棒線材生產線加熱爐配置及其生產組織研究

□ 孫 拓王先勇

棒線材生產線加熱爐配置及其生產組織研究

□ 孫 拓1王先勇2

從鋼鐵制造流程精準設計的角度出發，針對某特鋼廠棒線材熱軋生產線，分析了連鑄、加熱爐和熱軋的小時產能匹配情況，初步確定了每條熱軋生產線上各配置1座加熱能力為150 t/h的加熱爐。通過對連鑄、加熱爐和熱軋生產節奏的分析，進一步證實了生產線上所選擇的加熱爐是較為緊湊的配置。最后，探討了生產線上只有1座加熱爐時處理冷熱混裝的生產組織方式。

棒線材；加熱爐；配置；生產節奏；生產組織

目前，在考慮生產工藝流程的基礎上，鋼鐵制造逐步向連續、協調的物流管制方向發展。將煉鋼—連鑄—熱軋過程作為物流管制工程對待，則物流在數量上的傳遞、銜接、匹配和物流在時間節奏上的協調、適應、配合等參數都應在考慮范圍內[1]。

加熱爐位于鋼鐵生產的連鑄工序和熱軋工序之間，在鑄坯熱送熱裝生產過程中，加熱爐對均衡、連續生產起到重要的緩沖調節作用，是連鑄—熱軋中重要的柔性環節。同時，加熱爐工序也是高耗能環節，熱送熱裝工藝中的節能降耗效果最終體現在此工序中。

某特鋼廠主要生產優質碳素鋼、合金結構鋼、彈簧鋼、齒輪鋼、軸承鋼、錨鏈鋼等精棒和精線軋制產品。文中主要針對此特鋼廠棒線材的生產情況，研究連鑄、加熱爐和熱軋的小時產量及生產節奏的銜接、匹配，進而確定棒線材加熱爐的配置。

一、特鋼廠棒線材熱連軋生產線

1. 棒線材生產線及其熱裝軋制

特鋼廠的棒材和線材各為1條熱軋生產線：棒材軋機主要生產直徑18～80 mm的棒材產品，其坯料對應1臺生產鑄坯規格為200 mm×200 mm的四流方坯連鑄機（A鑄機）；線材軋機主要生產直徑5.5～25 mm的線材產品，其坯料對應1臺生產鑄坯規格為160 mm×160 mm的四流方坯連鑄機（B鑄機）。連鑄機生產的無缺陷鑄坯，經過加熱爐加熱到軋制所需溫度，然后送到軋機進行軋制，得到最終所需的軋制產品。

連鑄—熱軋之間具有冷裝（CCR）、熱裝（HCR）、直接熱裝（DHCR）和直接熱軋（DR）4種連接方式。對于生產棒線材的小方坯，由于其斷面小、散熱快，不易準確控制鑄坯溫度，采用直接熱軋方式困難較大。此外，考慮到最大限度節能的要求，因而優先采用直接熱裝方式。

直接熱裝采用加熱爐補熱的方式將坯料升溫到軋制溫度，可以大幅節省能源，縮短工藝。為了采用直接熱裝軋制工藝，必須具備以下基本條件[2，3]：

（1）無缺陷鑄坯生產技術，鑄坯無清理率達到98%以上；

（2）工序上下游生產能力和生產節奏匹配；

（3）高溫鑄坯生產技術；

（4）在線保溫技術，降低鑄坯溫度損失；

（5）生產線工藝流程布置合理，裝備水平及自動化程度高；

（6）煉鋼—連鑄—熱軋一體化生產管理技術。

因此，為了提高連鑄坯直接熱送熱裝率，實現煉鋼—連鑄—熱軋的一體化生產，煉鋼連鑄至熱軋之間各工序上下游裝置的生產能力和生產節奏的匹配、工序布置和生產組織的研究就顯得尤為重要。

2. 棒線材生產線加熱爐的選擇

根據產品大綱以及方坯連鑄機、棒線材軋機的配置，選擇空氣、煤氣雙蓄熱，側進側出和上下加熱的步進梁式加熱爐。目前，步進式加熱爐是軋鋼加熱爐中的一種先進爐型，雙蓄熱加熱爐的空氣、煤氣預熱溫度約1 000℃，可充分利用熱量。初步選定的加熱爐基本參數為有效爐長約28 m，內部寬約12.6 m，爐底強度446 kg/(m2·h)，小時加熱能力冷裝為150 t/h、熱裝為200 t/h，步進梁步距為260 mm，步進梁周期不超過40 s。

3. 連鑄—加熱爐—熱軋產能匹配

加熱爐作為連鑄機和軋機之間的銜接裝置，其對流程的連續性和高溫熱連接程度具有重要作用。既要有利于連鑄坯直接熱送熱裝比例的提高，又要符合現代鋼鐵制造流程工序配置連續、協調、緊湊的要求。因而，連鑄、加熱爐和熱軋的年產能、小時產能和生產節奏應盡可能相互匹配。

