开始到800℃轧制完成，将薄板坯轧制成8.8mm厚的宽带钢成品。在轧制过程中，钢中的Nb(CN)由于在感应电磁加热时已经大部分固溶，在轧制过程中随着温度的降低，其中一部分Nb(CN)会以细小弥散的形式析出，为再结晶提供形核的条件，并可以阻碍再结晶后的晶粒过分张大，从而也细化了再结晶晶粒。
从板坯热连轧机7中输出宽带钢的温度约为800℃，经层流冷却装置9将其冷却到590℃，完成从奥氏体向铁素体的转变。最后由钢带卷取机10将其卷取成需要重量或尺寸的钢卷。
对轧制阶段的试样实验检测可知：钢中的碳、氮化物Nb(CN)大部分析出，成品中的大小约为100～340nm。从对其成品钢卷的检测可知：其抗拉强度达500Mpa、屈服强度达390Mpa、晶粒度为ASTM10级。
从上述实施例1～3可知，本发明的薄板坯连铸连轧生产宽带钢的方法，非常适合于开始轧制温度在1151～1350℃范围内的钢种，能够有效控制钢中碳、氮、硫化物的固溶和析出行为，具有极好的效果。对于开始轧制温度在980～1150℃范围内的钢种，也具有较好的效果。

Claims (6)

1.一种薄板坯连铸连轧生产宽带钢的方法，包括如下步骤：
1)将钢水连铸成50～90mm厚的薄板坯；
2)将连铸成的薄板坯按需要的尺寸剪切成定长；
3)对剪切成定长的薄板坯在长度、宽度和厚度三个方向进行均热处理，使薄板坯的温度控制在980～1150℃的范围内；
4)对均热后的薄板坯分两种情况作进一步的热处理：对于开始轧制温度要求在980～1150℃范围内的钢种，通过电磁感应加热一直保持其要求的温度6～12min；对于开始轧制温度要求在1151～1350℃范围内的钢种，通过电磁感应加热在1～2min内快速提升到其要求的温度，再继续保持这个温度5～10min；
5)对电磁感应加热后的薄板坯进行高压水除鳞处理，去除薄板坯在均热和电磁感应加热过程中所产生的氧化铁皮；
6)对除鳞处理后薄板坯进行常规轧制处理，轧制温度控制在980～1350℃的范围内，终轧温度控制在750～980℃的范围内，将薄板坯轧制成成品要求厚度的带钢；
7)对轧制成成品规格厚度的带钢进行常规层流冷却处理，使其冷却到卷取温度所要求的550～700℃的范围内；
8)将冷却到卷取温度的带钢卷取成钢卷。
2.根据权利要求1所述的薄板坯连铸连轧生产宽带钢的方法，其特征在于：所说的步骤3)中，先采用高压水对剪切成定长的薄板坯进行除鳞处理，清除其上、下表面连铸时所产生的氧化铁皮和保护渣残渣，再对其进行均热处理。
3.根据权利要求1或2所述的薄板坯连铸连轧生产宽带钢的方法，其特征在于：所说的步骤4)中，对均热后的薄板坯进行电磁感应加热处理时，在薄板坯的周围通入有惰性保护气体。
4.一种采用权利要求1所述方法而专门设计的薄板坯连铸连轧生产宽带钢的系统，包括依次串联布置的板坯连铸机(1)、板坯剪切装置(2)、辊底式加热炉(3)、高压水除鳞装置(6)、板坯热连轧机(7)、层流冷却装置(9)和钢带卷取机(10)、以及布置在板坯热连轧机(7)机架之间的冷却水喷淋装置(8)，其特征在于：所述辊底式加热炉(3)和高压水除鳞装置(6)之间串联布置有板坯电磁感应加热炉(4)，所述板坯电磁感应加热炉(4)由两段功率可调节的电磁感应加热段(4a、4b)组合而成，其中位于辊底式加热炉(3)一侧的是快速电磁感应段(4a)，位于高压水除鳞装置(6)一侧的是电磁感应保温段(4b)。
5.根据权利要求4所述的薄板坯连铸连轧生产宽带钢的系统，其特征在于：所述板坯剪切装置(2)和辊底式加热炉(3)之间串联布置有高压水除皮装置(5)。
6.根据权利要求4或5所述的薄板坯连铸连轧生产宽带钢的系统，其特征在于：所述板坯电磁感应加热炉(4)的快速电磁感应段(4a)和电磁感应保温段(4b)上均设置有惰性保护气体输入装置。
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