连铸设备82页-BD

1概述 1 1连铸过程钢水直接铸成接近最终产品尺寸的钢坯 这一想法经过一百多年的努力探索 终于使该技术在本世纪70年代开始大规模用于实际 并逐步形成了今天的连铸技术 主要设备由钢包 中间包 结晶器 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 1 2连铸的发展史 1 2 1早期尝试美国亚瑟 B Atha 1866年 和德国土木工程师达勒恩 R M Daelen 1877年 最早提出以水冷 底部敞口固定结晶器为特征的常规连铸概念 前者采用一个底部敞开 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 引锭杆垂直存放装置 1920 1935年间 连铸过程主要用于有色金属 尤其是铜和铝的领域 炼钢生产的大炉容量 高浇铸温度和钢本身比热低 这些在有色金属生产中未曾遇到过 一项最重要的开拓性工作是如何提高一台连铸机的浇铸能力 最关键的是浇铸速度 1913年 瑞典人皮尔逊提出结晶器以可变的频率和振幅做往复振动的想法 1933年德国人容汉斯 S Junghans 真正将这一想法付诸实施 振动结晶器的构想和付诸实施 不仅使浇铸速度提到一个较高的水平 而且是连铸技术成为通向钢铁领域发展的基石 从此 连续铸钢技术经历了 从本世纪40年代的试验开发 50年代开始步入工业生产 60年代弧形铸机的出现 70年代由能源危机推动的大发展 到80年代日趋成熟的技术和90年代面临新的变革 的60年历史发展历程 1 2 240年代连续铸钢的试验开发 在40年代钢的连铸试验开发主要集中在美国和欧洲 虽然振动式结晶器是钢得以顺利连铸的开创性的技术关键 但真正有效防止坯壳与结晶器粘结的突破性进展的技术贡献 应当归功于英国人哈里德 Halliday 提出的 负滑脱 概念 这有改善润滑 减轻粘结的优点 更便于实现高速浇铸 1 2 350年代开始步入工业化 初期的连铸设备大部分装在特殊钢生产厂 设备设计主要被容汉斯 罗西和原苏联包揽 机型主要是立式 50年代制造的40台连铸机中 有25 是立弯式 世界上第一台工业生产性连铸机是1951年在原苏联红十月钢厂投产的立式半连续式装置 它是双流机 断面尺寸180mm 600mm 作为连续式浇铸的铸机是1952年建在英国巴路钢厂的双流立弯式铸机 其生产断面尺寸为50mm 50mm和180mm 90mm的小方坯 1954年投用的加拿大阿特拉斯钢厂 Atlas 的方板坯兼用不锈钢连铸机 它可以生产一流的168mm 620mm板坯 也可以生产两流的150mm 150mm方坯 宽板坯铸机于1959年建在原苏联的新列别茨克厂 日本住友和罗西为新日铁光厂提供的世界上第一台不锈钢宽板坯连铸机在1960年12月投产 宽度为1050mm 在整个50年代 连续铸钢技术尽管开始步入工业生产 但产量很少 1960年的产量仅为115万吨 连铸比仅为0 34 1 2 460年代弧形铸机引发的一场革命 采用了弧形连铸后 连铸技术的应用才实现了一次真正的突破 不仅提供了生产率 降低了设备投资 而且更有利于安装在原有的钢厂内 1952年德国人欧 萨波尔提出弧形连铸机的概念早在来了 瑞士冯 莫斯于1956年也申请了同一思路的弧形连铸机专利 1960年中国的徐宝教授也设计了一台浇200mm 200mm方坯的弧形铸机 最先把弧形结晶器连铸机的设想付诸工业性试验的却是德国曼内斯曼公司 从全球来看 到本世纪60年代末 铸机总数已达200多台 尽管总的设备能力已近5000万t a 但实际上连铸钢的产量只有2600万t a 1 2 570年代两次能源危机推动了连铸技术迅速发展 经历了1973年 1974年第一次全球能源危机之后 积极采用连铸的势头更加强烈 