美國大河鋼鐵廠(Big River Steel)最新的Flex Mill,是以電弧爐冶煉+精煉+CSP薄板坯連鑄連軋為生產工藝的高效短流程鋼鐵廠,設計產能160萬噸/年,2023年3月1日正式投產。大河鋼鐵廠采用最新的電弧爐短流程和高效CSP技術,能夠生產高附加值的產品,人均產鋼量接近4000噸,實現了鋼鐵生產的高效化、智能化、潔凈化。本文詳細介紹該鋼鐵生產線的主要情況。
美國大河鋼鐵(Big River Steel)2016年12月調試生產,2023年3月1日正式投產,在崗435人,人均產鋼量4000t。其最新的Flex Mill位于美國阿肯色州奧西奧拉,占地1300英畝,是以電弧爐冶煉+精煉+CSP薄板坯連鑄連軋為生產工藝的高效短流程鋼鐵廠,設計產能160萬噸/年,二期工程將提高到320萬噸/年。
智能化生產
大河鋼鐵廠智能化生產主要體現在從原材料到成品生產過程的自適應性,將生產計劃、產線狀態和產品質量三者實時、交叉和獨特的數據源相結合,通過數據模型實現生產和供貨的自適應;從數據收集到數據分析的學習型工廠,將SMP、CSP、PLMotorM、SPM、BAF和CGL/CGL各個產線數據通過一級和二級系統收集,再通過設備監控系統(MMS)、產品質量分析系統(PQA)、生產狀態分析系統(PCA)和綜合維修管理系統(IMMS)進行數據分析并學習,對之后的生產進行優化。
節能減排
大河鋼鐵廠車間安裝先進的氣體凈化系統,對冶煉和生產過程中產生的煙塵能夠自動進行收集。薄板坯加熱爐、罩式退火爐和熱鍍鋅線加熱均采用超低NOx排放技術,從源頭減少了有害氣體排放。大河鋼鐵廠整體滿足美國嚴苛的排放標準。
能夠生產高附加值的產品
大河鋼鐵廠通過增加精煉設備、罩式退火爐和高性能酸軋機組等先進設備,能夠生產EDDS鋼、AHSS鋼、抗酸管線鋼和無取向電工鋼等高附加值鋼鐵產品,提升了CSP短流程鋼鐵廠的產品覆蓋范圍,在保持低成本優勢的基礎上,使產品盈利能力持續提高。
煉鋼系統
大河鋼鐵廠冶煉車間采用公稱容量150t直流電弧爐,配備EBT偏心爐底出鋼技術,可以滿足無渣出鋼的要求,電弧爐最大功率為160MW,能夠達到220t/h的冶煉速率。
冶煉車間精煉設備配置為雙工位LF爐+RH爐,如圖所示。LF爐配備接頭電極,雙工位能夠同時運行,功率為25/28MVA。
RH精煉爐由V型軌道上兩個鋼包運轉車和配備兩個鋼包待命工位的快速鋼板交換系統同上下游工序連接,在兩個鋼包待命工位之間為處理工位,真空容器通過鋼包頂部連接到氣體冷卻裝置,如圖2所示。一旦車間吊車吊起第一個鋼包轉移到CSP連鑄機,第二個鋼包轉運車會將第二個鋼包轉移到處理工位,通過兩臺鋼包轉運車依次循環,實現縮短RH精煉的處理時間。大河鋼鐵廠RH精煉爐循環脫氣時間約為30-50min,抽氣能力在0.67mbar壓力下為650kg/h,頂部噴槍加熱速率不低于50℃/h。
RH精煉爐還配備一套蒸氣噴射真空泵,是頂部真空室的關鍵部件,用于在真空處理期間強制脫碳或吹氧進行化學加熱,在非真空處理期間用氧氣燃燒氣體將真空室耐火材料保持在工作溫度。RH通過各種監測和控制系統來實現設備運行的自動化,在基礎自動化系統之外,還配有工藝過程控制計算機,能夠提供加熱和工藝過程相關信息,收集加熱數據,跟蹤和監測加熱過程的物理化學狀態,以最終確定隨時間變化,在處理過程中添加物的類型和數量。
大河鋼鐵廠冶煉車間的配置既能夠實現高效率生產普通鋼鐵產品,又能夠滿足高附加值產品的生產需求,如IF鋼、HSLA鋼、AHSS鋼以及無取向電工鋼。
