独家专题之二:美国薄板坯连铸技术的发展与现状

     

从1989年世界第一条薄板坯连铸连轧产线(TSCR)开始在纽柯克劳弗茨维尔厂运行,到2017年美国大河钢公司(Big River Steel)最新的薄板坯连铸连轧产线投产,如今,美国薄板坯连铸连轧产线的年产量已达2000万吨。与传统长流程产线相比,TSCR具有低成本、低劳动力、原材料高效、能源高效、以及目标市场和客户物流位置优越等特点。最重要的是,TSCR的管理文化完全不同于传统长流程产线,其管理文化向快速决策、风险承担、创新、劳动力参与等方面转变,使得产线在市场低迷时也能保持盈利。近年来,随着TSCR技术的研究和发展,新的机械设计及工艺改进,TSCR可以生产出多种高附加值产品,满足一些重要客户的要求。目前TSCR可以生产汽车用深冲钢和先进高强钢(AHSS)、家电钢、重型机械用钢、管线钢、无取向(NGO)电工钢和取向(GO)电工钢。TSCR的未来趋势继续看好,并且TSCR可能很快成为炼钢和热轧的标准流程。

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美国钢铁工业的演变

自十九世纪末卡耐基时代以来,美国钢铁工业一直由集成式长流程产线的钢厂统治。1980年初开始,许多高炉被迫关闭。今天,美国只有三家钢铁公司(AK St eel、Arcel orMit tal、以及U.S. St eel)。这三家公司共有17座高炉生产,2016年铁水生产总量约为2500万吨;经营着12座转炉炼钢厂,共有27座转炉生产。二十世纪七十年代,转炉炼钢取代了平炉炼钢工艺,成为炼钢的主导。John St ubbl es在AIST 2006 Brimacombe Lect ure中“短流程钢厂故事”中阐述了电炉炼钢的演变过程,1975-1989年电炉炼钢技术成熟,此后不断突破并不断发展。2016年,电炉炼钢已占美国钢铁总产量的67%,比2004年增加了约50%。

短流程钢厂概念已经在下列几个方面创造了钢铁行业新关系。一座新的集成式长流程钢厂,从烧结开始,到炼焦、高炉炼铁、转炉炼钢、连铸、热轧以及冷轧,整个流程的吨钢成本为750美元到1000美元不等,而短流程钢厂的吨钢成本可能低至350美元左右。由于短流程钢厂劳动力数量明显减少,其劳动力运营成本可能由通常的25%降低至<10%。降低幅度需根据其特定的产线组合而定,如有没有冷轧机、退火镀锌线、以及员工总数的变化。但一

座产能200万吨的短流程钢厂其员工总数仅需大约500人一点儿都不足为奇,即人均年产钢量4000吨。短流程钢厂面临的两个潜在问题是废钢积蓄量及其价格。国外已经探索过用直接还原铁(DRI)或热压块铁(HBI)替代废钢,因为直接还原工艺如Midrex和HyL均使用天然气,但这种方式对美国经济而言没有可行性。与此同时,基于电炉的短流程钢厂引入了许多技术来提高熔炼效率同时降低能源消耗。使用全氧燃烧器技术、喷煤技术和二次燃烧技术可以使每吨钢水的能源消耗低于500kWh。早期的短流程钢厂规模较小,主要生产长材产品,特别是小批量合金产品。后来进行了升级改造开始生产高附加值扁平材。正如我们将讨论的美国薄板坯连铸连轧短流程钢厂那样,它们成功的原因很大程度上归因于物流、市场、交货以及雇员数量等优势。所有的这些钢厂都建在农村地区,那里有合格的、勤劳的员工,他们有很好的技能,对于炼钢,他们没有任何先入为主的想法,他们渴望工作,工资低,轮班作业,高额奖金均取决于他们生产的产品质量和数量。最重要的是,管理者勇于承担风险,能够快速决策并富有创新精神,积极追求安全的工作环境和奖励制度促进非工会员工参与工作。从而使美国薄板坯连铸的产能逐年提高。

