（钢铁冶金专业论文）应用csp技术生产不锈钢的基础研究和可行性分析.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 本文通过对珠钢c s p ( c o m p a c ts t r i pp r o d u c t i o n ) 生产线在液芯压下 l c r ( l i q u i dc o r er e d u c t i o n ) 工艺和非液芯压下工艺条件下s p a h 钢铸坯和成品 板的质量进行对比研究，分析了连铸连轧过程中组织、性能以及各种缺陷和夹杂 物的变化过程，并探讨了c s p 工艺f 晶粒细化、成分偏析变化的原因。在此基 础上，结合薄板坯连铸过程的工艺特点，研究了不锈钢凝固特性和组织变化规 律，探讨了应用c s p 技术生产不锈钢的可行性，为应用c s p 技术生产不锈钢提 供了基础依据。 研究表明：在c s p 工艺下，s p a h 钢板材微观组织为铁素体基体上均匀、 弥散分布的珠光体，最后得到的成品板具有均匀细小的组织。晶粒主要以 3 - t5 1 x m 尺寸为主，约占全部晶粒的9 0 ，平均尺寸为9 a m 左右。板材强度达到 5 2 5 m p a 左右，延伸率接近3 3 。组织细化原因可归结为大压下、高刚度的连轧 1 艺、钢中大量弥散析出氧化物以及终轧后的层流冷却作用。液芯压下工艺与非 液芯压下工艺相比较，铸坯表面组织和内部组织有较明显的差异：在两种工艺 下，铸坯和板材的性能都有一定差异。在珠钢c s p 生产中，板坯组织细化，性 能优越，但因为液芯压下只有一道次且压下量较小，经过6 道次热轧后两种工艺 下的成品板组织和性能差剐不明显。c s p 工艺下铸坯的宏观偏析很少，主要是 c 、p 偏析，偏柝程度很小，丽液芯压下工艺偏析程度更小。磁粉探测铸坯有表 而裂纹，裂纹较浅，数量很少；超声波检测铸坯中的各种缺陷和夹杂以中心对称 分布，铸坯中心出现不规则坑状缺陷，主要是中心疏松；夹杂物以铝酸盐为主， 钙处理后都呈球形，多数小于5 1 a m ，不会对钢材质量产生较大影响。 不锈钢凝固组织和性能与冷却条件有密切关系，不锈钢凝固组织随冷却速度 的升高而细化，强度也随之升高，在冷速为1 0 s 左右时，抗拉强度达到 9 9 0 m p a 左右，延伸率达到3 3 。冷速继续提高，晶粒细化和强度提高较少。通 过对s p a 一 1 钢和不锈钢的对比分析，并考虑到不锈钢的凝固特性，认为在珠钢 的现有条件f ，通过合理的控制冷却速度和相关工艺参数，应用c s p 工艺生产 不锈钢是可行的。 关键词：c s p 薄板坯连铸，液芯压下，s p a h 钢，凝固特性，不锈钢，微观组织 上海人学硕士学位论文 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , ac o m p a r a t i v es t u d yh a sb e e nm a d ef o rt h eq u a l i t i e so ft h es p a - h b i l l e t sa n ds t e e lp l a t e sp r o d u c e db yl c r ( l i q u i dc o r er e d u c t i o 山a n dn o n l c ri n c s p ( c o m p a c ts t r i pp r o d u c t i o n ) t h em i c r o s t r u c t u r e ，p e r f o r m a n c ea sw e l l a st h e d e f e c t sa n di n c l u s i o n sd u r i n gc s pa r es t u d i e d ，a n dt h er e a s o n sf o rg r a i nr e f i n e m e n ta n d c o m p o s i t i o ns e g r e g a t i o ni nc s pp r o c e s sa r ed i s c u s s e d ，b a s e do nt h ea b o v ea n d c o m b i n e dw i t ht h ep r o d u c t i o np r o c e s so fs l a b ，t h es o l i d i f i c a t i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n d m i c r o s t r u c t u r eo ft h es t a i n l e s ss t e e l sa r ei n v e s t i g a t e d i na d d i t i o n ，t h ef e a s i b i l i t yo fc s p t e c h n o l o g yi sd i s c u s s e d ，w h i c hp r o v i d e sab a s i sf o rt h ep r o d u c t i o no fs