美国大河钢铁厂（Big River Steel）最新的Flex Mill，是以电弧炉冶炼+精炼+CSP薄板坯连铸连轧为生产工艺的高效短流程钢铁厂，设计产能160万吨/年，2017年3月1日正式投产。大河钢铁厂采用最新的电弧炉短流程和高效CSP技术，能够生产高附加值的产品，人均产钢量接近4000吨，实现了钢铁生产的高效化、智能化、洁净化。本文将从大河钢铁厂CSP生产线各个部分入手，来详细介绍该钢铁生产线的主要情况。
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前言
以废钢为主要原料的短流程炼钢已有100多年的历史。传统的短流程炼钢，炉子小、功率低，速度慢、效率低，多用于特殊钢、高合金钢等长材生产，短流程炼钢的产量也不大。自20世纪中叶以来，随着技术进步，不仅电炉容积扩大了，而且增加了吹氧量，采用了超高功率供电、水冷炉壁、炉外精炼、连续铸钢等新技术，使传统的短流程炼钢流程逐渐向现代的短流程炼钢流程转变。随着现代短流程炼钢成熟之后，它在投资、效率、环保等方面所显示的优越性，为世界主要产钢国家所关注，很多国家都把发展短流程炼钢作为发展循环经济、实现可持续发展的重要方向，短流程炼钢的产量比不断上升。
薄板坯连铸连轧是当今冶金界的一项前沿技术，具有流程紧凑、投资少、能耗低等优势，CSP是德国西马克公司开发的薄板坯连铸连轧技术，目前已得到广泛推广和应用。
美国大河钢铁厂（Big River Steel）最新的Flex Mill位于美国阿肯色州奥西奥拉，占地1300英亩，是以电弧炉冶炼+精炼+CSP薄板坯连铸连轧为生产工艺的高效短流程钢铁厂，设计产能160万吨/年，并将在二期工程提高到320万吨/年。大河钢铁厂于2016年12月调试生产，并已于2017年3月1日正式投产，在岗员工435人。大河钢铁厂采用最新的CSP技术，充分体现了目前短流程钢铁生产线的技术进步。本文将从大河钢铁厂CSP生产线各个部分入手，来详细介绍该钢铁生产线的主要情况。
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炼钢
大河钢铁厂冶炼车间采用公称容量150t直流电弧炉，配备EBT偏心炉底出钢技术，可以满足无渣出钢的要求，电弧炉最大功率为160MW，能够达到220t/h的冶炼速率。
冶炼车间精炼设备配置为双工位LF炉+RH炉，如图1、图2所示。LF炉配备接头电极，双工位能够同时运行，功率为25/28MVA。
RH精炼炉由V型轨道上两个钢包运转车和配备两个钢包待命工位的快速钢板交换系统同上下游工序连接，在两个钢包待命工位之间为处理工位，真空容器通过钢包顶部连接到气体冷却装置，如图2所示。一旦车间吊车吊起第一个钢包转移到CSP连铸机，第二个钢包转运车会将第二个钢包转移到处理工位，通过两台钢包转运车依次循环，实现缩短RH精炼的处理时间。大河钢铁厂RH精炼炉循环脱气时间约为30-50min，抽气能力在0.67mbar压力下为650kg/h，顶部喷枪加热速率不低于50℃/h。
RH精炼炉还配备一套蒸气喷射真空泵，是顶部真空室的关键部件，用于在真空处理期间强制脱碳或吹氧进行化学加热，在非真空处理期间用氧气燃烧气体将真空室耐火材料保持在工作温度。RH通过各种监测和控制系统来实现设备运行的自动化，在基础自动化系统之外，还配有工艺过程控制计算机，能够提供加热和工艺过程相关信息，收集加热数据，跟踪和监测加热过程的物理化学状态，以最终确定随时间变化，在处理过程中添加物的类型和数量。
大河钢铁厂冶炼车间的配置既能够实现高效率生产普通钢铁产品，又能够满足高附加值产品的生产需求，如IF钢、HSLA钢、AHSS钢以及无取向电工钢。
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CSP生产线
在大河钢铁厂建设一期阶段，CSP生产线包括一台CSP薄板坯连铸机、一座隧道式辊底炉、一座6机架热轧机和一台地下卷取机，如图3所示。CSP生产线整体采用西马克X-Pact电气自动化控制系统，来配置过程模型二级及一级系统。
连铸机钢包容量150t，中间包容量38t，薄板坯厚度规格范围为55-85mm，厚度规格采用液芯压下（LCR plus）技术控制，能够获得高生产率。薄板坯宽度规格范围为900-1930mm，是目前全球CSP生产连铸坯的最宽规格。连铸过程中采用动态凝固控制模型（DSC）优化冷却速度，配合动态轻压下以获得更好的铸坯质量。
