棒線材生產(chǎn)線加熱爐配置及其生產(chǎn)組織研究

□ 孫 拓王先勇

棒線材生產(chǎn)線加熱爐配置及其生產(chǎn)組織研究

□ 孫 拓1王先勇2

從鋼鐵制造流程精準(zhǔn)設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，針對某特鋼廠棒線材熱軋生產(chǎn)線，分析了連鑄、加熱爐和熱軋的小時(shí)產(chǎn)能匹配情況，初步確定了每條熱軋生產(chǎn)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(chǎn)節(jié)奏的分析，進(jìn)一步證實(shí)了生產(chǎn)線上所選擇的加熱爐是較為緊湊的配置。最后，探討了生產(chǎn)線上只有1座加熱爐時(shí)處理冷熱混裝的生產(chǎn)組織方式。

棒線材；加熱爐；配置；生產(chǎn)節(jié)奏；生產(chǎn)組織

目前，在考慮生產(chǎn)工藝流程的基礎(chǔ)上，鋼鐵制造逐步向連續(xù)、協(xié)調(diào)的物流管制方向發(fā)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(shù)量上的傳遞、銜接、匹配和物流在時(shí)間節(jié)奏上的協(xié)調(diào)、適應(yīng)、配合等參數(shù)都應(yīng)在考慮范圍內(nèi)[1]。

加熱爐位于鋼鐵生產(chǎn)的連鑄工序和熱軋工序之間，在鑄坯熱送熱裝生產(chǎn)過程中，加熱爐對均衡、連續(xù)生產(chǎn)起到重要的緩沖調(diào)節(jié)作用，是連鑄—熱軋中重要的柔性環(huán)節(jié)。同時(shí)，加熱爐工序也是高耗能環(huán)節(jié)，熱送熱裝工藝中的節(jié)能降耗效果最終體現(xiàn)在此工序中。

某特鋼廠主要生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)碳素鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼、彈簧鋼、齒輪鋼、軸承鋼、錨鏈鋼等精棒和精線軋制產(chǎn)品。文中主要針對此特鋼廠棒線材的生產(chǎn)情況，研究連鑄、加熱爐和熱軋的小時(shí)產(chǎn)量及生產(chǎn)節(jié)奏的銜接、匹配，進(jìn)而確定棒線材加熱爐的配置。

一、特鋼廠棒線材熱連軋生產(chǎn)線

1. 棒線材生產(chǎn)線及其熱裝軋制

特鋼廠的棒材和線材各為1條熱軋生產(chǎn)線：棒材軋機(jī)主要生產(chǎn)直徑18～80 mm的棒材產(chǎn)品，其坯料對應(yīng)1臺(tái)生產(chǎn)鑄坯規(guī)格為200 mm×200 mm的四流方坯連鑄機(jī)（A鑄機(jī)）；線材軋機(jī)主要生產(chǎn)直徑5.5～25 mm的線材產(chǎn)品，其坯料對應(yīng)1臺(tái)生產(chǎn)鑄坯規(guī)格為160 mm×160 mm的四流方坯連鑄機(jī)（B鑄機(jī)）。連鑄機(jī)生產(chǎn)的無缺陷鑄坯，經(jīng)過加熱爐加熱到軋制所需溫度，然后送到軋機(jī)進(jìn)行軋制，得到最終所需的軋制產(chǎn)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(chǎn)棒線材的小方坯，由于其斷面小、散熱快，不易準(zhǔn)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(jié)能的要求，因而優(yōu)先采用直接熱裝方式。

直接熱裝采用加熱爐補(bǔ)熱的方式將坯料升溫到軋制溫度，可以大幅節(jié)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(chǎn)技術(shù)，鑄坯無清理率達(dá)到98%以上；

