（材料加工工程专业论文）小方坯连铸连轧1860mpa级pc钢绞线用热轧盘条的组织与性能.pdf

摘要 摘要 先进的生产装备及其控制技术是加快我国钢铁产品结构调整、实现其高性能低成本化 的必备条件。就钢的中小规格线材而言，小方坯连铸连轧工艺技术因其无需开坯、热装热 送、一火成材等特点而成为当今世界最具竞争力的生产工艺。尽管国内引进了多条具有国 际先进水平的小方坯连铸连轧生产线，却因缺乏与之配套的生产工艺控制技术软件。该类 生产线在国内只能生产中低档次的钢质盘条，是为与国际先进水平的差距所在。若能改进 其生产控制技术，必将以绝对的性价比优势而全面替代当前国内占主流的优质盘条大方坯 连铸工艺，有可能成为“连铸替代模铸”后又一次重要的技术进步。 1 8 6 0 m p a 级p c 钢绞线作为第三代高档建筑材料，正被广泛应用于高层建筑、大跨度桥 梁等现代化大型建筑中，且随着我国基础设施建设力度的不断加大，其年需求量更呈稳步 攀升之势。为保证该钢绞线的实物质量及其大生产的连续性、高效性，其原料热轧高 碳盘条必须满足以下三个要求：一是力学性能的要求：二是通条性好；三是低的拉拔断丝 率。国产热轧高碳盘条与国际先进水平的主要差距就表现在高的断丝率上。因为现代化拉 丝生产线的生产效率很高，当拉拔断丝率超过5 次1 0 0 吨就没有工业应用价值了。该指标是 p c 钢绞线生产厂家根据其生产连续性所提出的新要求，其十分重要却又无法通过对盘条的 抽检来完成的，故只能靠后续拉丝生产线上的实物生产去评判，但却为时已晚，于事无 补，因对这一客观的问题缺乏深度的理解与系统研究，故长期以来该热轧高碳盘条主要依 赖进口。 鉴于此，本文以1 8 6 0 m p a 级p c 钢绞线用热轧盘条的小方坯连铸连轧生产和后续的拉 丝形变过程为对象，以降低拉拔断丝率为目标，较为系统地研究了小方坯连铸连轧及拉丝 形交过程，通过大量的统计分析、形貌分析、微观分析、力学分析和综合分析，发现了影 响这一复杂工程问题的主要矛盾和控制拉拔断丝率的重要依据，并提出了相应的解决方 案。主要创新成果如下： 采用小方坯连铸试制出力学性能满足要求的1 8 6 0 m p a 级p c 钢绞线用1 3 m m 热轧盘 条，分析了冷拉拔至5 m m 左右的钢丝过程中盘条的组织和珠光体组织的变形情况。结果 表明，形变后的钢丝，横截面上品粒显著细化，而在纵截面上品粒逐渐被拉长呈纤维状； 其抗拉强度则随着形变量的增加而不断增加：形变前的珠光体团为随机取向，f e 3 c 片很平 直：随着形变量的增加，f e 3 c 片逐渐转到与拉丝轴平行的方向上，基本与拉丝轴方向一 致。f e 3 c 片越接近平行于拉丝方向排列，越有利于拉丝形变的进行。 东南大学博士学位论文 由于热轧高碳盘条在拉拔生产中的断丝率偏高，无法满足拉丝生产的现象，分析了导 致其断丝的可能原因。研究结果表明：导致热轧高碳盘条拉拔断丝的主要原因是盘条的表 面缺陷( 裂纹、折叠、表面夹渣等) 和芯部缺陷( 夹杂物、成分偏析引起的异常组织 等) 。结合盘条生产工艺可知：结晶器的内壁磨损、结晶器液面波动，以及未采用专用保 护渣等是造成热轧高碳盘条表面缺陷的主要原因；钢的纯净度，未能充分排除各类夹杂 物，以及连铸过程中发生严重的中心偏析是导致芯部缺陷产生的主要因素。 通过拉丝断口的形貌和力学分析，提出了“笔尖状断口”新概念，深化了对拉丝断口 的认识。长期以来，一直将该类断口归于杯锥状断口。由于杯锥状断口与拉丝断口在受力 状态上存在着显著的差异：杯锥状断口在单向拉伸状态下发生颈缩，在材料心部受力状态 为三向张应力；而拉丝断口的受力状态为轴向拉应力、径向压应力；断口形貌上也存在着 显著的差异。因此，该拉丝断口不应归于杯锥状断口，而应称为“笔尖状断口”。其形貌 不仅受到材料性能参数的影响，还受到拉丝模具及拉丝工艺参数的影响。模拟计算表明， 拉丝模具顶角越大，笔尖变得更细长；拉丝模具与盘条之间的摩擦系数越大，笔尖越短。 针对微裂纹、夹杂物等显微缺陷在材料中客观存在的现实，研究了这些缺陷存在的安 全性问题。通过表面缺陷试验和芯部缺陷的有限元计算模拟，确定了其临界尺寸。研究结 果表明，18 6 0 m p a 级p c 钢绞线用热轧高碳盘条j l c = o 0 1 4 8 m p a m ，k l c = 5 7 6 m p a m 2 ； 热轧高碳盘条的最佳拉拔角约为8 。；对于相同尺寸的裂纹，j 积分值随着模具顶角的增大 而增加：当模具顶角小于8 。后，j 积分值变化较小，趋于一定值；j 积分值随着摩擦系数的 增大而增大；最终提出了“盘条的表面缺陷临界尺寸约为0 1 8 m m ，芯部缺陷l 瞄界尺寸为 3 0 1 a m - - 4 0 1 t m 左右”的判据，这一结果为小方坯连铸连轧生产18 6 0 m p a 级p c 钢绞线用热轧 盘条成套工艺的开发提供了重要的理论依据。 据此，在江苏沙钢集团的小方坯连铸连轧生产线进行了设备改造和工艺优化试验，取 得了良好的效果。结果表明，通过对成分、表面缺陷、夹杂物、成分偏析、显微组织等的 控制，采用小方坯连铸连轧高速线材生产线，可以生产出满足现代化拉丝生产装备要求的 1 8 6 0 m p a 级p c 钢绞线用热轧高碳盘条。