连铸工艺与设备

1 1 连铸工艺与设备绪论 安徽工业大学材料学院2012 3 6 2 钢铁生产工艺流程 3 1 1连铸概论 转炉生产的钢水经过炉外精炼后需要铸造成不同类型和规格的钢坯 连铸就是将精炼后的钢水连续铸造成钢坯的生产工序 连铸概念 连铸为连续铸钢 CC ContinuousSteelCasting 简称 是将钢水用连铸机浇铸 冷凝 矫直 切割得到铸坯的工艺 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 在钢铁厂生产各类钢铁产品过程中 使用钢水凝固成型有两种方法 传统的模铸法和连续铸钢法 4 5 连铸主要设备包括 钢包 盛钢桶 回转台 中间包 罐 结晶器 一次冷却 结晶器振动机构 二次冷却装置 拉坯矫直装置 拉矫机 切割装置和铸坯运出装置等 6 马钢CSP连铸机主要装备示意图 7 从转炉或电炉初炼好的钢水注入钢包的同时进行脱氧合金化 然后运至钢包精炼站进行钢水温度和成分的调整 炉外精炼 1 2连续铸钢的工艺流程 将装有精炼好钢水的钢水包运至连铸平台回转台 回转台转动到浇铸位置后 将钢水注入中间包 8 中间包再由水口将钢水分配到各个结晶器中 结晶器使铸坯成形并迅速冷却凝固结晶 形成外表为凝固坯壳内部是未凝固钢水的铸坯 在结晶器下端出口处的凝固坯壳应有足够厚度 以保证内部钢液不流出来 钢液流出叫拉漏 9 随着拉坯辊缓慢地将带液芯铸坯从结晶器拉出 中间包内的钢水也同时连续地注入结晶器内 就可以得到很长带液芯铸坯 带液芯铸坯在二次冷却区喷水强制冷却 拉矫机与结晶振动装置共同作用 将结晶器内铸坯拉出 当拉到规定位置时 铸坯内部完全凝固 将铸坯切割成规定的尺寸 由出坯装置送后续工序 10 1 钢水包 2 中间包 3 振动机构 4 偏心轮 5 结晶器 6 二次冷却夹辊 7 铸坯中未凝固钢水 8 拉坯矫直机 9 切割机 10 铸坯 11 辊道 连铸机工艺流程 11 1 3连续铸钢的优越性 连续铸钢自问世以来便得到迅速发展 主要是由于与传统的 模铸 开坯 工艺相比 具有如下突出优点 1 简化了钢坯生产工序 缩短了工艺流程 节省投资 a 省去了脱模 整模 钢锭均热 初轧开坯等工序 b 薄板连铸机 又省去了粗轧机组 2 提高了金属收得率和成材率 由于在一个机组上连续浇铸出钢坯来 可以提高金属收得率达7 8 成材率提高10 15 成本可以降低约10 12 12 3 降低了能源消耗 据日本资料介绍 连铸的能源消耗仅为模铸工艺的13 5 20 8 4 生产过程机械化 自动化程度高 改善劳动条件 可以采用计算机自动控制 易于实现连续生产 5 提高铸坯质量 扩大品种 连铸坯断面比较小 冷却速度大 枝晶间距小 偏析程度小 尤其沿铸坯长度方向化学成分均匀 此外 除沸腾钢外几乎所有钢种均可以采用连铸工艺生产 而且质量很好 6 与轧钢衔接良好 13 早在19世纪中期美国人塞勒斯 1840年 赖尼 1843年 和英国人贝塞麦 1846年 就曾提出过连续浇铸液体金属的初步设想 并用于低熔点有色金属的浇铸 类似现代连铸设备的建议是由美国人亚瑟 1886年 和德国人戴伦 1887年 提出来的 1930年 铜和铝的连续铸造开始应用于生产 钢的连铸要困难的多 钢的熔化温度高 导热性差 不容易在短时间内形成足够厚的外壳 外壳很容易拉断 此时连铸机还不适合铸钢 1 4连续铸钢技术发展的概况 14 1933年德国人容汉斯建成一台结晶器可以振动的立式连铸机 并用其浇铸黄铜获得成功 后又用于铝合金的工业生产 结晶器振动的实现 不仅可以提高浇注速度 而且使钢液的连铸生产成为可能 因此容汉斯成为现代连铸技术的奠基人 15 40年代连续铸钢试验开发 在20世纪40年代 钢的连铸试验开发主要集中在美国和欧洲 容汉斯决定让美国罗西 I Ross 使用他的专利权 这对连续铸钢技术开发具有重要历史意义 二者分别在美国和德国独立进行连续铸钢试验工作 40年代连铸技术开发主要在结晶器上 曾出现固定不动结晶器 