金属凝固及连铸连铸发展概况

金属凝固及连铸连铸发展概况教学次数教学内容主题（topics）1课程介绍什么是凝固和连铸？学习目的；主要内容；课程大纲；课程要求。2凝固热力学-1液态金属结构；二元合金的稳定相平衡；溶质平衡分配系数；液-固相界面成分及界面溶质分配系数。3凝固热力学-24凝固动力学自发形核；非自发形核；固-液相界面结构；晶体生长方式。5单相合金的凝固凝固过程的溶质再分配；金属凝固过程中的“成分过冷”；界面稳定性与晶体形态；胞晶组织与树枝晶；微观偏析；固-液界面非线性动力学理论。6多相合金的凝固概述；共晶合金的凝固；偏晶合金的凝固；包晶合金的凝固。7凝固过程中液态金属的流动液态金属的对流；枝晶间液态金属的流动；宏观偏析；微重力场下的金属凝固特点。8铸件凝固组织控制铸件凝固组织的形成；等轴晶的晶粒细化；凝固组织中偏析及控制；凝固收缩及其控制。9连续铸钢发展概况金属凝固成形方式概述；连铸与模铸的比较；连续铸钢工艺流程简述；国外连铸发展过程和现状；我国连铸发展概况。10连铸设备连铸机型及特点；连铸机的主体设备。11连铸过程流体流动现象钢液的流动特点；浇注过程流动水力学；流动的物理模拟；流动的数学模拟。12连铸坯的凝固传热连铸坯的凝固冷却过程；结晶器内坯壳的形成；连铸坯凝固过程的热平衡；结晶器传热；二冷区的传热；连铸坯的凝固传热的数学模型。13连铸工艺钢水准备；中间包钢水温度控制；拉速确定和控制；铸坯冷却控制；提高连铸机作业率。14连铸保护渣保护渣的功能；保护渣分类、如何正确使用保护渣；保护渣与铸坯质量的关系。15连铸坯质量凝固组织；纯净度；表面质量；内部质量；形状缺陷；最终产品对连铸坯质量要求。16连铸坯热装、热送与近终形连铸热装与热送工艺流程和优点；发展概况；技术关键；热装与连铸连轧的高温冶金学问题；近终形连铸发展历史；薄板坯连铸；薄带连铸；长产品近终形连铸。第2页,共37页，2024年2月25日，星期天内容：金属凝固成形方式；连铸与模铸的比较；连续铸钢工艺流程及机型；国外连铸发展过程；我国连铸发展概况。第3页,共37页，2024年2月25日，星期天一、金属凝固成形方式成形方式：1、金属型铸造；2、砂型铸造：3、压铸；4、振动式连铸；5、移动式连铸；6、喷雾成形。

模铸连铸第4页,共37页，2024年2月25日，星期天去年世界钢产量15～16亿吨，连铸比95%以上。第5页,共37页，2024年2月25日，星期天二、连铸与模铸的比较（优点和缺点）1、连铸坯综合成材率高模铸：84～88%；连铸：95%以上原因：模铸切头切尾损失10-20%；连铸切头切尾损失1-2%。优点：第6页,共37页，2024年2月25日，星期天2、降低能耗采用连铸工艺比传统工艺可节能1/4-1/2。原因：省去开坯工艺。

模铸：钢锭→均热炉→初轧→连轧连铸：连铸坯→连轧第7页,共37页，2024年2月25日，星期天第8页,共37页，2024年2月25日，星期天3、简化工序，缩短流程模铸与连铸生产流程示意图第9页,共37页，2024年2月25日，星期天

4、连铸坯质量好于钢锭、品种扩大

原因：模铸凝固时间长，元素偏析显著；连铸坯断面小，冷速大，树枝晶间距小，偏析轻；目前，几乎所有的钢种均采用连铸工艺生产。5、易于实现机械化和自动化

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。6、占地少，易于实现规模化生产（诞生了大型钢铁企业）7、优化了钢铁生产流程（铁水预处理、炼钢、精炼）问题：1）漏钢；2）铸坯容易产生裂纹。第10页,共37页，2024年2月25日，星期天三、连续铸钢工艺流程及机型简述1、连续铸钢工艺流程2、连铸机类型第11页,共37页，2024年2月25日，星期天主要环节：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。1、连续铸钢工艺流程第12页,共37页，2024年2月25日，星期天连浇炉数：小方坯：349炉；大方坯：1129炉；板坯：1721炉。第13页,共37页，2024年2月25日，星期天2、连铸机机型分类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；另一类是同步运动式结晶器的各种连铸机。