其抗拉强度超过l1 5 0 m p a ，断面收缩率为3 8 4 0 ，拉拔断丝率为1 o 1 5 次1 0 0 吨。用户使用结果表明，其实物质量与日本产品相当。 截止2 0 0 3 年l o 月，江苏沙钢集团已生产销售1 8 6 0 m p a 级p c 钢绞线用热轧盘条约4 9 万 吨，全部用于替代进口，实现销售收入1 4 亿余元，销售利润3 6 亿余元。 关键词：1 8 6 0 m p a 级p c 钢绞线；小方坯；连铸连轧；高碳盘条：统计分析； 拉拔断丝率；笔尖状断口；表面缺陷；芯部缺陷；力学分析；有限元分析 a b s t r a c t a b s t r a c t a d v a n c e de q u i p m e n t sa n dt e c h n i q u ea r et h ea b s o l u t e l yn e c e s s a r i l yf a c t o r sf o ro p t i m i z i n gt h e n a t i o n a ls t e e li n d u s t r yt op r o v i d et h eh i g hp e r f o r m a n c es t e e lw i t hal o wc o s t f o rt h em e d i u mo r s m a l ls i z ew i r e s ，l i t t l eb i l l e tc o n t i n u o u s c a s t i n gh o t - c o n t i n u o u s - r o l l i n gp r o c e s s ( l b c c h c r ) i st h e b e s tw a yb e c a u s ei tc o u l dm a k ec o n t i n u o u sc a s t i n gb i l l e tt ob er o l l e da sp r o d u c t sw i t ho n eh e a t i n g t h e r ea r es e v e r a ll b c c h c rl i n e sp u r c h a s e di nc h i n ai nr e c e n ty e a r s ，b u tw ec o u l d n tp r o d u c e h i g hp e r f o r m a n c es t e e l t h er e a s o ni st h a tw eh a v en o tu n d e r s t o o di tv e r yw e l la n dd o n tk n o wh o w t ou s ei tm o r ee f f i c i e n t l y o t h e r w i s e ，t h el b c a r t e c h n i q u et op r o d u c eh i g hp e r f o r m a n c es t e e lw i t h al o wc o s tw o u l db ea n o t h e ri m p o r t a n tt e c h n i c a li m p r o v e m e n ta f t e rt h ec o n t i n u o u sc a s t i n gi n r e p l a c eo ft r a d i t i o n a lc a s t i n g a st h es l a p u ps t r u c t u r em a t e r i a l s ，18 6 0i v i p ap cs t r a n dw e r ew i d e l yu s e di nm o d e m c o n s t r u c t i o n ，l i k es k y s c r a p e r ，b r i d g e ，a n ds oo n h i g hp e r f o r m a n c ea n dl o wb r o k e nf r e q u e n c yi n d r a w i n g ( b f d ) w e r et h eb a s i cr e q u i r e m e n to fh i g h - c a r b o nw i r eu s e df o r 18 6 0m p ap cs t r a n dt o e n s u r et h eu n i n t e r r u p t e da n dh i g h l ye f f i c i e n tp r o d u c i n gp r o c e s s h i g h - c a r b o ns t e e lw i r ed e p e n d e d o ni m p o r t i n gb e c a u s eo fh o m e m a d ew i r ew i t hah i g hb f d w h e nt h eb f di sh i g h e rt h a n5t i m e s p e r10 0t o n ，i tw o u l