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一个真正的成功故事:全球首套CSP® Nexus轧线

美国动力钢公司(SDI)在其得克萨斯州辛顿基地投产全球首条CSP® Nexus生产线,树立了其热轧带钢生产迈向未来的新里程碑。作为CSP®工艺的长期应用者,SDI选用了西马克集团的升级换代方案,并作为全球首个示范项目应用于其全新综合生产基地——辛顿。

全新的动力钢辛顿综合体是北美最先进、最全面的钢铁厂项目之一。西马克集团提供了从炼钢、二次冶金到热轧/冷轧带钢加工的全套设备。整个钢厂年钢水产能超过300万吨。所有生产线均集成X-Pact®自动化生态系统,采用模块化软件架构实现全厂区域互联。

CSP® Nexus是西马克集团成熟CSP®(紧凑型带钢生产)平台的技术升级版,其核心突破在于实现连铸机、粗轧机与精轧机完全脱开。这种真正的单坯轧制首次实现了对所有轧制阶段的精准控制,兼具传统热轧机组的灵活性与精度,同时显著缩小占地面积并大幅降低能耗。

从技术层面看,动力钢的CSP® Nexus生产线远非将连铸机、轧机和加热炉的简单组合。其设计为完全脱开工艺、全数字控制的直接轧制工艺,由此开辟了此前仅限于传统热轧带钢轧机的可能功能。全厂各环节均可精确控制温度、时间及减小凸度,从而以最高能效和工艺稳定性生产出多种产品。

位于美国德克萨斯州辛顿的动力钢基地,是一个炼钢、CSP® Nexus、酸轧机组(PL/TCM)及带钢处理线的综合体

高通钢量与优化控制的连铸工艺

工艺始于基于直弧形概念的单流弧形连铸机,采用液芯压下技术(LCR plus)。铸坯厚度介于110 - 140毫米——远超传统CSP®设备50 - 90毫米的范围,拉速高达每分钟6米。

与其他薄板坯连铸连轧(TSCR)工艺中铸轧环节必须联动不同,CSP® Nexus工艺在连铸完成后立即实现脱开。摆动剪将连铸坯精确按卷重切断,随后板坯经过加热炉经缓冲并进行定向输送。

铸坯向第一座加热炉的输送在高温状态下进行:铸坯温度约为1150°C,因此无需耗能加热。第一段加热炉的主要功能在于实现铸坯温度均匀,并为后续粗轧工序进行温度微调。该加热炉还可在换轧辊时缓冲板坯而不中断连铸,并具备添加第二条连铸机以提升产能的条件。

集成于CSP®生产线二级自动化架构的X-Pact®动态炉控系统,可精确计算炉区温度设定值并将板坯加热至指定出炉温度、达到合理加热时间、加速点及缓冲时间。该系统支持多种加热及加速策略:通过在可行时降低炉区设定点降低能耗,或通过尽早启动板坯加速延长缓冲时间,所有操作均与更高层级的控制及规划功能完全协同。

CSP®连铸机的钢包回转台
CSP®连铸机设计为单流直弧形连铸机(VLB-Vertical Liquid Bending-垂直液芯压下)
CSP®连铸机可生产厚度为100-140毫米的板坯

两台强力粗轧机实现最高轧制速度与减薄率

粗轧区由两台单向粗轧机架组成,辅以两台立辊轧机以提升产能并实现精确的宽度控制。粗轧机每道次较大的压下量可确保轧制坯料的变形贯穿至铸坯心部。根据产品要求,入口厚度通常为110 - 140毫米,经两道次粗轧机后,中间坯厚度介于35 - 60毫米之间。该工艺旨在以最短加工时间实现最大变形量,从而降低热损耗并避免高能耗的再加热工序。关键优势在于:在真实单坯模式下,粗轧速度不受后续工序限制,高达3.5米/秒——远高于采用连接轧制时的秒流量的TSCR工艺方案。

铸坯经第一个加热炉输送至粗轧机组
配备立辊轧机的单向粗轧机架专为高压下量设计

热机械轧制与真正的单坯轧制

中间坯随后进入中间坯冷却装置——这种特殊冷却装置可在精轧前实现精确温度控制。这对生产高韧性要求的微合金钢种(如管道用API钢)至关重要,可确保生产灵活性。此处采用热机械轧制工艺,要求在粗轧后、精轧前实现特定降温幅度,以获得目标组织结构。

中间坯经由第二加热炉输送,该辊道作为粗轧与精轧之间的缓冲区,可以实现: 

  • 完全分离两个轧制阶段。
  • 独立设定精轧速度,精准控制目标产品的最终轧制温度要求。
  • 纵横向温度分布均匀,从而确保最终产品性能一致。

精轧机:六机架设计实现高灵活性与卓越品质

精轧机包括高压除鳞装置,随后是六台配备自动轧线调整和主动导向系统的轧机机架。入口厚度范围为35 - 60毫米,最终带材厚度可达25.4毫米(如API等级)至1.2毫米(如低碳等级)。凭借真正的单坯轧制模式,可灵活实现卷与卷之间的宽度、厚度及等级切换。