1979年的第二次能源危机成为推动了连铸的飞速发展的主要动力 70年代连铸技术的大发展在不断改善产品质量和提高铸机生产率基础上取得的 而两次能源危机又正好为推动连铸的发展提供了客观契机 从本世纪70年代开始 日本异军突起 到1980年 日本连铸机数量已达156台 连续铸钢产量占钢总量的比例已超过60 而从世界范围看 1980年连铸钢产量已逾2亿吨 相当于1970年产量的8倍 1 2 680年代连铸技术日趋成熟 连铸已不再是一种 保密的工艺 普遍建立了人员培训和教育制度 预防性维护 钢包冶金的完善化有利于连铸的操作 结晶器自动调宽 流式结晶器液面控制 漏钢预报 中间包等离子加热等 1 2 790年代以后连铸技术又面临一场新的革命 目前所能预测的发展方向大致包括近终形连铸 尤其是薄板坯 薄带铸轧 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 1 3连铸机的机型及其特点 按结晶器是否移动可以分为两类 一类是固定式结晶器 包括固定振动结晶器 的各种连铸机 如立式连铸机 立弯式连铸机 弧形连铸机 椭圆形连铸机 水平式连铸机等 另一类是同步运动式结晶器的各种连铸机 这种机型的结晶器与铸坯同步移动 铸坯与结晶器壁间无相对运动 适合于生产接近成品钢材尺寸的小断面或薄断面的铸坯 如双辊式连铸机 双带式连铸机 单辊式连铸机 单带式连铸机 轮带式连铸机等 还可以按铸坯断面形状分为 方坯连铸机 圆坯连铸机 板坯连铸机 异型连铸机 方 板坯兼用型连铸机等 按钢水的静压头可分为 高头型 低头型和超低头型连铸机等 连铸机机型示意图 1 立式连铸机 2 立弯式连铸机 3 直结晶器多点弯曲连铸机4 直结晶器弧形连铸机 5 弧形连铸机 6 多半径弧形 椭圆形 连铸机 7 水平式连铸机 同步运动结晶器连铸机机型 1 双辊式连铸机 2 单辊式连铸机3 双带式连铸机 4 单带式连铸机 5 轮带式连铸机 立式连铸机 是20世纪50年代至60年代的主要机型 立式连铸机从中间罐到切割装置等主要设备均布置在垂直中心线上 整个机身矗立在车间地平面以上 采用立式连铸机浇注时 由于钢液在垂直结晶器和二次冷却段冷却凝固 钢液中非金属夹杂物易于上浮 铸坯四面冷却均匀 铸坯在运行过程中不受弯曲矫直应力作用 产生裂纹的可能性较小 铸坯质量好 适于优质钢 合金钢和对裂纹敏感钢种的浇铸 1 盛钢桶 2 中间罐 3 导辊 4 结晶器 5 拉辊 6 切割装置 7 移坯装置 立弯式连铸机 立弯式连铸机是连铸技术发展过程的过渡机型 立弯式连铸机是在立式连铸机基础上发展起来的 其上部与立式连铸机完全相同 不同的是待铸坯全部凝固后 用顶弯装置将铸坯顶弯90oC 在不同方向切割出坯 它主要适用于小断面铸坯的浇铸 弧形连铸机 是世界各国应用最多的一种机型 弧形连铸机的结晶器 二次冷却段夹辊 拉坯矫直机等设备均布置在同一半径的1 4圆周弧线上 铸坯在1 4圆周弧线内完全凝固 经水平切线处被一点矫直 而后切成定尺 从水平方向出坯 弧形连铸机的高度比立弯式连铸机又降低了许多 仅为立弯式连铸机的1 3 因而基建投资减少了 为了改善铸坯质量 在弧形连铸机上采用直结晶器 在结晶器下口设2 3m垂直线段 带液芯的铸坯经多点弯曲 或逐渐弯曲进入弧形段 然后再多点矫直 垂直段可使液相穴内夹杂物充分上浮 因而铸坯夹杂物的不均匀分布有所改善 偏析减轻 弧形连铸机机型示意图a 全弧形连铸机 b 多点矫直的弧形连铸机 多点弯曲 多点矫直连铸机机型示意图 椭圆形连铸机 结晶器 二次冷却段夹辊 拉坯矫直机均布置在1 4椭圆圆弧线上 椭圆形圆弧是由多个半径的圆弧线组成 其基本特点与全弧形连铸机相同 它又进一步降低了连铸机和厂房的高度 可为低头和超低头连铸机 低头或超低头连铸机的机型是根据连铸机高度 H 与铸坯厚度 D 之比确定的 