db eu n s a t i s f i e dw i t ht h ed r a w i n gp r o c e s s b f di san e ws t a n d a r dp u tf o r w a r d b yp cs t r a n dp l a n t ，b u ti tc o u l d n tc h e c ku pb yr a n d o mi n s p e c t i o n h o wt oc o n t r o lb f do fh i g h c a r b o nw i r ei san e wp r o b l e mf o rn a t i o n a ls t e e lw o r k s t h e r e f o r e ，t h ep r o c e s so fl b c c - h c ra n dd r a w i n gp r o c e s si si n v e s t i g a t e di nd e t a i li nt h i s t h e s i s t h er e a s o nt h a tc a u s e dh i g hb f dw a ss t u d i e db yu s i n gt h em e t h o do fs t a t i s t i c a la n a l y s i s ， m o r p h o l o g i c a la n a l y s i s ，m e c h a n i c sa n a l y s i sa n ds y n t h e t i ca n a l y s i s a n dac r i t e r i o nw a se s t a b l i s h e d t oc o n t r o lf r e q u e n c yo f d r a w i n gf r a c t u r e s o m em a i nr e s e a r c hr e s u l t sw e r ea sf o l l o w i n g ： t h ed e f o r m a t i o no fm i c r o s t r u c t u r ea n dp e a r l i t eh a db e e ns t u d i e di nt h e p r o c e s so fw i r e d r a w i n gf r o m 13 m m t oo5 m m g r a i n sw e r er e f i n e di nt r a n s v e r s es e c t i o na n df i b r o u ss h a p e di n l o n g i t u d i n a ls e c t i o na f t e re i g h ts t e p sd r a w i n g t h et e n s i l es t r e n g t ho fw i r ew a si n c r e a s e dr a p i d l y w i t ht h ei n c r e a s i n go fd r a w i n gs t r a i n ，c e m e n ti a m e l l a et h a ti n i t i a l l yh a v er a n d o mo r i e n t a t i o n b e c a m ep r o g r e s s i v e l ya l i g n e da l o n gt h ed r a w i n ga x i s t h eb e u e ra l i g n m e n to fc e m e n t i t el a m e l l a e a l o n gt h ed r a w i n ga x i sw o u l dh a v et h eb e u e rd e f o r m a t i o na b i l i t yi nd r a w i n g d r a w i n gf r a c t u r e sm o r p h o l o g yw a si n v e s t i g a t e da n dc l a s s i f i e d s t a t i s t i c a lr e s u l t ss h o w e dt h a t d r a w i n gf r a c t u r ew a sc a u s e db ys u r f a c ed e f e c t so ri n n e rd e f e c t s c r y s t a l l i n ei m p e r f e c t i o n ，s e v e r e - i i i - 东南大学博士学位论文 u n d u l a t i o no fm o u l dl e v e la n dm o u l dp o w d e rw e r et h ep r i m a r yr e a s o nt os u r f a c ed e f e c t a n dt h e r e a