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连续铸钢

连续铸钢(continuouscasting)

简称连铸,使钢水不断地通过水冷结晶器,凝成硬壳后从结晶器下方出口连续拉出,经喷水冷却,全部凝固后切成坯料的一种铸造工艺。连铸是炼钢和轧钢之间的一道工序,连铸生产出来的钢坯是热轧厂生产各种产品的原料。连铸的设备如图1所示(以弧形连铸机为例),主要有钢包支承装置、盛钢桶(钢包)、中间罐、中间罐车、结晶器(一次冷却装置)、结晶器振动装置、铸坯导向和二次冷却装置、引锭杆、拉坯矫直装置(拉矫机)、切割设备和铸坯运出装置(见辊道和横向移送设备)等。生产中将共用一个盛钢桶同时浇铸一流或多流(见多流连铸)铸坯的一套连铸设备称为一台连铸机。连铸有多种分类方法,根据连铸机外形的不同,连铸可分为立式连铸、立弯式连铸、直弧形连铸、弧形连铸、超低头(椭圆形)连铸、水平连铸、轮(带)式连铸等;根据所浇铸的铸坯断面的不同,又有方坯连铸(见大方坯连铸和小方坯连铸)、板坯连铸、圆坯连铸、异型坯连铸以及薄板坯连铸和薄带连铸之分;根据拉速的不同,还可分为高拉速连铸和低拉速连铸;根据钢水静压头的不同,又有高头型连铸和低头型连铸。从20世纪50年代连铸工业化生产以来,连铸机的机型经历了一个立式、立弯式、弧形、超低头弧形的发展过程,图2示出80年代几种用于工业生产的连铸机机型简图,其中以弧形连铸机应用最广。

原理 凝固是在一定的过冷度和结晶核心存在的条件下,液态中无规则的原子集团转变为按一定规则排列的固体结晶体的过程。过冷度越大,结晶核心越多,结晶自发倾向就越大,结晶过程就越容易进行。从宏观上看,凝固是把液态金属储藏的显热和结晶潜热传输到外界,使液态转变为有固定形状的固体的过程。钢水在连铸机中的凝固主要是一个热量释放和传递过程,带液芯的坯壳边运行边放热边凝固,形成了液相穴相当长的铸坯(如图1所示)。以弧形连铸机为例,浇铸时把装有钢水的盛钢桶运载到连铸机上方,经盛钢桶底部的流钢孔把钢水注入到中间罐内。打开中间罐塞棒(或滑动水口),钢水流入到下口被引锭杆封堵的水冷结晶器中,钢液很快沿结晶器周边开始凝固成壳并和引锭杆粘结在一起。结晶器外壁通水冷却以加速钢水的凝固,同时结晶器上下振动以避免凝固壳与结晶器粘结,减少拉坯阻力。当结晶器下端出口处坯壳有一定厚度时,拉坯机带动引锭杆和芯部仍为液态的凝固壳以一定速度连续、均匀地离开结晶器,沿结晶器下方弧形辊道运行,已离开结晶器的坯壳立即受到来自结晶器下方的二次冷却装置的直接强制冷却,铸坯的结晶层也随之向中心区域推进。在全部凝固完毕或仍带有液芯的状态下铸坯被矫直,随后被切割成定尺长度的坯料。所得到的坯料可冷送或热送、热装至轧钢厂,亦可实行直接轧制。

