连铸技术的发展.doc

内蒙古科技大学本科生课程论文题 目：连铸技术的发展学生姓名：学 号：专 业：09成型 班 级： 指导教师：邢淑清 17连铸技术的发展摘要：介绍了连铸的历史、发展、及其优点，主要阐述了连铸生产的相关技术及设备的应用;同时详细的介绍了高效连铸生产技术和最新连铸技术的发展。对连铸技术的发展进行了展望。关键词：连铸技术；连铸设备；高效连铸技术；发展现状Development of Continuous Casting TechnologyAbstract：The history, development, continuous of casting and its advantages is introduced in this paper. Mainly elaborated the continuous casting production technology and equipment application.Which detailed introduction of the high efficient continuous casting technology and the latest development of continuous casting technology. And On the development of continuous casting technology is discussed.Key words: Continuous casting technology; Continuous casting equipment;High efficient continuous casting technology.引言1858年,在钢铁协会伦敦会议上,首次提出“无锭浇铸”的概念。然而,直到20世纪40年代,该工艺才开始商业应用。因为钢的熔点和热传导性高,在此期间,研究者遇到了很多问题。首台投用的连铸机是立式的,装有一个带弹簧装置的结晶器。生产率低,常因金属粘结结晶器而发生漏钢。结晶器振动的概念由德国一非铁金属连铸的先驱提出,于1952年用于德国某钢厂的直结晶器立式连铸机上, 这是连铸工业化规模的开始。由于技术限制,多年内连铸技术只限于小钢厂,自1970年开始,连铸开始用于钢铁联合企业生产板坯。对凝固现象的科学合理的透彻理解,导致连铸快速增长。1 连铸技术1.1连铸技术简介连铸是把液态钢用连铸机浇注、冷凝、切割而直接得到铸坯的工艺。它是连接炼钢和轧钢的中间环节，是炼钢生产厂（或车间）的重要组成部分。一台连铸机主要是由盛钢桶、中间包、中间包车、结晶器、结晶器振动装置、二次冷却装置、拉坯矫直装置、切割装置和铸坯运出装置等部分组成的。连铸技术的应用彻底改变了炼钢车间的生产流程和物流控制，为车间生产的连续化、自动化和信息技术的应用以及大幅度改善环境和提高产品质量提供了条件。此外，连铸技术的发展，还会带动冶金系统其他行业的发展，对企业组织结构和产品结构的简化与优化有着重要的促进作用。1.2连铸工艺的优点钢液的两种成形工艺：模铸法和连铸法比较如图1所示图1 模铸与连铸工艺流程的对比图可以看出二者的根本差别在于模铸是在间断情况下，把一炉钢水浇铸成多根钢锭，脱模之后经初轧机开坯得到钢坯；而连铸过程是在连续状态下，钢液释放显热和潜热，并逐渐凝固成一定形状铸坯的工艺过程1。钢在这种由液态向固态的转变过程中，体系内存在动量、热量和质量的传输，相变、外力和应力引起的变形，这些过程均十分复杂，往往耦合进行或相互影响2。与模铸初轧开坯工艺相比,连铸工艺具有如下优点3：(1)简化了铸坯生产的工艺流程，省去了模铸工艺的脱模、整模、钢锭均热和开坯工序。