免加熱直接軋制技術送鋼控制模型對直軋率的影響

劉鑫, 王軍生, 李彬周

(鞍鋼集團北京研究院, 北京 102211)

隨著全球氣候變化日趨嚴重,碳排放成為國家間的共同關注焦點。為了鼓勵企業減少碳排放并轉向低碳技術,許多國家已經開始計劃實施碳稅政策。通過對企業的碳排放征稅,提高了排放碳的成本,從而刺激企業采取措施減少其碳足跡。中國承諾在2030年前達到“碳達峰”目標。在此背景下,鋼鐵行業的能源消耗與環境污染問題受到了前所未有的關注。近年來,有學者針對企業能源系統[1-2]的特點進行了研究,從能源管理和調度角度為節能降碳提供了相關借鑒。在鋼鐵生產中,中國鋼筋年產量超過2億t,大于世界其他國家鋼筋產量總和,其生產技術革新示范意義巨大[3],以典型棒材軋制生產能耗為例,用于鑄坯軋制的能耗僅占軋鋼總能耗的16.9%,而鑄坯加熱能耗占軋鋼總能耗的80%,所以取消加熱爐是大幅降低軋制工序能耗和降碳最有效的途徑[4]。

棒線材免加熱直接軋制技術是一種既能降低能源消耗又能減少碳排放的技術。通過動態控制二冷區配水[5-7],在保證不發生拉漏鋼的前提下最大限度提高連鑄坯余熱利用率,隨后將高溫連鑄坯切割成鑄坯后,可在不需要加熱爐的條件下直接將鑄坯送往軋機進行軋制[8-12]。棒線材免加熱直接軋制技術可實施的關鍵在于連鑄區的連鑄坯余熱利用率以及鑄-軋界面的銜接,該技術具有巨大的節能減排效果,對中國實施碳達峰、碳中和具有重大示范意義。另外,該技術還可有效提升棒線材產品的力學性能[13-16]。目前免加熱直接軋制技術雖然成功取消了加熱爐,縮短了棒線材生產流程[17-18],但由于對鑄-軋界面送鋼控制策略以及連鑄機流數與軋機能力匹配性研究較少,導致目前鑄坯直軋率偏低,有研究實踐表明直軋率僅為83.76%[4]。進一步提高鑄坯直軋率不僅可以促進降低碳排放,而且可以提高企業的經濟效益。因此,開展相關研究,找到提高鑄坯直軋率的方法,是非常必要的。

針對棒線材免加熱直接軋制技術直軋率偏低的問題,有學者提出了采用優化切坯策略的送坯節奏控制方法[19],該方法需要在實際生產中隨時間動態去切割不同長度的連鑄坯用于匹配連鑄與軋制之間的生產節奏,現場實際操作難度較大。另外,也有研究利用排隊論進行鑄-軋界面優化的方法[20],但無法實現現場生產中實時控制連鑄與軋制之間的生產節奏。現提出一種新的送鋼控制模型,實現鑄-軋界面下鑄坯輸送的優化控制,從而有效提高鑄坯的直軋率,進一步降低生產成本、能源消耗和碳排放,幫助企業應對碳排放政策帶來的挑戰。

1 現場產線布局

與傳統棒線材生產流程相比,免加熱直接軋制技術取消了加熱爐工序,縮短了棒線材的生產流程,圖1顯示了兩種工藝的區別。免加熱直接軋制技術主要包含連鑄區、鑄-軋界面以及軋制區三部分。連鑄區根據連鑄機拉坯速度相應動態調整二冷區配水,實現大幅提高連鑄坯的余熱利用率,進而在保證不漏鋼的前提下大幅提高連鑄坯溫度的目標;軋制區則在保證現有軋制規程不變的前提下能夠順利將鑄坯進行直接軋制;鑄-軋界面主要包括從鑄坯頭部到達連鑄機末端(即送鋼控制擋板位置)開始,直到鑄坯被第一架粗軋機完全軋制完成為止。如果在鑄-軋界面中送鋼控制擋板位置處等候的鑄坯數量大于等于2根時,會面臨放行哪一根鑄坯到軋機的控制問題,若處理不好該問題將會使個別鑄坯在空氣中等待時間過長,導致無法滿足軋機軋制的最低溫度要求而必須做剔坯處理,進而影響直軋率,所以鑄-軋界面是免加熱直接軋制技術能否順利實施的關鍵因素之一,而其中的送鋼控制節奏則是其核心要素。