与模铸相比的优越性 在连铸技术出现之前,钢水普遍采用模铸一开坯的工艺制造坯料,传统连铸、薄板坯连铸和薄带连铸与模铸的工艺流程比较如图3所示。与模铸相比,连铸具有以下5项优点:(1)简化生产工序。连铸省去了模铸的脱模、整模、钢锭均热和开坯等工序,可使基建投资节约40%,占地面积减少30%,劳动力节省75%,同时缩短了从钢水到坯料的周转时间。(2)提高金属收得率。连铸消除了模铸中注管和汤道的残钢损失,降低了切头切尾损失,可提高金属收得率10%~14%。(3)降低能量消耗。采用连铸省掉了均热炉的再加热工序,可使能量消耗降低25%~50%(吨钢能耗可节约(0.63~1.05)×106kJ);此外,提高成坯率也有间接节能效果。80年代连铸坯热送和直接轧制工艺的出现,进一步开辟了节能新途径。(4)铸坯质量好。模铸钢锭凝固时间长,元素偏析显著;而连铸冷却速度快,树枝晶间距小,浇铸条件稳定、可控性强,因此铸坯内部组织均匀、致密,偏析小,沿铸坯长度方向化学成分均匀,性能稳定。80年代中后期,采用连铸已能生产表面无缺陷铸坯,直接热送轧成钢材。(5)生产过程易于实现自动化,劳动条件大为改善。模铸铸锭车间劳动条件恶劣,手工劳动多,劳动强度大,是炼钢生产中最落后的工序,尤其对于氧气转炉的发展,铸锭已成为提高生产率的限制环节。连铸则因其自身设备和工艺的特点,易于实现机械化和自动化,劳动环境得到了根本性的改善。在80年代薄板坯连铸和薄带坯连铸技术出现之后,连铸的节能和简化生产工序的优点得到更充分的体现。

简史 世界连铸技术的发展大体上经历了4个阶段:早期探索时期、工业应用推广时期、现代连铸技术大发展和完善时期、高速连铸技术和近终形连铸(薄板坯连铸和薄带坯连铸)技术发展时期。

早期探索时期(20世纪50年代以前) 连续浇铸液体金属的设想是19世纪中叶由美国塞勒斯(G.E.Sellers)(1840年)、莱思(J.Laing)(1843年)和英国贝塞麦(H.BessemeI’)(1846年)提出的,由于当时技术条件的限制,只能用于低熔点有色金属(如铅)的浇铸。最早的类似现代连铸的建议是1887年由德国德伦(R.M.Daelen)提出的,在其设备中已经包括上下敞口的水冷结晶器、二次冷却段、引锭杆、夹辊和铸坯切割设备等装置。1933年现代连铸之父德国容汉斯(S.Jung hans)开发了结晶器振动系统,从而奠定了工业上大规模采用连铸的工艺基础。同年,容汉斯在德国建成一台使用振动结晶器的立式连铸设备,并用其浇铸黄铜获得成功,月产量达1700t。1936年铝合金的连铸也取得了成功。这样,从30年代开始,连铸工艺便进入有色金属的工业化阶段。但工业规模上实现钢的连铸要比有色金属困难得多,其主要原因是:钢的熔点比铝、铜高得多;钢的比热容较大,而导热系数较小,凝固速度较慢,不利于连铸;钢的生产规模也要大得多。1943年容汉斯在德国建成第一台浇铸钢水的试验性连铸机,提出了振动的水冷结晶器、浸入式水口和结晶器钢水面加保护剂等技术,为现代连续铸钢奠定了基础。第二次世界大战以后,世界各地相继建设了一些试验性和半工业性试验设备。1949年容汉斯在德国、阿勒德隆(AIleghengLudlun)公司在美国分别采用容汉斯振动结晶器系统在立式铸机上进行钢的连铸试验,1950年德国曼内斯曼(Mannesmann)公司按容汉斯振动结晶器方式投产了一台工业试验性立式连铸机,后来使用振动结晶器成为标准的铸机模式。

工业应用推广时期(20世纪50~60年代) 从50年代起,连铸开始用于钢铁工业。世界上第一台工业生产性连铸机是1951年在苏联红十月钢厂投产的立式半连续装置,但作为连续式浇铸的铸机是1952年英国巴路(BarrOW)钢厂建立的双流立弯式连铸机。50年代投产的连铸机多为立式、单流,建筑高度大,投资多,连铸速度难于提高,铸坯断面小而且主要为方坯,生产规模较小。但此期间出现了一些专门从事连铸技术开发的集团,对后来连铸技术的发展和推广应用起了很大的作用。60年代连铸技术进入工业性推广阶段,1963~1964年曼内斯曼公司相继建成了方坯和板坯弧形连铸机,这种机型较之立式连铸机高度低、操作方便,并能为工业上急需的热轧、冷轧带钢和厚板生产提供钢坯,很快就成为发展连铸的主要机型,对连铸的推广应用起了很大的作用。此外这时氧气转炉已用于钢铁生产,原有的模铸铸锭工艺已不能满足炼钢的需要,这也促进了连铸的发展。此期间还出现了旋转式圆坯连铸机、空心圆坯铸机和工字型异型坯连铸机。在英国的谢尔顿(Shelton)钢厂实现了全连铸(见连铸比)。