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（薄板、中厚板及厚板）、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。第14页,共37页，2024年2月25日，星期天1、立式连铸机2、立弯式连铸机3、直结晶器带液芯弯曲和矫直连铸机4、全弧形连铸机5、超低头（椭圆形）连铸机6、水平式连铸机固定式结晶器类：第15页,共37页，2024年2月25日，星期天连铸机类型特点立式铸坯做垂直直线运动，不受强制性弯曲变性力作用，适合浇注裂纹敏感性强的钢；铸坯冷却均匀，非金属夹杂物上浮条件良好，钢的成分和夹杂物偏析较少；铸机高度大，钢水静压力大，铸坯的鼓肚变形较突出，不适合浇注大断面；机身高（30米以上），厂房高度大，投资大。立弯式铸坯由拉坯机拉出结晶器完全凝固后，被顶弯装置弯成弧形，然后在水平位置上矫直；保持了立式连铸机在垂直方向上进行浇注和凝固的特点；设备总高度有所降低，但变化不大，是连铸设备从立式向弧形发展中的一种过度机型。弧形直弧形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；有利夹杂物充分上浮和分布均匀；采用带液芯渐近弯曲成弧形，具有铸机高度低、建设费用低的特点；由于多了弯曲过程，容易引起铸坯外弧裂纹缺陷。全弧形结晶器和二冷段布置在1/4园弧范围内，铸机高度是立弯式的1/3，设备重量轻、投资省；钢水静压力小，因鼓肚变形引起的内裂和偏析减少；夹杂物分布不均匀，容易聚集在内弧，对钢水洁净度要求高。超低头结晶器、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（优点和缺点）与全弧形连铸机相同，不同是进一步降低了连铸机和厂房的高度，又称为低头（H/D=25-40）和超低头（H/D小于25）连铸机，投资更省。水平式结晶器水平安装，铸坯无弯曲矫直变形，适合特殊钢和高合金的浇注；以间歇式拉坯代替结晶器振动，铸坯容易生产深振痕、润滑困难，仅适合浇注200mm下方、园坯；不需要修建特殊厂房，设备费用低，投资小，但产量低、不适合大规模。六种连铸机特点比较第16页,共37页，2024年2月25日，星期天直结晶器带液芯弯曲和矫直机型

推荐的板坯铸机机型：第17页,共37页，2024年2月25日，星期天同步移动结晶器类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—轮带式连铸机与固定式结晶器比，移动式的特点：1）无相对运动，结晶器长，凝固系数高，拉速大；2）可与在线轧机实现连轧，能耗和生产成本低；3）设备简单、面积小，适合小规模生产；4）缺点是事故率高，表面质量难以保证。第18页,共37页，2024年2月25日，星期天小结：

1）连铸机机型发展是逐渐降低铸机高度，即经历了由立式、立弯式到弧形的演变过程；

2）弧形也经历了由全弧形、超低头到直弧形的转变；

3）铸坯的矫直由单点向多点直至连续矫直发展；

4）接近成品断面连铸，减低轧钢加工成本，简化工艺是努力方向。新机型发展原则：

建设投资、生产成本、铸坯质量、铸机生产率四者统一起来。第19页,共37页，2024年2月25日，星期天四、国外连铸发展过程和现状第一阶段：连铸由设想变为现实连续铸钢最初设想早期的尝试40年代试验第二阶段：工业化50年代工业化60年代弧形连铸机70年代能源危机80年代成熟推广第三阶段：90年代新革命第20页,共37页，2024年2月25日，星期天

钢水直接铸成接近最终产品尺寸的钢坯的想法是1856年由英国Bessmer提出。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。

1.1最初设想第一阶段：连铸由设想变为现实第21页,共37页，2024年2月25日，星期天1.2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。

第22页,共37页，2024年2月25日，星期天

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。1921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。第23页,共37页，2024年2月25日，星期天1.340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。

第24页,共37页，2024年2月25日，星期天连铸由设想变为现实的先驱者第25页,共37页，2024年2月25日，星期天

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。2.150年代开始步入工业化

第二阶段：连铸工业化第26页,共37页，2024年2月25日，星期天

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﹪。第27页,共37页，2024年2月25日，星期天

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.萨波尔最早提出弧形连铸机的概念。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年中国的徐宝陞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。

2.260年代弧形铸机引发的一场革命

第28页,共37页，2024年2月25日，星期天

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。

2.370年代两次能源危机推动了连铸技术迅速发展

第29页,共37页，2024年2月25日，星期天

◆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、结晶器液面控制、漏钢预报、中间包等离子加热等。2.480年代连铸技术日趋成熟

第30页,共37页，2024年2月25日，星期天

主要体现在：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。

90年代以后连铸技术又面临一场新的革命第三阶段：第31页,共37页，2024年