（2）工序上下游生產(chǎn)能力和生產(chǎn)節(jié)奏匹配；

（3）高溫鑄坯生產(chǎn)技術(shù)；

（4）在線保溫技術(shù)，降低鑄坯溫度損失；

（5）生產(chǎn)線工藝流程布置合理，裝備水平及自動(dòng)化程度高；

（6）煉鋼—連鑄—熱軋一體化生產(chǎn)管理技術(shù)。

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

2. 棒線材生產(chǎn)線加熱爐的選擇

根據(jù)產(chǎn)品大綱以及方坯連鑄機(jī)、棒線材軋機(jī)的配置，選擇空氣、煤氣雙蓄熱，側(cè)進(jìn)側(cè)出和上下加熱的步進(jìn)梁式加熱爐。目前，步進(jìn)式加熱爐是軋鋼加熱爐中的一種先進(jìn)爐型，雙蓄熱加熱爐的空氣、煤氣預(yù)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(shù)為有效爐長約28 m，內(nèi)部寬約12.6 m，爐底強(qiáng)度446 kg/(m2·h)，小時(shí)加熱能力冷裝為150 t/h、熱裝為200 t/h，步進(jìn)梁步距為260 mm，步進(jìn)梁周期不超過40 s。

3. 連鑄—加熱爐—熱軋產(chǎn)能匹配

加熱爐作為連鑄機(jī)和軋機(jī)之間的銜接裝置，其對流程的連續(xù)性和高溫?zé)徇B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(xiàn)代鋼鐵制造流程工序配置連續(xù)、協(xié)調(diào)、緊湊的要求。因而，連鑄、加熱爐和熱軋的年產(chǎn)能、小時(shí)產(chǎn)能和生產(chǎn)節(jié)奏應(yīng)盡可能相互匹配。

二、產(chǎn)能匹配分析

1. 年產(chǎn)能匹配分析

特鋼廠棒材和線材軋機(jī)年產(chǎn)能分別為70萬噸、60萬噸，對應(yīng)其坯料的A鑄機(jī)和B鑄機(jī)年產(chǎn)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(jī)和棒線材軋機(jī)的年生產(chǎn)能力基本匹配。

2. 小時(shí)產(chǎn)能匹配分析

（1）連鑄機(jī)的小時(shí)產(chǎn)能

方坯連鑄機(jī)的小時(shí)產(chǎn)能可用式（1）表示：

根據(jù)產(chǎn)品大綱，以鋼種生產(chǎn)的難易程度將其分為3類，2臺(tái)方坯連鑄機(jī)生產(chǎn)不同鋼種、不同規(guī)格鑄坯的小時(shí)產(chǎn)能和出壞節(jié)奏如表1所示：

從表1可以看出，A鑄機(jī)的最大小時(shí)產(chǎn)能為135.4 t/h，B鑄機(jī)的最大小時(shí)產(chǎn)能為127.7 t/h，因此，2臺(tái)連鑄機(jī)各選一座冷裝加熱能力為150 t/h的加熱爐，可實(shí)現(xiàn)加熱爐小時(shí)產(chǎn)能與連鑄機(jī)小時(shí)產(chǎn)能的匹配。

（2）軋機(jī)的小時(shí)產(chǎn)能

軋機(jī)軋制不同規(guī)格產(chǎn)品的時(shí)間不同，依據(jù)軋鋼的產(chǎn)品大綱，棒線材軋機(jī)和線材軋機(jī)生產(chǎn)不同規(guī)格產(chǎn)品的小時(shí)產(chǎn)量及對應(yīng)每根坯料軋制的時(shí)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(jī)的最大小時(shí)產(chǎn)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(dá)到150 t/h，因而加熱爐能夠滿足熱軋的生產(chǎn)需要。

