（钢铁冶金专业论文）不锈钢板坯连铸结晶器流场模拟.pdf

上海大学工程硕士学位论文 摘要 板坯连铸设备集中体现了钢铁工业大型化、自动化、精密化的发展趋势。 其中，结晶器作为板坯初生坯壳的形成器和板坯表面质量的控制器在连铸生产和 工艺研究中占有重要地位。一般而言，结晶器使板坯有一个理想的外型、一个优 良的表面和一个安全的生产状况，因此，研究钢液在结晶器中的流场，对于稳定 生产，提高铸坯内在和外在质量，具有十分重要的实际意义旺 。对于板坯连铸 生产，结晶器钢液流场的研究更为重要。 钢液的高温和不透明两个特性使钢液流场的直接测定在技术上十分困难，而 板坯连铸的高节奏和大规模两个特性又使结晶器流场的研究在经济上十分昂贵。 因此，在板坯结晶器流场研究中，采用模拟的方法是十分必要的口1 。 本文采用数值模拟和物理模拟相结合的方法，对宝钢股份不锈钢分公司炼钢 厂3 不锈钢板坯连铸机结晶器内钢水的流动状态进行了研究。研究不锈钢板坯 连铸结晶器内的流场，探索工艺参数和装备参数对钢液在结晶器内流场影响的规 律，为不锈钢板坯连铸生产中工艺技术规范的制定提供参考依据。 关键词：不锈钢，板坯连铸，结晶器，流场，模拟 上海大学工程硕士学位论文 a b s t r a c t s l a bc a s t e r e q u i p m e n tt o t a l l yr e f l e c t sl a r g e s c a l e d ，a u t o m a t e da n dp r e c i s e g r o w i n gt e n d e n c yi ns t e e li n d u s t r i e s ，a m o n gw h i c h ，m o u l da sap r o d u c e rf o r t h ei n i t i a l s l a bs h e l lg r o w i n ga n dac o n t r o l l e rf o r t h es l a bs u r f a c eq u a l i t yp l a y sav e r yi m p o r t a n t r o l ei nc o n t i n u o u sc a s t i n gp r o d u c t i o np r o c e s sr e s e a r c h g e n e r a l l ys p e a k i n g ，m o u l d c a nm a k es l a bh a v ea ni d e a ls h a p e ，a no u t s t a n d i n gs u r f a c ea n das a f ep r o d u c t i o n c o n d i t i o n t h u s ，i ti sv e r yu i t a lt od os o m er e s e a r c ho nt h es t e e lf l o wc i r c u i ti nt h e m o u l d ，b e c a u s ei tc a ns t a b i l i z et h ep r o d u c t i o na n di m p r o v es l a bi n t e r n a la n de x t e r n a l q u a l i t y a sf o rt h es l a bc o n t i n u o u sc a s t i n gp r o d u c t i o n ，t h er e s e a r c ho ns t e e lf l o w c i r c u i ti nt h em o u l di se v e nm o r e i m p o r t a n t h i g ht e m p e r a t u r ea n dn o n - t r a n s p a r e n c yo fs t e e lc h a r a c t e r i s t i c sb o t hm a k et h e d i r e c tm e a s u r e m e n tf o rt h es t e e lf l o wc i r c u i td i f f i c u l ti nt e c h n i q u e h o w e v e r , t h eh i g h r h y t h ma n dl a r g es c a l eo ft h es l a bc o n t i n u o u sc a s t i n ga l s om a k et h er e s e a r c ho nm o u l d s t e e lf l o wc i r c u i tc o s t l yi ne c o n o m y n e v e rt h el e s s ，i ti s v e r yn e c e s s a r yt oa d o p t a n a l o gm e t h o dt or e s e a r c hs l a bm o u l df