t a i n l e s ss t e e l s i ti ss h o w nt h a tt h em i c r o s t m e t u r eo fs p a - hs t e e ls t r i pu s i n gc s pp r o c e s s c o n s i s t so f t h ep e a r l i t eu n i f o r m l yd i s t r i b u t e di nt h ef e r r i t em a t r i x ，a n dm i c r o s t r u c t u r eo f t h ef i n i s h e ds t r i pi sc o m p o s e do fd i s p e r s i v er e f i n e dg r a i n s t h eg r a i ns i z er a n g e sf r o m 3t o15 9 i n ，w h i c hi sa b o u t9 0 o ft h eo v e r a l lg r a i n sw i t ha na v e r a g es i z eo f9 9 m t h e t e n s i l es t r e n g t ha n de l o n g a t i o no fs t r i pr e a c h e sa b o u t5 2 5 m p aa n d3 3 ，r e s p e c t i v e l y i t i sa n a l y z e dt h a tt h eg r a i nr e f i n e m e n ti sa t t r i b u t e dt ot h ed i s p e r s e do x i d a t i o na n d l a m e l l a rf l o wc o o l i n ga f t e rf i n i s h i n gr o l l i n gu n d e rt h ec o n d i t i o no fg r e a tr o l l i n g r e d u c t i o na n dh i 曲s t i f f n e s si nt h ec s p p r o c e s s i nc o m p a r i s o nw i t hn o n - l c rp r o c e s s ， t h es u r f a c em i c r o s t r u c t u r eo ft h es l a bd i f f e r sr e m a r k a b l yf r o mt h ei n t e r i o r si nl c r p r o c e s s m o r e o v e r , t h e r ee x i s ts o m ed i f f e r e n c e si np r o p e r t i e so fs l a ba n ds t r i p i n t h e s et w op r o c e s s e s i nt h ec s pp r o d u c t i o n ，t h em i c r o s t r u c t u r eo fs t e e ls t r i pc o n s i s t so f r e f i n e dg r a i n sw i t he x c e l l e n tp r o p e r t i e s d u et oas i n g l ep a s sa n ds m a l lr e d u c t i o n ，t h e r e i sn os i g n i f i c a n td i f f e r e n c ei nm i c r o s t r u c t u r e sa n dp r o p e r t i e sb e t w e e nf i n i s h e ds t e e l s t r i pa f t e rs i x - p a s sh o tr o l l i n g i nt e r m so f t h ec s p p r o c e s s ，f e wm a c r o s e g r e g a t i o n si n s l a b ，w h i c ha r em a i n l yc a r b o na n dp h o s p h o r ss e g r e g a t i o n s ，a r eo b s e r v e d ，w h e r e a st h e e x t e n to fs e g r e g a t i o ni nc s pp r o c e s si sm u c hs m a l l e r t h er e s u l to fm a g n e t i cp o w d e r t e s t ( m p t ) i n d i c a t e st h a tt h eaf e ws h a l l o wc r a c k sa p p e a ro nt