圖1 傳統生產工藝與免加熱直接軋制工藝對比

現有Z鋼廠進行了棒線材免加熱直接軋制技術改造,將原有五機五流連鑄機改造為四機四流連接一條軋線,其中連鑄機與軋線采用快速輥道方式連接,如圖2所示。圖2(a)所示為改造后的產線布局示意圖,送鋼控制擋板通過送鋼控制模型進行控制,主要實現當軋機發送要鋼信號時放行哪一根鑄坯的作用;圖2(b)為鑄坯切割點位置;圖2(c)顯示了快速輥道局部樣貌。現場鑄-軋界面送鋼策略采用先進先出模型(first in first out,FIFO),具體實施流程如圖3所示。

圖2 免加熱直接軋制工藝改造

圖3 鑄-軋界面FIFO控制模型工作流程圖

2 送鋼控制模型的建立

鑄坯在空氣中的溫降過程可采用式(1)近似描述為

(1)

式(1)中:ai為多項式系數;t為時間,s;T(t)為不同時間下鑄坯表面溫度,℃。

在鑄-軋界面中鑄坯所經歷的時間過程主要包括:鑄坯頭部到達送鋼控制擋板位置的時間t0;鑄坯在快速運輸輥道中的運輸時間Δttrans;第一架粗軋機完全軋制完一根鑄坯所需的時間Δtroll,其中Δttrans和Δtroll對于同條產線一般可近似為常量。基于式(1),同時結合現場產線實際布置情況、軋機最小可軋溫度T(tmin)和與之對應的時間tmin,可知在鑄-軋界面中鑄坯到達送鋼控制擋板位置時的溫度最高T(t0),此時在連鑄生產中第一根被送往軋機的鑄坯在空氣中的最大等待時間Δtmax可表示為

Δtmax=tmin-t0-Δttrans

(2)

式(2)滿足在實際生產過程中Δttrans>Δtroll的情況。

對于四機四流連接一條軋線,當軋線發送要鋼信號時,從送鋼控制擋板放行第二根鑄坯開始,后續鑄坯的輸送節奏可通過式(3)進行描述,同時決策目標函數foptimobj如式(4)所示。

(3)

(4)

Δt=[Δtroll～(Δttrans+Δtroll)]

(5)

式(5)中:當Δt取Δtroll時表示軋機處于滿負荷軋制狀態;當Δt取(Δttrans+Δtroll)時表示軋機處于周期性的間歇軋制,此時軋機未處于滿負荷狀態。另外,直軋率的計算公式為

(6)

式(6)中:dr為直軋率;n為軋機有效軋制鑄坯數量;N為連鑄機生產連鑄坯總數量。

由式(1)～式(5)構成了鑄-軋界面送鋼控制模型,該模型的控制流程如圖4所示。

圖4 鑄-軋界面新送鋼控制模型工作流程圖

3 結果分析

3.1 現場生產參數

鋼廠棒線材免加熱直接軋制生產線如圖2所示,連鑄區生產HRB400E高溫連鑄方坯,方坯尺寸為150 mm×150 mm×10 000 mm;軋制區最終將方坯軋制成Φ32 mm的螺紋鋼筋;在鑄-軋界面處其送鋼控制模型采用常規的FIFO控制模型。現場連鑄機各流編號如圖2所示,從上向下依次為#1、#2、#3和#4,平均拉速依次為2.60、2.50、2.40和2.45 m/min。另外,快速運輸輥道平均速度為2.15 m/s,其他現場生產參數實測值如表1所示。

表1 生產參數實測值

3.2 模擬結果分析

為了使直軋率統計結果更準確,在生產現場實測出當連鑄機生產出300根鑄坯時,軋機有效軋制鑄坯數量為261根,根據式(6),可獲得在FIFO控制模型下的實際直軋率為87%。

根據鑄機各流平均拉速以及如表1所示的實測數據,結合圖3所示的流程圖,模擬了在四機四流連接一條軋線且送鋼策略采用FIFO控制模型的情況下,連鑄機生產300根鑄坯時鑄機各流成功送軋和剔除鑄坯的數量,其模擬結果如圖5所示。連鑄機#1成功送軋鑄坯78根、剔除鑄坯0根;#2成功送軋鑄坯73根、剔除鑄坯3根;#3成功送軋鑄坯50根、剔除鑄坯22根;#4成功送軋鑄坯65根、剔除鑄坯9根。其中成功送軋鑄坯總數266根,剔除鑄坯總數34根,直軋率為88.7%。和現場實測直軋率相比,誤差為1.95%,證明模擬結果與實測結果吻合較好。

圖5 四機四流下采用FIFO控制模型的模擬結果

同理,根據圖4所示的流程圖,模擬了在使用本文模型下鑄機各流成功送軋和剔除鑄坯的數量,其模擬結果如圖6所示。連鑄機#1成功送軋鑄坯78根、剔除鑄坯0根;#2成功送軋鑄坯74根、剔除鑄坯1根;#3成功送軋鑄坯63根、剔除鑄坯10根;#4成功送軋鑄坯68根、剔除鑄坯6根。其中成功送軋鑄坯總數283根,剔除鑄坯總數17根,直軋率為94.3%。與FIFO控制模型相比,直軋率可提升5.6%。