l o wc i r c u i t i nt h i st e x t ，w eu s ed i g i t a la n dp h y s i c a la n a l o gm e t h o d sc o m b i n e dt od os o m er e s e a r c h o ns t e e lf l o ws t a t ei nt h em o u l df o rt h es t a i n l e s ss t e e lc a s t e rn o 3o fs t e e lm a k i n g p l a n t t h u s ，r e s e a r c h i n go ns t e e lf l o wc i r c u i ti nt h em o u l df o rs t a i n l e s ss t e e la n d c a r b o ns t e e lc a s t e r s ，e x p l o r i n gp r o c e s sp a r a m e t e r sa n de q u i p m e n tp a r a m e t e r so ft h e i r i n h e r e n tr e g u l a rp a t t e r n s ，p r o v i d es o m er e f e r e n c e si n t e c h n o l o g i c a li n s t r u c t i o ni n c o n t i n u o u sc a s t e rp r o c e s sf o rb a o s t e e l k e y w o r d s ：s t a i n l e s ss t e e l ，s l a bc o n t i n u o u sc a s t i n g ，m o u l d ，f l o wf i l e d ，s i m u l a t i o n u 上海大学工程硕上学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：日期世夕 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：导师签 上海大学工程硕士学位论文 1 j 亡_ ， 刚吞 随着2 1 世纪的到来和中国加入w t o 组织，我国钢铁企业将面临一个全球经 济一体化的世界钢铁市场。这既是一个严峻的挑战，也是一个千载难逢的机遇。 面对日益激烈的市场竞争，依托上海宝钢集团公司的整体优势，把宝钢股份不锈 钢分公司建成以不锈钢生产技术和精品为特色的、最具竞争力的大型钢铁企业之 一，同时促进我国钢铁工业科技水平的提高，实现我国从钢铁大国向钢铁强国的 转变，是时代赋予我们的历史使命。 企业的市场竞争力，是企业综合竞争能力的体现。科技进步和技术创新是提 高企业综合竞争能力的根本措施。公司目前已经完成不锈钢项目建设，工艺技术 装备水平将实现跨越式的发展，但要实现不锈钢精品基地建设的目标，必须把提 高技术创新能力作为推动企业发展的根本动力，通过引进技术的消化吸收和二次 创新，研究开发高水平的、有自主知识产权的产品和技术，最终形成强大的企业 综合竞争力。对一钢来说，以传统方式设计大型冶金设备，特别是设备重量大， 计算工作复杂的板坯连铸设备显得勉为其难，在设计工期和成本以及规避设计风 险方面都不令人满意。如何寻找一种快捷有效的设计手段在此背景下显得格外重 要。 连续铸钢由于与常规生产相比具有生产工序简化，金属收得率提高，能源消 耗降低，劳动条件得到改善和连铸质量好等优越性，因此是当前钢铁工业中发展 最快的技术之一l 4 j 。现在，全世界的连铸比和连铸坯产量在不断增长，围绕连 铸的新技术、新工艺、新设备在不断开发成功并被加以推广应用。连铸己成为钢 铁生产中必不可少的工艺环节，是否发展连铸技术以及技术水平的高低、生产进 行得如何已成为衡量各钢铁企业生产、技术、管理水平的标志之一l s j 。 作为近4 0 年来发展起来的新技术，由于它具有节能、金属收得率高等突出 优点，因而发展迅速，对钢铁生产的发展和优化起到了关键的推动作用。连续铸 钢在世界范围内目前已成为生产型坯的主要手段，成为现代钢铁工业的重要组成 部分。 通过和模铸工艺的比较。可以看出二者的根本差别在于模铸是在间断情况 下，把一炉钢水浇注成多根钢锭，脱模之后经初轧机开坯得到钢坯的；而连铸是 一h 海大学工程硕士学位论文 把一炉( 或多炉) 钢水连续地注入结晶器，得到无限长的铸坯，经切割后直接生产 铸坯的印1 。基于这一根本差别，连铸和模铸比较，就具有许多明显的优越性： 1 提高综合成材率 采用连铸工艺的直接经济效益，首先是提高综合成材率。通常采用钢锭开坯 方式，切头切尾损失一般为1 0 左右，从钢水到成坯的收得率大约为8 4 8 8 ； 而连铸的切头切尾损失为1 2 ，从钢水到成坯的收得率为9 5 - - 一9 6 ，即采用 连铸可节约金属1 0 左右。金属收得率的提高必然导致综合成材率的提高。一 般说来，模铸时综合成材率为8 0 左右，而连铸时综合成材率可达9 5 以上。 