h es u r f a c eo fc a s t i n g b i l l e t s u l t r a s o n i ct e s t ( u t ) r e s u l t ss h o wt h a tt h ed e f e c t sa n di n c l u s i o n sa r ed i s t r i b u t e d c e n t r o s y m m e t r i c a l l y , a n dl o o s e a r ep r e s e n ti nh o l e s h a p ei nt h ec e n t e ro fs l a b s m o r e o v e r ，t h ei n c l u s i o n sm a i n l yc o n s i s to fs p h e r i c a la i u m i n a t ew i t hm a j o r i t yo fl e s s 1 t 上海大学硕士学位论文 t h a n5 9 ma f t e rc a l c i u mt r e a t m e n t ，w h i c hh a sl i t t l ei n f l u e n c eo nt h es t e e lq u a l i t y ac l o s e r e l a t i o n s h i p e x i s t sb e t w e e nt h es o l i d i f i c a t i o nm i e r o s t r u c t u r ea n d p r o p e r t i e s o ft h es t a i n l e s ss t e e l sa n d c o o l i n gc o n d i t i o n s r e f i n e ds o l i d i f i c a t i o n m i c r o s t r u c t u r e sa r eo b t a i n e dw i t l li n c r e a s i n gc o o l i n gr a t ei ns t a i n l e s ss t e e l s a n ds oa s t h et e n s i l es t r e n g t h t h er e s p e c t i v et e n s i l es t r e n g t ha n de l o n g a t i o na r e9 9 0 m p aa n d 3 3 a tac o o l i n gr a t eo f1 0 0 c s f u r t h e ri n c r e a s i n gt h ec o o l i n gr a t el e a d st oar e d u c t i o n i nt h ee x t e n to fg r a i nr e f i n e m e n ta n dt e n s i l es t r e n g t h t h r o u g hc o m p a r a t i v es t u d i e s b e t w e e ns p a hs t e e la n ds t a i n l e s s s t e e l ，a n dc o n s i d e r i n gt h es o l i d i f i c a t i o n c h a r a c t e r i s t i c so ft h el a t t e r , i ti s s u g g e s t e dt h a tt h ep r o d u c t i o no fs t a i n l e s ss t e e l s a p p l y i n gc s pp r o c e s si sf e a s i b l ei nt h ep r e s e n tc o n d i t i o n sb yc o n t r o l l i n gt h ec o o l i n g r a t ea n dr e l a t i v ep r o c e s sp a r a m e t e r s ， k e yw o r d s ：c o m p a c ts t r i pp r o d u c t i o n , l i q u i dc o r er e d u c t i o n ，s p a hs t e e l ， s o l i d i f i c a t i o nc h a r a c t e r i s t i c ，s t a i n l e s ss t e e l ，m i c r o s t r u c t u r e - 1 1 1 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。 