流程基建投资可节省40，占地面积可减少30，操作费用可节省40，耐火材料的消耗可减少15。(2)提高了金属收得率，集中表现在两方面一是大幅度减少了钢坯的切头切尾损失；二是可生产出的铸坯最接近最终产品形状，省去了模铸工艺的加热开坯工序，减少金属损失。总体讲，连铸造工艺相对模铸工艺可提高金属收得率约9。(3)降低了生产过程能耗，采用连铸工艺，可省去钢锭开坯均热炉的燃动力消耗。可节省能耗1412。(4)提高了生产过程的机械化、自动化水平，节省了劳动力，为提高劳动生产率创造了有利条件，并可进行企业的现代化管理升级。1.3我国连铸技术的发展状况中国是世界上研究和应用连铸技术较早的国家,从20世纪50年代起就开始连铸技术的研究,60年代初进入到连铸技术工业应用阶段。但是,从60年代末到70年代末,连铸技术几乎停滞不前。1982年统计数字表明,世界平均连铸比为30%左右,而中国的连铸比仅为6.2%。80年代后,中国连铸技术进入新的发展时期,从国外引进了一批先进水平的小方坯、板坯和水平连铸机。80年代中期,中国拥有了第一个全连铸钢厂-武钢第二炼钢厂。近年来,中国连铸技术飞速发展。到2005年,中国除海南、宁夏、西藏外,其他各省(市、自治区)都有了连铸,连铸比已经达到了97.5%,目前,中国的钢铁冶金工艺水平达到了世界中上等水平4。2连铸生产及关键技术2.1连铸设备连铸机的发展大致经历了立式立弯式弧形超低头形水平等几个阶段。每种机型都各有其特点,有它最适应的范围,还没有一种机型可完全取代其他机型。目前, 连铸机除满足产量要求外,从生产率、铸坯品种质量、铸坯断面、降低连铸机高度、节省基建和设备投资等方面综合分析,弧形连铸机是被应用的主要机型3。但板坯连铸机的总趋向是用直弧型替代弧型,以消除或减轻铸坯内弧侧夹杂物的积聚问题。连铸生产所用设备通常可分为主体设备和辅助设备两大部分。主体设备主要包括:(1)浇铸设备-钢包运输设备、中间包及中间包小车或旋转台;(2)结晶器及其振动装置;(3)二次冷却装置-小方坯连铸机、大方坯连铸机和板坯连铸机有很大差别);(4)拉坯矫直机设备-拉坯机、矫直机、引锭链、脱锭与引锭子链存放装置;(5)切割设备-火焰切割机与机械剪切机等。辅助设备主要包括:(1)出坯及精整设备-辊道、推(拉)钢机、翻钢机、火焰清理机等;(2)工艺设备-中间包烘烤装置、吹氩装置、脱气装置、保护渣供给与结晶器润滑装置等;(3)自动控制与测量仪表-结晶器液面测量与显示系统、过程控制计算机、测温、测重、测长、测速、测压等仪表系统3。2.2连铸关键技术(1)钢包回转台的关键技术有:钢包加盖,单包升降系统,钢包称量系统,防氧化保护浇注系统,钢包下渣检测系统,钢包倾斜机构,长水口自动安装系统,钢水质量控制系统,钢水温度控制检测系统,钢包吹氩搅拌系统,回转驱动采用液压马达的新型驱动系统。(2)中间包及其烘烤装置的关键技术有:中间包大型化(已达4080t),中间包结构形状的优化、挡渣墙的设置和新型耐火材料的利用,钢水自动称量反馈系统,中间包冶金技术,采用陶瓷泡沫过滤器过滤各类夹杂物,热中间包循环使用工艺和设备,浸入式水口快速更换装置,滑动水口与浸入式水口组合使用及氩气密封,自动开浇工艺与系统,烘烤装置自动点火器,浸入式水口内部烘烤技术。(3)中间包车关键技术有:结晶器液面检测器安装机构,复杂紧凑的机械结构、电缆及管线走向设计,长水口自动安装机械手(被设计在中间包车上),中间包倾斜浇注技术(提高金属收得率)。