s o n sl e dt oi n n e rd e f e c tw e r eh i g hi n c l u s i o nc o n t e n ta n dc e n t e r l i n es e g r e g a t i o n o nt h eb a s i so fm o r p h o l o g i c a la n a l y s i sa n dm e c h a n i c sa n a l y s i so fd r a w i n gf r a c t u r ep r o c e s s ，a “n i b b e dp e n c i lf r a c t u r e ”w a sb r o u g h tu p t h i st y p ef r a c t u r ei so r i g i n a l l yb e l o n g e dt ot e n s i o n f r a c t u r e ( c u pa n dc o n e ) t y p e i nf a c t ，i ti sq u i t ed i f f e r e n tb e t w e e nc u pa n dc o n ef r a c t u r ea n d “n i b b e d p e n c i lf r a c t u r e ”i ns t r e s s e ds t a t eo ff o r m a t i o na n df r a c t u r em o r p h o l o g y d r a w i n gf r a c t u r es h o u l d n o tb ea s c r i b e dt ot e n s i o nf r a c t u r e ( c u pa n dc o n e ) ，b u tn a m e d n i b b e dp e n c i lf r a c t u r e ”t h ef r a c t u r e m o r p h o l o g yo fn i b b e dp e n c i lf r a c t u r en o to n l ya f f e c t e db ym a t e r i a l ，b u ta l s ob yt h ea n g l eo f d r a w i n gd i ea n dt e c h n i c a lp a r a m e t e ri nd r a w i n g t h eg r e a t e ra n g l eo fd r a w i n gd i e ，t h el o n g e ro f n e b t h eh i g h e ro ff r i c t i o nc o e f f i c i e n tb e t w e e nd r a w i n gd i ea n dw i r e ，t h es h o r t e ro fn e b f o rm i c r o d e f e c te x i s t e di n e v i t a b l yi nm a t e r i a l s ，i ti sm u c hm o r ec o n c e r n e dt h a tw h a ts i z eo f t h e s ed e f e c t si ss a f e t yi nd r a w i n gp r o c e s s i n g f r a c t u r et o u g h n e s st e s ts h o w e dt h a tj l c i n t e g r a lo f h i g h - c a r b o nw i r ew a s0 0 1 4 8 m p a 。ma n dk i cw a s5 7 6 m p a m 1 比f i n i t ee l e m e n ta n a l y z er e s u l t s s h o w e dt h a tt h eo p t i m i z a t i o na n g l eo fd r a w i n gd i ew a sa b o u t8 。j - i n t e g r a li n c r e a s e sw i t ht h e i n c r e a s i n go ft h ea n g l eo fd r a w i n gd i ea n dt h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n tb e t w e e nd r a w i n gd i ea n dw i r e w h e nt h ea n g l eo fd r a w i n gd i ew a sl e s st h a n8 。