本论文使用授权说明 期丝：! ：n 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：煮睦建 导师签名：旌笙堡日期：趋! ：! ：! ： 上海大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 钢铁工业是原材料工业，是国民经济发展的基础，钢铁产品广泛应用于国民 经济的各行各业，它的发展与一个国家整体经济发展规模和速度密不可分。目前 钢铁产品的数量、质量和生产技术的先进性已成为衡量一个国家工业发展水平的 重要标志之。从技术创新角度看，2 0 世纪下半叶以来，世界钢铁工业的技术 经济面貌发生了革命性变化，出现了两轮大规模的创新高潮，推动发达国家完成 了从产品数量扩展到结构优化的战略转移。突出的贡献之在于连续铸钢技术的 工业化。连铸是连接炼钢和轧钢的中间环节，是炼钢生产的重要组成部分。连铸 是一门将冶金与机械及控制相结合的综合生产技术【“。缩短流程、简化工序是冶 金工业发展的大方向。连铸技术的出现，逐步取代了初轧工序，带来了钢铁工业 的一次技术革命，连铸技术的出现从根本上改变了一个世纪以来占统治地位的钢 锭一初轧丌坯等一系列复杂的钢铁生产工艺流程i2 1 ，简化了钢水到钢坯的生产工 艺，不但可以提高成材率，节约能源，而且使从炼钢到轧制成品材的工艺生产线 连续化成为可能。 上世纪后期，连铸技术发展迅速，新型连铸技术不断涌现连铸技术应用的 钢种不断拓宽，不论连铸坯质量，还是连铸生产的技术经济指标均大幅度提高。 薄板坯连铸连轧技术正是在这种大的时代要求下出现的，它的应用又将进一步缩 短流程，给钢铁工业带来新的技术革命。薄板坯连铸连轧是2 0 世纪8 0 年代开发 成功的生产热轧板卷的一种全新的短流程工艺，是继氧气转炉炼钢、连续铸钢之 后钢铁工业最重大的革命性技术之一，世界各国都给予了极大关注，在冶金界产 生了巨大反响。薄板坯连铸连轧工艺在技术和经济等方面与传统的热轧带钢相 比，具有非常大的优越性。薄板坯连铸连轧技术，作为钢铁生产短流程的一个重 要部分，正受到世界各国的普遍重视，被认为是提高2 l 世纪钢铁工业产品竞争 力的主要手段之一。 上海大学硕士学位论文 1 2 连续铸钢的发展状况 连续铸钢技术的发展大致可分为四个阶段1 3 1 ： 第一阶段( 1 8 4 0 - 1 9 3 0 ) ，连续浇铸金属液思想的启蒙阶段。其代表人物是 美国人g e 塞勒斯( g e s e l l e r s ) ( 1 8 4 0 ) 和h 拜思默尔( h b e s s e m e r ) ( 1 8 4 6 ) 以 及j 赖尼( j l a i n y ) ( 1 8 4 3 ) 。但由于技术所限，他们提出的一些设想只能用于 低熔点材料，例如铅和锡。 第二阶段( 1 9 4 0 - 1 9 4 9 ) ，钢的连续铸造特征技术的开发阶段。其代表人物 是现代连铸之父德国人琼汉斯( s j u n g h a n s ) 。1 9 4 3 年琼汉斯在德国建成了第 台浇铸钢液的连铸机，当时提出的振动水冷结晶器、侵入式水口、结晶器保护剂 等技术观点为现代连铸机奠定了基础。结晶器振动己成为连铸机的标准操作。 第三阶段( 1 9 5 0 1 9 7 6 ) ，传统连铸技术发展成熟阶段。连铸技术以惊人的 速度向前发展，出现了5 0 0 0 多个与连铸有关的不同专利。 第四阶段( 8 0 9 0 年代) ，传统连铸技术优化发展阶段。连铸比不断上升， 生产率、铸机作业率、铸坯质量以及浇铸品种等都有大幅度提高，而生产成本则 不断降低。 连续铸造技术在2 0 世纪5 0 年代进入工业应用阶段，从根本上改变了一个世 纪以来占统治地位的钢锭一初轧开坯工艺，这种工艺与模铸相比具有很大的优越 性1 4 l ，因此到目前为止除了极少数特殊钢种和特殊要求的铸坯外，采用连铸代替 模铸早已成为钢铁工业发展的必然趋势。 1 。3 薄板坯连铸技术的发展情况 在传统连铸技术进一步发展的同时，新型连铸技术的开发也初见成效，其中 以近终形连铸技术和电磁连铸技术发展最快。近终形连铸技术的实质是在保证成 品钢材质量的前提下，尽量缩小铸坯的断面以取代部分压力加工。近终形连铸通 常分为四大类：薄板坯连铸、薄带坯连铸、异形坯连铸和喷雾成形。薄板坯连铸 工艺的出现和高速发展基于近代冶金学的研究成果，其中，金属凝固理论的深入 研究、钢水炉外精炼机理、功能及各种精炼装置的问世和纯净钢生产技术、压力 加工的进步等是推动薄板坯连铸技术的加速开发、完善的根本，而能源危机的冲 击、市场需求的扩大则是企业普遍看好它的外因【5 l 。 上海大学硕士学位论文 1 3 1 薄板坯连铸技术的特点 与传统连铸工艺相比，薄板坯连铸连轧具有如下特点： ( 1 ) 工艺简化，设备简单，生产线缩短。薄板坯连铸连轧省去了粗轧和部 分精轧机架，生产线一般仅2 0 0 余米，降低了单位基建造价，缩短了施工周期， 可较快地投产并发挥投资效益； ( 2 ) 生产周期短。从冶炼钢液至热轧板卷的输出，仅需1 5 小时，可节约 流动资金，降低生产成本，企业可很快地发挥投资效益： ( 3 ) 节约能源，提高成材率。由于实现了连铸连轧，可直接节能6 6 k g r ， 间接节能1 4 5 k g t ，成材率约提高1 1 1 3 1 6 1 ； ( 4 ) 板坯厚度小，拉坯速度大。薄板坯连铸坯厚为2 0 8 0 m m ，奥钢联的最 佳坯厚为7 0 m m f 5 1 ：目前几种典型薄板坯连铸的拉速均在5 m m i n 左右； ( 5 ) 冷却速度快。