据测算连铸比每提高1 o ，可使综合成材率提高0 8 1 5 。 2 降低能耗 连铸的节能主要体现在因省去开坯工艺的直接节能，以及由于提高成坯率和 成材率的间接节能两方面。据有关资料介绍，连铸时因省略开坯工艺，生产一吨 钢坯比模铸节能6 2 7 一- - 1 0 4 6 k j ，相当于2 1 4 3 5 7 k g 标准煤。再加上提高综 合成材率的节能，按我国目前能耗水平测算，每吨连铸坯综合节能约1 3 0 k g 标准 煤。应当指出，随着浇注钢种、铸坯断面和轧制工艺的不同，连铸坯节能的具体 效益也有所不同。 3 连铸产品的均一性高、质量好 由于模铸锭凝固时间长，元素偏析显著。特别是钢锭头部和尾部化学成份差 别更大。而连铸坯冷却速度大、树枝晶间距小、偏析程度较轻，尤其是沿铸坯长 度方向化学成份均匀。连铸坯轧材的均一性较模铸锭高。随着炼钢工艺的发展， 和一系列连铸新技术的应用，目前连铸坯产品质量的各项性能指标，大都优于模 铸锭轧材产品。 4 易于实现机械化自动化 在炼钢生产过程中，模铸是一项劳动强度大、劳动环境恶劣的工序。而连铸 由于其自身设备和工艺的特点，则易于实现机械化自动化。近年来，随着科学技 术的发展，电子计算机已广泛用于连铸生产的控制，使连铸的这一优越性更加显 著。这不但可以使操作者从模铸的繁重体力劳动中解脱出来，而且有利于提高劳 动生产率。 除上述一些突出优点外，连铸还有占地面积小、生产周期快、吨坯成本低等 2 上海大学工程硕士学位论文 优点。因而当连铸在钢铁工业中成功应用之后，整个钢铁工业发生了巨大的变化。 一方面铸锭车间、均热炉和初轧机已随着连铸技术的发展逐步被淘汰；另一方面 连铸的发展正改变着从炼钢到轧钢的工艺流程，正向炼钢薄板坯连铸一连轧发 展。 由于具有上述优势，近年来，各国钢铁生产企业的连铸比在不断快速上升， 目前日本、比利时等国的连铸比已达到1 0 0 ，美国接近9 5 ，而中国通过近十年 的发展，目前连铸比也已超过9 0 口1 。 从目前连铸发展趋势看，近终端和高作业率是提升产品市场竞争力的关键， 近终端意味着不规则端面和更小的结晶器尺寸、高作业率在目前设备维护已在很 高水平，没有更大潜力可挖的情况下，只能通过提高拉速来满足产量增长的需求， 而这两个方面带来的同一个困惑是结晶器液面不稳，钢中夹杂物上浮困难，同时 还易造成卷渣和钢液面裸露，产生新的夹杂物，从而降低钢水的洁净度，使铸坯 中的夹杂物增加哺。；另一方面随着拉速的提高，结晶器内原有的热平衡被打破， 结晶器内温度升高，热流对凝固坯壳的冲刷加剧，出结晶器的坯壳减薄，易造成 铸坯鼓肚和漏钢 4 1 。 因此，要实现高速连铸，就必须改变原有的钢液流动方式和温度分布，使之 适合于高速连铸工艺的需要。因而深入了解和控制高拉速下的结晶器内的钢液流 动行为显得尤为关键憎1 。 由于连铸过程是包含流动、传质、传热等复杂现象的液态金属凝固成形的过 程，尤其是对于连铸机的结晶器段的钢液流动、传质、传热过程交互作用，相互 影响，采用实物研究非常困难t 1 0 1 0 为此，对其过程现象更多的是采用模拟研究。 数学模拟技术和数学模型的开发和应用是当前冶金领域研究的热点之一。由 于其能够对冶金过程做出定量描述，因此在现有工艺过程优化和过程控制以及新 工艺开发方面，已日益成为不可缺少的有利工具e l i 。在现代板坯连铸设备的设 计过程中，也越来越多的运用数学模拟技术和数学模型束预测并确定某些技术参 数，从而达到加快设计周期、降低设计成本的目的。 所谓模拟( 也称仿真) ，是指不直接研究现象或过程本身，而是用这些现象 或过程相似的模型来进行研究的一种方法。模拟手段可分为物理模拟与数学模拟 3 上海大学工程硕士学位论文 两类。 物理模拟是指在不同规模上再现某个现象，分析其物理特性和线性尺度的影 响，可对所研究的过程进行直接实验。物理模拟多在按相似准则构成的实验室设 备或中间实验设备上进行，即所谓相似模拟。 数学模拟是指用数学模型来使现象或过程再现。因此，从广义上讲，表达现 象中的部分或全部的基本方程和表示自然规律的数学模型等都是数学模拟。从狭 义上讲，数学模拟主要是指数字模拟，即把所研究的现象用数学模型表示出来， 然后在数字计算机上对模型进行数值实验。 在本论文中，针对本课题的研究对象板坯结晶器，首先采用水模拟试验，观 察其在不同拉速下的湍流流动状态，且进行测试。其目的是通过水模拟来建立一 个湍流计算模型，初步确定出有关数学模拟的计算条件。 其次，通过水模拟实验得出的湍流模型，针对实际板坯连铸结晶器中的湍流 流动特征，在直角坐标系下建立三维有限差分模型，模拟出不同拉速下板坯结晶 器内钢液的流场。 最后，将数学模拟与水模拟在相似条件下的结果进行对比验证，研究出浸入 式水口的开孔情况、拉速等工艺参数对结晶器流场的影响，揭示其湍流特性，最 终为优化高拉速下板坯结晶器内钢液的流场、优化浸入式水口的设计提供理论基 础。 4 上海大学- t 程硕士学位论文 第一章连铸结晶器流场研究理论综述 1 1 序言 连铸的发展史是钢铁生产技术和装备从人工模式转向高度机械化和自动化 进程的缩影。