Castrip R工艺节能与环保优势

　　1概述

　　美国纽柯公司位于印第安纳的克劳福兹维尔厂拥有世界上首条低碳钢薄带铸轧工业生产线。Castrip工艺所用理念并非是全新的， Henry Bessemer早在150年前就设想出这种工艺。在1857年的一份专利中，他清晰地描述出钢水被注入反向旋转的两辊中间，凝固的薄带从两辊中间向下拉出的基本内容。

　　双辊铸钢理论看似简单，但能制造出高质量钢材并实现盈利（从而将理论转化成实践）所要求的材料、技术和操作工艺的开发，却一直都是极其困难的事。工业界和学术界多年来做过许多尝试，但没有多少成功的。最终，技术发展跟上了想象力。

　　Castrip工艺利用了几项创新性的冶金、计算、电气和机械理念，并将碳钢的近终形浇铸变成工业现实。Castrip工艺发展的优势主要体现在下游“工序的省略”。工序省略产生的节能和从钢水至成品卷生产时间的缩短，使得Castrip工艺在生态和商业方面备受关注。

　　John Stubbles博士曾在“美国钢铁工业能源消费：历史展望与未来机遇”中指出，由于之前在节能减排方面所做的工作，炼钢生产的能源消费和能源强度迅速达到实际的“理想”范围。前期通过引入新型生产工艺，如从铸锭到全连铸的变化、从厚板坯到薄板坯连铸的变化，在节能方面取得显著进展。与用铁矿石经高炉/转炉传统工艺冶炼相比，用废钢在电弧炉内熔炼生产板材产品当然节能。本文将仅讨论从铸机到成品卷生产的工艺过程。Castrip工艺在改善该段生产过程的能耗方面已得到大幅改进。

　　2工艺

　　采用Castrip工艺进行薄带连铸时，熔融金属从两个反向旋转的铸辊上部浇铸。在两个铸辊表面凝固形成两个独立坯壳，经铸辊压轧后黏合在一起形成一条连续的钢带从辊隙向下引出。按这种方式形成铸带，需要极高的热通量，并要求快速凝固。

　　与薄板坯和传统厚板坯连铸相比，Castrip工艺所需的总凝固时间显著缩短。三种工艺主要参数的典型值如表1所示。

表1   Castrip工艺与传统连铸工艺主要参数的比较

注：*k因子=29；**k因子=26

  　当采用传统连铸工艺时，钢水通过钢包倒入容量约20t的中间包内，用中间包保证连铸或多包连浇过程的顺利进行，同时保持足够的钢水静压头以控制浇铸。中间包配有一个“滑板水口”型的金属流量控制设备，Castrip工艺还额外使用了一个称作过渡包（TP）的△形耐火容器。这个过渡包的主要作用是将从中间包流出的单流钢水沿铸辊宽度均匀分布。

　　图1显示了Castrip结晶器技术与传统钢水浇铸结晶器技术在工艺与冶金方面的一些差异。在两种工艺中，钢水都是从熔池下表面注入，但传统浇铸工艺采用浸入式水口（SEN）完成这项工作，而Castrip工艺使用一个芯式水口（CN）将钢流均匀地分布到两个铸辊之间。

　　传统浇铸需要使用熔剂或结晶器保护渣来帮助润滑及传热；而双辊浇铸不再需要熔剂。这带来另一好处，就是消除了大多数结晶器保护渣中氟产生的环境问题。传统浇铸时，必须垂直振动结晶器；而双辊浇铸时，由于铸辊沿中心轴旋转，不断呈现新的结晶器面来凝固钢水，所以不需要振动结晶器。

　　离开浇铸辊隙的“铸态”板坯截面厚度明显薄于其他方式浇铸的板坯，如图2所示。

　　正如所料，此时必须采取措施来适应极薄的横截面和高温铸带。利用一个自由活套将浇铸辊隙处的张力与下游张力隔离。此外，为了尽量降低铸带上的应变，对铸带在此范围的运行轨迹也进行了专门设计。离开铸辊辊隙的超薄铸带（UCS）产品流经一个称作热箱的控制气氛的隔离区。热箱内的气氛降低氧化程度，并防止在新形成的高温钢带上形成过多氧化皮。热箱内安装一组导向夹送辊，用来将铸带导入常规设计的单机架热轧机内，厚度减少10%-50%。热轧后钢带进入冷却段进行控制冷却，以实现钢带所需的物理性能。