薄板坯的凝固过程处于快速凝固区，内部组织晶粒细 化，等轴晶区较大，中心偏析少，板坯致密度高； ( 6 ) 出坯温度高。资料【7 】表明，全凝固点处铸坯表面温度为1 1 5 0 c ，边部 温度为9 7 0 。c ，平均温度达1 3 0 0 c ( 7 ) 冶金长度短。薄板坯厚度薄，冶余长度很短，约5 6 r a m 。薄板坯铸机 重量只有相同生产能力厚板坯铸机的1 3 1 2 。 1 3 2 典型薄板坯连铸工艺技术 近几年来接近于成品尺寸的薄板坯连铸连轧工艺技术有了重大突破，国外现 有多家公司竞相研究开发，如德国的西马克( s m s ) 公司开发的c s p 工艺，曼 内斯曼德马克( m d h ) 公司开发的i s p 工艺，意大利的丹涅利( d a n i e l i ) 的 f t s r 工艺，奥钢联( v a i ) 的c o n r o l l 工艺以及日本住友公司( s u m i t o m o ) 的 q s p 工艺等新的工艺。美国的纽柯( n u c o r ) 公司、意大利的阿维第( a r v e d i ) 公司已采用此种新工艺建成了完整的生产线并取得了良好的效果。尽管各自的工 艺不同，设备也各具特点。但最终的目标是一致的，即通过结构紧凑、直接热 送、连铸连轧来实现高的经济效益。不同的生产线的投产又促使各公司的技术相 互渗透，以求更加完善。在技术不断改进的过程中，薄板坯连铸连轧技术愈发显 示出其市场竞争优势。 上海大学硕士学位论文 1 3 2 1 c s p ( c o m p a c ts t ri pp r o d u c t i o n ) 工艺 c s p 技术是由德国西马克公司开发的世界上最早并投入工业化生产的薄板坯 连铸连轧技术。自1 9 8 9 年在纽柯公司建成第一条c s p 生产线以来，随着技术的 不断改进，该生产线不断发展完善，现己进入成熟阶段。 其技术特点如下【8 9 】：c s p 技术采用立弯式铸机，漏斗型直结晶器，刚性引 锭杆，浸入式水口，避免了钢液在结晶器内搭桥和出现表面缺陷，消除了坯壳凝 固应力，从而获得质量良好的铸坯。近年来，c s p 在工艺技术、装各及控制系统 等方面又做了不少改进，使其不断完善发展。新建的生产线中普遍采用了高压水 除鳞、电磁闸、液芯压下、结晶器液压振动、精轧机前加立辊轧机、板形和平整 度控制、平移式二辊轧机等多项新技术。 图1 1c s p 工艺流程及结晶器示意图 1 3 2 2i s p ( 1 n lj n es i r i pp r o d u c t i o n ) 工艺 i s p 工艺由德国曼内斯曼德马克公司开发，1 9 9 2 年第一台 s p 工艺设备在意 大利a r v e d i 投入生产，经不断改进完善，该项技术又获得了长足的发展。i s p 工艺生产线是目前最短的薄板坯连铸连轧生产线。 其主要技术特点有以下几点i 旧】：使用直弧型铸机，小漏斗型结晶器，薄片 状浸入式水口，连铸用保护渣，液芯压下和固相铸轧技术，感应加热接克日莫那 炉( 也可用辊底式炉) ，电磁制动闸，大压下量初轧机+ 带卷开卷+ 精轧机，轧辊 轴向移动、轧辊热凸度控制、板形和平整度控制、平移式二辊轧机。生产线布置 紧凑，总长度仅1 8 0 m 左右，二次冷却采用气雾或空冷， 酗1 2i s p 工艺流程及结晶器示意图 4 烈 上海人学硕士学位论文 1 3 2 3c o n r o l l ( c o n t i n u o u sc a s t i n g & r o lii n g ) 工艺 c o n r o l l 工艺由奥钢联与瑞典阿维斯塔( a v e s l a ) ，s h e f f i e l d ( 谢菲 尔德) 厂在8 0 年代中期共同开发的，主要用于生产特殊钢、不锈钢。采用电弧 炉冶炼和钢包炉精炼，而后进行薄板坯浇铸，薄板坯在不进行表面清理的情况 下宜接进入步进梁式加热炉，按所需轧制温度进行加热。 主要技术特点：浸入式水口，采用结晶器冷却槽和2 5 m m 结晶器壁厚的最 佳化设计安装了漏钢热监测传感器，可在线灵活调节振幅和频率。采用液压振 动装置，在铸流导向段采用气雾冷却，采用c a q c 系统( 计算机辅助质量控制 系统) 。 图1 3c o n r o l l 工艺流程及结晶器示意图 1 3 2 4f t s r ( f i e x i b l et h i ns i a bc a s t i n g & r o l ii n g ) 技术 f t s r 技术是由意大利达涅利公司开发出的又一种薄板坯连铸连轧工艺。 该技术具有相当的灵活性，能浇铸范围较宽的钢种，可提供表面和内部质量、 力学性能、化学成分均匀的汽车工业用板。 主要技术特点是：采用直一弧型铸机，h 2 结晶器，结晶器液压振动，三点 除鳞，浸入式水口，连铸用保护渣，动态软压下( 分多段，每段可单独) ，熔池 自动控制，独立的冷却系统，辊底式均热炉，全液压宽度自动控制轧机，精轧 机全液压的a g c ，机架问强力控制系统，热凸度控制系统，防止粘皮的辊星系 统，工作辊抽动系统，双缸强力弯辊系统等。 