一方面，由于连铸自身的特点决定了高度机械化和自动化是其发展 的唯一途径，另一方面，由于连铸在钢铁企业中的特殊地位，每一次连铸技术和 装备的改进，必然带来整个冶炼系统的相应变化，有时，这种变化甚至波及轧制 系统，最近的例子是c s p 和薄带连铸的出现。 1 2 世界连铸发展历史和现状 在钢铁生产历史上，采用连续铸钢技术之前，一般是先将钢水浇到钢锭模内 铸成钢锭，作为炼钢过程的浇铸凝固工序，然后再将其加工成要求的钢坯尺寸。 在这个过程中间，钢坯要经过几次加热、j j n - r ，而且每次加工都要损失一定量的 金属。于是，能否将钢水直接铸成接近最终产品尺寸的钢坯，这一想法推动着人 们经过一百多年的努力探索，终于使该技术在本世纪7 0 年代开始大规模用于实 际生产并逐步形成了今天的现代连续铸钢技术。 一缈 如图1 1 所示，连铸 设备主要由钢包、中间包、结晶 器( 一次冷却) 、结晶器振动装 置、二次冷却和铸坯导向装置、 拉坯矫直装置、切割装置、出坯 装置等部分组成。 从炼钢炉出来的钢水注入 到钢包内，经二次精炼处理后被 。1 - 。1 ，! 三竺晏孝粤形燕! 璺 i g _ n 连铸机的上方，钢水通过钢 l 一钢格，2 一中阿包3 一结晶置一= 次冷却 一 。 一一。 卜酗障t 卜切翻装置，7 一髓相檀t 蓑置 包底部的水口再注入到中间包 内。中间包水口的位置被预先设置好以对准下面的结晶器。打开中间包塞棒或滑 动水口( 或定径水口) 后，钢水流入下口由引锭杆头封堵的水冷结晶器内。在结晶 器内，钢水沿其周围逐步冷凝成坯壳。当结晶器下口坯壳有一定厚度时，同时启 动拉坯机和结晶器振动装置，使带有液芯的铸坯进入由夹辊组成的弧形导向段。 上海大学工程硕士学位论文 在这里铸坯一边下行，一边经受二次冷却继续凝固。当引锭杆出拉坯矫直机后将 其与铸坯脱开。待铸坯被矫直且完全凝固后，由切割机将其切成定尺铸坯，最后 由出坯系统将定尺铸坯运至指定地点。以上就是钢水通过连铸机浇铸成钢坯的一 般过程。 据现有的文献记载，以水冷的、底部敞口固定结晶器为特征的常规连铸机概 念的最早提出者当追溯到美国炼钢工作者亚瑟b h t h a ) o s 8 6 年1 和德国土木工 程师达勒思( r m d a e l e n ) ) ( 1 8 8 7 年) 。前者采用一个底部敞口、垂直固定的厚 壁铁结晶器并与中间包相连，施行间歇式拉坯；后者采用固定式水冷薄壁铜结晶 器，施行连续拉坯、二次冷却，并带飞剪切割、引佳杆垂直贮放装置。显然，后 者许多特征与今天使用中的连铸机很相似。 在他俩开发之后的几十年中，尤其在1 9 2 0 - - - - 1 9 3 5 年间，连铸过程主要 用于有色金属尤其是铜和铝的便域中。铸机本身仍然以垂直固定的结晶器和低的 浇铸速度为特征，液心长度很少有超过结晶器长度的，这类铸机总的高度比较低。 这对于有色金属工业中使用的比较小的炉容量来说，铸机所达到的浇铸能力已足 够了。但是，对于炼钢生产中通常使用的大的炉容量、高的浇铸温度和钢本身比 较低的导热性等这些在有色金属生产中末曾遇到的诸多问题必须予以解决否则 很难使连铸技术向钢的领域推进。 在4 0 年代早期的开发过程中，突出要解决的问题是，钢能被顺利地进 行连续浇铸吗? 为此，把解决问题的思路集中在结晶器技术上。于是才有固定不 动的结晶器、弹簧吊挂式的结晶器和以客汉斯方式为代表的振动结晶椿。今天振 动式结晶器已经成为标准的铸机模式，而固定式或弹簧吊挂式结晶器的试验已成 为历史。 5 0 - - 6 0 年代与弧形结晶器铸机同时开发的还有另一种弯曲型铸机，即现在很 流行的直结晶器弧形机。首先是在1 9 6 7 午由美钢联工程咨询公司 ( u s s e n g i n e e r i n g & c o v s u l t a n t s l n c ) 设计、在格里厂投产的直结晶器带液心弯曲的 铸机。该铸机投产后，成功地开发出代替沸腾钢种的所谓“r i b a n d ”钢。追随其 后，1 9 6 8 年，在奥地利林茨厂由奥钢联工程部设计的一台直结晶器带液心弯 曲型铸机投产。从此之后，奥钢联工程部( 现在的w 1 ) 和美钢联工程咨询公司 ( u e c ) 分别开始经营这种机型。本世纪9 0 年代以来，这种机型被越来越多的用 6 上海大学工程硕士学位论文 户接受。 在产品质量进步方面，除了上面提到的浸人式水口、保护渣浇铸、代替沸腾 钢种等技术的开发以外，还进行了钢包中间包结晶器间钢流的全保护，并进行 钢中m r g s 比对氧化物夹杂物形貌和铸坯夹渣的影响( 小方坯) ；铸坯宏观组织、 浇铸断面和浇铸条件对中心疏松和偏析的影响以及细小的硫化物对耐海水腐蚀 性能的有益作用等课题的研究。 在提高生产率方面出现了快速更换中间包、钢包车和钢包回转台以及中间包 加热等实现连续多炉浇铸的技术和装备。尤其是英国谢尔顿( s h e l t o n ) 厂1 9 6 4 年 率先在世界上实现了全连铸生产模式。 在本世纪7 0 - 8 0 年代，连铸技术已呈现大发展的局面，发展目标旨在进一步 提高铸机生产能力和改善产品质量。其中包括早期的高速浇铸试验。如日本钢管 公司福山厂板坯浇铸速度曾达到3 m m i n ，还发现速度提高对改善低碳铝镇静钢 板坯表面质量有利。