CSP產線
在大河鋼鐵廠建設一期階段,CSP生產線包括一臺CSP薄板坯連鑄機、一座隧道式輥底爐、一座6機架熱軋機和一臺地下卷取機,如圖所示。CSP生產線整體采用西馬克X-Pact電氣自動化控制系統,來配置過程模型二級及一級系統。
連鑄機鋼包容量150t,中間包容量38t,薄板坯厚度規格范圍為55-85mm,厚度規格采用液芯壓下(LCR plus)技術控制,能夠獲得高生產率。薄板坯寬度規格范圍為900-1930mm,是目前全球CSP生產連鑄坯的最寬規格。連鑄過程中采用動態凝固控制模型(DSC)優化冷卻速度,配合動態輕壓下以獲得更好的鑄坯質量。
在連鑄機與除鱗機之間放置一部擺剪,標稱最大剪切力為12500kN,是目前全球CSP生產線中剪切力最大的擺剪。
輥底爐布置于連鑄機和軋機之間,采用天然氣加熱,能夠實現連鑄機同軋機在生產工藝上的動態連接,是CPS生產線的核心設備。該輥底爐最高爐膛溫度1250℃,出口板坯溫度1050-1220℃,輥底爐長度291m,燒嘴數量232個。在減排技術上,使用環保的超低NOx燒嘴,同時燃燒空氣被回熱器回收用于爐內預熱。爐內爐底輥帶水冷式節能纖維隔熱層,具體是采用硅酸鋁棉制成的耐火隔熱層,能夠在盡可能減少能量損失的情況下獲得更高溫度。薄板坯通過輥底爐第一爐區被快速加熱到軋制過程所需溫度,在之后的均熱段保持該溫度,并保證板坯內部軋向和橫向上的溫度分布均勻。輥底爐可以滿足諸如管線鋼和AHSS鋼等高等級鋼種的生產需求,同時板坯出口溫度能夠達到1200℃以上,滿足無取向電工鋼的生產。
在未來的二期工程中,還可以在隧道爐最后部分加裝多模塊感應加熱系統,能夠提高板坯出爐溫度,擴大生產工藝窗口,有利于生產更多種類的產品。在加熱爐控制上,采用動態爐溫控制,通過3D板坯溫度監控技術來實現。
軋機為6機架熱連軋機,配單卷取機,帶鋼寬度規格范圍900-1930mm,厚度規格范圍1.55-25.4mm,單卷最大重量40.3t,熱軋卷年產能150萬噸。軋制生產自動化不僅包括軋鋼模型,還包括再結晶模型和材料特性模型,可以實現對材料性能的預測。在輸出輥道上部和下部配備帶最新的邊部出水系統的增強層流帶鋼冷卻系統,驅動側和操作側的集水器可分別獨立運行,與邊部遮擋技術共同使用,可以保證帶鋼良好板型。
單卷取機安裝在層流冷卻出口后的地下,最大驅動功率達到1000kW,是全球CSP配備的最大功率卷取機。
PLMotorM酸軋產線
大河鋼鐵廠PLMotorM酸軋生產線,如圖所示,產能90萬噸/年,配備X-Pro激光焊接機、氧化鐵皮粉碎機、紊流酸洗生產線和5機架4輥冷連軋機。此外,還包括一座DUMA-BANDZINK涂油機。
大河鋼鐵廠激光焊接機具備焊接高合金、高碳和高硅含量帶鋼的能力,保證帶鋼在整個生產過程中的安全運行。紊流酸洗生產線由27m長的塑料容器組成,每個容器均有自己的酸液循環,操作工可以主動調節和優化工藝參數。
在冷連軋機組中配置的X-Shape平整度測量輥,能夠準確在線測量鋼板平整度,并通過光學無損信號傳遞檢測信息。冷連軋機組中還配備CVC plus技術、正向和負向工作輥彎輥技術、高度動態液壓調節系統以及在最后機架上能夠對帶鋼進行多區域冷卻,以提高帶鋼頭部平整度和厚度公差。
冷連軋出口區域有兩臺張力卷取機,用于連續卷取軋制帶鋼。在冷連軋生產線上還裝備了在線帶鋼檢查系統Rotary Inspect,能夠實現在線檢測以提高帶鋼表面質量。冷連軋換輥采用全自動換輥系統,減少了非生產時間。產線配備的現代化排煙系統,能夠使工廠滿足美國嚴格的氣體排放法律。