图1 4f t s r 工艺流程及结晶器示意图 上海火学硕士学位论文 1 3 2 5c p r ( 0 a c t i n gp r e s s i n gr o ll i n g ) 工艺 c p r 工艺是德国蒂森公司、s m s 公司和法国的u s i n o rs a c i l o r 公司合作开发 的种薄板坯连铸连轧工艺，并在r u h r o r t 厂建成了一套可以生产目前在热轧带 钢轧机上生产的同样尺寸和质量的带钢生产设备。 c p r 工艺也采用c s p 的漏斗型结晶器。它利用浇铸后的大压下( 6 0 极限 压下量) ，仅使用一组轧机，最终可生产厚度为6 m m 的薄带卷。 c p r 技术具有如下特点：铸坯从结晶器出来后，随即被成对的挤压辊挤 压，挤压的结果使铸坯芯部液态钢水返送结晶器，而已固化的坯壳则很好地被焊 连在一起。c p r 工艺的浇注速度为2 , 8 6 m m i n ，浇注的钢种有深冲钢、管线 钢、铁素体和奥氏体不锈钢以及含s i1 8 的硅钢。相对低的轧制速度引起铸坯 温度损失较大，因此生产线上采用高压除鳞机，旋转喷头沿带钢横向移动，尽量 减少温降。 图1 5c p r 工艺流程及结晶器示意图 薄板坯连铸连轧技术问世以来，相关的新工艺、新技术层出不穷，日新月 异，并且不断开发应用。第一代产品已成为过去，目前发展到以半无头轧制和 铁素体轧制为主的第二代产品，今后一段时间内将对传统的钢铁企业造成较大 的冲击，薄板坯连铸连轧技术必将会有更广阔的应用和发展前景。 1 3 3 薄板坯连铸连轧c s p 工艺 1 3 3 1c s p 工艺机制 薄板坯连铸连轧技术与常规的厚板坯连铸机、热带轧机的长流程相比有其独 特的新技术一浸入式水口、漏斗形结晶器、高性能保护渣、电磁制动、液压振动 装置和液芯压下等，其基本要求如下： ( 1 ) 薄板坯连铸机的板坯厚度应尽可能薄，以便热带轧机取消初轧机组， 铸坯直接进入精轧机组，减少了工序和设备，从而降低投资和生产成本； ( 2 ) 实现快速浇铸，提高连铸机生产能力，达到与冶炼和轧机的生产能力 6 上海大学硕士学位论文 相匹配，取得最佳规模效应和良好的经济效益： ( 3 ) 实现连铸连轧，从冶炼到轧制产品一次成材，充分利用冶炼能量降 低能耗和成本，缩短生产周期，加快冶金周转； ( 4 ) 生产无缺陷铸坯，取消轧制前的板坯检查和清理，保证产品的质量。 ( 5 ) 连铸机和轧机之间的中间衔接技术的主要功能要满足铸坯的加热均 热和缓冲作用； ( 6 ) 实现自由轧制，增加同宽度带钢轧制长度； ( 7 ) 强化带钢厚度、板形和平直度控制，提高带钢尺寸精度。 c s p 工艺流程的物理本质是；不断提高化学冶金过程中钢液的纯净度、化 学成分和温度的准确度，并在化学冶金过程中为物理冶金过程的需要作好准 备：不断提高凝固过程铸坯弥散度、细密度( 包括析出的碳化物、氮化物的弥 散度、柱状晶晶轴间距等) 和表面质量；在化学冶金和凝固过程的基础上，实 现物理冶金过程中( 压力加工过程、在线处理过程等) 加工件压缩比的合理降 低及其温度( 热量) 的充分有效地“在线”利用，使物理冶金过程中形变、物 质结构、温度、时间等参数不断优化，从而导致钢厂结构进一步优化。从钢厂 设计的工程逻辑上看，由“叠加一蔓延一万能化”向“临界一紧凑一专业化” 方向发展2 1 。 1 3 3 2 国内外c s p 技术发展概况 c s p 技术是由德国s m s 公司在t h y s s e n 的铸钢车间于1 9 8 6 年试验成功的。 1 9 8 9 年d e m a g 公司在美国印第安那州的克劳福兹维尔建成了世界上第一个c s p 车间，即n u c o r l 。第一台n u c o r c r a w f o r d s v i l l e 紧凑式板坯生产设备的诞生，开 辟了板坯连续生产的新纪元。它也是第条连铸连轧生产线。 1 9 9 2 年，第二座工厂在阿肯色州的希克曼交付使用，即n u c o r 2 。在短时间 内、产量迅速上升，钢带厚度公差、板凸度的稳定性达到了通常在热轧带钢生 产中所能达到的最佳值，而且运行可靠，生产率高，成本大大降低。由于 n u c o r 的成功，使c s p 生产线数量迅速增加，目前，c s p 生产线数量居各种薄 板还连铸连轧技术之首，可以晚c s p 是目前最成熟的薄板坯连铸连轧工艺1 1 3 】。 到2 0 1 0 年，全球有可能建成7 5 个薄板坯连铸连轧工厂，总生产能力将达 到1 9 亿吨，b j 全球5 0 左右的热轧带卷会用薄板坯连铸连轧工艺来生产。 上海大学硕士学位论文 紧跟世界钢铁工业发展的步伐，我国也积极开展了薄板坯连铸技术的开发 研究。“七五”期间在兰州钢厂建成我国第1 台薄板坯连铸机。兰钢薄板坯连 铸机为直弧型、带液芯弯曲、全凝矫直机型。该机于1 9 9 3 年1 1 月一次热试成 功，现已完成半工业性试验。大连重型机械厂从德国引进了一台薄板坯连铸 机，并于1 9 9 6 年上半年投入试用1 1 5 1 。另外，中宽薄板坯连铸攻关取得成功， 珠江钢厂、邯钢、包钢引进的薄板坯连铸连轧生产线已顺利投产，国产化工作 已见成效。我国珠江钢厂、邯郸钢厂c s p 生产线已分别于1 9 9 9 年7 月及1 2 月 相继建成投产，2 0 0 2 年底，其生产能力分髓达到1 9 0 万吨和2 4 6 万吨。 