(4)结晶器关键技术有:结晶器倒锥度,在线热状态调宽调锥度系统,结晶器在线停机调厚,高速浇铸时铜板冷却水高流速均匀传热冷却结构,涡流式、电磁式、同位素式、浮子式、激光式、超声波式等各种有效的液面检控系统,漏钢预报及热成像系统,结晶器铜板热面温度控制系统及最低进水温度控制,结晶器电磁搅拌和电磁制动,一个结晶器浇多流铸坯的插装式结构,结晶器铜板母材采用合金铜并镀镍铬、镍铁合金或镍钴合金(提高其高温抗变形的能力和耐磨性能), 浇铸宽板坯采用分段式结晶器足辊或高拉速时采用格栅支承结构,浸入式水口随板坯宽度和拉速变化而变化的最佳工艺特性,保护渣自动供给装置,保护渣的理化性能检测设施。(5)结晶器振动装置关键技术有:液压伺服振动机构(能在浇铸过程中改变振幅、频率和波形偏斜率),缓冲力的优化,高频率小振幅工艺的优化,振动体质量的最小化及板簧导向系统,外装式结晶器电磁钢流控制装置的支撑与运转机构,内装式结晶器电磁钢流控制装置的支撑机构,结晶器运动状况动态监视系统(主要监视摩擦力的变化),结晶器振动反向控制模型(拉速提高,频率降低,振幅提高)。(6)零号扇形段的关键技术有:调宽调厚装置及工艺设备参数,设备冷却、有效润滑及防漏钢设施,牢靠的定位与对弧调整功能。(7)积极采用连铸新工艺、新成果。引进薄板坯连铸技术、单晶连铸技术、连铸坯高温热送热装及直接轧制、水平连铸技术、铸坯的轻压下技术以及中间包冶金等技术,将对我国连铸甚至整个钢铁工业的发展起到重要的促进作用。3高效连铸生产3.1高效连铸作用3.1.1连铸坯产量大幅度提高从1989年到2001年我国连铸坯产量由1004万t增加到12 000万t以上，连铸比由163提高到875。如果只靠投资新建铸机，而没有连铸机的高效化，新建和原有铸机都是那样的低生产率，要想达到这样的总产量是不可想象的，无论资金投入、场地占用等许多方面都是难以承受的。高效连铸技术为钢铁行业的调整结构降低成本作出了贡献。3.1.2实现炼钢车间的炉机匹配我国的转炉车间炉容从几吨到200t都有小方坯生产。由于小方坯铸机生产能力低，3台转炉配4、5台甚至6台连铸机，匹配关系复杂混乱，工艺制度不能保证。这反过来又影响了铸机生产和铸坯质量。3.1.3经济效益实现高效连铸使各项技术指标提高，消耗下降，铸坯质量改善，可使企业降低成本节省投资，获得很大的经济效益。3.2提高连铸机生产率的途径 提高连铸机产量，主要是从提高连铸机拉速和提高连铸机作业率两方面着手。3.2.1提高连铸机拉速连铸机拉速的提高受出结晶器坯壳厚度、液相穴长度（冶金长度）、二次冷却强度等因素的限制。要针对连铸机的不同情况，对连铸机进行高效化改造。小方坯连铸机高效化改造的核心就是提高拉速。拉速提高后，为了保证出结晶器坯壳不漏钢，其核心技术就是优化结晶器锥度，开发新型结晶器，包括：Concast的凸模结晶器（CONVEX MOLD）；Danieli自适应结晶器（DANAM）；VAI的钻石结晶器（DIAMOLD）；Paul Wurth的多锥度结晶器。虽然结晶器名称不相同，但其实质就是使结晶器锥度与坯壳收缩相一致，不致于产生气隙而减慢传热，影响坯壳均匀性生长。目前，国际上小方坯铸机拉速达到的水平见图1和表1。图1 方坯尺寸与拉速关系表1小方坯铸机拉速名 称 断面/mmmm 拉速/m.min-1 结晶器型式 德马克 130130 4.0-4.3 抛物线 康卡斯特 150150 3.5 凸型 丹尼立 130130 4.3 自适应 VAI 115115 5.1 钻石 155155 2.9 钻石 小方坯铸机拉速的提高，表现为单流产量的提高。从世界连铸发展的历程来看，20世纪70、80、90年代连铸机的单流年产量分别为56、810、1516万t。我国钢材生产结构是长型材较多,板材比较低(约40%),反映在连铸机建设上是中小型钢厂建设小方坯连铸机较多。据统计,我国共建小方坯连铸机280台978流,年产量近6000万,平均单流年产量约为6万。与国外比较,连铸机生产率还较低。