连铸机高度是指从结晶器液面到出坯辊道表面的垂直高度 H D 25 40时 成为低头连铸机 H D 25时 则称为超低头连铸机 椭圆形连铸机机型示意图 水平连铸机 结晶器 二次冷却区 拉矫机 切割装置等设备安装在水平位置上 中间包与结晶器是紧密相连的 相连处装有分离环 拉坯时 结晶器不振动 而是通过拉坯机带动铸坯做拉 反推 停不同组合的周期性运动来实现的 高度最低的连铸机 设备简单 投资省 维护方便 结晶器内钢液静压力最小 避免了铸坯的鼓肚变形 中间罐与结晶器之间是密封连接 有效地防止了钢液流动过程的二次氧化 铸坯的清洁度高 夹杂物含量少 一般仅为弧形连铸机的1 8 1 6 1 4连续铸钢的优越性 简化了工序 缩短了流程省去了脱模 整模 钢锭均热 初轧开坯等工序 由此可节省基建投资费用约40 减少占地面积约30 劳动力节省约70 提高了金属收得率采用模铸工艺 从钢水到钢坯 金属收得率为84 88 而连铸工艺则为95 96 金属收得率提高10 14 降低了能源消耗采用连铸工艺比传统工艺可节能1 4 1 2 生产过程机械化 自动化程度高设备和操作水平的提高 采用全过程的计算机管理 不仅从根本上改善了劳动环境 还大大提高了劳动生产率 提高质量 扩大品种几乎所有的钢种均可以采用连铸工艺生产 如超纯净度钢 硅钢 合金钢 工具钢等约500多个钢种都可以用连铸工艺生产 而且质量很好 1 5连铸机的台数 机数 流数 台数凡是共用一个盛钢桶 浇注1流或多流铸坯的1套连续铸钢设备称为1台连铸机 机数凡具有独立传动系统和独立工作系统 当它机出现故障 本机仍能照常工作的一组连续铸钢设备 称之为1个机组 1台连铸机可以由1个机组或多个机组组成 流数1台连铸机能同时浇注铸坯的总根数称之为连铸机的流数 1台连铸机有1个机组 又只能浇注1根铸坯 成为1机1流 若1台连铸机有多个机组 又同时能够浇注多根铸坯 称其为多机多流 1个机组能够同时浇注2根铸坯的称为1机2流 2连铸机的主要设备 2 1连铸机的几个重要参数 1 规格的表示方法弧形连铸机规格表示方法为 aRb Ca 组成1台铸机的机数 机数为1时可以省略 R 机型为弧形或圆形连铸机 b 连铸机的圆弧半径 m 若椭圆形铸机为多个半径之乘积 也表示可浇铸坯的最大厚度 坯厚 b 30 36 mmC 表示铸机拉坯辊辊身长度 mm 还表示可容纳铸坯的最大宽度 坯宽 C 150 200 mm 例如 1 3R5 25 240表示此台连铸机为3机 弧形连铸机 其圆弧半径为5 25m 拉坯辊身长为240mm 2 R10 2300表示此连铸机为1机 弧形连铸机 其圆弧半径为10m 拉坯辊辊身长度为2300mm 浇注板坯的最大宽度为2300 150 200 2150 2100 mm 2 铸坯断面的尺寸规格小方坯 70 70 200 200mm2 大方坯 200 200 450 450mm2 矩形坯 150 100 400 560mm2 板坯 150 600 300 2640mm2 圆坯 80mm 450mm 3 拉坯速度 浇铸速度 拉坯速度是指每分钟拉出铸坯的长度 单位是m min 简称拉速 浇铸速度是指每分钟每流浇注的钢水量 单位是t min 流 简称注速 式中 钢水密度 t m3 a 铸坯宽度 m D 铸坯厚度 m 拉坯速度可用经验公式来确定 用铸坯断面确定拉速l 铸坯断面周长 mm A 铸坯断面面积 mm2 断面形状速度系数 m mm min 的经验值是 小方坯 65 85 大方坯 矩形坯 55 75 圆坯 45 55 用铸坯的宽厚比确定拉速D 铸坯厚度 mm f 系数 m mm min 铸坯断面形状 速度系数经验值 最大拉坯速度 限制拉坯速度的因素主要是铸坯出结晶器下口坯壳的安全厚度 对于小断面铸坯坯壳安全厚度为8 10mm 大断面板坯坯壳厚度应 15mm