弹簧吊挂式结晶器和以容汉斯方式为代表的振动结晶器 目前 振动式结晶器已经成为标准的铸机模式 16 连铸技术的突破性进展 英国人哈里德 Halliday 提出的 负滑脱 Negativestrip 概念 在哈里德的负滑脱振动方式中 结晶器下振速度比拉坯速度快 铸坯与结晶器壁间产生了相对运动 真正有效地防止了铸坯与结晶器壁的粘连 钢连续浇铸的关键性技术得到突破 在容汉斯及罗西的振动方式中 结晶器下降时与铸坯无相对运动 哈里德的负滑脱方式中结晶器与铸坯有相对运动 有改善润滑 减轻粘结的优点 更便于实现高速浇铸 17 连续铸钢在20世纪50年代步入了工业生产阶段 但产量很少 1950年世界钢产量为1 9亿吨 而1960年达到3 4亿吨 连铸钢产量仅为115万t 连铸比仅为0 34 世界上第一台工业生产的连铸机于1951年在前苏联 红十月 冶金厂建成 是一台立式双流板坯半连续铸钢设备 用于浇铸不锈钢 1952年第一台立弯式连铸机在英国巴路厂投产 50年代开始步入工业化 18 进入20世纪60年代 弧形连铸机的问世使连铸技术出现了一次飞跃 相比较立式铸机 弧形铸机不仅提高了生产率 降低了设备投资 而且更有利于安装在原有的钢厂内 弧形连铸机的概念早在1952年德国人欧 萨波尔 O Schaber 就提出 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 世界第一台弧形连铸机于1964年4月在奥地利百录厂诞生 60年代弧形铸机引发革命 19 20世纪70年代 世界范围的两次能源危机促进了连续铸钢技术的大发展 提高了连铸机的生产能力 从而改善了铸坯的质量 扩大了品种 从世界范围看 1980年连铸钢产量已逾2亿吨 相当1970年产量的8倍 这种增长速度是事先没有料到的 其原因来自1973 1974年和1979年两次能源危机的推动 70年代能源危机推动连铸技术迅速发展 20 进入20世纪80年代以后 连铸技术日趋成熟 如开发了钢包精炼 钢液钙处理 电磁搅拌 结晶器液面自动控制 中间包冶金 结晶器冶金 结晶器在线调宽等一系列技术 连铸坯的热送 直接轧制及其相伴的无缺陷铸坯生产技术等 80年代连铸技术日趋成熟 21 连铸比的概念 连铸比 指连铸合格坯产量占合格钢总产量的百分比 合格钢生产量 合格连铸坯生产量 合格钢锭生产量 合格铸钢水生产量 连铸比是衡量一个国家或一个钢铁工厂生产发展水平的重要标志之一 也是连铸设备 工艺 管理以及和连铸有关的各生产环节发展水平的综合体现 1960年代末 世界钢产量的连铸比仅为5 6 到2004年连铸比为90 4 2005年我国钢铁产量约3 5亿吨 其中96 依靠连铸技术生产 22 1 4连续铸钢技术发展的概况 23 1 4我国连续铸钢技术发展概况 我国是连续铸钢技术发展较早的国家之一 早在20世纪50年代就已开始研究和工业试验工作 1957年上海钢铁公司中心试验室的吴大柯主持设计并建成第1台立式工业试验连铸机 1958年由徐宝升主持设计的我国第1台双流立式连铸机于重钢三厂建成投产 1964年6月24日由徐宝升主持设计的我国第1台方坯和板坯兼用弧形连铸机于在重钢三厂诞生投产 这是世界上最早的生产用弧形连铸机之一 24 为了学习国外的先进技术和经验 促进我国连铸生产发展 一些企业从70年代后期开始引进国外技术和设备 据统计 到1995年底我国运转和在建的连铸机已有300多台 其中自行设计制造的占80 由国外引进的只有70台左右 2005年我国的钢产量达到3 5亿吨 占世界的30 左右 为世界第一钢产量大国 连铸比96 以上 实现了全连铸化 连铸机1000多台为世界第一 25 26 我国连铸机台数为世界第一 但总体技术经济指标与国外先进水平差距较大 如吨钢能耗比日本高20 30 作业率低10 左右 成材率低9 左右 日本的中厚板连铸机拉速在2 3米 分 我们多数铸机在1 5米 分以下 为了尽快改变目前钢铁工业状况 迅速赶上世界先进水平 应从以下四方面着手 1 提高冶炼技术 2 