同样，新r 铁大分厂生产的用于镀铝板的“r i b a n d ”弱脱氧 钢，当采用高速浇铸时也有改善表面质量的效果。为了应付弧形铸机板坯内弧夹 杂物聚集，采用大直径的浸入式众口以减小钢流浸入深度还采用了中间包塞棒吹 a r 以减少大型非塑性夹杂和改善表面质量。但真正有效的措施还是实施钢包浇 注的保护和延长钢水在中间包内的停留时间。 结晶器电磁搅拌、二次冷却( 亦简称二冷) 区铸流电磁搅拌和凝固末端轻压下 技术这时都相继推出，主要用于准沸腾钢连铸、改善高强度管线用钢内部质量和 铁素体冷轧不锈钢带的皱曲等。 在板坯连铸方面，浇铸中可自动调节宽度的结晶器、涡流式结晶液面检测、 漏钢预报、粒状保护渣的自动加人，使结晶器操作实现远距离控制。钢水在中间 包内等离子加热，能有效控制钢水温度。中间包冶金技术由于考虑了渣金属间 反应而变得更加合理。同样在选择结晶器保护渣时，这种考虑也是适用的。板坯 铸机的生产率有了很大提高，不仅表现在投产快，而且设备能力大都在百万吨 流年以上。 在质量进步方面，8 0 年代也达到了空前的水平。如板带材方面易拉罐镀锡 板、彩色钢板和含3 s i 的取向硅钢等要求严格钢种的质量都已被用户广泛接受， 特别在不锈钢板坯连铸方面，由于液面自动控制和一次、二次冷却技术的智能化 7 上海大学工程硕士学位论文 趋势，使连铸工艺生产高表面质量的不锈钢产品成为可能，并以无以论比的高产 量迅速淘汰了传统的模铸生产法。在长形产品方面，连铸大方坯中的易切钢、高 负荷的钢轨钢、轮和轴用钢、轮胎钢丝和轴承钢等品种的质量也都为用户接受。 上面这些质量要求严格的品种，连铸产品的质量比原先模铸开坯产品更为优越在 质量保证方面，往往都借助于“专家”或“人工智能”系统提供的完善的质量控 制来实现的。 表1 1板坯连铸发展大事记 年代技术内容发明者或制造厂家 1 9 5 4 加拿大阿特拉斯( h t t a s ) 钢厂建成一台立式板坯连铸机用于饶注不康卡斯特( c o n c a s t ) 锈钢板坯 1 9 5 8 奥地利波勒钢厂浇注出l m 宽的板坯曼内斯曼一德马克一波勒 ( m a n n e s m a n n d e m a g b 5 h l e r ) 1 9 6 1 德圈迪林根( d i l l i n g e n ) 厂建成立弯式板坯连铸机 康卡斯特 1 9 6 2法国s a f e 和西德曼内斯曼采用保护渣烧注：钢包回转台取得专利康卡斯特 德国曼内斯曼( m a n n e s m a n n ) 建成多用途连铸机，可浇4 流板坯( 最 大宽度1 5 0 0 m m ) ，或8 流大方坯或8 流小方坯或圆坯 1 9 6 4 德图迪林根厂建成宽板坯弧型连铸机康卡斯特 德国曼内斯曼建成2 1 0 0 哪宽的多点矫直的弧型板坯连铸机。第一曼内斯曼一德马克 台具有扇形段结构的超低头板坯连铸机( 铸机总高4 m ) 1 9 6 6 德围曼内斯曼板坯连铸机内采用多辊驱动的矫直机 1 9 6 7 德国曼内斯曼采用快速更换的铸坯导向段( 振动台加上扇形段0 段) 1 9 7 2 日本新同铁采用浇注时宽度可调的分段式板坯结晶器 1 9 7 6日本川崎制钢水岛厂建成特大型扳坯连铸机，最大宽度2 5 0 0 衄康卡斯特 日本新日大分厂板坯连铸机月产能力超过2 5 1 0 6 t曼内斯曼。德马克一日立造 日本川崎制钢水岛厂采用浇注时调宽的无级调节板坯结晶器船 1 9 8 1 日本新日铁设计了用于连铸一直接轧制的扳坯连铸机 1 9 8 5 德国曼内斯曼采用“干式浇注”生产钢板钢，只在结晶器下方使 上海大学工程硕士学位论文 用0 0 5 l k g 钢的水 日本钢管福山厂连铸机最大拉速2 5 m m i n ，平均拉速大于2 o m m i n 的高拉速板坯连铸机 进入9 0 年代以后，钢铁工业面临一系列激烈挑战，其中包括符合环境保护 要求的排放物、节能和改善操作者劳动条件的迫切要求等；在材料性能方面受到 其它材料( 如塑料、玻璃、纸张和有色金屑等) 的竞争；在生产效率方面受到投资 和运行成本的限制等。 因此，作为冶炼和轧制中间环节的连铸，尽管就常规技术来说已趋于成熟， 但在新的要求和挑战之下，势必要向更高技术水平领域冲击来迎接新的革命。目 前所能肯定的发展方向大致包括近终形连铸( 尤其是薄板坯、薄带连铸) 、高速浇 铸、高清洁性产品的连铸、低过热度浇铸、半凝固加工技术和过程与质量系统控 制技术等。但在不锈钢板坯连铸领域，传统的连铸机型仍占统治地位，这与不锈 钢高的表面质量要求密切相关。 