vmax 最大拉坯速度 m min Lm 结晶器有效长度 结晶器长度 100mm Km 结晶器内钢液凝固系数 mm min0 5 坯壳厚度 mm 4 圆弧半径 铸机圆弧半径R是指铸坯外弧曲率半径 单位为m 它是确定连铸机总高度的重要参数 也标志所能浇铸铸坯厚度范围的参数 可用经验公式确定基本圆弧半径 也是连铸机最小圆弧半径 R 连铸机圆弧半径 D 铸坯厚度 c 系数 小方坯取30 40 大方坯铸机取30 50 板坯铸机取40 50 国外 普通钢取33 35 优质钢取42 45 5 液相穴深度和冶金长度 液相穴深度是指从结晶器液面开始到铸坯中心液相凝固终了的长度 也称为液心长度 根据最大拉速确定的液相穴深度为冶金长度 冶金长度是连铸机的重要结构参数 决定着连铸机的生产能力 也决定了铸机半径或高度 铸机长度是从结晶器液面到最后一对拉矫辊之间的实际长度 这个长度应该是冶金长度的1 1 1 2倍 6 连铸机流数的选择 一台连铸机能够同时浇铸铸坯的个数称之为连铸机的流数 在生产中 有1机1流 1机多流和多机多流3种形式的连铸机 近年来 生产大型方坯最多浇注4 6流 实际生产中多数采用1 4流 生产大型板坯多数采用1 2流 n 1台连铸机浇注的流数 G 钢包容量 t v 平均拉速 m min 铸坯密度 t m3 t 钢包浇注时间 min 2 2钢包和钢包回转台 钢包的容量应与炼钢炉的最大出钢量相匹配 考虑到出钢量的波动 留有10 的余量和一定的炉渣量 大型钢包的炉渣量为金属量的3 5 小型钢包的渣量为5 10 另外 钢包上口还应留200mm以上的净空 作为精炼容器时要留出更大的净空 钢包通过滑动水口开启 关闭来调节注流的流量 滑动水口由上水口 上滑板 下滑板 下水口组成部分 如图1 4 靠下滑板带动下水口移动调节上下注孔间的重合程度来控制注流大小 驱动方式有液压和手动两种 长水口又称保护套管 用于钢包与中间包之间保护注流 避免了注流的二次氧化 飞溅以及敞开浇注带来的卷渣问题 目前长水口的材质有熔融石英质和铝碳质两种 2 3中间包及其运载设备 中间包简称中包 中间包是位于钢包与结晶器之间用于钢液浇注的装置 起着减压 稳流 去渣 贮钢 分流及中间包冶金等重要作用 中间包的容量是钢包容量的20 40 在通常浇注条件下 钢液在中间包内停留时间应在8 10min 才能起到上浮夹杂物和稳定注流的作用 为此 中间包目前是朝大容量和深熔池方向发展 容量可达60 80t 熔池深为1000 1200mm 水口与塞棒 水口直径应根据连铸机在最大拉速时所需的钢水流量来确定 Q 一个水口全开时的钢液流量 t h H 中间罐的钢液深度 mm d 水口直径 mm 中间包用塞头与水口相配合来控制注流 由于塞棒长时间在高温钢液中浸泡 容易软化 变形 甚至断裂 为提高塞棒使用寿命 一般用厚壁钢管作棒芯 浇注时在芯管内插入直径稍小的钢管引入压缩空气进行冷却 这对延长塞棒寿命有一定效果 也可以将塞棒作为中间包吹氩棒 这样不仅可以控制注流 还可以在一定程度上起到净化钢液的作用 中间包采用滑动水口 虽然有安全可靠 利于实现自动控制等优点 但机构比较复杂 尤其在装有浸入式水口的情况下 加大了中间包与结晶器之间的距离 增大了中间包升降行程 同时对结晶器内钢液的流动也有不利影响 浸入式水口目前除了部分小方坯连铸机外 都采用了浸入式水口加保护渣的保护浇铸 浸入式水口的形状和尺寸直接影响结晶器内钢液流动的状况 目前作用最多的浸入式水口有单孔直筒形和双侧孔式两种 双侧孔浸入式水口其侧孔有向上倾斜 向下倾斜和水平状三类 浇注大型板坯时可采用箱式浸入式水口 2 4结晶器 结晶器是连铸机非常重要的部件 称之为连铸设备的 心脏 钢液在结晶器内冷却初步凝固成一定坯壳厚度的铸坯外形 并被连续地从结晶器下口拉出 进入二冷区 结晶器应具有良好的导热性和刚性 