　　冷却后，钢带通过导向夹送辊和偏转辊导入两座常规设计的卷取机。用滚筒式剪切机剪断钢带，开始卷取下一卷。完成这一操作无需中断上游生产工艺。

　　3产品

　　成品（热轧）厚度从不足1mm到1.5mm，满足了大多数客户要求。产品应用市场包括建筑、檩条、钢框、钢材装饰、台架/贮藏柜和焊管等。

表2   Castrip工艺生产的典型产品级别与截面厚度

　　改变输出辊道上的冷却速度，就可由同种成分的铸坯生产出屈服强度和总伸长率不同的钢带产品。图3给出了强度/伸长率的典型关系。也可通过添加合金化元素，进一步扩大产品范围。

　　由于能够生产各种规格和级别的钢材（见图4），使得UCS产品能够成功地与其他传统工艺生产的薄规格热轧卷（HRC）产品竞争。许多用户的应用都要求冷轧产品（CRC）也能利用UCS。

　　UCS的产品开发工作集中在厚度更薄、强度更高的产品上，目标是生产出其他工艺不能生产或者生产成本极高的“高强度”热轧产品。高强度热轧产品在用户试图减少其最终产品规格或轻量化方面具有优势。

　　4工艺流程优势

　　近终形连铸的一个明显优点是生产薄规格热轧卷所需的工序步骤和设备数量的减少，图5给出Castrip工艺路线与传统工艺路线生产热轧卷的比较。工序步骤的省略自然会降低建造一套设施的初期建设成本，同时也会降低吨钢运营成本。能耗和排放量的减少也必然将导致部分运营成本的降低。

　　与传统浇铸工艺相比， Castrip工艺从钢水到成品卷的生产时间明显缩短。典型厚板坯（厚度约235mm）生产工艺的铸速通常为1.6-2.0m/min。根据钢带级别和宽度的不同，浇铸一块足以生产一卷钢带的板坯的时间大约需要5-8min。如果为便于检查让板坯冷却下来，通常板坯要存放3-4d。在普通的现代加热炉内加热板坯要花大约5h。接着板坯经过几道粗轧和精轧被轧制成最终的热轧钢带规格，这一过程大约有5min。相比而言，采用Castrip工艺从钢水至一卷薄规格热轧钢带的生产仅需20min左右。本文将在后面描述冷轧替代产品的工艺流程。

　　5占地面积与建设优势

　　时间并不是采用Castrip技术生产薄板时被减少的唯一方面。其所需的厂房占地面积与土地用量也远远小于传统浇铸工艺。通常，传统的板坯连铸机及相关热轧机组要求厂房覆盖的工艺路线长度约800m（见图6）。薄板坯连铸工艺包括一台连铸机、常化炉和几个热轧机架，其所需的工艺路线长度约为一半，即300-400m。而采用Castrip技术的薄带连铸工艺的路线长度仅需60m。而最新建成的这种工艺的长度已缩短至不足50m。

　　仅比较工艺路线长度不足以阐述所有方面，为了比较完整的覆盖区，必须考虑包括辅助工序在内的全部面积。

　　纽柯公司印第安纳州克劳福兹维尔厂的薄板坯连铸厂的连铸与热轧设施占地约103125m2，而在它旁边的首座Castrip厂仅占地22500m2，约为CSP厂面积的22%。冷轧厂占地59276m2，若用Castrip工艺生产冷轧替代产品，则有1/3的占地面积是多余的。这使Castrip工艺的土地用量减少到薄板坯工艺生产类似带卷所用土地的18%左右。

　　Castrip工艺的紧凑特性证明其对“棕色地带”的钢厂有明显优势。许多现役钢厂没有土地或过剩的铁水产能来支撑再建一套传统或薄板坯连铸设施。不过，对现有设施稍作或不作改动就可建成Castrip厂，使得“棕色地带”钢厂能够充分利用现役钢厂炼钢设施的产能。

　　6能耗优势

　　与竞争技术相比，Castrip工艺在能耗方面体现的优势非常显著。研究人员借助能耗和环境污染物排放模型研究对比了传统生产技术与Castrip工艺的能耗。表3和图7列出了联合钢厂厚板坯（235mm）连铸、小型钢厂薄板坯（50mm）连铸和Castrip技术的总能耗对比结果。

表3  热轧卷生产能耗比较

　　这项研究的目的是比较Castrip工艺和传统钢带生产工艺的能耗和温室气体产生量。按两大主要产品类型将数据分解：

　　①从钢水到热轧卷HRC（包括连铸和热轧工序）；

　　②从钢水到冷轧替代产品CRC（包括连铸、热轧、酸洗、冷轧与退火工序）。

　　研究选用了一包温度合适的钢水的相关数据，并将其作为能耗与排放量比较的起点数据。对其上游处理过程或钢水的制备没有做进一步的假设。

　　Castrip生产工艺的能耗优势主要是由于工序步骤的省略，不再需要能源来加热或均热板坯。另外，由于采用Castrip工艺，铸带厚度非常接近成品厚度，热轧所需的能耗也更少，因此，能源需求显著减少。