（3）連鑄—加熱爐—熱軋小時(shí)產(chǎn)能匹配分析

由于連鑄坯的鋼種、規(guī)格和軋制產(chǎn)品的種類繁多，因而取連鑄和熱軋的加權(quán)平均小時(shí)產(chǎn)能進(jìn)行對比分析。通過表1可知，A鑄機(jī)和B鑄機(jī)的加權(quán)平均小時(shí)鑄坯產(chǎn)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(jī)的加權(quán)平均小時(shí)產(chǎn)能分別為137.7 t/h、116.9 t/h，從而所需的小時(shí)坯料消耗量分別為140.5 t/h、119.3 t/h。鑄機(jī)的加權(quán)平均小時(shí)鑄坯產(chǎn)能小于對應(yīng)軋機(jī)的加權(quán)平均小時(shí)坯料消耗量，連鑄小時(shí)出坯量能被對應(yīng)的軋機(jī)完全消化，在正常熱送條件下，坯料在輥道上不會(huì)因堆積而導(dǎo)致下線。同時(shí)，冷裝坯料小時(shí)產(chǎn)能為150 t/h的加熱爐，其熱裝坯料可達(dá)200 t/h，當(dāng)連鑄—熱軋工序間設(shè)備出現(xiàn)短暫故障時(shí)，具備一定的緩沖作用?？紤]到實(shí)際生產(chǎn)中各工序產(chǎn)能不可避免的一些波動(dòng)，說明加熱爐的小時(shí)產(chǎn)能與連鑄機(jī)和軋機(jī)小時(shí)產(chǎn)能基本匹配。

三、生產(chǎn)節(jié)奏匹配分析

1. 連鑄—加熱爐—熱軋生產(chǎn)節(jié)奏計(jì)算

（1）連鑄機(jī)出坯節(jié)奏

連鑄機(jī)的出坯節(jié)奏可表示如下：

以棒材和線材軋機(jī)所需坯料的長度分別為L =10m、L =12m進(jìn)行計(jì)算，不同鋼種和規(guī)格下，連鑄機(jī)的出坯節(jié)奏如表1所示。

（2）加熱爐的出坯節(jié)奏

加熱爐的出坯節(jié)奏可表示如下：

式中，HHbF，i為i規(guī)格鑄坯加熱爐的出坯節(jié)奏，s； NHF為生產(chǎn)線上加熱爐的數(shù)量； QHhF為加熱爐的小時(shí)生產(chǎn)能力，t/h； Wi為i規(guī)格鑄坯的單根重量，t。其表達(dá)式為：

式中，ai、bi分別為i規(guī)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(jìn)行冷裝和熱裝時(shí)，不同規(guī)格鑄坯的出坯節(jié)奏如表4所示：

（3）軋機(jī)的軋制節(jié)奏

軋制節(jié)奏是指相鄰兩根鑄坯進(jìn)入同一軋機(jī)的時(shí)間間隔。軋制節(jié)奏的長短不僅與坯料規(guī)格、軋制道次、操作條件等工藝因素有關(guān)，還與軋機(jī)布置形式、機(jī)架數(shù)量、電機(jī)能力大小等設(shè)備條件密切相關(guān)。棒材和線材軋機(jī)軋制不同規(guī)格產(chǎn)品的時(shí)間節(jié)奏如表2、表3所示。

2. 連鑄—加熱爐—熱軋生產(chǎn)節(jié)奏對比分析

由于鋼種、規(guī)格不盡相同，采用加權(quán)平均法對連鑄和熱軋的生產(chǎn)節(jié)奏進(jìn)行對比分析。從表1計(jì)算得到A、B鑄機(jī)的出坯節(jié)奏分別為85.4 s、77.4 s，表2、表3計(jì)算得到棒材和線材軋機(jī)的軋制節(jié)奏分別為80.2 s、77.6 s，而對應(yīng)棒材和線材軋機(jī)的加熱爐，從表4中可知，其出坯節(jié)奏最長時(shí)間分別為73.4 s、56.4 s。通過數(shù)據(jù)比較分析可以看出，2座加熱爐的生產(chǎn)節(jié)奏不僅小于連鑄機(jī)的生產(chǎn)節(jié)奏，也小于棒材和線材軋機(jī)的生產(chǎn)節(jié)奏，因而，作為連鑄和熱軋之間的工序，加熱爐可充分發(fā)揮其緩沖作用。棒材軋機(jī)的生產(chǎn)節(jié)奏小于其對應(yīng)的A鑄機(jī)，可及時(shí)消耗鑄機(jī)生產(chǎn)的坯料；雖然線材軋機(jī)的生產(chǎn)節(jié)奏略大于其對應(yīng)的B鑄機(jī)的出坯節(jié)奏，但可通過調(diào)節(jié)線材軋機(jī)兩根坯料的生產(chǎn)間隙時(shí)間進(jìn)行生產(chǎn)節(jié)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(chǎn)節(jié)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(chǎn)組織探討

