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ESP是指全无头超薄带钢生产技术，更被誉为继转炉炼钢、连续铸钢之后的“第三次钢铁工业技术革命”，代表了当今世界热轧带钢技术的最高水平。意大利阿维迪研发的ESP技术，工艺生产高度灵活，空间布置同样灵活紧凑，特别是在老旧炼钢厂建设ESP轧钢厂，因受到已有设备和管道布局的影响，ESP可以根据现场环境，充分利用空间，紧凑合理布局。在生产过程中，ESP对钢包的规格要求比较宽泛，可以生产各种规格尺寸的带钢。另外，还可以在不中断生产的情况下，在线更换工作辊，可轧制出厚度小于0.8mm的带钢。本文从铸轧工艺紧凑、灵活和高效的ESP无头轧制厂的建设、运行和新钢种生产等方面进行了详细探讨。$$
1 ESP生产线布局灵活而紧凑$$
自从第一条ESP生产线在意大利克莱蒙纳厂建成投产之后，2013年以来，国内某厂先后引进了几条ESP生产线，产品宽度1300-1600mm，部分生产线建设在新型工业区，易于布局规划，而另一部分生产线建设在老旧炼钢连铸车间，对原有设备实施改造大修，甚至拆除新建。由于ESP生产线布局短小精悍，连铸和轧钢工艺直接串联，非常节省占地面积，见图1。$$
其中一条ESP生产线需要建设在已有炼钢车间连铸区域所在位置，根据现场的实际情况，需要在原连铸机区域集成连铸和ESP轧机，通过对连铸机厂房和工艺设备、电气自动化车设备、地下室设计和设备布置、配管、磨辊间和铸机检修、水处理厂和除鳞设施的系统改造规划，节省出ESP占地面积的13%。$$
狭窄的空间限制和ESP新技术要求是建设ESP生产线的巨大挑战，许多领域都需要探索创新性的解决方案。例如，工作辊在线更换系统、伸缩缸结构改造、炉容从65吨增加到300吨、增大感应加热器的加热能力、TPQC（全过程质量控制）和TPKH（全流程工艺诀窍）控制技术的使用、超薄带钢轧制技术以及控制位置和力度的带钢导向系统等等，改造及新增项目繁多。$$
2 ESP生产线运行灵活而机动$$
根据不同用户的不同要求，生产过程中的变更主要包括：钢种、带钢厚度和带钢宽度。生产运行之前，对三种不同类型生产线的材料流进行了对比，见表1。$$
在连铸连轧装置中，无论是连续连轧还是分批连轧（连轧板坯），轧机都必须严格遵循连铸机的输入信息。这对于无头轧制工艺非常关键，但对于批量生产的薄板坯连铸连轧过程，没有办法从外部插入或改变板坯，只有钢厂的大型板坯堆场，才有可能在轧制过程中更换钢种（等级）。即便如此，也存在一定的局限性，因为软件预置的轧制（道次）计划计算不能从极软级钢种跳到极硬级钢种。从经济角度来看，大型板坯堆场也需要大批量的资金投入。$$
1）更换钢种$$
更换钢种都是通过连铸机完成，无论是综合钢厂的连铸机，还是与薄板坯连轧厂一体化钢厂的连铸机，或者与ESP生产线直接联接的连铸机，见表2。更换钢种需要非常清楚钢水成分及其凝固过程，同时需要专业性软件系统给予支持，如普瑞特的二级“Intermix Expert”（铸流中两个不同钢种混合区的准确判定）专家系统。$$
在连浇操作中，当每次更换钢包时，中间包内和相应的铸流内会出现不同钢水混合的情况，Intermix计算能够确定混合部位的铸坯是否可以作为合规产品而使用，或者必须降级甚至报废。两种钢水的混合部分是否可以接受别的判定，取决于根据实际成分数据进行的计算。$$
“Intermix Expert”（图2）混合专家系统模型首先确定前一炉钢水的成分在下一炉中的残留量。成分确定模块根据得到的浓度分别确定沿铸流长度方向上特定位置的实际成分。最后，根据成分限制和Intermix模型的浓度分析结果，炉次分项模块确定混合部分是否可以被接受。Intermix模型针对选定的化学元素进行计算，它在新一炉钢水的钢包打开那一刻开始循环计算。钢水在中间包的混合情况利用所谓的“箱体模型”进行估算，它描述了钢水在中间包内和铸流上部液态区域的混合行为。$$