連續退火/熱鍍鋅產線
大河鋼鐵廠的連續退火/熱鍍鋅生產線(CAL/CGL),如圖所示,設計產能為47.6萬噸/年,配備有帶鋼清洗部、一座Drever爐、FOEN氣刀系統、拉伸矯直機組和噴霧鈍化部。
鋅罐可以利用液壓平臺降低到底部停靠位,然后安裝冷導輥,生產線變為純連續退火線,這可以使該生產線生產兩種不同的產品(退火產品和鍍鋅產品),提高了生產的靈活性。
帶鋼先通過直接燃燒和輻射管在爐內進行加熱,鍍鋅處理后,在冷卻部分采用超快冷冷卻系統,主要為生產高強度汽車板服務。在帶鋼鍍鋅后的FOEN氣刀系統可以在整個帶鋼寬度上均勻去除多余的鋅液,以確保涂層厚度在30-235g/m3。再往后,帶鋼分別經過平整機、矯直機、鈍化部和DUMA BANDZINK涂油機,最后在質檢站檢查帶鋼質量情況。
罩式退火爐
除連續退火線/熱鍍鋅生產線外,大河鋼鐵廠還裝備了用于冷軋帶鋼加工的罩式退火爐(BAF),用于冷軋卷的分批退火和冷卻。罩式退火爐最大堆疊高度為6.4m,最大堆疊重量為140t。
根據材料不同,退火時間需要42-55h,目前共有24座罩式退火爐,產能超過40萬噸/年,可以在純氫氣氣氛中對碳鋼品種如CQ、DQ、EDDQ、HSLA以及無取向電工鋼進行退火熱處理。為符合美國環保標準,爐子使用特殊的低NOx排放技術。罩式退火爐使用空冷或水冷兩種冷卻方式。
離線平整機
大河鋼鐵廠裝備單機架4輥離線平整機(SPM)一部,設計年產能為40萬噸/年,作為非連續產線的一部分,平整機安裝在罩式退火爐(BAF)后面,主要用于加工退火碳鋼板和部分無取向電工鋼產品,產線布置情況如圖所示。
平整機可以根據材料屈服點以及帶鋼粗糙度和平整度進行調節,在平整機出口采用液壓間隙控制(HGC)技術和帶鋼吹離系統。根據加工材料的不同,有兩種不同的工作輥直徑范圍(650/660mm和450/400mm),通過不同的工作輥直徑與軋制力相結合,實現平整機在不同情況下的靈活調整。平整機最大軋制力高達18MN,能夠通過帶鋼表層將變形延伸至內部,實現最大伸長率8.5%。出口側有一臺涂油機和鋼卷車,直接運出成品鋼卷。
氣體凈化系統
大河鋼鐵廠氣體凈化系統(GCP)主要用于吸收和凈化冶煉過程中產生的含塵氣體,處理能力2300000Am3/h,過濾方式為脈沖噴射式。大部分含塵廢氣從電弧爐產生后直接進入間接冷卻管道,從約1400℃降低到低于600℃。間接冷卻管道首先進入可旋轉彎管或活動彎管煙道,再進入燃燒室,在這里含CO氣體進行后燃燒,粗顆粒進行沉降,隨后氣體再進入熱氣輸送管。來自電弧爐其他含塵氣體通過集塵罩捕獲,此外,氣體凈化系統不僅處理電弧爐產生的含塵氣體,還處理LF爐和RH爐產生的含塵氣體。
轉速可控的徑向風扇有助于將鋼廠內各部分產生的氣體通過分支管道系輸送至袋式除塵器,袋式除塵器采用脈沖噴射技術。在進入除塵器之前,一臺混合器可以平衡氣體溫度并分離出熱顆粒,對除塵器的過濾性形成保護。被過濾的粉塵通過氣力輸送系統輸送到筒倉中臨時封存,然后裝入罐車運走處理。整個氣體凈化系統實現完全自動化控制,確保低排放和高效運行。
美國大河鋼鐵廠采用最新的電弧爐短流程和高效CSP薄板坯連鑄連軋技術,人均產鋼量接近4000噸,實現了鋼鐵生產流程的高效化。同時大河鋼鐵廠也是全球首家獲得LEED環保證書的綠色鋼鐵生產企業,符合當今全球各國日益重視節能減排的大趨勢。
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