为提高连铸机生产率,从20世纪90年代以来,我国对旧有小方坯连铸机进行了高效化改造,如120mm120mm方坯拉速由2.0m/min提高到3.04.0m/min,150mm150mm方坯拉速由1.5m/min提高到2.53.0m/min。目前,我国不少钢厂的小方坯连铸机经过高效化改造后,单流年产量已达到1520万的国际水平5。3.2.2提高连铸机作业率提高连铸机作业率的技术有：（1）长时间浇注多炉连浇技术：异钢种多炉连浇；快速更换长水口；在线调宽；结晶器在线快速调厚度（只需2530min）；在线更换结晶器（小方坯）；中间包热循环使用技术；防止浸入式水口堵塞技术。（2）长时间浇注连铸机设备长寿命技术：长寿命结晶器，每次镀层的浇钢量为2030万t；长寿命的扇形段,上部扇形段每次维修的浇钢量100万t,下部扇形段每次维修的浇钢量300400万t。（3）防漏钢的稳定化操作技术：结晶器防漏钢预报系统；结晶器漏钢报警系统；结晶器热状态运行检测系统。（4）缩短非浇注时间维护操作技术：上装引锭杆；扇形段自动调宽和调厚技术；铸机设备的快速更换技术；采用各种自动检测装置；连铸机设备自动控制水平6。3.3提高连铸坯质量技术3.3.1提高连铸坯洁净度技术（1）连铸坯洁净度评价包括：钢总氧量TO；钢中微观夹杂物（50m）；钢中大颗粒夹杂物量（50m）。不同产品对钢中洁净度要求如表6所示。（2）连铸坯洁净度是一个系统工程。就连铸过程而言，要得到洁净的连铸坯，其任务是：炉外精炼获得的“干净”钢水，在连铸过程中不再污染；连铸过程中应创造条件在中间包和结晶器中使夹杂物进一步上浮去除。连铸过程钢水再污染，主要决定于钢水二次氧化、钢水与环境（空气、渣、包衬）相互作用、钢水流动的稳定性、钢渣乳化卷渣。（3）连铸过程控制钢洁净度对策：保护浇注；中间包冶金技术，钢水流动控制；中间包材质碱性化（碱性复盖剂，碱性包衬）；中间包电磁离心分离技术；中间包热循环操作技术；中间包的稳定浇注技术；防止下渣和卷渣技术；结晶器流动控制技术；结晶器EMBR技术。3.3.2提高铸坯表面质量的控制技术铸坯表面质量好坏是热送热装和直接轧制的前提条件。铸坯表面缺陷的产生主要决定于钢水在结晶器的凝固过程。要清除铸坯表面缺陷，应采用以下技术：结晶器钢液面稳定性控制；结晶器振动技术；结晶器内凝固坯壳生长均匀性控制技术；结晶器钢液流动状况合理控制技术；结晶器保护渣技术。3.3.3提高连铸坯内部质量的控制技术连铸坯内部缺陷一般情况在轧制时能焊合消除，但严重时会使中厚板力学性能恶化，使管线钢氢脆和高碳硬线脆断。铸坯内部缺陷的产生主要决定带液芯的铸坯在二冷区的凝固过程。要消除铸坯内部缺陷，可采用以下技术措施：低温浇注技术；铸坯均匀冷却技术；防止铸坯鼓肚变形技术；轻压下技术；电磁搅拌技术；凝固末端强冷技术；多点或连续矫直技术；压缩铸造技术7。4最新连铸技术的发展4.1近终形连铸技术的发展世界钢铁生产者开始寻求技术改进以扩展连铸的优势。1989年,德国供应商SMS首次在美国的一个小型钢厂纽柯钢厂安装了一台薄板坯连铸机。新设计了漏斗形结晶器,其它与传统连铸机相似。导致世界范围内薄板坯连铸机的商业化发展,其厚度范围在4070mm 之间,典型拉速为5.5m/min。薄板坯连铸机的成功并没有使钢铁工作者进一步寻求技术进步的脚步停止,其代表为R&D在贝西默的独创带钢连铸概念。1999年,钢铁巨头Nucor/BHP/IHI及Thyssen Krupp steel/Usino r/ VAI开始商业化推广他们的Cast rip工艺及Euro st rip 工艺,可以直接从钢水生产出带钢(见图2)。图2双辊带钢铸机在普遍采用的双辊带钢连铸工艺中,钢液倒入两个柜式旋转辊中。两个陶瓷侧板挤压装有钢液的铸辊的前面。