现代连铸技术大发展和完善时期(20世纪70~80年代末) 70年代由于国际能源危机的出现和连铸本身固有的节能优势,使连续铸钢进入迅猛发展时期。在世界粗钢产量一直徘徊在7亿t左右的情况下,连铸坯产量却持续增长(见图4)。连铸设备和工艺技术日益完善,先后出现了结晶器在线调宽、带升降装置的盛钢桶回转台、多点矫直、连续矫直、压缩矫直、气水喷雾冷却、连铸电磁搅拌、保护浇注、中间罐冶金、上装引锭杆、轻压下、多节辊、二冷动态控制、在线质量控制、共振结晶器、液面自动控制、漏钢预报等一系列新技术、新设备和新工艺,有力地促进了连铸机生产率的提高,保证了连铸坯的质量。此外,转炉复吹技术、超高功率电弧炉和各种炉外精炼技术的发展与应用,以及钢铁工业朝着大型化、高速化、连续化方向发展,都为连铸的发展创造了条件。80年代连铸进入完全成熟的全盛时期,在世界范围内连铸比以每年4%的速度增长,1998年全世界连铸比达83.3%,连铸已取代模铸成为占统治地位的浇铸工艺。连铸机设计、自动控制和铸坯质量都达到一个新的水平,从钢水的纯净化、温度控制、保护浇注、初期凝固现象对表面质量的影响,保护渣在高拉速下的行为和作用,结晶器综合诊断技术,冷却制度的最佳化,铸坯在凝固过程的力学问题,消除和减轻变形应力的措施以及控制铸坯凝固组织的手段等一系列冶金现象的研究;直到生产工艺、操作水平和装备水平的不断提高和完善,总结出完整的对铸坯质量控制和管理的技术。几乎所有的钢种都可以进行连铸,并逐步实现连铸坯热装轧制和连铸坯直接轧制。此期间一些工业发达国家已接近或基本上实现了全连铸化。

图4 70年代以来世界钢产量、连铸比增长图  纵坐标-钢产量/Mt 在几个产钢大国中,日本连铸发展最快,其生产能力和技术水平都处于世界领先地位,在1970年日本国连铸比不到10%,到1985年已突破90%,1997年达96.6%。原联邦德国连铸发展也较快,1987年其连铸比已达87.9%,1997年德国的连铸比达96%,其技术水平较高,尤其是设备设计及制造技术居世界领先地位。法国的连铸在80年代以后也在迅猛发展,1987年连铸比即达93.1%,仅次于日本。美国因拥有较大的初轧开坯能力,在70年代建设连铸机较少,发展较慢,自80年代以后加速了连铸的发展,到1990年连铸比已达67.1%,1997年达94.7%。前苏联是研究连铸较早的国家之一,60年代其连铸技术还处于世界领先地位,但它的炼钢设备以平炉为主,不适应连铸生产的特点,其连铸机又多为立式,生产能力较低,影响了连铸的发展,因此1985年以前连铸一直停滞不前,连铸比在10%左右,1997年属于前苏联的一些国家的连铸比也只有33.9%,远远低于世界平均水平。

高速连铸技术和近终形连铸发展时期(20世纪80年代末~90年代) 80年代中后期,以高质量、高温无缺陷铸坯生产为基础,实现高连浇率、高作业率、高拉速连铸技术迅速发展。为提高小方坯连铸机的生产率、降低生产成本,各国都设法消除结晶器坯壳与铜壁之间的气隙,改善传热,以提高拉速。为此提出了各种新型的结晶器。如康卡斯特(concast。)的凸型结晶器(Convexmould)、奥钢联(VAI)的钻石结晶器(Di arnold mould)、达涅利(Danieli)的自适应结晶器(Danam mould)。使用这些新型结晶器可使120mm×120mm方坯的拉速由2.8m/min增加到4.3m/min,150mm×150mm方坯的拉速由2m/mim增加到3.5m/min。