中间包流动试验和凝固铸坯实际取样的结果表明，模型计算结果和实际化验结果非常吻合。将得到的浓度分布结果作为后续炉次的成分数据而使用，就可以直接得到重要元素的浓度分布，从而作出产品的最终处置决定，即合格、降级或报废。如果某种重要元素的含量不符合钢种规定的要求，偏离情况能够被检测出来。$$
从新炉次“钢包开启事件”开始，即可循环混合计算所选定的化学元素，用Intermix计算的热分配函数来确定各组分的相容性。确定对最终产品配置有影响的某些关键元素（主要的、降级的或彻底的缺陷）的密度分布。如果其中有一个关键元素不符合钢级规范，就会检测到所导致这种情况的偏差。$$
冶金学家或工艺工程师使用此超强模拟环境系统进行运行作业，模拟分析不同钢种的各种组合，参数输入或修改也非常方便，如化学成分、中间包重量和铸坯规格等，通过人机界面进行，并显示计算结果。$$
根据两炉连浇炉次钢种的匹配分析结果，可以确定它们浇注的铸坯是否有废钢。分析结果中重叠部分的长度取决于不同的参数，如钢水化学成分、中间包开浇时的重量、中间包钢水承载率和浇注速度。该分析结果还可以提供单一元素或多个元素的组合产生的图形，图形下方显示必要的信息参数，如体积密度、钢水混合段长度、废钢长度和铸坯温度范围等。$$
在维护和设置系统中，可以非常容易地对模型进行配置，冶金学家可以选择使用哪些化学元素测定相关钢种的混合情况，通过强大的模拟环境模拟两种不同等级钢水的混合作业，并显示计算的体积密度、沿铸流方向的化学成分，以及含废钢在内的铸坯温度。$$
2）灵活控制带钢平直度$$
众所周知，在轧制过程中，平直度在大多数情况下是由工作辊的弯曲控制的，此外，还可通过改变工作辊的位置来获得最佳板形，见表3。$$
在轧制带钢的边缘区域，工作辊的损耗比中心区域大，从而导致带钢在该区域出现表面缺陷。为了避免带钢表面缺陷，并延长工作辊使用寿命，必须不断调整带钢宽度，带钢热轧机上一般通过所谓的“棺材形”轧制方式实现，在薄板坯连铸机和轧钢厂生产过程中，简单地减低带钢宽度来实现的。而阿维迪ESP平直度控制却是个例外，由于热铸坯在出坯时具有较热的液芯，在初次轧制时立即形成完美的凸度和楔度，并在此基础上形成平直度。稳定的轧制速度以及宽度和长度上温度分布是无头轧制稳定运行的先决条件。避免使用瓶形工作辊辊身的同时，通过工作辊的弯曲调整平直度，轧制的带钢平直度非常好。因为可以采用传统的工作辊辊型，工作辊长行程窜动范围可达±225mm，在不改变带宽的情况下，可以均化工作辊磨损。$$
3）调宽轧制$$
市场需求薄板宽度范围非常宽泛，从汽车制造商所需的宽薄板到型材或管材生产商等所需的窄板，通过轧机直接轧制不同带宽的带钢，从而降低窄板产量。如果轧制出的带钢表面存在冠状缺陷，在不降低轧制（切边）收得率的情况下，可以对宽度进行切割处理。迄今为止，仅阿维迪ESP生产线具有在热轧后进行剖分切割的功能，见表4。$$
因此，一方面市场需要不同宽度的轧制薄板，另一方面，需要对部分工艺进行改进，节约运行，避免工作辊使用过度。通常情况下，用户对薄板的宽度需求和工艺宽度需求并不匹配，带钢热轧机试图遵循“棺材形”的轧制工艺，尽可能接近订单要求。分批次薄板坯连铸连轧生产过程中，各工序之间不能有较大的宽度变化，只能智能化地小范围调整宽度。阿维迪ESP生产线可以根据客户需要，生产不同宽度的产品，具有很高的经济效益。由于生产的带钢可以分切，ESP生产线操作人员更倾向于以最大宽度进行轧制，之后分切，销售给型材厂或管材厂，实现产量和效益的最大化。$$
4）调整厚度$$
关于调整厚度，由于轧钢生产线都必须符合物理性能和规律，为了满足热工作辊凸度要求，在轧制薄规格带钢之前，必须对工作辊进行加热处理，这意味着所有的轧机轧制是一般从较厚规格板坯开始，待工作辊温度达标后，才逐步降低辊缝，进行薄规格轧制，见表5。$$
3 阿维迪ESP无头轧制技术目标之一：在线更换工作辊$$