钢壳在两个辊面间形成,熔融金属喂入弯月面。坯壳生长至两辊间的接触点(最窄点), 在这里两坯壳相接触,当它们通过铸辊时形成连续的钢带,从结晶器下面出铸机。至形成2mm厚的凝固钢带仅需0.4s。典型的铸速为40130mm/min,依赖于带钢厚度、铸辊尺寸和溶池高度。钢梁的首次近终形连铸是铸成“狗骨”形毛坯取代正方形或矩形截面,可生产的梁毛坯尺寸为(4801050)mm(355450)mm(120165)mm,铸速为0.452.5m/min,其轧制成本较低,生产率较高,能耗降低。4.2结晶器几何形状的演变结晶器是铸机的心脏,结晶器设计相应决定了铸速和生产率。为提高铸速和生产率,需要适当的结晶器几何形状,以提高热传输和降低结晶器摩擦。4.2.1厚板坯连铸机的直结晶器从传统的弧形结晶器到直结晶器的采用,保证在整个结晶器长度内铸流、坯壳与结晶器铜板的均匀接触。使坯壳快速均匀生长,降低拉漏危险。而且,非金属夹杂容易上升到熔池,保证铸坯的优良内部质量。4.2.2小方坯的多段结晶器多段结晶器对高速小方坯连铸降低漏钢率较为有效,它由一个主筒结晶器和与之相连的约320mm长的刚性第二段组成。第二段由4块固定在底板上的水冷铜板组成,通过一个支架和基板套在主结晶器的外面。连铸过程中,冷却板通过弹簧作用轻压铸坯,冷却板喷冷却水加快热传输,冷却水直接垂直喷射到小方坯盖板上。这种工艺中,铸速可达44.3m/min,高于传统有足辊结晶器连铸机的3.5m/min,而且,漏钢率也较传统铸机降低0.50%1.0%。4.2.3锥度结晶器锥度结晶器可用于大方坯/小方坯和板坯连铸机,抛物线结晶器的引入成为连铸历史的转折点。结晶器锥度依赖于钢种和铸速,结晶器设计上考虑铸坯在结晶器内的铸坯收缩,以使结晶器与铸坯接触,保证良好传热。在高速浇铸下,钢在结晶器内的停留时间非常短,因此,坯壳必须有足够的强度以承受液态钢水的静压力,为此,结晶器筒在不同段设计成多种锥度,主要考虑钢水收缩,保证钢坯与结晶器的良好接触。另一个发展方向是在板坯连铸机结晶器采用有导角的抛物线锥度,保证整个结晶器长度内铸坯与铜板直接接触,促进坯壳快速均匀生长。导角减小了结晶器摩擦,因此可减少铜板磨损。其应用可改善铸态组织、减少铸坯角部内部质量缺陷、降低侧边鼓肚。4.2.4小方坯铸机的结晶器长度对高速小方坯,提高结晶器筒长100200mm,使总长超过传统的900mm,提高钢在结晶器内的停留时间,从而提高坯壳强度。4.3结晶器振动的改进4.3.1液压结晶器振动理想的结晶器振动是充分利用结晶器优化设计的前提。液压结晶器振动采用二个液压缸控制伺服阀,每个伺服阀预先设定设置点,将结晶器设置成周期性振动。对伺服阀储存不同的设置点实现相应的振动速度曲线,正弦函数是基本的振动型式。不同速度曲线的振频和振幅不同,在浇铸过程中,铸速函数能自动与预设定的函数序列相适应。其优点包括:振动曲线、振幅、振频的在线控制,减少结晶器摩擦,减轻结晶器机械运动,减轻铸件振痕,提高操作安全和减少维护等。4.3.2板坯连铸机结晶器振动的三角模式结晶器振动利于保护最初形成的坯壳,需要一个合理的结晶器正向和负向振动以降低坯壳的拉应力,使结晶器润滑渣充分渗入并沿模壁铺展。在正弦振动中,主要问题是在每个振幅中,正滑脱时间较短,高频振动器使结晶器摩擦增大。为此,开发了三角模式振动,通过调整振动速度,使向上运动的时间长于向下运动,这种较长的正滑脱时间减少了结晶器与凝固坯壳的相对运动,因为负滑脱时间较短,可减小摩擦,降低振痕深度。4.3.3结晶器宽度调整在线液压结晶器宽度调整利于生产不同尺寸板坯,减小下线时间。该系统可提高连铸产品大纲的灵活性,提高生产率。4.3.4结晶器液面自动控制当前结晶器液面控制通常采用塞棒调整中间包滑板开闭进行。