表1 - 2 世界主要不锈钢板坯连铸机 序 公司，厂，连铸机 板坯断面产量 机流 投产年份机型 号国家或地区m m 万t a 浦项，三炼钢 ll l 6 0 0 1 3 5 0 x1 5 m 之5 06 02 0 0 3 直弧型 韩国 a l z n v ，g e n k 21 l1 0 4 0 - 2 l o o 1 6 0 2 0 0 1 2 02 0 0 2直弧型 比利时 奥托昆普p o l a r i to y 3l l8 0 0 一1 6 5 0 1 5 0 - - 2 5 0 8 02 0 0 2直弧型 芬兰 北美，不锈钢 4l l 6 0 0 - - 1 6 0 0 1 5 0 2 4 0 8 0 2 0 0 1 直弧型 美国 k t n ，h o e n t r o p 厂 5 1 1 8 6 5 一l6 5 0 2 2 0 之6 01 9 9 9直弧型 德国 a s t ，t o m i ，3 群机 6 l l7 0 0 1 6 0 0 1 6 0 , - 2 5 0 4 51 9 9 7直弧型 意大利 7 奥托昆普p o l a r i to yl l 8 0 0 1 6 0 0 1 3 0 一2 1 02 5 1 9 9 6直弧型 9 上海大学工程硕士学位论文 芬兰 浦项，二炼钢 8l 16 0 0 1 3 5 0 2 0 04 21 9 9 6直弧型 韩国 浦项，一炼钢 9l l8 0 0 一1 6 0 0 2 0 04 01 9 9 6 直弧型 韩国 哥仑布，2 群机 1 0 l l8 0 0 1 6 0 0 1 8 0 2 5 05 4 1 9 9 5直弧型 南非 烨联，l 拌机 l ll l8 0 0 1 6 0 0 1 5 0 1 7 5 2 0 03 81 9 9 5全弧形 中国台湾 j | l 崎制铁，千叶4 撑机 1 21 l 6 0 0 1 6 5 0 x 2 0 0 2 6 06 01 9 9 4直弧型 日本 i s c o r ，p r e t o r i a 厂 1 3l l8 0 0 1 6 0 0 2 4 07 51 9 9 2全弧形 南非 宝钢不锈钢分公司 1 4 ( b g y g ) l 27 5 0 1 6 5 0 2 0 01 4 42 0 0 4 2 0 0 5直弧型 中国 自2 0 0 0 年以后，我国又掀起了连铸设备更新换代的高潮，目前，随着以宝 钢不锈钢分公司不锈钢连铸机、宝钢股份宽厚板连铸机等为代表的一批新型板坯 连铸设备投入使用，中国连铸设备的水平已赶上世界水平，其中某些机组甚至代 表了目前世界最先进水平。 1 3 我国连铸技术的开发与应用 我国第一台用于工业生产的弧形板坯连铸机1 9 6 4 年在重庆钢铁公司第三炼 钢厂建成，并成功地生产了1 8 0 8 7 5 m m ，1 8 0 1 2 0 0 m m ，1 1 0 6 0 0 r a m 的板坯，试 浇了1 8 0 1 5 0 0 m m 板坏。以后经过2 0 多年的不断努力，到1 9 9 2 年底，我国已建 成投产了1 4 6 台连铸机，形成了年产3 1 1 9 万t 连铸坯的设计能力。 我国板坯连铸技术的发展过程大致经历了三个阶段，基本形成了三个不同层 次的板坯连铸技术水平。 第一阶段为我国自行设计、制造板坯连铸机阶段。继1 9 6 4 年重庆钢铁公司 第三炼钢厂弧形板坯连铸机建成投产之后，国家科委紧接着在1 9 6 5 年组织设计 了l 台特大型板坯( 最大尺寸为3 0 0 2 1 0 0 r a m ) 弧形连铸机，该铸机于1 9 6 7 年1 2 月在重庆钢铁公司第二炼钢厂建成投产。从7 0 年代起，天津、上海、济南、安 1 0 上海大学工程硕士学位论文 阳、邯郸、柳州等地的钢铁企业又建设了一批向2 3 0 0 m m 中板轧钢机供厚度为 1 5 0 1 8 0 m m 、宽度为7 5 0 1 0 5 0 m m 板坯的连铸机。这个阶段的连铸机主要是靠国 内自己设计、制造、建设的，具有一定的独创性，在某些方面还处于当时的世界 先进水平。如1 9 6 4 年6 月2 4 日投产的板坯弧形连铸机不仅是国内第一台，也是 世界上第一台工业生产型弧形连铸机，它比前联邦德国迪林根厂的连铸机还早5 天投产，可以说弧形连铸机起源于我国。到目前为止，由于与立式、立弯式连铸 机相比弧形连铸机设备高度低，工程造价较低，设备安装维护都比较方便，因而 得到了广泛应用。板坯、矩形坯兼用弧型连铸机也属我国首创。此外，在连铸机 设备结构方面，像板坯剪切机、多级结晶器( 原称防漏板) 、活脱引锭头、钳式拉 矫机等也是我们独创的。当然不可否认，在这个阶段建设的连铸机设备比较简陋， 电气控制和仪表检测装备水平不高，自动化水平较低。尤其是在保证板坯质量、 满足生产品种要求和提高连铸机作业率方面的装备很不完整，所以这批连铸机的 年产量大多在2 0 万t 以下，品种较为单一，板坯质量也有待提高。 第二阶段的标志为武汉钢铁公司第二炼钢厂从国外引进3 台板坯连铸机。这 3 台板坯连铸机代表了国外7 0 年代的水平，当时在许多方面给人耳目一新的感 觉。比如采用钢包回转台，尽管不带升降装置，但也取代了国内传统的钢包座架 或吊车浇钢方式。这无疑为多炉连浇提供了方便；采用组合式调宽结晶器，可以 按5 0 m m 进级调整生产的板坯宽度；用c 。6 0 检测结晶器内钢液面位置，从而实现 了浇钢自动操作；扇形段上下框架用液压缸夹紧，减少了变换辊缝厚度的工作量 和时间；用辊缝检测仪随时检查二冷段辊缝，以保证板坯质量。采用多辊拉坯矫 直机和定距块，分散拉矫辊对板坯施加的正压力、同时可以防止板坯受压过负荷， 从而起到保证板坯内部质量的作用；结晶器及“0 ”段检修移到线外，缩短了检 修时停机时间：用斜桥式引锭杆存放装置代替国内较为简陋的引锭杆存放机构； 采用转盘把3 台连铸机生产的板坯转9 0 0 后集中送往后面的板坯快冷装置；为及 时清理板坯缺陷，采用了板坯喷淋式快速冷却机和火焰清理机等。