在连铸机与除鳞机之间放置一部摆剪，标称最大剪切力为12500kN，是目前全球CSP生产线中剪切力最大的摆剪。
辊底炉布置于连铸机和轧机之间，采用天然气加热，能够实现连铸机同轧机在生产工艺上的动态连接，是CPS生产线的核心设备。该辊底炉最高炉膛温度1250℃，出口板坯温度1050-1220℃，辊底炉长度291m，烧嘴数量232个。在减排技术上，使用环保的超低NOx烧嘴，同时燃烧空气被回热器回收用于炉内预热。炉内炉底辊带水冷式节能纤维隔热层，具体是采用硅酸铝棉制成的耐火隔热层，能够在尽可能减少能量损失的情况下获得更高温度。薄板坯通过辊底炉第一炉区被快速加热到轧制过程所需温度，在之后的均热段保持该温度，并保证板坯内部轧向和横向上的温度分布均匀。辊底炉可以满足诸如管线钢和AHSS钢等高等级钢种的生产需求，同时板坯出口温度能够达到1200℃以上，满足无取向电工钢的生产。
在未来的二期工程中，还可以在隧道炉最后部分加装多模块感应加热系统，能够提高板坯出炉温度，扩大生产工艺窗口，有利于生产更多种类的产品。在加热炉控制上，采用动态炉温控制，通过3D板坯温度监控技术来实现。
轧机为6机架热连轧机，配单卷取机，主要参数情况如表1所示，带钢宽度规格范围900-1930mm，厚度规格范围1.55-25.4mm，单卷最大重量40.3t，热轧卷年产能150万吨。轧制生产自动化不仅包括轧钢模型，还包括再结晶模型和材料特性模型，可以实现对材料性能的预测。在输出辊道上部和下部配备带最新的边部出水系统的增强层流带钢冷却系统，驱动侧和操作侧的集水器可分别独立运行，与边部遮挡技术共同使用，可以保证带钢良好板型。
单卷取机安装在层流冷却出口后的地下，最大驱动功率达到1000kW，是全球CSP配备的最大功率卷取机。
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PLTCM酸轧生产线
大河钢铁厂PLTCM酸轧生产线，如图4所示，产能90万吨/年，配备X-Pro激光焊接机、氧化铁皮粉碎机、紊流酸洗生产线和5机架4辊冷连轧机。此外，还包括一座DUMA-BANDZINK涂油机，具体参数情况如表2所示。
大河钢铁厂激光焊接机具备焊接高合金、高碳和高硅含量带钢的能力，保证带钢在整个生产过程中的安全运行。紊流酸洗生产线由27m长的塑料容器组成，每个容器均有自己的酸液循环，操作工可以主动调节和优化工艺参数。
在冷连轧机组中配置的X-Shape平整度测量辊，能够准确在线测量钢板平整度，并通过光学无损信号传递检测信息。冷连轧机组中还配备CVC plus技术、正向和负向工作辊弯辊技术、高度动态液压调节系统以及在最后机架上能够对带钢进行多区域冷却，以提高带钢头部平整度和厚度公差。
冷连轧出口区域有两台张力卷取机，用于连续卷取轧制带钢。在冷连轧生产线上还装备了在线带钢检查系统Rotary Inspect，能够实现在线检测以提高带钢表面质量。冷连轧换辊采用全自动换辊系统，减少了非生产时间。产线配备的现代化排烟系统，能够使工厂满足美国严格的气体排放法律。
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连续退火/热镀锌生产线
大河钢铁厂的连续退火/热镀锌生产线（CAL/CGL），如图5所示，设计产能为47.6万吨/年，配备有带钢清洗部、一座Drever炉、FOEN气刀系统、拉伸矫直机组和喷雾钝化部，主要参数情况，如表3所示。锌罐可以利用液压平台降低到底部停靠位，然后安装冷导辊，生产线变为纯连续退火线，这可以使该生产线生产两种不同的产品（退火产品和镀锌产品），提高了生产的灵活性。
带钢先通过直接燃烧和辐射管在炉内进行加热，镀锌处理后，在冷却部分采用超快冷冷却系统，主要为生产高强度汽车板服务。在带钢镀锌后的FOEN气刀系统可以在整个带钢宽度上均匀去除多余的锌液，以确保涂层厚度在30-235g/m3。再往后，带钢分别经过平整机、矫直机、钝化部和DUMA BANDZINK涂油机，最后在质检站检查带钢质量情况。
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罩式退火炉
除连续退火线/热镀锌生产线外，大河钢铁厂还装备了用于冷轧带钢加工的罩式退火炉（BAF），如图6所示，用于冷轧卷的分批退火和冷却。罩式退火炉最大堆叠高度为6.4m，最大堆叠重量为140t，主要参数情况如表4所示。