为了发展我国的薄板坯连铸连轧技术，一方面需要紧密跟踪国际上对该技术 的研究和应用，另一方面加紧国内研制和开发工作。我国拥有7 条薄板坯连铸连 轧生产线，其中珠钢、邯钢、包钢、马钢、涟钢5 个企业采用的是c s p 生产 线。国内c s p 生产线连机机组为6 机架或7 机架。设计的最终产品最薄规格： 马钢、涟钢为o 8 r a m ，包钢、邯钢1 2 n n n ，珠钢1 2 7 m m i m l 。引进此项技术的出 发点是立足于引进技术，国内参与，消化和吸收的原则f 1 7 ) 。它不仅能加快我国 热轧带钢产量的提高，同时必将促进国内对连铸连轧的开发。 1 4 液芯压下技术 1 。4 。1 液芯压下技术简介 连铸坯的轻压下技术有两种含义：一种是八十年代日本钢管公司开发的常规 连铸轻压下技术( s o f tr e d u c t i o n ) ，在连铸坯凝固末端处实施0 7 一1 2 m r r d m 的压 下，以抑制尚未凝固的最后部分钢水的流动，从而减轻中心偏析。目前已被广泛 应用于大方坯、宽厚板连铸机。另一种是离凝固末端较远处进行的轻压下。称为 液芯压下技术( l i q u i dc o r er e d u c t i o n l c r ) 或液芯铸轧技术( c a s t i n gr o l l i n g ) 。 该技术目前主要在薄板坯连铸中得到实际应用。 1 4 2 液芯压下技术发展背景 在发展薄板坯连铸连轧技术过程中，存在一个突出的技术问题，即连铸与连 轧铸坯厚度匹配问题。从薄板坯连铸的角度考虑，希望薄板坯连铸结晶器内腔尽 可能地厚些，这样有利于浸入式水口的插入及提高水口的使用寿命，减轻结晶 上海大学硕十学位论文 器内钢液流动冲击、促进保护渣液渣层的形成及稳定、降低浇注操作的难度等， 从而保证连铸机维持较高的作业率，提高板坯的质量。从薄板坯热连轧的角度考 虑，则希望从薄板坯连铸机中拉出来的铸坯尽可能地薄，从而可以减少热连轧机 组的机架及生产出超薄带卷，节约投资和减低成本，扩大带钢规格。薄板坯连铸 带液芯压下技术在这样的背景下产生的。它能很好地解决薄板坯连铸与连轧之间 厚度匹配的问题，在连铸与连轧两工序间增加了一个调节铸坯厚度的环节。合理 的液芯压下不仅能解决连铸与连轧之间的厚度匹配问题，而且能改善铸坯内部组 织，促进钢水的溶质均匀，进一步减轻铸坯中心偏析，提高铸坯的质量8 】。 1 4 3 液芯压下工艺原理及凝固特点 液芯压下技术最早应用于常规厚板坯和大方坯连铸机，其目的是为了改善铸 坯中心疏松和宏观偏析，提高铸坯质量。其基本原理是在铸坯出结晶器下口后， 在合适的阶段，对铸坯实施液芯压下，将铸坯减薄。薄板坯连铸连轧中的液芯压 下技术与常规板坯和大方坯采用的液芯压下技术有所不同，它的技术特点是，在 铸坯出结晶器下口后即丌始逐渐收缩二冷区的辊缝，将铸坯压缩到适当厚度，以 适应后面的连轧对厚度的要求。 c s p 流程液芯压下的基本原理如图1 6 所示。 图1 6 液芯压下原理图 结晶器f 的1 号段为钳式结构，当坯头通过后，液压缸推动内弧收缩辊缝 对铸坯实施在线液芯压下。l 号段后面的扇形段在前后各一对液压缸的驱动下 9 上海大学硕士学位论文 减少辊缝以适应已减薄的铸坯，也可以继续收缩辊缝对铸坯实旌液芯压下。可根 据不同钢种和不同的工艺条件选择压下方案。 液j 占压下时铸坯的液相比大，压下所产生的效果与常规厚板坯的凝固末端的 轻压下有所不同。由于液穴直通结晶器，铸坯在压下辊的作用下向内挤压钢水， 使芯部钢水向上运动，这种运动使正在凝固的钢水混合，并具有以下优点： ( 1 ) 钢水中的溶质均匀，消除成分偏析； ( 2 ) 中心较热的并已部分偏析的钢水与枝晶接触佼其新熔化，并通过与具 有较少偏析元素的钢水熔合从而得到稀释； ( 3 ) 再熔化将固态晶体在界面处分离出来，由对流运动送到液态中心，有 利于中心的凝固并形成较细的晶粒； ( 4 ) 枝晶间的再熔化吸收了钢液的热量、降低了液相的温度，从而加强了 中心的冷却，有利于中心凝固。 薄板坯本身具有冷却快的特点，其中心出现偏析的程度比较小，再加上液芯 压下的作用，可以获得更高的铸坯内部质量。 1 4 4 国内外液芯压下技术研究概况 德马克公司在意大利阿尔维迪的i s p 首使用了液芯压下技术。在阿尔维迪的 生产经验基础上，德马克公司对后来的i s p 作了改进【1 9 1 。由于s m s 公司的c s p 流程采用了漏斗型结晶器，连铸与连轧之间的铸坯厚度匹配的矛盾相对缓和，所 以在c s p 流程的早期应用中并没有采用液芯压下技术。为了进一步增加结晶器 容积，将结晶器出口厚度由原来的5 0 r a m 增加到7 0 m m ，减少结晶器内钢水的流 动速度，使浇注更加稳定，同时也进一步改善铸坯内部质量，c s p 流程在其后的 工程中采用了液芯压下技术1 9 l 。意大利d a n i e l i 公司的液芯压下技术称为动态软 爪下( d s r ) ，软压下是动态的，依不同拉速、不同温度而改变压下量2 0 1 。西马克 与蒂森( t h y s s e n ) 公司合作开发了带“铸、压、轧”为三位一体的c p r 技术，该 技术已在意大利的依尔瓦厂应用2 1 。