，j - i n t e g r a lt e n d e dt oac o n s t a n t t h ec r i t i c a ls i z e s w e r e0 18 m ma n d3 0 p m 一4 0 p mf o rs u r f a c ed e f e c t sa n di n n e rd e f e c t sr e s p e c t i v e l y b a s e do nt h e s et h e o r e t i c a lr e s u l t s ，e x p e r i m e n t st oo p t i m i z et h et e c h n i c a lp a r a m e t e ro fl b c c h c rl i n e sw e r ec a r r i e do nb ys h as t e e lw o r kg r o u p ah i g hp e r f o r m a n c eh i g h c a r b o ns t e e lw i r e r o du s e df o r18 6 0i k , i p ap cs t r a n dw a sp r o d u c e db yl b c c h c rp r o c e s s t h et e n s i l es t r e n g t ho ft h e o b t a i n e dw i r ew a sm o r et h a n1 15 0 m p aa n dt h er e d u c t i o no fa r e aa tf r a c t u r ew a sa b o u t3 8 4 0 t h eb f dw a sa b o u t1 0t o1 5t i m e sp e r10 0t o n t h eq u a l i t yo fh i g hc a r b o nw i r ea sg o o da sm a d e i nj a p a n u pt oo c t o b e r2 0 0 3 ，h i g h c a r b o ns t e e lw i r eh a db e e np r o d u c e da n ds o l da b o u t4 9 0 t h o u s a n dt o n k e y w o r d s ： 18 6 0 m p ap cs t r a n d ；l i t t l eb i l l e t ；c o n t i n u o u s c a s t i n gh o t c o n t i n u o u s r o l l i n gp r o c e s s ( c c - h c r ) ； h i g hc a r b o nw i r e ；s t a t i s t i c a la n a l y z e ；m e c h a n i c sa n a l y z e ；b r o k e nf r e q u e n c yi nd r a w i n g ( b f d ) ； n i b b e dp e n c i lf r a c t u r e ；s u r f a c ed e f e c t ；i n n e rd e f e c t ；f i n i t ee l e m e n ta n a l y z e l v 右宙宙宙宙胄宙宙宙口宙宙亩宙宙宙宙宙宙宙口口宙留宙宙宙智青宙宙智宙宙宙宙宙智留守口口口宙宙霄宙宙宙宙宙宙宙青宙青宙青宙口口宙留留口宙钌胄亩宙留宙宙宙宙亩宙宙宙宙宙宙青宙智宙宙宙宙宙宙宙宙雷胄宙宙冒口宙智智看宙宙宙亩留宙智智青 导论 导论 科学与工程如何很好地结合，以提高我国的生产力，是一直困扰我国科技产业界的难 题。因此，从重大工程实践中提炼出基础理论研究课题、并将理论研究结果用于指导工程 实践已逐渐成为我国科技界的共识和国家科技政策的重要导向。 我国粗钢产量在1 9 9 6 年就首次突破了l 亿吨，2 0 0 2 年更是达到1 8 亿吨，成为钢铁大 国，与此同时，仍进口高性能钢材2 4 4 5 万吨，说明还远不是钢铁强国。 从九十年代起，我国进口了大量先进的生产设备，许多生产企业的生产装备水平已达 到九十年代国际先进水平，但一直未能开发出与之相配套的先进的生产控制技术，仍然是 高性能钢材依赖进口的局面，甚是可惜。先进生产设备的消化吸收、形成与之相配套高性 能优特钢的生产技术，以提高我国钢铁企业的竞争力，全面替代进口，是我国钢铁行业急 待解决的当务之急【l 2 捌! 在这样的大背景下，如何寻找适当的切入点，以点带面，为我国钢铁行业的发展做一 些有所裨益的研究工作是科研人员十分关心的事。笔者认为：开展这样的工作需要有两个 前提条件：一是对钢材品种的选择：或板材、或棒型线材等；二是企业的选择：具有代表 性的，且拥有先进生产设备而运行良好者。 如是，笔者注意到：高强度预应力混凝土( p c ：p r e s s i n gc o n c r e t e ) 用钢绞线作为第三代 高档建筑材料，被广泛应用于高层建筑、大跨度桥梁等现代化大型建筑中。其中1 8 6 0 m p a 级p c 钢绞线是已实现商品化钢绞线中强度等级最高的品种。对于这一重要的金属线材制 品，长期以来完全依赖进口。1 9 9 6 年以后，1 8 6 0 m p a 级p c 钢绞线基本实现国产化，但对 其原材料1 8 6 0 m p a 级p c 钢绞线用热轧高碳盘条却仍然依赖进口f l - s l 。