所有精轧机架均配备久经验证的执行机构,如CVC® plus系统及工作辊弯辊系统。结合X-Pact®凸度、轮廓与平整度控制(PCFC®)技术,可实现灵活高效且极高精度的轧制。工作辊的CVC®磨削工艺可精准控制几何形状,即使在浇次更换时亦然。动力钢因此能灵活调整轧制批次以适应不同订单需求。与其他以无头模式生产的TSCR方案相比,这又是一项重大优势,因为在精轧机终轧机架上更倾向采用以磨损优化为目标的辊面磨削,而非具有更高工艺灵活性的CVC®辊形磨削。

轧制后,带材进入配备分段控制与边部遮挡功能的层流冷却段。该冷却段由X-Pact®冷却段控制系统管理,并辅以X-Pact®微观组织性能模型,可精准预测最终热轧产品的理想性能指标。

6机架精轧机
所有精轧机架均配备久经验证的执行机构,例如CVC® plus和工作辊弯辊系统。
卷取机

X-Pact®自动化生态系统

西马克集团的X-Pact®自动化生态系统处于核心地位。该模块化软件架构通过统一框架将全厂区域互联,涵盖X-Pact®基础自动化与过程自动化解决方案。系统具备完全可扩展性,可支持未来功能扩展,包括基于AI的优化、数字孪生及符合ESG标准的报告工具。

X-Pact®集成工艺模型(IPM)作为工厂的顶层系统,统筹协调各子模型,针对API级生产在能耗与产品质量层面优化工艺流程。该模型能在保持目标尺寸与性能的前提下,以最高能效方式设定轧制前的工艺参数。

该端到端软件架构的另一战略优势在于:无需结构性改造即可扩展未来功能,例如预测性维护、资源与能源优化以及数字化互联供应链。

新工厂投产设有硬性截止期限。唯一确保按时达标的途径是采用西马克X-Pact®即插即用自动化测试方案——该方案通过工厂数字孪生技术创建仿真模型并执行全面测试。与其他项目需客户亲赴集成测试中心耗时数周不同,西马克为项目实施了全程远程测试与培训方案。整个模拟过程通过VPN从德国实时传输至动力钢团队,涵盖虚拟化控制台、本地操作面板、人机界面系统及数字孪生的3D模拟,使客户能在美国远程操作轧线,同时德国西马克团队通过视频会议向客户提供培训。该方案成效卓著,不仅促成后续培训订单,更确保客户人员在工厂投产时已能完全胜任操作要求。

我们在辛顿的目标明确:打造一座能全面掌控质量、产量和产品组合的工厂。
控制室是工厂控制系统的核心枢纽

全面维护解决方案

西马克集团通过为动力钢辛顿工厂的CSP® Nexus提供全生命周期服务,巩固了其作为值得信赖的服务合作伙伴的地位。根据模具和分段车间管理与运营的外包协议,西马克确保了工厂的可靠运行和长期资产价值。标准技术服务(如检查、维修、大修及核心部件备件供应)构成我们服务体系的核心。此外,西马克维护与运营专家常驻现场,直接响应客户需求,解决日常运营问题。

投产以来的里程碑

投产以来,动力钢已在工业环境中验证了这项创新技术。首年运营中,该设备在生产效率、产品多样性、质量控制及工艺稳定性方面屡创佳绩。记录在案的关键绩效指标不仅表明其符合技术规范,更证明CSP® Nexus能够胜任传统热轧机组专属的应用场景,实现更高能效与更优均质性。

主要成就包括:

  • 投产首卷板材四个月后(2022年2月),生产线成功生产出厚度达25.4毫米、宽度达2,134毫米的宽幅板卷,充分展现出对厚规格宽幅带材生产的强大工艺控制能力。
  • 2023年8月,该连铸机创下9.4吨/分钟的峰值通钢量纪录,展现出稳定运行和持续稳定的液面高度,再次刷新高产连铸的世界纪录。
  • 真正的单坯生产可在轧制过程中灵活切换产品,使每个轧制工艺段都能在产品的最佳工艺窗口内运行。成熟度的关键证明是成功生产了厚度为18.4毫米的API X70热轧带钢,包括验证其符合API 5L、PSL2标准的机械性能,并在-40°C下实现了要求的韧性值。

开拓变革市场的尖端技术

动力钢投产的CSP® Nexus不仅在生产效率、质量和能效方面树立新标杆,更彰显战略韧性。未来行业需求清晰可见:降低二氧化碳排放、提升生产灵活性、拓宽产品范围、降低运营成本。CSP® Nexus具备满足这些需求并开拓新机遇的能力。

该厂采用模块化设计:动力钢的Nexus工厂预留未来产能提升空间,可将年产能扩展至400万吨以上。这使CSP® Nexus在投资、占地面积、维护成本及效率方面成为传统热轧带钢厂的真正替代方案。凭借经实证的卓越性能——尤其在API及HSLA钢种领域——CSP® Nexus正定位为能源、交通及基础设施等增长领域的解决方案。

经实际生产验证,动力钢的CSP® Nexus可提供全面可追溯的工艺数据与记录,彰显其技术优势:作为新一代板带材的可扩展、数字化、可实现低碳的生产平台,该技术正在引领行业变革。

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