目前，新建的鋼鐵流程生產(chǎn)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(jī)的熱送輥道與加熱爐的入爐輥道以及軋機(jī)的軋制線與加熱爐的出爐輥道直接相連，使鑄坯輸送在時(shí)間和空間距離上都大大縮短，保證了物流的順暢，同時(shí)又能夠減少高溫鑄坯的溫降，節(jié)約能源，減少鑄坯的庫存面積，有利于實(shí)現(xiàn)工序間的一體化生產(chǎn)。

傳統(tǒng)的鑄坯裝爐主要有冷裝和熱裝2種模式，若2種模式出現(xiàn)在同一加熱爐連續(xù)生產(chǎn)過程中，則不可避免地有冷熱交叉的裝爐形式。當(dāng)處于此種普通裝爐方式時(shí)，由于加熱爐執(zhí)行區(qū)域式爐溫控制，增大了連鑄坯出爐溫度的波動(dòng)，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(zhì)量，還降低了熱裝效果，浪費(fèi)了同爐熱鑄坯的能量，不能體現(xiàn)熱裝的優(yōu)越性。實(shí)踐表明，按照50%CCR和50%HCR的冷熱混裝，如果1天內(nèi)次數(shù)改變3次，則HCR的優(yōu)勢完全被抵消[4]。因此，生產(chǎn)上應(yīng)充分利用熱坯料節(jié)能的優(yōu)勢，采取有效的措施優(yōu)化生產(chǎn)組織。

對于冷、熱坯混裝出現(xiàn)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(chǎn)模式，國內(nèi)也對專用爐模式進(jìn)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(xiàn)熱裝的優(yōu)越性，大大降低了能耗，而且專用爐模式和傳統(tǒng)裝爐模式相比，其生產(chǎn)節(jié)奏較快，大幅提高了生產(chǎn)效率。但該模式要求1條生產(chǎn)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(dāng)生產(chǎn)線上只有1座加熱爐時(shí)，應(yīng)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(xiàn)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(chǎn)組織方法[3]：

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

（2）熱裝：熱坯裝爐時(shí)，爐子需加強(qiáng)動(dòng)態(tài)管理，視熱坯溫度的差別、爐內(nèi)氣氛及儀表顯示數(shù)據(jù)對爐子的煤氣、空氣量進(jìn)行調(diào)整。

（3）熱冷交替：先熱坯后冷坯裝爐時(shí)，從爐尾到爐頭依次增加燒嘴的煤氣流量，或增開被關(guān)閉的燒嘴，直至熱冷交替完畢。為了杜絕熱冷交替時(shí)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(shí)，將坯料在爐中待溫2～10 min 再出爐開軋。

五、結(jié)論

（1）在棒線材生產(chǎn)線工藝流程確定的條件下，分析了不同鋼種和規(guī)格下連鑄、熱軋和加熱爐的小時(shí)產(chǎn)能匹配情況，從而基本確定了每條棒線材熱軋生產(chǎn)線上配置1座加熱能力為150 t/h的步進(jìn)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(chǎn)節(jié)奏匹配情況，進(jìn)一步驗(yàn)證了棒線材熱軋線各選用1座產(chǎn)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(chǎn)，探討了當(dāng)生產(chǎn)線上只有1座加熱爐的條件下，通過生產(chǎn)組織實(shí)現(xiàn)冷裝和熱裝轉(zhuǎn)換時(shí)較好的銜接。○

[1]殷瑞鈺.關(guān)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(fēng)，徐安軍，等．2 250mm熱軋生產(chǎn)線加熱爐配置及其生產(chǎn)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(yōu)化[D].北京：北京科技大學(xué)，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(tǒng)[J].物流技術(shù)，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(chǎn)[J].北京科技大學(xué)學(xué)報(bào)，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(shù)有限公司,北京100043)

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1002-1779 （2015） 03-0029-03