2 0 0 0 年前 后，国内采用大方坯连铸生产出的1 8 6 0 m p a 级p c 钢绞线用高碳热轧盘条基本能满足力学 性能要求，但由于该生产工艺的成本偏高，其性能价格比无法与国外的产品相媲美。因 此，重要的钢绞线厂家仍主要依赖进口盘条。如何开发出高性能的优质盘条，就成为国内 线材生产厂家一项重要的攻关目标。 就中小规格线材而言，小方坯连铸连轧工艺技术因其无需开坯、热装热送、连轧和控 制冷却一气呵成，一火成材，较之目前通用的大方坯连铸连轧”二火成材”生产优质线材工 艺，其流程更短、成本更低，成为当今世界最具竞争力的生产工艺。但前者的质量控制难 度大，尽管国内在硬件装备上已引进多条具有国际先进水平的小方坯连铸连轧生产线，却 东南大学博士学位论文 因缺乏与之配套的生产工艺控制技术软件。目前，该短流程工艺只能生产中低档次的钢质 盘条，是为与国际先进水平的差距所在p j 。 若能将小方坯连铸生产的钢水纯净度、连铸坯质量等工艺控制技术加以提高和改进， 必将以绝对的性价比优势而全面替代当前占主流的优质盘条大方坯连铸连轧工艺，成为 “连铸连轧替代模铸”后的又一次重要的技术进步。 江苏沙钢集团有限公司是国内最大的电炉钢和优质线材生产基地，拥有具有9 0 年代国 际先进水平的9 0 吨超高功率竖式电炉、l f 精炼炉、六机六流小方坯连铸机、2 6 机架全连 轧s t e l m o r 无扭控冷高速线材生产线，配有在线测径仪、涡流探伤仪和红外线高温计，可实 现全过程工艺检测和控制。这些先进的生产设备，使沙钢生产出高质量的钢材成为可能。 江苏沙钢集团有限公司依靠科技进步，二十八年来一直运行良好。据w d s 对2 0 0 2 年全球 主要钢厂的竞争力评估，沙钢位居第1 1 位，具有很强的市场竞争力。 基于以上市场和工程背景，江苏沙钢集团有限公司、全国最大的钢丝绳生产企业 法尔胜集团有限公司和东南大学进行产学研合作，提出“采用电炉冶炼、小方坯连铸连 轧、斯泰尔摩控冷高速线材生产线生产1 8 6 0 m p a 级p c 钢绞线用热轧盘条”这一课题，旨 在满足现代化拉丝生产线对原材料性能要求的前提下，进一步降低成本，提高其性能价格 比，替代进口。本文正是在市场经济的大背景和这个充满活力的合作平台上，面对市场需 求和企业的需求，面向企业的高技术化而开展的。 本文得到江苏省“十五”重大科技攻关计划( 编号b g 2 0 0 0 0 1 1 2 ) 和江苏省自然科学 基金( 编号b k 2 0 0 1 2 1 5 ) 的资助，历时四年，以小方坯连铸连轧生产1 8 6 0 m p a 级p c 钢绞 线用热轧盘条的生产、拉丝过程为对象，在线研究了钢铁的冶炼、连铸、轧制，以及随后 的拉丝生产全过程，从中抽象出组织控制、笔尖状断口的形成等理论问题，并通过材料分 析、力学计算等手段加以研究。本文是产学研强强联合的结晶，其研究结果已成为指导小 方坯连铸连轧生产1 8 6 0 m p a 级p c 钢绞线用热轧高碳盘条的重要理论依据，并迅速地在企 业获得了应用，产生了良好的经济效益和社会效益。 一2 一 第一章绪论 第一章绪论 钢铁工业是世界工业化过程中最具成长性的产业之一，其具有很强的产业关联性，上 游影响交通运输、采矿、耐火材料等产业，下游影响建筑、汽车、造船、金属制品、机械 电子等行业。长期以来，钢铁工业一直是工业化国家最重要的产业之。 近年来，虽然整个现代化建设以传统原材料为基础的状况正在发生改变，有色金属合 金、塑料、陶瓷、复合材料等新兴材料发展迅速，在某些领域逐渐替代了钢材，但由于铁 元素蕴藏量丰富，钢的价格低廉、可回收性强等原囚，钢铁仍是基本的和产量最大的结构 材料。在工业发达的国家，钢铁工业仍是基础原料工业，如美国，其钢材的消费量仍占金 属总消费量的9 0 左右。而在我国，自1 9 9 6 年粗钢产量首次突破l 亿吨以来，2 0 0 2 年粗钢 产量达到了1 8 亿吨，而钢铁的表观消费量更是达到2 0 6 亿吨1 1 , 2 , 3 , 1 0 , 1 1 。 钢铁材料经过近现代的大发展，已经达到很高的水平。随着现代社会的发展，对材料 性能提出越来越高的要求，对于钢铁这一传统的结构材料，其高性能化也是必然趋势。 钢材的生产从最初的冶炼到最终的钢材，要经历一个长长的流程，是一个系统工程。 以目前广泛使用的1 8 6 0 m p a 级p c 钢绞线的生产过程为例，包括钢铁的冶炼、凝固成型 ( 模铸或连铸) 、高温形变( 高温轧制) 、控制冷却、冷形变( 拉丝) 、绞线、稳定化处 理等多个环节，任何一个环节中存在问题都会影响到最终产品的性能。 1 1 钢铁冶金的发展简史、现状及展望 1 1 1 钢铁冶金的发展史和现状 人类使用钢铁并进行冶金的历史可以追溯到3 0 0 0 多年前，长期以来，钢铁冶金是- - f - j 古老的技艺，其产品的质量和品种主要取决于工匠的技术和能力。即使到1 8 世纪中叶，工 业革命的兴起使钢铁市场有了巨大的需求，但由于人们对钢铁冶金尚未形成系统的理论认 识，钢铁工业的年产量始终未能突破1 0 0 0 万吨。 现代钢铁冶金始于1 9 世纪中叶，到1 9 世纪末2 0 世纪初，随着金属学、弹塑性力学、 凝固与结晶过程的理论建立和发展，热力学、传热学、流体力学、电磁学基本定理的确 定，现代冶金工业的理论基石得到了确立；进入2 0 世纪，钢铁工业得到了大发展。