圖6 四機四流下采用所提送鋼控制模型的模擬結果

另外分別模擬研究了在五機五流連接一條軋線的情況下,兩種送鋼控制模型對鑄坯直軋率的影響。連鑄機各流編號從上向下依次為#1、#2、#3、#4和#5,平均拉速依次為2.60、2.50、2.40、2.35和2.45 m/min。

當采用FIFO控制模型,連鑄機生產300根鑄坯時,鑄機各流成功送軋和剔除鑄坯的數量,如圖7所示。連鑄機#1成功送軋鑄坯63根、剔除鑄坯0根;#2成功送軋鑄坯58根、剔除鑄坯3根;#3成功送軋鑄坯31根、剔除鑄坯28根;#4成功送軋鑄坯27根、剔除鑄坯30根;#5成功送軋鑄坯44根、剔除鑄坯16根。其中成功送軋鑄坯總數223根,剔除鑄坯總數77根,直軋率為74.3%。在相同FIFO控制模型條件下,與四機四流連接一條軋線相比,連鑄機增加一流,即五機五流連接一條軋線時,直軋率降低了14.4%。由此可以說明對于多機多流連接一條軋線這類產線布置情況,適當降低連鑄機流數,有助于提高連鑄區與軋制區的匹配程度,因為當連鑄流數越多,多根鑄坯同時到達送鋼控制擋板位置的概率越高,進而導致個別鑄坯在空氣中等待的時間越長,造成剔坯的概率越高。

圖7 五機五流下采用FIFO控制模型的模擬結果

采用本文模型時,連鑄機各流成功送軋和剔除鑄坯的數量,如圖8所示。連鑄機#1成功送軋鑄坯63根、剔除鑄坯0根;#2成功送軋鑄坯54根、剔除鑄坯7根;#3成功送軋鑄坯44根、剔除鑄坯15根;#4成功送軋鑄坯31根、剔除鑄坯26根;#5成功送軋鑄坯53根、剔除鑄坯7根。其中成功送軋鑄坯總數245根,剔除鑄坯總數55根,直軋率為81.7%,在相同條件下,與FIFO控制模型相比,其直軋率提高了7.4%。另外,在采用本文模型條件下,與四機四流連接一條軋線相比,采用五機五流時直軋率降低了12.6%。結果表明在五機五流條件下,采用新送鋼控制模型其直軋率降低幅度比FIFO控制模型小了1.8%。

圖8 五機五流下采用所提送鋼控制模型的模擬結果

通過以上分析說明連鑄機流數與軋機能力的匹配程度也是影響直軋率的重要因素之一。

4 結論

(1)針對目前生產棒線材的免加熱直接軋制技術面臨的如鑄坯直軋率偏低、低溫鑄坯剔坯較多等問題。根據鋼廠四機四流連接一條軋線的設備布置特點和生產工藝參數,提出了一種鑄-軋界面新送鋼控制模型。

(2)根據現場四機四流連接一條軋線的實際生產情況,利用模擬方法研究了采用FIFO控制模型下的鑄坯直軋率,并與現場實測結果進行了對比,結果顯示模擬結果的誤差為1.95%,證明模擬結果與實測結果吻合較好。

(3)在四機四流連接一條軋線的情況下,分別模擬研究了采用FIFO控制模型和本文模型對直軋率的影響,結果顯示在采用FIFO控制模型時直軋率為88.7%;采用本文模型直軋率可以達到94.3%,相比FIFO控制模型,直軋率提升了5.6%。

(4)研究了在五機五流連接一條軋線的情況下,兩種送鋼控制模型對直軋率的影響,結果顯示,采用FIFO控制模型的直軋率僅為74.3%,而采用本文模型直軋率可以達到81.7%,提升幅度為7.4%。

(5)采用FIFO控制模型時,將連鑄區四機四流增加到五機五流時,直軋率從88.7%降低到了74.3%,降幅高達14.4%;而采用本文模型直軋率從94.3%降到了81.7%,降幅為12.6%;與FIFO控制模型進行橫向對比,發現本文模型其直軋率降低幅度比FIFO控制模型小了1.8%。由此可以說明對于多機多流連接一條軋線這類產線布置情況,適當降低連鑄機流數,有助于提高連鑄區與軋制區的匹配程度,因為當連鑄流數越多,個別鑄坯在連鑄區等待的時間越長,造成剔坯的概率越高。