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美国薄板坯连铸技术概况

二十世纪八十年代,德国西门子集团进行了几年薄板坯连铸机试验。美国许多团体包括一些主要的钢铁公司都去参观。但只有纽柯钢铁公司的Ken Iverson有勇气在1989年安装了世界第一条商业紧凑式带钢产线(CSP产线),当时,这条产线安装在印第安那州克劳弗茨维尔(Crawf ordsvil l e)的玉米地里。此后,它彻底改变了美国的钢铁工业。纽柯钢铁公司随后从原来的棒材结构钢迅速地进入了更高利润率的板材产品市场。1992年,阿肯色州希克曼(Hickman)很快复制了第二条CSP产线。1994年,这两个厂都增加了一座薄板坯连铸机、隧道式加热炉、共享同一座热轧机,产能从而翻倍。1996年,纽柯钢铁公司在南卡罗来纳州伯克利(Berkel ey)继续成功地运营了另一座CSP厂,并于2000年实现产能翻倍,投资超过8亿美元,纽柯钢铁公司伯克利厂每年能生产280万吨扁平材和中等强度结构钢。纽柯钢铁公司的三家工厂均生产高档热轧卷,这些热轧卷冷轧、镀锌后可以用于汽车、家电、建筑行业。后来,有几家公司循着纽柯钢铁公司的脚步,也同样走低成本生产扁平材产品的路线。这些公司包括Gal l atin Steel(现在的纽柯钢铁公司Ghent)、Acme Steel(现在的Arcel orMitt al Riverdal e)、Steel Dynamics、SeverCorr(现在的Steel Dynamics Col umbus)、以及大河钢公司(Big River Steel)。Big River Steel是美国最新的钢厂,位于阿肯色州Osceol a,2017年开始正式运营。除了CSP产线外,North Star Bl ueScope还安装了一台100mm厚板坯连铸机,该铸机由住友金属工业公司(SMI)/VAI提供,与2+6机架的热连轧机相匹配,吞吐量极高。在阿拉巴马州的Trico(现在的纽柯钢铁公司 Decatur)运营有一座类似的设备产线。美国的薄板坯连铸机(<100mm)总结如表1所示。从表中可以看到,五家公司有16座薄板坯铸机,年生产能力2000万吨。此外,墨西哥Hyl sa(现在的Ternium)有两座CSP铸机,加拿大Al goma的Essar Steel有两座达涅利薄板坯铸机,铸坯规格89mm×787-1600mm。需要注意的是,纽柯钢铁公司在Crawf ordsvil l e厂和Bl ythevil l e厂还运营有两条双辊“Castrip”产线。

2.1 纽柯钢铁公司(Nucor)

纽柯钢铁公司的前身为美国的Nucl ear 公司,1972年更名为Nucor。1989年,纽柯钢铁公司 Crawf ordsvil l e厂投资3.75亿美元,安装了世界第一台薄板坯连铸机。1994年,增加了第二台连铸机和隧道式加热炉。该厂由两座120吨65MVA电弧炉、2座LF炉和一台RH真空脱气装置组成。除废钢外,还需要15%的DRI用于低氮低硫产品的生产。铸坯尺寸为50mm×915-1400mm,铸坯拉速为4.5-5.5m/min,浇次长度为14-18炉。最开始配备了一座5机架热连轧机,后来又增加了一个机架,成为6机架连轧机组,可以轧制较薄规格的产品。1993年建设了热轧、冷轧、以及热浸镀锌产线。最初投产时,由于大量漏钢,出现了夹杂物和纵向裂纹,导致6%-7%的产品被拒收。后来,漏钢率下降到不足0.1%。确定了不同类型的表面缺陷,并建立了各种缺陷的根本原因。改进了LF炉和连铸机工艺,消除了表面缺陷,显著降低了0.25%C钢不合格产品的比例。

2.1.1 纽柯钢铁公司的使命与领导理念

纽柯钢铁公司的使命是“满足客户要求”。纽柯钢铁公司的重点是“通过成为世界上最安全、最高质量、最低成本、最高生产效率、最高利润的钢铁公司,满足客户要求”。在纽柯钢铁公司,领导的理念就是给予员工自由、资源和培训,而不妨碍他们的工作。

2.1.2 纽柯钢铁公司的管理文化

除了资本支出低、周期短、劳动强度低、能耗低等优势外,纽柯钢铁公司的管理文化也是成功和保持竞争优势的关键。Regina Gordin在她的“纽柯钢铁公司:战略契合发展研究”中详细阐述了纽柯钢铁公司的历史和战略成长之路。一直以来,提高生产力并建立强有力的员工关系一直是纽柯钢铁公司的管理风格。只有四层管理的分散式组织结构将责任和决策推到尽可能低的水平。公司没有官僚作风,允许做出快速决策,而一个称职的独立劳动力可以确保一旦做出决定就顺利实施和运作。最后,运营效率提高了产品质量,降低了成本,增强了企业的竞争优势。纽柯钢铁公司把员工的幸福感与公司的业绩联系起来,强调工作的安全性在于公司而不是工会。非工会员工有基于激励的支付和利润分享计划。奖金制度严格与公司财务业绩和每一班生产的优质产品挂钩。管理层的理念是:“我们雇佣了五名员工,让他们像十个人一样工作,付给他们八个人的报酬。”