自2 0 世 纪3 0 年代以来，化学热力学应用于冶金领域，钢铁冶金的内在规律逐渐为人们所掌握；与 一3 一 东南大学博七学位论文 之相关的基础科学和理论，如动力学、熔体理论、凝固理论和结晶学、金属学、传热学、 弹塑性力学和流体力学及其数值计算方法等的不断发展，促进了钢铁冶金逐步走向工程科 学。同时，机械、电机、电子、自动化、计算机、制氧、耐火材料与固体电解质材料等相 关领域技术、装备和材料的发展，也为钢铁工业提供了先进的技术手段，加速了生产的现 代化。 第二次世界大战前后，钢一直是采用平炉、电炉和转炉冶炼的：随着深冷技术的实用 化，5 0 年代初出现了纯氧顶吹转炉炼钢( l d 法) ；2 0 世纪7 0 年代的能源危机，以及现代 化工业对材料高性能的要求，促使钢材向高性能化低成本方向发展，导致铁水预处理、炉 外精炼和连续铸钢等技术得到大力发展和推广。钢生产发展推动了其它行业的发展，推动 社会生产力的发展，推动社会进步；而工业的高速发展又反过来推动钢生产技术的进步， 使钢铁工业的发展日趋完善f 1 2 1 4 1 。 1 1 2 钢铁冶金的未来 未来炼钢方法将足以转炉和电炉为主，向整体高效化方向发展，而电炉将更加大功率 化和超高功率化，以充分发挥熔化废钢功能。钢铁的未来发展有如下几个方向： 1 ) 高性能化 作为人类社会发展的基础材料，钢铁产品的质量将在2 1 世纪得到巨大的提升。目前通 过提高钢铁的纯净度、微合金化、组织控制等手段，大大提高了钢铁材料的性能，而日 本、韩国和中国正在开展的超级钢研究项目，计划要使钢的强度或使用性能指标提高一倍 以上，并已取得了重大进展【1 5 - 1 刀。 2 ) 低成本化 钢铁的短流程生产是使整个生产流程更加合理化，实现过程低能耗和少物耗的途径之 一。目前正在深入研究的直接还原和熔融还原技术，高效单体熔炼一精炼技术，近终成形 技术，连铸连轧技术，控温控轧技术等将在2 l 世纪得到更广泛的应用。 连铸技术大大提高了钢铁冶金的生产效率和质量。连铸比已成为一个国家钢铁冶金技 术水平的指标。2 0 0 0 年，我国基本达到世界平均连铸比水平( 约8 7 ) ，而发达国家已达 到9 5 以上；预计2 0 0 3 年，我国的连铸比将达到9 5 t 1 8 , 1 9 1 。 3 ) 环保 钢铁工业对环境的影响程度已经成为约束其发展的主要原因之一。在评价可选择的未 来材料和工业技术时，环保和资源、能源消耗是仅次于成本而需要考虑的重要因素。目前 矿石的还原主要依赖碳，这就造成了大量温室效应气体c 0 2 的排放。探索钢铁冶金生产的 第一章绪论 新方法和新流程要达到绿色冶金和生产高性能钢铁产品的要求，就必须在理论的指导下， 开发钢铁冶金生产的新方法和新流程。2 l 世纪中叶，氢还原铁矿石的研究将成为热点，而 通过施加各种物理场来强化氢还原过程越来越得到冶金学家的重视1 2 0 - 2 3 】。 展望2 l 世纪，钢铁冶金将成为低能源消耗、低资源消耗和对环境友好的绿色工业，生 产超纯净、超细晶和超均质的高性能产品，而新技术、新工艺、新流程的开发应用则使钢 铁的生产过程更合理，资源环境更优化，产品质量更完美【2 6 1 。 1 2 连续铸钢 钢水的凝固成型有两种方法：传统的模铸和连续铸钢法。连续铸钢是把钢水直接浇铸 成钢坯的工艺。 1 2 1 连续铸钢的发展概况 液态金属连续铸锭的概念早在1 9 世纪中期就提出了，由于没有掌握其中的基本规律， 因此迟迟不能真正实现连铸生产。直到2 0 世纪3 0 年代，德国的j u n g h a r l s 首次实现了连铸 生产铜铝合金，使有色金属连铸得到应用。随着传输理论与凝固理论的突破性进展，2 0 世 纪5 0 年代，前苏联、英国、德国、加拿大、意大利等国家实现了钢的连铸工业化应用；进 入6 0 年代，连铸技术得到工业性推广；7 0 年代以后，连铸设备和工艺技术日益完善，包括 中间包、结晶器液面控制、电磁搅拌等技术的开发应用，连铸技术得到大发展；8 0 年代以 来，世界各产钢国连铸技术得到迅速发展；到1 9 9 1 年，全世界钢产量的平均连铸比已达到 6 2 9 ，其中有2 6 个国家连铸比超过9 0 。同时，连铸技术在特殊钢的生产中也得到广泛 应用，日本在1 9 9 1 年普通钢连铸比为9 8 6 ，特殊钢连铸比为8 1 6 ，其中不锈钢连铸比 几乎达到1 0 0 。 我国是连续铸钢技术发展较早的国家之一，早在1 9 5 7 年就开展了连续铸钢试验，1 9 5 8 年建成由徐宝升教授设计的首台立式双流连铸机，但在此后的二十年间，连铸技术没有得 到实质性的发展。为了改变我国钢铁行业全面落后的局面，八十年代以来先后引进了一批 连铸设备和连铸技术，并对引进先进技术和设备进行了消化、移植和改进工作。这些连铸 技术和设备的引进，促进了我国连铸技术的发展，我国1 9 8 0 年的连铸比仅为6 5 ，而到 2 0 0 0 年已达到了8 7 5 。 以连铸生产取代模铸是炼钢生产流程中的一次革命，而目前发展的近终成形连铸技术 则又是对传统连铸技术的一次重大革新。