根据材料不同，退火时间需要42-55h，目前共有24座罩式退火炉，产能超过40万吨/年，可以在纯氢气气氛中对碳钢品种如CQ、DQ、EDDQ、HSLA以及无取向电工钢进行退火热处理。为符合美国环保标准，炉子使用特殊的低NOx排放技术。罩式退火炉使用空冷或水冷两种冷却方式。
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离线平整机
大河钢铁厂装备单机架4辊离线平整机（SPM）一部，设计年产能为40万吨/年，作为非连续产线的一部分，平整机安装在罩式退火炉（BAF）后面，主要用于加工退火碳钢板和部分无取向电工钢产品，主要参数情况如表5所示，产线布置情况如图7所示。
平整机可以根据材料屈服点以及带钢粗糙度和平整度进行调节，在平整机出口采用液压间隙控制（HGC）技术和带钢吹离系统。根据加工材料的不同，有两种不同的工作辊直径范围（650/660mm和450/400mm），通过不同的工作辊直径与轧制力相结合，实现平整机在不同情况下的灵活调整。平整机最大轧制力高达18MN，能够通过带钢表层将变形延伸至内部，实现最大伸长率8.5%。出口侧有一台涂油机和钢卷车，直接运出成品钢卷。
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气体净化系统
大河钢铁厂气体净化系统（GCP）主要用于吸收和净化冶炼过程中产生的含尘气体，处理能力2300000Am3/h，过滤方式为脉冲喷射式。大部分含尘废气从电弧炉产生后直接进入间接冷却管道，从约1400℃降低到低于600℃。间接冷却管道首先进入可旋转弯管或活动弯管烟道，再进入燃烧室，在这里含CO气体进行后燃烧，粗颗粒进行沉降，随后气体再进入热气输送管。来自电弧炉其他含尘气体通过集尘罩捕获，此外，气体净化系统不仅处理电弧炉产生的含尘气体，还处理LF炉和RH炉产生的含尘气体。
转速可控的径向风扇有助于将钢厂内各部分产生的气体通过分支管道系输送至袋式除尘器，袋式除尘器采用脉冲喷射技术。在进入除尘器之前，一台混合器可以平衡气体温度并分离出热颗粒，对除尘器的过滤性形成保护。被过滤的粉尘通过气力输送系统输送到筒仓中临时封存，然后装入罐车运走处理。整个气体净化系统实现完全自动化控制，确保低排放和高效运行。
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结语
美国大河钢铁厂采用最新的电弧炉短流程和高效CSP薄板坯连铸连轧技术，人均产钢量接近4000吨，实现了钢铁生产流程的高效化。同时大河钢铁厂也是全球首家获得LEED环保证书的绿色钢铁生产企业，符合当今全球各国日益重视节能减排的大趋势。
总结大河钢铁厂的突出特点如下：
1）智能化生产。
大河钢铁厂智能化生产主要体现在从原材料到成品生产过程的自适应性，将生产计划、产线状态和产品质量三者实时、交叉和独特的数据源相结合，通过数据模型实现生产和供货的自适应；从数据收集到数据分析的学习型工厂，将SMP、CSP、PLTCM、SPM、BAF和CGL/CGL各个产线数据通过一级和二级系统收集，再通过设备监控系统（MMS）、产品质量分析系统（PQA）、生产状态分析系统（PCA）和综合维修管理系统（IMMS）进行数据分析并学习，对之后的生产进行优化。
2）节能减排。
大河钢铁厂车间安装先进的气体净化系统，对冶炼和生产过程中产生的烟尘能够自动进行收集。薄板坯加热炉、罩式退火炉和热镀锌线加热均采用超低NOx排放技术，从源头减少了有害气体排放。大河钢铁厂整体满足美国严苛的排放标准。
3）能够生产高附加值的产品。
大河钢铁厂通过增加精炼设备、罩式退火炉和高性能酸轧机组等先进设备，能够生产EDDS钢、AHSS钢、抗酸管线钢和无取向电工钢等高附加值钢铁产品，提升了CSP短流程钢铁厂的产品覆盖范围，在保持低成本优势的基础上，使产品盈利能力持续提高。
本文摘选自本报2018年第20期B14部分内容，若要详细了解更多相关行业和技术信息，请关注本报纸质报纸每期A版和B版内容，或者登陆本报手机APP客户端，或者本报网站新址：http://www.worldmetals.com.cn/电子报阅读全文。转载请注明出处。
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