二、產能匹配分析

1. 年產能匹配分析

特鋼廠棒材和線材軋機年產能分別為70萬噸、60萬噸，對應其坯料的A鑄機和B鑄機年產合格鑄坯分別為72萬噸、61.5萬噸，考慮到軋材的成材率，連鑄機和棒線材軋機的年生產能力基本匹配。

2. 小時產能匹配分析

（1）連鑄機的小時產能

方坯連鑄機的小時產能可用式（1）表示：

根據產品大綱，以鋼種生產的難易程度將其分為3類，2臺方坯連鑄機生產不同鋼種、不同規格鑄坯的小時產能和出壞節奏如表1所示：

從表1可以看出，A鑄機的最大小時產能為135.4 t/h，B鑄機的最大小時產能為127.7 t/h，因此，2臺連鑄機各選一座冷裝加熱能力為150 t/h的加熱爐，可實現加熱爐小時產能與連鑄機小時產能的匹配。

（2）軋機的小時產能

軋機軋制不同規格產品的時間不同，依據軋鋼的產品大綱，棒線材軋機和線材軋機生產不同規格產品的小時產量及對應每根坯料軋制的時間周期如表2、表3所示。

從表2、表3中可以看出，棒材和線材軋機的最大小時產能分別為145.3 t/h、136.7 t/h，而選擇的加熱爐冷裝能力均可達到150 t/h，因而加熱爐能夠滿足熱軋的生產需要。

（3）連鑄—加熱爐—熱軋小時產能匹配分析

由于連鑄坯的鋼種、規格和軋制產品的種類繁多，因而取連鑄和熱軋的加權平均小時產能進行對比分析。通過表1可知，A鑄機和B鑄機的加權平均小時鑄坯產能分別為126.4 t/h、106.8 t/h，從表2、表3可知，棒材和線材軋機的加權平均小時產能分別為137.7 t/h、116.9 t/h，從而所需的小時坯料消耗量分別為140.5 t/h、119.3 t/h。鑄機的加權平均小時鑄坯產能小于對應軋機的加權平均小時坯料消耗量，連鑄小時出坯量能被對應的軋機完全消化，在正常熱送條件下，坯料在輥道上不會因堆積而導致下線。同時，冷裝坯料小時產能為150 t/h的加熱爐，其熱裝坯料可達200 t/h，當連鑄—熱軋工序間設備出現短暫故障時，具備一定的緩沖作用。考慮到實際生產中各工序產能不可避免的一些波動，說明加熱爐的小時產能與連鑄機和軋機小時產能基本匹配。

三、生產節奏匹配分析

1. 連鑄—加熱爐—熱軋生產節奏計算

（1）連鑄機出坯節奏

連鑄機的出坯節奏可表示如下：

以棒材和線材軋機所需坯料的長度分別為L =10m、L =12m進行計算，不同鋼種和規格下，連鑄機的出坯節奏如表1所示。

（2）加熱爐的出坯節奏

加熱爐的出坯節奏可表示如下：

式中，HHbF，i為i規格鑄坯加熱爐的出坯節奏，s； NHF為生產線上加熱爐的數量； QHhF為加熱爐的小時生產能力，t/h； Wi為i規格鑄坯的單根重量，t。其表達式為：

式中，ai、bi分別為i規格鑄坯的寬度和厚度，mm；L為鑄坯長度，m；ρ為鑄坯密度，t/m3。

加熱爐分別進行冷裝和熱裝時，不同規格鑄坯的出坯節奏如表4所示：

（3）軋機的軋制節奏

軋制節奏是指相鄰兩根鑄坯進入同一軋機的時間間隔。軋制節奏的長短不僅與坯料規格、軋制道次、操作條件等工藝因素有關，還與軋機布置形式、機架數量、電機能力大小等設備條件密切相關。棒材和線材軋機軋制不同規格產品的時間節奏如表2、表3所示。

2. 連鑄—加熱爐—熱軋生產節奏對比分析

由于鋼種、規格不盡相同，采用加權平均法對連鑄和熱軋的生產節奏進行對比分析。從表1計算得到A、B鑄機的出坯節奏分別為85.4 s、77.4 s，表2、表3計算得到棒材和線材軋機的軋制節奏分別為80.2 s、77.6 s，而對應棒材和線材軋機的加熱爐，從表4中可知，其出坯節奏最長時間分別為73.4 s、56.4 s。通過數據比較分析可以看出，2座加熱爐的生產節奏不僅小于連鑄機的生產節奏，也小于棒材和線材軋機的生產節奏，因而，作為連鑄和熱軋之間的工序，加熱爐可充分發揮其緩沖作用。棒材軋機的生產節奏小于其對應的A鑄機，可及時消耗鑄機生產的坯料；雖然線材軋機的生產節奏略大于其對應的B鑄機的出坯節奏，但可通過調節線材軋機兩根坯料的生產間隙時間進行生產節奏的配合，另外也可以利用加熱爐的緩沖作用，使工序銜接更加合理。