对于厚断面产品的近终成形连铸技术早已实现， 目前对于近终成形板带材生产技术正在进行开发应用之中，包括薄板坯连铸连轧工艺( c s p 工艺) 、薄板坯，液芯挤压一轧制工艺( i s p 工艺) 等1 1 s a 9 2 7 1 。 东南大学博十学位论文 1 2 2 连续铸钢技术的优越性 连铸技术大大提高了钢铁冶金的生产效率和质量，连铸比已成为衡量一个国家钢铁冶 金技术水平的重要指标。与传统的模铸相比，连铸有以下几方面的优越性2 7 , 2 9 ： 1 ) 简化工艺，缩短流程 模铸和连铸生产的生产过程如图1 1 所示。可以看到，连铸生产比模铸节省了脱模、钢 锭匀热、初轧开坯等工序。由此可节省基建投资4 0 ，减少占地面积3 0 ，减少劳动力 7 0 7 5 ，尤其是近年来发展的薄板坯连铸机的出现，还可进一步简化工艺流程。 回 圈回回寸园圈 图1 1 模铸与连铸生产的工艺流程图 f i g 1 1t e c h n o l o g i c a lf l o wd i a g r a mo f m o u l d e d o nc a s t i n ga n dc o n t i n u ec a s t i n g 2 ) 提高金属收得率 采用模铸工艺生产，从钢水到钢坯的金属收得率仅为8 4 8 8 ，而连铸工艺则可达 9 5 以上，提高金属收得率1 0 1 4 ( 其中板坯约为1 0 5 ，大方坯约为1 3 ，小方坯约 为1 4 ) 。若以提高金属收得率1 0 计算，对于年产1 0 0 万吨的炼钢厂来说，采用连铸工 艺相当于增加1 0 万吨的钢产量，由此带来相当可观的经济效益。 3 ) 降低能耗 钢铁工业是能源消耗大户，约占社会能源总消耗量的1 0 。从钢铁工业的发展方向上 看，降低能耗是钢铁工业生存和发展的关键所在。 采用连铸生产减少了钢坯开坯前的匀热过程，可降低能耗l 4 1 2 。若采用热送或直接 轧制工艺，则还可进一步降低能耗，缩短生产周期( 冷送3 0 h ，热送l o h ，直接轧制2 h ) 。 4 ) 生产过程机械化、自动化程度高 模铸生产以手工劳动为主，是炼铡生产中最落后的工序。对于高效的现代化炼钢生产 过程，模铸成了提高生产率的限制性环节。采用连铸技术，由于设备和操作水平的提高， 以及采用全程计算机控制与管理，连铸生产过程的自动化和智能化已成为现实。 6 第一章绪论 5 ) 连铸钢种扩大，质量提高 随着炉外精炼、连铸控制水平的提高，几乎所有的钢种均可以采用连铸工艺生产，而 且质量也很好。 1 2 3 小方坯连铸与大方坯连铸的比较 关于大小方坯的划分，目前还没有明确的规定，但一般把断面在1 6 0 m m 1 6 0 m m 以下 的方坯称为小方坯，而断面在2 4 0 m m 2 4 0 m m 以上的称为大方坯，二者之间的称为方坯。 十余年前，连铸小方坯主要生产一般用途的中、低碳钢，特殊用途的高质量线材用钢 基本上还采用模铸或大方坯经开坯二次加工而成，如预应力钢、轮胎钢、冷镦钢、轴承 钢、弹簧钢、易切肖钢等线材用钢。 采用大方坯生产线材的工艺路线如图1 2 所示；小方坯连铸连轧生产线材的工艺路线示 意图见图1 3 。 圈一回一回 回呻圈 图1 2 大方坯连铸生产线材工艺流程图 f i g 1 2t e c h n o l o g i c a lf l o wd i a g r a mo fb i l l e tc o n t i n u o u sc a s t i n g 圈骂回一圈 图1 3 小方坯连铸生产线材工艺流程图 f i g 1 3t e c h n o l o g i c a lf l o wd i a g r a mo fl i t t l eb i l l e tc o n t i n u o u sc a s t i n g 小方坯连铸连轧的工艺特点是： 节省初轧开坯工序，一火成材，可以大大节约了能源； 简化生产工序，缩短流程，可以节省人员开支； 由于无开坯精整工序，金属收得率提高1 0 以上。 一7 一 东南大学博士学位论文 大方坯连铸生产的工艺特点是： 初轧和精整工序可以大大提高连铸坯的表面质量： 初轧开坯时需匀热，轧制成小方坯后仍有一次加热过程，同时压下量较大，可以 更好地改善连铸坯的成分偏析等问题，但需二火成材。 就中小规格线材而言，小方坯连铸连轧工艺技术因其无需开坯、热装热送、连轧和控 制冷却一气呵成，一火成材，较之目前通用的大方坯连铸连轧“二火成材”生产优质线材 工艺，其流程更短、成本更低，但其质量控制难度更大。 近十年来，我国引进了多条具有国际先进水平的小方坯连铸连轧生产线，但因缺乏与 之配套的生产控制技术，难以生产出高性能优质盘条。若能改进小方坯连铸生产控制技术 ( 钢的纯净度、连铸坯的偏析等) ，其必将以绝对的性价比优势而全面替代当前占主流的 优质盘条大方坯连铸工艺，成为“连铸替代模铸”后的又一次重要技术进步。如何采用小 方坯连铸生产出高质量的钢材，是小方坯连铸生产厂家面临的机遇与挑战。 1 2 4 小方坯连铸生产的现状 随着炼钢和精炼技术的发展，钢水的纯净度得到很大的提高，而连铸技术包括保护浇 注技术、控制凝固等技术的发展和工艺操作水平的提高，使小方坯连铸生产的钢材质量得 到很大的提高，采用小方坯连铸生产出高质量线材用钢成为了可能。 经过大量系统的研究工作，国外对于连铸控制技术有了