　　克劳福兹维尔Castrip厂目前正在生产适合于以前要求采用冷轧材用途的产品。冷轧卷（CRC）生产工艺流程如图8所示。

　　在比较钢材生产流程时，采用Castrip工艺省略工序步骤从而产生的节能优势一目了然。除了前面提到的工序步骤省略外，生产冷轧替代产品还可省去另外两道工序，即冷轧（串列式或可逆式轧机）与退火（罩式）工序。每一工艺路线的能耗典型值见表4和图9。处于酸洗工序的UCS产品规格已是最终的成品规格。表中酸洗工序能耗数值相同，没有考虑处理更薄规格Castrip产品时单位产品表面积的增加。

表4  冷轧产品生产能耗比较

注：*估算值，而非工厂实测值

　　7排放优势

　　表5和图10给出了Castrip工艺与传统生产技术温室气体排放量（GGE）的比较结果。可以看出，采用Castrip工艺生产热轧产品，环境优势明显。其中使用美国俄亥俄州的典型数据计算出电力消耗产生的温室气体排放当量。

表5  各工艺生产热轧带卷（从钢包到热轧产品）排放的CO₂

注：*采用0.82tCO₂/MWh排放因子计算该值

　　同时，也比较了Castrip冷轧替代产品工艺的温室气体排放量（GGE），结果见表6和图11。

　　8第二条Castrip生产线的技术进步

表6  各工艺生产冷轧产品（从钢包到冷轧产品，包括酸洗、冷轧与退火工序）排放的CO₂

　　纽柯公司第二条Castrip生产线于2009年10月开始生产。该生产线建在阿肯色州布莱斯维尔的型钢厂内。使用残留元素高的废钢生产优质钢带的能力是Castrip工艺技术胜于其他竞争性工艺的显著优势。由于型钢和其他长材都是采用同样残留元素高的废钢生产的，所以第二条Castrip生产线能够充分利用这一特点，而不会降低目前炼钢工序的产量和经济性。

　　设计这条生产线时进行了一些修改和创新，旨在提高其产量。首先，铸机能生产1345mm和1680mm两种尺寸的宽带。目前，1345mm是第一条生产线能够生产的最宽铸带。宽度增加25%，同时改善铸辊冷却设计，将导致浇铸速率显著提高。其次，设备更换时间的缩短也将影响产量。通过使用换辊小车和转盘，可将铸辊箱快速地由装配站（集成了新型精确激光对中设备）移至浇铸位置。以前换辊时需要天车几次起吊及操作员参与。另外，所有易耗部件和改变尺寸需要的部件都可以快速更换出，铸机可在10min内重新运行。

　　这条生产线也纳入了一些旨在提高钢带质量的措施。改进钢带冷却设备将减少产品物理性能的波动，并能生产出类别更多的产品。同时，增加了新的板形测量与板形控制设备，从而改善钢带的平直度和板形。

　　Castrip工艺被证明是21世纪前十年生产低碳薄钢板经济可行的方法，第二个十年也必将证实它在需求（碳排放最小的情况下生产）强度更高、重量更轻的产品市场上具有竞争优势。

　　9结语

　　采用系统化方法确定能源需求量时，Castrip工艺所消耗的能源明显比目前的传统工艺少。生产热轧带卷所耗能源是厚板坯连铸工艺的16%，是薄板坯连铸工艺的32%。能耗降低的主要原因是工序步骤的省略。在Castrip工艺产品流中省略的主要能耗工序是加热炉加热板坯和多机架热轧机组。

　　节能量可转化并表示为所产CO2的减排量。Castrip厂产生的CO2排放量为厚板坯生产工艺的44%，为薄板坯生产工艺的25%。

　　采用Castrip工艺的厂房占地面积和土地用量也显著减少。整条Castrip生产线可以放置在长度约60m的厂房内，而其他工艺需要更长的厂房（厚板坯生产工艺为500-800m，薄板坯生产工艺为300-400m）。

　　国际钢协认为：作为一个行业，钢铁公司正处于或接近目前技术所能达到的能效极限。为了进一步降低能耗和温室气体的生成量，国际钢协已提出并资助了一些“突破性”技术。这些新的突破性技术目前还不成熟，但其前景光明。相信Castrip工艺是那些有助于钢铁工业可持续发展的突破性技术之一。

信息来源：《世界金属导报》