采用先进的连铸设备 3 采用先进的工艺和操作技术 4 科学的管理 1 5连续铸钢发展概况总结 27 1 6连铸机概念 铸机的名称1 台数 凡是共用一个钢包 盛钢桶 同时浇注一流或多流铸坯的一套连铸设备 称为一台连铸机 2 机组 一台铸机中具有独立传动和工作系统 当其它机组出现故障时仍可照常工作的一套连铸设备称为一个机组 一台连铸机可以是多机组 也可以是单机组 28 3 流数 对于每台连铸机来说 同时能浇铸铸坯的总根数叫连铸机流数 凡一台连铸机只有一个机组 又只能浇铸一根铸坯叫一机一流 如能同时浇铸两根以上的铸坯叫一机多流 凡一台连铸机具有多个机组又分别浇注多根铸坯的 称为多机多流 一机多流与多机多流相比 设备重量轻 投资省 但一机多流如有一流出事故 可造成全机停产 且生产操作及流间配合困难 近年来 方坯最高浇8流 多数用2 4流 板坯最多浇4流 多数用l 2流 29 1 6连铸机型分类 从上世纪50年代连铸工业化开始 60年来连铸机发展经历了一个由立式 立弯式到弧形的演变过程 目前连铸机型采用最多的是全弧形和弧形带直线段 或者是立弯式 连铸机可以按照多种形式分类 1 按照连铸机结构外形或铸坯运行轨迹分 立式 立弯式 直结晶器多点弯曲式 直结晶器弧形 弧形 椭圆形和水平连铸机 30 连铸机型示意图 31 立式 立弯式 水平 椭圆形 弧形 直结晶器多点弯曲 32 立式连铸机浇铸 结晶凝固 二次冷却和切割等工序均在垂直线上顺序进行 立弯式铸机先是垂直的 待铸坯凝固后再弯90 成水平状切割运出 高度比立式有所降低 弧形连铸机把钢液浇到弧形结晶器内 沿弧形轨道运行 经过1 4圆弧后在水平方向出坯 设备高度比立弯式更进一步降低 在弧形连铸机的基础上进一步改进 就出现了椭圆形连铸机 水平连铸机目前正处于开发阶段 据不完全统计 目前世界上所建的连铸机中 立式占17 立弯式占21 弧形占55 其它形式占7 目前新建连铸机是弧形的最多 33 2 按照连铸机所浇铸断面大小和外形分 厚板坯 薄板坯 大方坯 小方坯 圆坯 异型钢坯及椭圆形钢坯连铸机和薄带连铸机等 方坯连铸机 通常把所浇铸断面或者当量面积 150 150mm以上为大方坯 断面 150 150mm为小方坯 板坯连铸机 铸坯断面长方形 宽厚比一般在3以上 圆坯连铸机 铸坯断面为圆形 直径 60 400mm 异型坯连铸机 浇铸异型断面如工字梁 34 板坯 圆坯 方坯 35 3 按钢水的静压头 单位重量流体所具有静压能 分 高头型 标准头型 低头型和超低头型连铸机等 静压力较大的为高头型连铸机如立式 立弯式连铸机 静压力较小为低头连铸机如弧形 椭圆和水平连铸机 4 连铸机按一个机组共用一个大包所能浇铸坯数分 台 机 流 单流或一机一流 双流或者一机二流或者二机二流 多机多流 5 按拉速分类有 高拉速和低拉速连铸机 主要区别在于 高拉速时铸坯带液芯矫直 低拉速时铸坯全凝固矫直 36 1 7立式连铸机特点 基本特征 连铸机主要设备如中间包 结晶器及其振动装置等均上下依次序排列在一条垂直线上 主要优点 非金属夹杂物易于上浮 铸坯四面冷却均匀 成分和夹杂物偏析较小 主体设备结构均简单 可省去一套矫直装置 占地面积小 设备紧凑 二次冷却装置和夹辊等结构简单 便于维护 铸坯在结晶凝固过程中 不受任何机械外力作用 高温铸坯无弯曲变形 铸坯表面和内部裂纹少 为获得高质量铸坯创造更有利的条件 适于优质钢 合金钢和对裂纹敏感钢种的浇铸 37 主要缺点 铸机机身很高 由此带来一系列问题 钢水静压大 极易使凝固坯壳产生鼓肚变形 从而导致铸坯质量恶化 机身高达20 40m 基建费用高 安装维修不方便 因不能把铸机高度增加过高 故只能低速浇铸 不能延长冶金长度 生产率低 随着生产率进一步提高 铸坯尺寸增大 拉速需加快 都使立式连铸机还要加高 其缺点会更加突出 发展受到严重限制 只适于浇铸小断面铸坯 38 1 7立弯式连铸机 基本特征 铸机机身上部都与立式铸机完全相同 在铸坯完全凝固后 经过弯坯装置将铸坯弯曲90o成水平 