2.1.3 纽柯钢铁公司的产品结构与财务绩效

纽柯钢铁公司是美国最大的钢铁公司,年生产钢材2420万吨。除了新建的CSP厂外,它还收购了美国现有的一些工厂。纽柯钢铁公司在2001年收购了阿拉巴马州的TICO公司,在2014年以7。7亿美元收购了肯塔基Arcel orMit tal/Ger dau合资公司的Gal l at in St eel,收购后,进一步提高了公司板材产品的生产能力。2016年,纽柯钢铁公司的产品结构为:1100万吨薄板(45%)、770万吨棒材(32%)、300万吨型材(12%)和250万吨中厚板(11%)。

纽柯钢铁公司是全球炼钢可持续性的领导者。其钢厂的温室气体排放量为每吨钢0。71吨CO2,而全球的平均排放量为1。9吨。与全球平均20。3GJ/t的能源强度相比,纽柯的能源强度仅为4。55GJ/t。2016年,纽柯的净利润达到9亿美元,即使在市场较低迷的周期,公司仍然盈利。

2.2 动态钢公司(SDI)

纽柯钢铁公司的成功消除了人们对新CSP技术的疑虑。客户对薄板坯工艺生产的薄板产品的接受意愿激励着人们复制这些具有盈利能力的设备。因此,前纽柯执行官Keit h Busse在1996年开启了SDI。经过与纽柯相同的扩展道路之后,SDI成功地在印第安那州Butl er新建钢厂,这座钢厂投资成本6亿美元,产线包括冷轧机组。设备由两座150吨的交流电弧炉、3座钢包炉、2台薄板坯连铸机组成,连铸机最大浇铸速度5.3m/ min。其金属结晶器利用率达到93.5%。每个浇次长度平均为14炉,2016年产量280万吨。热轧带钢轧机为SMS的7机架四辊轧机。冷轧产线设备包括一台产能120万吨/年的2机架可逆轧机、罩式退火炉和两条镀锌线。产品包括汽车、家电、家具、建筑、以及管线等行业用钢。与纽柯公司一样,非工会员工通过生产和质量激励计划并基于公司财务业绩利润分享得到奖金补偿。

另一位纽柯前高管John Corr ent i于2004年成立了Steel Cor r。2005年Severstal与Steel Corr建立合作关系,称之为SeverCorr公司。随后,Severst al在2009年完成了收购,将其命名为Severstal Col umbus。2014年9月,动态钢公司以16.25亿美元的价格收购了这家公司,将其命名为St eel Dynamics Col umbus LLC,作为SDI扁平材轧制公司的一部分。该厂于2007年开始投产,年产能140万吨,二期扩建至290万吨。由两座155吨的直流电弧炉、两座钢包炉和两座真空脱气装置组成。板坯厚度67mm,宽度由原来的1828mm增加至1930mm,能生产直径609mm的管材。最大浇注速度为5.5m/min。连铸机配备了EMBr,但没有液芯压下。2017年,连铸机产能290万吨。热轧机有两座隧道式加热炉与6机架4辊SMS轧机匹配。冷轧机包括一座5机架PLTCM、推拉式酸洗线、罩式退火炉、两条镀锌线和一条预涂线。Steel Dynamics Col umbus选择的技术不仅投资回报高,而且还满足安全和环境标准。公司会连续监测NOx、CO、SO2以及空气中颗粒物的排放,每周取水样,严格按照环保要求处置固体废弃物。Steel Dynamics Col umbus以客户为导向,不断监测市场变化,为客户提供增值产品,满足客户需求。产品包括汽车及管线用CQ、DQ、DDQ(I F)、HSLA、UHSS和AHSS钢,客户主要为南美和墨西哥客户。