为了贯彻以最低改造成本获得最高产量的连续轧制理念，近年阿维迪ESP技术在国内钢厂某条ESP生产线上实施了在线直接换辊（专利申请中）技术，以便提高效率降低成本。目前尽管从中间包到卷取机的收得率已经达到了98%以上，但这一创新设计的主要目的是进一步延伸连轧过程，进一步提高最终收得率，特别是对于薄带产品，工作辊寿命是影响轧制公里数的主要因素，目前的研究结果表明，连续生产202km的带钢，无需更换工作辊。新型设计结构能够实现在末架机架上在线更换工作辊，从而进一步延长公里数，并充分利用结晶器耐火材料（浸没式水口）。$$
工作辊在线更换从冷轧生产线开始投入使用，在无头轧制生产线中进一步发展改善，在线更换辊开始时，会导致带钢厚度暂时增加，并影响到相关轧机机架，在全无头轧制过程中，采用了新型换辊方式，通过快速调厚装置将带钢厚度迅速降至最小0.8mm，再次降低了带钢轧制厚度，见图3。$$
4 阿维迪无头轧制技术目标之二：轧制API级厚板$$
目前，钢管市场需求很大，钢管生产线也很多，钢管用户对产品的机械性能要求也越来越苛刻，期望在降低钢管重量的情况下提高通运能力。API 5L X70/X80钢种在过去几年里已经或多或少地成为了标准等级的管线用钢。除了传统的板材生产线外，带钢热轧生产线轧制该钢种越来越普遍，薄板坯连铸连轧生产线轧制该钢种同样在不断扩大。$$
薄板坯连铸连轧生产API钢的兼容布置，是一种便于应用热机械处理的设计，其特征是采用与带钢热轧机或中厚板轧制中常规的粗/精轧机节奏相应的切分轧机，确保再结晶/非再结晶轧制的切分，为控制过程中微观组织演变提供了重要的手段。浇注之后会马上产生严重变形，如阿维迪无头轧制工艺，连铸和轧制接合部的临界中心区域为再结晶过程提供了理想的环境条件。这是因为浇注后逆热分布的缘故，它可促使从较热的中心开始快速再结晶，形成均匀的可穿透厚度的晶粒结构。随着有效变形（剪切变形厚度降低）由近表面区域向板坯中心转移，近表面区域成为常规粗轧的主要区域。$$
与TSCR工艺一样，微合金元素（钛除外）在精轧机前仍保持在固溶体中，由于没有隧道炉，而且感应加热时间很短，可选用钛合金限制晶粒生长，大多数情况下都不必要的。感应加热器与精轧机组直接连接并与正确选取的冷却方案相互结合，可用于含铌钢的精密组织工作。非再结晶状态下的轧制开始可在第二步和第五步之间通过相应的感应加热功率调整和轧制计划设置来进行调整（见图4）。根据研究结果，在末架机架中，理想情况下，相关冷却必须尽可能接近末架机架中的最终变形，以便形成铁素体。$$
为此，研制开发了超快速大功率冷却系统，充分利用精轧后大功率冷却系统的优势，尽早实现高速冷却效果。在精轧机末端直接设置了超快速大功率冷却系统。进入精轧机末端时，如果采用TSCR轧机轧制厚规格产品时，冷却系统不运行，避免了因冷却设备与出坯台架之间的距离而造成的时间延迟。在完成临界奥氏体-铁氧体相变之前，冷却系统都在降低温度，以确保最细铁素体晶粒大小，并最大限度地利用热机械效应。$$
在至少两个机架间都可以对密集机架间冷却装置进行配置，投入精轧机组之前，整个轧线长度都可用于冷却，现在还可以通过对大功率冷却集管的控制交替使用此处机架的工作辊，位于机架间区域冷却集管和末架机架内大功率冷却集管的总流量形成一套完整的羽化大功率冷却系统。$$
基于众所周知的冶金控制效果的物理学原理和阿维迪ESP生产线的良好布局，推出了生产高质量厚规格热机械轧制材料的解决方案。$$
5 结语$$
ESP生产线的机动灵活性不仅体现在效益成本，而且通过对新建ESP生产线的生产实践证明，阿维迪ESP可在非常有限的空间和时间内柔性定制、紧凑布局，与其他生产工艺相比，工艺高度灵活，无需大型板坯库，轧线长度短，生产集中，成本低、能耗少，排放小。在更换钢种、调宽和调厚方面，ESP轧线具有相当的自由度，更重要的是，ESP调宽生产并不是提高效益的必要条件，而是可以自由选择是否需要在生产率较低的情况下生产窄带钢。$$
随着在线换辊和超快速大功率冷却等一系列新技术开发利用，阿维迪ESP技术将为钢铁生产的更大灵活性奠定坚实的基础。$$
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