由于引进的机 械设备，尤其是液压、润滑设备可靠程度高，电气和仪表系统先进，总的装备水 平明显高于国内原有的铸机，因此久在1 9 7 8 年投产后较快地发挥了作用。特别 值得指出的是：由于这3 台板坯连铸机为连铸生产提供了设备保证，再加上武汉 钢铁公司第二炼钢厂采用了铁水预处理、转炉复合吹炼及钢水r h 处理等诸多技 e 海大学工程硕士学位论文 术，为连铸机定时、定量、定质提供钢水，因此武钢在1 9 8 5 年就实现了全连铸、 从而成为我国第一座大型全连铸生产工厂。并且还因地制宜地开发了板坯热送技 术。 第三阶段则以宝钢引进两台现代化大型板坯连铸机为标志，这次引进使我国 板坯连铸技术达到了国际8 0 年代的水平。除宝钢外，鞍山钢铁公司也同期引进 了一台现代化入型板坯连铸机。这3 台板坯连铸机都是双机双流，单台连铸机年 生产能力为1 5 0 2 0 0 万t 。它们的使用确保了板坯品种、质量，提高了连铸机 作业率，实现了无缺陷板坯热送，使不同宽度规格高温坯的生产装备先进、配套 完整。以宝钢连铸为例，它的诸多技术在国内均属首次使用。如采用了垂直弯曲 型机型；实现钢水无氧化保护浇铸；采用大容量中间罐( 钢水容量6 5 t ) ；采用 9 0 0 m m 长结晶器；采用含c r 、z r 的结晶器铜板；结晶器铜板内腔镀c r 、n i ；在 结品器铜板内埋入热电偶进行拉漏预报；采用小振幅高频率结晶器振动装置；用 涡流式结晶器钢液面进行自动控制；采用小辊径、小辊距的密排辊列；采用多点 矫直和压缩铸造等高拉速相关技术；采用上装引锭杆把两次连浇之间的准备时间 缩短到4 0 m i n ；结晶器宽度在浇铸过程中可调；设备整体更换，进行离线检修； 扇形段辊子表面堆焊防腐材料；二冷喷嘴及部分水管采用不锈钢。在生产无缺陷 铸坯方面，采用钢水净化处理技术；采用电磁搅拌技术；采用扇形段辊缝检测及 管理等保证铸坯内部质量的技术。在实现板坯热送热装方面，除采用生产无缺陷 铸坯的技术外，还采用了计算机进行铸坯质量管理和判断；进行热板坯在线目视 检查；进行板坏在线切割试样和快速硫印检查；进行在线板坯四面火焰清理等。 宝钢连铸还采用二次弱冷却及控制铸坯凝固终点、板坯复热及保温等生产高温坯 的技术。在电气、仪表自动化和计算机运用方面，宝钢连铸由过程计算机和基础 自动化构成了高水平的自动控制系统，再加上连铸过程计算机又与炼钢过程计算 机及热轧生产管理计算机相衔接，从而最终构成了管理机、过程机和基础自动化 三级自动控制系统。 由武汉钢铁公司、宝钢、鞍山钢铁公司、首都钢铁公司引进的板坯连铸机和 消化移植引进技术后建设的攀枝花钢铁公司、舞阳钢铁厂、重庆钢铁公司和武汉 钢铁公司的板坯连铸机代表了国内目前连铸的最高水平，它们已在连铸生产中发 挥重要作用。这1 0 余台大型板坯连铸机的生产能力和规格见表i - 5 。 1 2 上海大学工程硕士学位论文 表i r a 3 国内大型板还连铸机生产能力和规格 板坯规格，咖 厂名台数流数生产能力，万t a 厚度宽度 宝钢244 0 02 l o 2 5 09 0 01 9 3 0 首都钢铁公司 l2 1 2 01 8 0 2 3 09 0 0 2 0 3 0 鞍山钢铁公司 122 0 02 0 0 2 3 09 0 01 5 5 0 武汉钢铁公司 3 31 5 01 7 0 2 3 07 0 0 1 5 5 0 武汉钢铁公司 1l 5 01 7 0 2 3 07 0 0 1 6 0 0 攀枝花钢铁公司 l2 1 0 0 2 0 07 0 0 1 3 5 0 舞阳钢铁厂1l6 02 5 01 9 3 0 1 0 5 0 重庆钢铁公司ll5 01 5 0 2 4 0 1 4 0 0 自2 0 0 0 年以后，我国又掀起了连铸设备更新换代的高潮，目前，随着以宝 钢不锈钢分公司不锈钢连铸机、宝钢股份宽厚板连铸机等为代表的一批新型板坯 连铸设备投入使用，中国连铸设备的水平已赶上世界水平，其中某些机组甚至代 表了目前世界最先进水平。 1 4 宝钢不锈钢分公司不锈钢板坯连铸生产工艺流程简述 经过精炼的温度、成分均已合格的不锈钢钢水送至钢水接受跨，2 8 0 8 0 2 0 t 起重机将盛满钢水的钢包放置到钢包回转台上，连接好钢包滑动水口液压缸和钢 包下渣检测装置接线，测量钢水温度后，钢包加盖，钢包回转台旋转1 8 0 0 ，把 钢包运送到处于浇注位置的中间包小车的上方。钢包下降至浇注位置，并由长水 口夹持装置接上保护套管。 浇注平台上有两辆中间包小车，每辆小车上有一只中间包以实现快速更换。 每辆小车都装有提升和称重装置，每辆小车都可以在浇注位和各自的停车位间往 返移动。 每个中间包小车停车位都有一个中间包预热站和一个浸入式水口预热站。 从钢包到中间包的钢流由装在钢包底部的滑动水口控制，钢包底部装有下 渣检测装置。 上海大学工程硕士学位论文 开启钢包滑动水口后，钢水经过钢包到中间包之间的保护套管流入中间包， 待中间包内钢水液面上升至一定高度后，投入覆盖渣。中间包钢流控制系统采用 整体内装式浸入式水口和塞棒控制机构，并带有事故切断闸板。当自动开浇系统 启动后，中间包塞棒自动打开，钢水通过浸入式水口流入结晶器。 