经过近30年的努力,连续铸钢已取代钢锭模铸。各国广泛采用厚度为150~250mm的连铸坯生产板材,但对市场需求量大的板带(中板、薄板)产品,仍存在加工量较大、能量消耗较高、生产周期较长、成本较高的问题,也即对连铸坯的厚度仍有进一步减薄的需要。因此开发浇铸更薄(50~70mm)的板坯、更高的浇注速度(5~6m/mim),使生产能力更具经济规模(80~150万t/a)的连铸技术,甚至开发从钢水直接浇成薄带的连铸技术,已成为世界钢铁界研究的热点。从1989年第一条薄板坯连铸连轧生产线投产以来,到90年代末已实现工业化生产的薄板坯连铸、连轧工艺有以下几种:紧凑式带钢生产工艺(CSP)、在线带钢生产工艺(IsP)、灵活薄板轧制工艺(FTSR)、连铸连轧工艺(cONROLL)、住友(Sumitomo)工艺(SMI)、蒂平斯(Tippens)带钢技术(TSP)、超薄热带工艺(uTHS)等。到1998年底全世界已投入生产或正在建设的薄板坯.连铸连轧生产线共30条,总生产能力为每年4192万t热轧带钢。其中CSP生产线18条,ISP生产线4条,FTSR生产线3条。1998年底,由新日铁和三菱重工共同开发的世界首套带钢直接浇铸设备在新日铁不锈钢事业部光钢铁厂开始工业化试生产,该工艺可将钢水直接浇铸成厚2~5mm、宽760~1330mm的钢带,铸速20~75m/min,从浇铸到卷取生产线全长68.9m。

中国连铸技术的发展 中国是世界上研究和应用连铸技术较早的国家之一,自50年代中期就开始进行连铸技术的研究。1956年重工业部的钢铁研究所曾在一台简单的半连续铸机上浇铸φ80mm圆坯,1957年当时的上海钢铁公司中心实验室吴大柯主持设计并建成了一台立式连铸机,浇铸断面尺寸为75mm×180mm的小矩形坯,这是中国第一台工业性试验连铸机。1958年底,一台由北京钢铁学院徐宝升教授主持设计的生产性立式连铸机在重庆第三炼钢厂投产。1964年6月由徐宝升教授主持设计的一台大型方、板坯兼用弧形连铸机在该厂投产,这也是世界上最早的工业生产用弧形连铸机之一。在中国早期设计的连铸机上,很早就使用了钩头式永久引锭杆、钳式结构拉矫机和大型机械液压剪,这些设备在当时都是比较先进的。但在世界连铸技术大发展的60年代末到70年代末,由于缺乏与世界的交流,未能及时有效地借鉴先进技术,中国连铸发展速度明显减慢,到1978年用于生产的连铸机只有21台,连铸坯产量112.70万t,连铸比仅为3.5%。1979年以来,冶金工业部把发展连铸作为重大技术政策,并在总结本国连铸生产经验的基础上,提出“以连铸为中心,炼钢为基础,设备为保证”的生产技术路线,促使中国连铸进入了新的发展时期。其后十余年里,引进了一批具有80年代先进水平的小方坯、板坯和水平连铸机。在引进的同时,原冶金工业部组织国内设计、科研、高等院校、设备制造厂家和生产厂家先后开展了小方坯连铸、板坯连铸、不锈钢连铸、合金钢连铸、水平连铸、高效连铸等技术的科研、设备和生产工艺攻关,积极消化移植国外技术,推进国产化进程。在此基础上,发展了一批具有现代化水平的方坯和板坯连铸机,使中国的连铸在80年代得到了很大的发展。连铸机台数、连铸坯产量、连铸比逐年上升(见图5),连铸机机型齐全,布局和产品结构日趋合理。连铸新技术不断推广应用,科研成果不断涌现,薄板坯和薄带坯连铸技术在此期间也取得重大阶段性成果。1985年出现了第一个全连铸钢厂——武汉钢铁公司(武钢)第二炼钢厂,该厂在发展连铸过程中积累的成果和做法曾为中国连铸事业的发展提供了样板。80年代末到90年代,宝山钢铁集团公司(宝钢)、鞍山钢铁集团公司分别投产了从日本引进的大型双流板坯连铸机,太原钢铁公司、上海第三钢铁厂分别投产了由奥钢联(VAI)引进的不锈钢板坯连铸机。其中宝钢的两台双流板坯机,在装备技术、操作水平、铸机作业率和产品质量等方面都可与国际水平相媲美。1996年10月开工的武钢三炼钢厂投产一台从西班牙引进的高度现代化的双流大板坯连铸机,成为中国第一家以全连铸方式投产的大型钢厂。1996年5月,珠江钢厂、邯郸钢铁总厂、包头钢铁公司三家企业引进德国西马克公司(SMS)CSF-薄板坯连铸连轧工艺协议签订,为中国的薄板坯连铸建设拉开了序幕。马鞍山钢铁公司也由康卡斯特公司引进一台近终形H型异型坯弧形连铸机,浇铸525mm×300mm×120mm和750mm×456mm×120mm两种异型坯。90年代中后期,中国高效连铸技术在方坯连铸领域取得突破性进展,广州钢铁公司150mm×150mm3流铸机拉速达     3.0m/min;首都钢铁公司120mm×120mm8流铸机工作拉速为3.0~3.5m/min;济南钢铁公司120mm×120mm4流铸机工作拉速为3.8~4.2m/mim,单流年产量达15万t。同时攀枝花钢铁公司220mm×1600mm的板坯拉速也取得了1.8m/min的高速浇铸的成果。