綜上所述，2座冷裝能力為150 t/h的加熱爐可滿足連鑄、加熱爐和熱軋生產節奏的基本匹配，使得連鑄—加熱爐—熱軋之間能夠較為順暢地銜接，表明加熱爐的配置是比較合理的。

四、生產組織探討

目前，新建的鋼鐵流程生產線，基本上都是采用煉鋼—連鑄—熱軋直接相連的緊湊布置，將連鑄機的熱送輥道與加熱爐的入爐輥道以及軋機的軋制線與加熱爐的出爐輥道直接相連，使鑄坯輸送在時間和空間距離上都大大縮短，保證了物流的順暢，同時又能夠減少高溫鑄坯的溫降，節約能源，減少鑄坯的庫存面積，有利于實現工序間的一體化生產。

傳統的鑄坯裝爐主要有冷裝和熱裝2種模式，若2種模式出現在同一加熱爐連續生產過程中，則不可避免地有冷熱交叉的裝爐形式。當處于此種普通裝爐方式時，由于加熱爐執行區域式爐溫控制，增大了連鑄坯出爐溫度的波動，冷裝坯的加熱能力不足、斷面溫差大，而熱裝坯則出爐溫度過高、氧化燒損量增大，不僅影響了鑄坯的加熱質量，還降低了熱裝效果，浪費了同爐熱鑄坯的能量，不能體現熱裝的優越性。實踐表明，按照50%CCR和50%HCR的冷熱混裝，如果1天內次數改變3次，則HCR的優勢完全被抵消[4]。因此，生產上應充分利用熱坯料節能的優勢，采取有效的措施優化生產組織。

對于冷、熱坯混裝出現的問題，國外的鋼鐵公司提出將熱坯集中裝入指定的熱坯專用加熱爐加熱的生產模式，國內也對專用爐模式進行了一定的研究[5，6]。此方法避免了冷熱坯混裝對加熱效能的影響，充分體現熱裝的優越性，大大降低了能耗，而且專用爐模式和傳統裝爐模式相比，其生產節奏較快，大幅提高了生產效率。但該模式要求1條生產線上擁有多座加熱爐，對于只有1座加熱爐的情況并不適用。因此，當生產線上只有1座加熱爐時，應盡可能將冷裝坯、熱裝坯相對集中安排，減少冷熱坯混裝的頻率。為了解決加熱爐混裝過程中出現的冷熱交替、熱裝和熱冷交替的前后銜接形式，可采用如下生產組織方法[3]：

（1）冷熱交替：先冷坯后熱坯裝爐時，視加熱爐的分段情況，即從預熱段到均熱段，依次減少燒嘴煤氣流量，或關閉加熱段部分燒嘴，以增加預熱段的長度。

（2）熱裝：熱坯裝爐時，爐子需加強動態管理，視熱坯溫度的差別、爐內氣氛及儀表顯示數據對爐子的煤氣、空氣量進行調整。

（3）熱冷交替：先熱坯后冷坯裝爐時，從爐尾到爐頭依次增加燒嘴的煤氣流量，或增開被關閉的燒嘴，直至熱冷交替完畢。為了杜絕熱冷交替時熱坯易過熱、過燒及冷坯燒不透問題，采用保證熱坯加熱速度的方法，待熱坯出完，均為冷裝坯時，將坯料在爐中待溫2～10 min 再出爐開軋。

五、結論

（1）在棒線材生產線工藝流程確定的條件下，分析了不同鋼種和規格下連鑄、熱軋和加熱爐的小時產能匹配情況，從而基本確定了每條棒線材熱軋生產線上配置1座加熱能力為150 t/h的步進梁式加熱爐。

（2）對于已確定的連鑄、熱軋和加熱爐的流程配置，深入研究了各工序的生產節奏匹配情況，進一步驗證了棒線材熱軋線各選用1座產能為150 t/h的加熱爐是較為緊湊、合理的配置。

（3）針對特鋼廠棒線材的生產，探討了當生產線上只有1座加熱爐的條件下，通過生產組織實現冷裝和熱裝轉換時較好的銜接。○

[1]殷瑞鈺.關于連鑄與軋鋼的銜接和匹配問題[J].軋鋼，1991（2）．

[2]蘆永明，賀東風，徐安軍，等．2 250mm熱軋生產線加熱爐配置及其生產組織探討[J].冶金能源，2011，30（2）．

[3]李貴陽.長流程棒線材鋼廠多維物流控制與模式優化[D].北京：北京科技大學，2008．

[4]王中丙.煉鋼軋鋼一體化[J].冶金叢刊，1996（2）．

[5]李燕，李蘇劍，王剛祥.熱送熱裝專用爐模式物流仿真系統[J].物流技術，2007，26（11）．

[6]徐安軍，蘆永明，單多，等.專用爐模式下加熱爐群混裝一體化生產[J].北京科技大學學報，2012，34（9）．

(作者單位:1.安陽鋼鐵股份有限公司,河南安陽455004；2.北京首鋼國際工程技術有限公司,北京100043)

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1002-1779 （2015） 03-0029-03