2.3 North Star BlueScope Steel(NSBS)

NSBS是澳大利亚Cargil l和Bl ueScope St eel以50-50合资的一家公司。1996年,公司投资4.5亿美元,安装了一套薄板坯连铸连轧设备,年产能达140万吨,在岗员工350人。2006年产能扩大至190万吨。生产工艺路线为:电炉(175万吨)-LF炉-薄板坯连铸机-隧道式加热炉-达涅利热轧机(2架粗轧+6架精轧)-卷取。电弧炉为双工位交流设计,废钢和生铁通过预热竖炉加入电炉内,并且可以连续加料,以减少能源消耗。与CSP不同的是,这座薄板坯连铸机由日本住友金属工业(SMI)设计,具有常规的结晶器,EMBr以及结晶器液压振动,可以优化板坯表面和内部质量。连铸机典型板坯尺寸为100mm×1055-1565mm,热轧板厚度1.3-13mm。精轧机配备弯辊系统,能进行优异的凸度和板形控制。NSBS运行效率高、产量高、生产成本低。生产的热轧CQ、DQ和HSLA产品主要用于建筑行业和冷轧基料。

2.4 大河钢公司(BRS)

BRS有美国最新的CSP产线,位于阿肯色州Osceol a,毗邻密西西比河,占地1400英亩,有自己的用于废钢/ HBI和产品运输的港口。该产线于2016年12月调试生产,2017年3月1日正式投产,共有在岗员工500名。

BRS全厂设备均有SMS提供。SMS的“Fl ex Mil l”专注于质量、产能及环境。已故BRS创始人和前CEO John Correnti采用该技术的目的是最大限度地提高生产效率,扩大产品供应。在先进高强钢问世之前建设的那些短流程钢厂现在需要进行大量的重新设计和改造才能生产这类钢种,BRS从一开始的设计和装备就都考虑了这些钢种的生产。

BRS一期投资13亿美元,年产能160万吨,产品为扁平材碳钢产品。二期投资6亿美元,主要用于配备生产全工艺GO和NGO的精轧机组,另外三期还将投入6亿美元扩大炼钢产能,即在目前产能的基础上翻一番,达到320万吨/年。其工艺路线为:电弧炉(150吨)-LF/RH-CSP-隧道式加热炉-热轧(6机架)-卷取-酸洗冷轧-镀锌/罩式退火-平整。冶炼低氮低杂质钢种时,可以在电炉里直接加入HBI。铸机尺寸规格为55-85mm×900-1930mm,厚度采用液芯压下技术控制,压下能力为:85mm至55mm。热轧板厚度可达25。4mm,宽度可达1930mm。冷轧设备包括酸洗冷轧联合机组、镀锌设备、罩式退火炉、平整机。冷轧带钢尺寸为0。28-1。4mm×914-1880mm。BRS是唯一一家配备有RH精炼脱气装置的CSP厂,该设备于2017年7月成功投产,能高效生产超低碳IF钢和电工钢。目标是生产汽车用AHSS钢(HSLA、DP)、管线钢(X70、X80)、以及半工艺和全工艺GO和NGO电工钢。

从钢厂发展概念来看,BRS承诺提高能源效率、保护环境、可持续发展。BRS是美国首家获得能源环境设计环保认证的绿色先进钢铁企业。它比传统长流程钢厂少排放65%的CO2,比其他CSP厂少用30%的水,并且比同规格设备节约18%的能源。

2.5 Arcel orMittal Riverdal e

Ar cel or Mi t t al Ri ver dal e的历史充满了兼并、所有权变化、破产和重组。该厂最初于1919年投产,1956年安装了2座85吨的转炉。1964年,Acme与I nt er l ake Steel Company合并。铁水由位于Rierdal e东北18km的Interl ake高炉提供。1986年,Interl ake Steel将炼铁炼钢剥离为Acme Steel。1996年,为了实现现代化运作、振兴老龄设施,Acme Steel投资了3。92亿美元建了一条CSP产线。该产线包括两座钢包炉、一台薄板坯连铸机、一座隧道式加热炉、以及一座7机架热连轧机。该设施的独特之处在于,现有转炉需要给大约2公里以外的CSP产线供应钢水。这套新设施的目标市场为高碳合金扁平材市场。2001年10月,破产的Acme Steel Company停止运营,直至ISG收购后才于2002年12月重新开始运行。Acem重启后,没有启动其高炉操作。Riverdal e所用钢水来自距离25km的Arcel or Mittal Indiana Harbor Works。