结晶器内的钢水上升到一定高度后，人- r _ 力t a 入保护渣。在自动开浇系统的 作用下，结晶器振动装置和拉坯辊自动启动，在结晶器内己形成坯壳的铸坯在引 锭杆的带动下缓缓拉出结晶器和足辊段，进入铸坯导向段。结晶器液面自动控制 装置不断调节中间包塞棒的开度，使结晶器内的钢液面保持稳定的高度。结晶器 内装有漏钢预报装置，一旦发生坯壳与结晶器铜板的粘连，该装置发出报警信号， 人工判断后，手动或自动降低铸机拉速，防止拉漏。 铸坯二冷导向段由直线段、弯曲度、弧形段、矫直段以及水平段等不同的 扇形段组成，铸坯在二冷导向段中经过气雾喷淋冷却，坯壳不断加厚直至全凝固。 为使铸坯得到合适的冷却，在扇形段辊子间装有气雾喷嘴，通过二冷动态 控制模型的计算和设定，由仪表和阀门系统来控制喷淋冷却的强度，以适应不同 钢种和不同拉坯速度的需要。二冷室为隧道式，其中充满着的二冷水和热铸坯作 用产生的大量蒸汽，通过排蒸风机和管道抽出。 所有扇形段辊子都采用分节辊形式，上下框架用四个液压缸连接在一起， 必要时可遥控调节铸坯的厚度和锥度。扇形段可以通过起重机从浇注平台上方吊 出更换。 第3 个扇形段即第1 个弧形段装有铸流电磁搅拌装置( s e m s ) ，平时一直 通水冷却，当浇铸铁素体不锈钢板坯时，为了消除粗大的柱状晶，增加等轴晶， s - e m s 装置通电形成磁场，对板坯液相穴中的钢液进行搅拌。 直线段以下的弯曲段中装有一组小径辊，经过7 个弯曲点，将板坯逐渐弯 曲到铸机的基本半径。其后是半径恒定的弧形段，然后铸坯进入半径逐渐增大的 矫直段，以保证凝固中的铸坯矫直应力不超过极限值。经过9 个矫直点，铸坯进 入到水平段。 在水平段部分应用动态轻压下技术，根据在线模型对铸坯的凝固末端施加 一定的压下量，减小铸坯的中心偏析。 开浇前，浇铸平台上的引锭杆小车开到结晶器旁，将引锭杆从上部送入结 晶器。开浇后，引锭杆起牵引铸坯的作用，引锭头前部为爪式结构，可以方便而 1 4 上海大学工程硕士学位论文 可靠地脱锭。引锭杆尾部出了水平扇形段后，由卷扬机系统牵引提升，与拉坯速 度同步。引锭杆与铸坯脱离后被快速提升回到引锭杆小车上，在引锭杆通过浇铸 平台的开口处装有保险装置，以确保引锭杆在提升过程中的安全。 铸坯出了最后一个扇形段后，从切前辊道进入装有火焰切割机的切割辊道。 带有铁粉火焰切割机将铸坯切割成预定的长度，铸坯长度由火焰切割机上的长度 测量装置测出。除了正常定尺切割外，火焰切割机还要对铸坯的头部、尾部以及 试样进行切割，切割长度优化模型还会对最后一段铸坯进行优化计算，使丢弃的 切尾最少。 切成定尺的铸坯经过出坯辊道在去毛刺辊道上由去毛刺机去除两端的毛 刺，再由喷号机在铸坯的前端喷上板坯编号。 经过铸坯质量判定模型判定和人工目视检查认定为无缺陷的铸坯通过横移 小车、输送辊道和辊道称量直接送到热轧的板坯库。 铸坯质量判定模型判定有缺陷或人工目视检查认定有缺陷需要修磨的铸坯 用出坯跨3 0 t 板坯夹钳起重机吊运下线到铸坯冷却区堆垛冷却或放入保温坑内缓 冷。冷却到一定温度的铸坯由板坯夹钳起重机送到修磨区进行检查、翻坯，需要 修磨的铸坯再吊到修磨机上进行完全修磨或局部修磨。较小规模的修磨还可用手 持式砂轮机人工修磨。修磨完毕后经检查己无缺陷的铸坯再用板坯夹钳起重机吊 运到输送辊道上经称量送往热轧板坯库。 本课题主要针对结晶器内流场进行研究，下面就结晶器的有关问题作进一步论 述。 1 5 结晶器 结晶器是连铸机的关键部件，它的重要作用表现在： 1 在尽可能高的拉速下保证出结晶器时形成足够的坯壳厚度，以抵抗钢水 静压力而不拉漏； 2 结晶器周边坯壳厚度能均匀稳定生长； 3 结晶器内的钢水一渣相一坯壳一铜壁之间的相互作用，对铸坯表面质量 有决定性影响。 上述第一个作用决定了连铸机的生产率，而2 、3 的作用决定了铸坯表面质 量。 1 5 1 结晶器导出热流 1 5 上海大学工程硕士学位论文 水冷结晶器是一个很强的热交换器。钢水的凝固速度决定于导出的热流，导 出热流越大，出结晶器的坯壳就越厚。 1 平均热流密度 测定通过结晶器的冷却水量和进出水温差，可求出平均热流密度： q = w c ( 臼：一01 ) 式中q 结晶器导出热量； w 冷却水流量； c 水的比热； a2 结晶器出水温度； 9 - 结晶器进水温度； 巾= q s 式中巾结晶器平均热流密度； q 结晶器导出热量； s 结晶器有效传热面积。 基 、 蕾 翟 瑚 秘 鬈 拉曩m , , m ” 图1 - 2 结晶器热流密度 ，对1 9 0 ( 7 8 0 一 - 1 8 6 0 ) i n m 的 板坯，结晶器长度7 0 0 m m ，测得 结晶器平均热流密度与拉速关系 如图l 一1 。由图可知： 1 ) 热流密度主要决定于钢 水在结晶器内的停留时间。拉速 增加，停留时间减少，热流增加。 这是因为凝固坯壳较薄；坯壳温 度高，钢水静压力使坯壳与铜壁 均匀接触，有利于传热； 2 ) 拉速一定时，热流密度决 定于保护渣的粘度。粘度低，渣膜薄，热流密度大。 2 瞬时热流密度 1 6 上海大学工程硕士学位论文 e 、 掣 攀 铡 舔 锈赫舀高度m m 图1 3 沿结晶器高度热流密皮的变化 (