经过近30年的发展,中国连铸已取得很大成就,到1997年1月,已建成连铸机280台821流(连铸机数量居世界第一),其中板坯连铸机50台56流,方坯连铸机214台719流,其他类型连铸机16台38流,1998年生产连铸坯7883万t,连铸比达68.8%。但与世界先进水平相比,在设备、自动控制、工艺技术和品种质量等方面,中国连铸技术都还有较大的差距,需要进一步改善和提高。

发展趋向 连续铸钢技术自50年代步入工业化以来,以提高连铸生产率、改善连铸坯质量、降低连铸坯能耗、扩大连铸坯品种为宗旨的新技术不断涌现和发展。展望21世纪,所能预测到的发展方向大致包括:近终形连铸(尤其是薄板坯和薄带坯连铸)、高速连铸、高质量产品的连铸,以及与三者相关的低过热度浇铸、半凝固加工和过程与质量控制等技术。90年代虽有几种薄板坯连铸工艺相继付诸工业化生产,但在实践中都遇到各种各样的问题,尚在不断改进和完善之中。这些技术基本上都是源于传统连铸技术,从整个近终形连铸技术来说它们只是在当前技术基础上的中间过渡技术。近终形连铸的巨大节能、高效、低投资优势将推动其进一步发展,在21世纪初期薄板坯连铸技术可望逐步完善,并取代大部分传统连铸热轧、冷轧工艺。近终形异型坯连铸和薄带连铸技术也将进一步发展并进而完善。

高速连铸技术已是传统连铸发展的主流,围绕提高浇铸速度的低过热度浇铸、高效结晶器传热、结晶器电磁制动、高速浇铸用保护渣、非正弦振动、结晶器液面控制等技术今后将进一步发展,同时高速连铸技术的重点将由提高拉速转向不断扩展高速连铸钢种、提高铸坯质量。此外,随着各国经济的发展,对钢的清洁性、表面和内部质量要求特别严格的高质量钢种的需求越来越大,连铸这些钢种时必须采取相应的技术措施才能满足严格的质量要求,钢水的二次精炼是连铸高质量的首要前提,与高质量钢连铸相关的提高钢的清洁性、热轻压下技术、氧化物冶金、无弯液面浇铸、在线强制冷却等技术也将进一步发展。能生产无缺陷铸坯的电磁铸造技术,可使铸坯表面不需清理,连铸一连轧连续进行,从而节省大量能源,21世纪可能形成对其研究和开发的热潮。

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