CSP板  坯  尺  寸  为55mm×940-1600mm。  连铸机配备有液压振荡器、EMPR、轻压下、气雾冷却和防泄漏系统。该产线目前产能为75万吨/年,员工307人。Riverdal e生产的钢种范围为1004-1096,主要为中高碳钢,包括高合金钢。最大浇注速度5.2m/min,各牌号钢种的平均浇注速度为4.6m/min。2017年生产的50%以上的产品含碳量>0.3%,30%的产品含碳量>0.5%。高速铸造高碳钢种对CSP产线仍然是个挑战。在Arcel orMittal R·D的连续支持下,Riverdal e开发了一种精确预测钢壳初始凝固的模型。通过调整结晶器的振动行程和频率,以不同的负滑脱率生产高碳钢种。此外,根据板坯宽度和结晶器传热比微调窄面单侧锥度,减少表面裂纹,避免含B钢和高碳钢断裂。产品以中高碳钢为主,即使由于铁水供应受到限制导致产量很低,Riverdal e仍能保持盈利。中高碳产品广泛应用于工业和汽车零部件、紧固件、刀具、锯片、管材以及农业用钢。

2.5.1 Riverdal e专注于产品质量

Riverdal e的总体质量目标为:1)做正确的事情;2)第一时间把事情做好;3)超出客户期望;4)不断努力改进。Riverdal e在热轧F1机架后检查每块坯子的缺陷,如夹杂物、纵向裂纹和横向裂纹。如果发现严重缺陷,可以立即关停连铸机、纠正缺陷问题。Riverdal e采用ASPEX夹杂物分析仪研究钢样中夹杂物的类型、数量和分数。这有助于在适当的氩气搅拌时间进行Ca处理实践,提高钢水洁净度。高碳钢已经不采用钙处理操作,而中碳钢也减少至0。05kg/ t。Riverdal e识别的表面缺陷主要为非金属夹杂物,这些非金属夹杂物可能来源于脱氧或二次氧化产物以及保护渣卷入。直接测量漏斗结晶器内的钢水流量并改进结晶器液位控制大大降低了表面夹杂物和保护渣卷入缺陷。但横向裂纹仍然是一个问题,特别是对于高碳合金钢种。

2.5.2减少横向裂纹

造成横向裂纹的原因可能是:1)结晶器、扇形段或者扇形段辊子未对中;2)冷却策略不合适、喷嘴堵塞、以及设备安装问题/故障等引起的二次冷却热应力;3)铸造过程中锥度不合适;4)过热度、拉速等浇铸条件不合适;5)板坯表面温度处在延展性低谷的应力问题。采用SEM分析横向裂纹试样上的氧化铁皮。这就将根本原因缩减为二次冷却或延展性低谷应力的问题。然后,将目标定在改善二次冷却上。首先检查喷雾对中,确保喷嘴在扇形段的合适位置,并且对其进行定期检查。Riverdal e的连铸机配备有空气喷雾冷却装置,但发现其雾化气压不足,并且扇形段设备内有一定的变化。需要采取措施改进喷嘴维护。通过与喷雾技术领先的厂商合作,改善喷雾模式,修正二次冷却问题。该供应商针对这种特定的应用要求设计了喷嘴。原型喷嘴样品测试结果很好。在试验安装前对其进行了一些小的改进。Riverdal e成功完成了显著减少横向裂纹的试验,改用了新的喷嘴设计,并且规范了操作。

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结论

1)美国钢铁产量已下降到8000万吨/年。许多高炉和转炉都已关闭。2016年长流程生产的钢产量仅占总产量的33%。

2)短流程产线具有资本支出低、能源强度低、以及效率极高的特点。在材料、物流、定价、市场、特别是管理文化上都有一种崭新的理念,尤其注重为客户提供优质产品以及牢固的劳动关系。

3)自1989年纽柯安装了世界首条CSP线后,该种产线在美国迅速增至16条,年产能达2000万吨。2017年BRS设计的“Fl ex Mil l”能最大限度地提高效率,扩大产品供应。对能源和环境的可持续性也作出了坚定的承诺。

4)采用激励机制。工人可以通过有效的生产获得奖金。减少能源使用,减少浪费,降低排放量可以使公司、社区和员工三者受益。可持续绿色制造将成为未来钢铁工业的常态。

5)薄板坯连铸产线的相关缺陷问题如初始生产时漏钢率高、表面夹杂物、保护渣卷入、纵向裂纹以及横向裂纹都基本得到解决。随着汽车用先进高强钢、无取向和取向电工钢等产品产能的不断扩大,薄板坯连铸短流程产线可以与传统长流程相媲美,即使在市场低迷时也能保持盈利。

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