住友金属的连铸机液芯压下区分布在4 个 扇形段，分别位于一定的半径范围内。在压下量达到4 0 m m 速为8 m m i n 情况下 生产f 勺板坯，没有发生内裂现象【2 2 1 。 e i s e r m a n n l 2 3 1 利用中空矩形试样，进行液芯压下的实验室模拟。认为铸坯减 薄主要是出窄面鼓肚造成的，轧制变形产生的纵向物流由边缘开始，然后扩展到 1 0 上海大学硕士学位论文 中部，产生一定的纵向拉伸应变。德国c r e m e r 2 4 1 等人用钢板焊接成空心封闭 框架，在高温变形机上模拟连铸板坯带液芯轧制，实验结果表明，与传统的全凝 固轧制变形不同，轧制时宽面产生一定的内凹，侧边产生鼓肚，鼓肚的程度与窄 面变形程度有关，坯壳厚度越薄，对铸坯宽面的伸长影响越小。日本 y a m a n a k a l ”】等人，采用三段锥度分布的轧辊对铸坯进行压下在薄板坯连铸机 上进行了系列实验。实验结果表明，在压下量达到3 0 m m 时，压下后的钢水 液面波动在3 m m 之内。为获得预期的板坯厚度，压下操作必须在有液芯的区 域进行，采用上部大压下量是必要的，在全固相区，压下操作很难进行。同时为 了达到最小的累积应变量，变形点应分布在尽可能大的区域，避免在一点或一个 短的区域进行压下操作。鞍山钢铁学院的赵红阳【2 6 1 等人，采用塑性泥芯铅件的 模拟模型，对连铸方坯的液芯轧制进行了模拟。钢铁研究总院的陈栋梁2 7 1 与北 京科技大学的逯洲威1 2 8 1 分别采用工程分析软件m a r c 对薄板坯连铸液芯铸轧过程 的变形行为进行了分析，模拟时采用了铸坯传热与应力耦合分析。模拟表明，控 制和优化连铸坯角部附近区域的冷却条件是控制液芯压下过程中铸坯窄面附近区 域的应力和变形的主要手段，= 次冷却制度对液芯压下时铸坯中的应力应变分布 有较大的影响。 “八五”期间，大重集团公司承担了国家经贸委、机械部薄板坯连铸技术攻 关任务。在公司内设计、制造和建成了一套薄板坯连铸机组。该铸机0 段出1 7 对支撑辊组成，呈铰接式结构，0 段内弧框架上端固定，下端通过两个液压缸于 外弧连接，用以调节0 段锥度( 最大为3 0 m m ) ，因此具有薄板坯连铸带液芯压 下功能，设计最大轻压下量为2 0 m m ，浚铸机在热试期i n j ，顺利进行了l o 多炉 次连铸轻压下试验，最大轻压下量已达到1 3 m m 。 国家计委、冶金部于1 9 9 5 年底设立了以薄板坯连铸液芯轻压下技术为核心 的攻关专题一“铸轧对薄板坯连铸一连轧匹配效果的影响”，出连铸技术国家工 程研究中心承担这一攻关任务。1 9 9 6 年丰) j 该项目令面启动，就相关的工艺问题 和设备机构，通过实验室模拟试验、计算机仿真、工厂工业性试验等方式进行研 究i “】。另外，珠钢c s p 薄板坯连铸生产线也具有了液芯压下功能，并进行一定 的生产试验工作，虽然取得一定的成果，但是目前针对液芯压下的工作还需要进 步研究。 上海大学硕士学位论文 1 5 不锈钢连铸生产工艺 1 5 1 不锈钢生产背景 全世暴已纳入各种标准的不锈钢牌号有百余种，一般分为马氏体不锈钢、奥 氏体不锈钢、铁素体不锈钢、奥氏体+ 铁素体双相不锈钢等，但目前工业先进国 家大量生产和广泛应用的不锈钢仅限于马氏体类、奥氏体类和铁素体类的十几个 牌号。初期的不锈钢生产是以美国为主，后来日本成为主力，1 9 7 * 年后日本成 为生产不锈钢最多的国家，目前日本不锈钢产量已经占全世界不锈钢产量的三分 之一。 不锈钢的性能优势在汽车工业、石油化工、建筑、水工业、医疗器械、锤饮 器具、电子设施、运输装备、装潢、环保等领域得到了充分的体现。近年来，随 着性能质量的提高和生产成本的降低，不锈钢的应用更加广泛。如美国在改造 2 0 多万座被损坏的桥梁时，以不锈钢代替碳钢，使桥梁寿命由4 5 年延长到8 0 年。英国用不锈钢钢筋代替碳钢钢筋，可以使高楼大厦的寿命达到1 2 0 年。 不锈钢进入规模性工业化生产已有5 0 年时间。在不锈钢生产工艺技术不断 进步和市场需求的推动下，从1 9 5 3 年至2 0 0 3 年世界不锈钢产量复合年增长率达 到6 ，而普通钢产量复合年增长率仅为2 9 。在此期间，不锈钢产量平均每 1 0 年增加一倍。近2 0 年来世界不锈钢产业获得加速发展，1 9 8 0 年世界不锈钢原 钢产量为6 4 3 5 万吨，2 0 0 4 年达到2 3 0 0 万吨( 见图1 7 ) ，预计2 0 1 0 年可望达到 3 0 0 0 万吨。中国大陆不锈钢材表观消费量从1 9 9 3 年的6 5 万吨增j j n g j j2 0 0 3 年的 4 3 6 万吨，复合年增长率为2 1 ， 占世界不锈钢材表观消费总量的 2 5 左右，成为世界第一大不锈钢 材消费国。1 9 9 9 年全球人均不锈钢 消费量为3 7 k g ，其中德国、日本、 美凰等发达国家人均不锈钢消费量 已分别达到1 5 6 k g 、1 3 2 k g 和 8 4 k g 。由此可见，随着社会进步， 全球范围内不锈钢的需求量将不断 增长【2 93 0 1 。 兽 r 一 删 j l 1 9 9 01 9 9 41 9 9 82 0