结晶器液面探测可采用放射性同位素,系统拥有一个PID( 比例微积分)控制器,可将液面实际控制信号与设定值相比较。控制器根据反馈结果输出信号促使伺服驱动开闭塞棒激励器。伺服驱动可控制塞棒位置, 控制精度通常为2mm。在自动开浇模式,按存储的时间曲线对结晶器进行设定,如果液面达到固定的设定值,自动从时间曲线控制切换到闭环控制。其主要优点是优良的表面/皮下质量,较轻的振痕深度和低一倍的漏钢率,因此提高了生产率。4.4电磁搅拌连铸坯组织为较外层柱状晶区为中心等轴晶区所包围, 柱状晶的长度直接受过热度影响,如图3所示。图3过热度对柱状晶和等轴晶量的影响为限制柱状晶区,中间包内钢水温度应接近液相线温度,EMS(电磁搅拌)能限制柱晶结晶,促进细小规则等轴晶形成。搅拌器的工作原理包括磁场的产生,磁场穿透凝固壳,在钢液中感应出傅科勒特电流。这种感应电流和磁感应产生一个电磁力,使液态金属产生运动。通过对流促进液固钢之间的热交换,消除残余过热,导致凝固前沿的热梯度减小,柱状晶生长条件不复存在。这些运动导致柱状晶枝晶重熔和断裂,形成更多的等轴晶。图4示出了电磁搅拌和未搅拌时等轴晶比例对比。图4电磁搅拌对晶粒的细化作用根据需要搅拌器可放于结晶器或结晶器之下。对大方坯/小方坯连铸机,EMS可提高表面/皮下质量,减少合金偏析、渣坑和针孔,其主要优点是通过增大等轴晶区提高内部质量,减少枝晶搭桥,阻止中心气孔和中心偏析。为进一步降低偏析,可在二冷区下部安装EMS,通过搅拌中心未凝固钢液,均匀成分,减少中心线偏析发生。搅拌器类型应根据浇铸产品的冶金要求和搅拌参数如强度、频率、磁场方向等进行选择,而且设计和位置应慎重考虑。电磁搅拌改变了弯月面形状,减慢了弯月面钢液凝固,导致弯月面附近液体流动。在板坯连铸中,一种AC和DC双重感应磁场技术被用于进行弯月面控制,另有一种改进的电磁搅拌闸用于控制结晶器自然流动形式。4.5轻压下大方坯/板坯连铸机轻压下的目的是减少铸坯的中心偏析。采用调整拉坯段的锥度,对出结晶器后的铸坯采用外加机械压力减轻中心疏松、偏析、化学成分不均匀性。通过阻止凝固搭桥,促进粘稠钢液运动,补偿热收缩。轻压下参数取决于铸机布置、铸速、钢的化学成分、钢水过热度及铸坯二次冷却。改进的动态辊缝调整技术可适应拉坯过程中浇铸参数的变化。4.6连铸自动化二级自动化系统能改善质量和提高生产率,连铸工艺和质量自动控制系统包括结晶器液面控制、铸坯锥度控制、速度控制数学模型、喷水冷却系统和长度切割优化等8。5发展趋势5.1进一步发展高效连铸技术(传统连铸技术的发展方向)9。高效连铸技术是指连铸机实现高拉速、高作业率、高连浇炉数及低拉漏率生产高温无表面缺陷连铸坯的技术。实现连铸高效化的前提是：及时为连铸机供应温度和成分均合格的钢水；完善自动检测的手段和电子计算机的联网控制；具有高质量的连铸用保护渣和耐火材料；操作人员具有熟练的操作技术等。实现连铸高效化，其核心是提高连铸机的拉速。而提高连铸机拉速，需要解决结晶器和二冷段的冷却效果、结晶器的液面控制及相关技术问题。5.2推广近终形连铸技术。主要包括薄板坯连铸技术、薄带连铸技术、异型坯连铸技术和喷雾成形等。与传统工艺相比，它主要具有工艺简单、生产周期短、能量消耗低、生产成本低、质量较高等优点。这些优点恰好弥补了传统工艺的不足。此外，利用薄带连铸技术的快速凝固效应可以获得一些难以生产的材料和新功能材料10。5.3液芯压下技术液芯压下又称软压下,是在铸坯出结晶器下口后,对带液芯的铸坯的坯壳施加挤压,使其减薄到目标厚度。根据液芯压下的终点位置又分静态压下和动态压下。液芯压下的终点位置不变,在一个扇形段内结束的称静态液芯压下。动态液芯压下是指根据钢种、过热度、浇注