不易变形和内表面耐磨等优点 而且结构要简单 便于制造和维护 2 4 1结晶器参数 1 长度作为一次冷却 结晶器长度是一个非常重要的参数 结晶器越长 在相同的拉速下 出结晶器坯壳越厚 浇铸安全性更好 然而 结晶器过于长的话 冷却效率就降低 目前世界上通常采用的结晶器长度有两种 即700mm和900mm 2 结晶器锥度由于铸坯在结晶器内凝固的同时是伴随着体积的收缩 因此 结晶器铜板内腔必须设计成上大下小的形状 即所谓的结晶器锥度 结晶器锥度分为宽度方向和厚度方向两种 宽度方向的锥度 结晶器宽度方向上的锥度比厚度方向上的锥度更为重要 因此 通常所说的结晶器锥度就是指结晶器宽度方向上的锥度 铸坯的收缩与拉速有关 从理论上讲 结晶器锥度应根据拉速变化而变化 3 结晶器宽度结晶器宽度的设定要考虑从液态钢液完全凝固以及冷却到常温所有收缩量 根据钢的成分以及连铸机型等因素 这种总的收缩取1 3 2 5 为宜 普通深冲钢可取1 5 2 4 2结晶器振动 结晶器振动在连铸过程中扮演非常重要的角色 结晶器的上下往复运行 实际机上起到了 脱模 的作用 由于坯壳与铜板间的粘附力因结晶器振动而减小 因而防止了在初生坯壳表面产生过大应力而导致裂纹的产生或引起更严重的后果 当结晶器向下运动时 因为 负滑脱 作用 可 愈合 坯壳表面裂痕 并有利于获得理想的表面质量 1 振动方式根据结晶器振动的运动轨迹可将振动方式分为非正弦振动和正弦振动两大类 非正弦振动使结晶器振动的速度变化较大 引起较大惯性力矩 对重要的零件和轴承产生很大负荷 正弦型振动以四偏心机构为首推 结构简单 运动平稳 零件寿命长等优点 2 振动主要参数 振幅 振动曲线半波的行程 或上下运行总行程的1 2 常用字母A表示 振频 单位时间内振动的次数 振动速度 即振动线速度 平均振动速度 即完整周期中振动速度的平均值 最大振动速度 振动周期中速度达到的最大值 负滑脱时间 即结晶器向下振动时 速度超过拉速的那一段时间 负滑脱率 通常用下式表达 3 振动参数的确定和控制早先的板坯机采用振幅为5 8mm 振频最大不超过120min 1 负滑脱率一般取40 采用高频小振幅 振幅一般为2 4mm 振频达到200min 1 负滑脱率取20 40 有特殊需要 振幅可进一步减小到1 2mm 振频最高可达到400min 1 2 4 3结晶器保护渣 保护渣的作用 绝热保温 防止氧化 吸收夹杂物 润滑和改善传热 1 绝热保温 防止钢液面结壳在高温钢液面上加入低熔点的保护渣 一般要求保护渣形成液渣层 烧结层和原渣层三层结构 保护渣三层温度 液渣层温度较高 同钢液温度相近 烧结层在800 900 C左右 原渣层400 500 C 加入保护渣后 钢水扩散的热量比裸露钢液散热小10倍 可以减少大量的热损失 防止结壳 2 隔绝空气防止二次氧化 3 吸收钢水中的夹杂物要求保护渣具有良好的吸收熔解夹杂物的能力 通过认为 粘度低夹杂物熔解速度增加 液渣的高碱度 低SiO2 Al2O3 高Na2O CaF2有利于提高夹杂物的熔解度 4 渣膜的润滑作用结晶器内钢水表面张力和铜壁的冷却作用 形成了向内弯曲的凝固壳 加之结晶器振动和气隙的毛细管的作用 可把弯月面上的液渣吸入坯壳与铜壁间的气隙形成渣膜 起润滑作用 5 改善结晶器传热结晶器内坯壳的收缩产生了气隙 使热阻增加 导致热流减少 如果气隙内充满均匀渣膜 气隙热阻减少将改善传热 凝固坯壳均匀生长 2 5二次冷却系统装置 二次冷却的作用是 带液心的铸坯从结晶器中拉出后 需喷水或喷气水直接冷却 使铸坯快速凝固 以进入拉矫区 对未完全凝固的铸坯起支撑 导向作用 防止铸坯的变形 在上引锭杆时对引锭杆起支撑 导向作用 直结晶器的弧形连铸机 二冷区第一段把直坯弯成弧形坯 采用多辊拉矫机时 二冷区部分夹辊本身又是驱动辊 起到拉坯作