在水平位置矫直 切断成定尺 水平出坯 主要优点 完全保留了立式连铸机的主要工艺与铸坯质量高的长处 与立式相比 机身高度降低 节省投资 水平方向出坯 加长机身比较容易 可实现高速浇铸 有垂直段 铸坯内未凝固钢液中的夹杂物容易上浮且分布均匀 机身高度比立式低 钢水静压小 铸坯定尺长度不受限制 运送方便 二次冷却结构较简单 39 主要缺点 尽管铸机机身高度有所降低 但在铸坯尺寸进一步加大 拉速再提高时 铸坯的液相深度会越来越长 机身至弯坯前还是太高 同弧形连铸机相比 占地面积相当 厂房高度高 投资较大 铸坯要经过一次弯曲一次矫直 容易产生内部裂纹 只适于浇铸小断面铸坯 40 马钢CSP铸机简介 机型 立弯式连铸机顶弯半径 3 25m铸机冶金长度 9705mm中间包设计容量 36t结晶器断面 900 1600 90mm 72mm结晶器型式 漏斗型直结晶器结晶器长度 1100mm振动台 液压振动扇形段 4个 二冷为全水冷却拉速 铸坯厚度70mm 3 5m min 41 1 7直结晶器弧形连铸机 是奥地利联合钢铁公司和美国钢铁公司推荐的一种机型 主要用于浇铸板坯 采用直结晶器 在结晶器下有2 5m的直线段夹辊 带有液芯铸坯经过直线段后 被连续弯曲成弧形 然后把带有液芯的弧形铸坯矫直 再切割成定尺 1 在工艺上保留立式连铸机特点 有利于非金属夹杂物的上浮 适合于要求夹杂均匀分布高质量板 如汽车板 2 带液芯弯曲成弧形 使铸机又具有弧形机特点 设备高度低 投资少 3 采用连续弯曲和多点矫直技术可以保证铸坯在二冷区不产生裂纹 该机型关键技术 4 铸坯低倍组织对称性好 5 设备比全弧形铸机重 高度高 安装维护 调整难度大 42 1 7全弧形连铸机 全弧形连铸机的结晶器是弧形的 二冷装置和拉矫装置都布置在某一半径的一个圆的1 4圆弧上 铸坯在结晶器内凝固时就已弯曲 带液芯的铸坯从结晶器拉出来 沿着弧形轨道运行 继续喷水冷却 在四分之一圆弧处完成凝固 然后矫直并拉出送至切割站 43 1 7全弧形连铸机 主要优点 铸机高度低 投资少 应用广泛 坯壳承受钢水静压力小 可以减少铸坯鼓肚和内裂等缺陷 有利于改善铸坯内部质量和提高拉速 安装 维修对弧方便 主要缺点 铸坯弯曲矫直 容易引起内部裂纹 非金属夹杂物上浮条件不好 铸坯内夹杂物分布不均匀 非金属夹杂物容易在内弧聚集 最大缺点 内外弧冷却不均匀 低倍组织不对称 设备较为复杂 维修也较困难 44 弧形连铸机示意图1 钢包 2 中间包 3 结晶器 4 二次冷却装置 5 振动装置 6 铸坯 7 运输辊道 8 切割设备 9 拉坯矫直机 45 1 7超低头连铸机 又称为多半径连铸机或椭圆形连铸机 为了进一步降低连铸机高度 降低投资 将结晶器和二冷段布置在1 4椭圆弧上 分段依次改变圆弧部分曲率半径 此铸机除了弧形区采用多半径外 其基本特点与全弧形连铸机相同 46 主要优点 设备高度低 厂房高度降低 投资小 多次变形 每次变形量不大 铸坯质量好 钢液静压小 坯壳承受压力小不易鼓肚 质量好 主要缺点 结晶器内夹杂物不能上浮分离 且内弧集聚 拉坯阻力较大 连铸速度受到限制 拉速一般在1m min左右 断面厚度受限制 一般不超过200mm厚 多半径 连铸机对弧 安装 维修调整困难 设备较复杂 47 1 7水平连铸机 目前其工艺和装备在国外已较为成熟 正在向扩大钢种 断面形状和尺寸方向发展 主要特征 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 在浇铸过程中铸坯始终保持水平运动 不受弯曲或矫直 属无氧化浇铸 48 主要优点 高度最低 设备简单 投资省 维护方便 钢水静压力小 避免了铸坯的鼓肚变形 中间包与结晶器全封闭 实现无氧化浇铸 铸坯的清洁度高 夹杂物含量少 没有弯曲矫直产生裂纹的可能性 铸坯质量好 适合浇铸特殊钢 高合金钢 主要缺点 浇铸的铸坯断面小 它受拉坯时的惯性力限制 结晶器石墨套和分离环价格较高 增加了铸坯成本 49 1 8连铸机机型选择考虑