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1、摘要绪论1.4 连续铸钢技术的介绍1.4.1 连续铸钢技术的发展连续铸钢技术发展已有150 多年，现已成为钢水造块的主体工艺。世界上先进的主要产钢国家的连铸比已达到95% 以上。近20 年来我国的连铸技术发展迅猛，在成熟的生产技术应用、新技术的开发、应用基础研究等方面发展的都很快，连铸机保有量和连铸坯产量已占世界第一。与我国钢铁工业在世界上的低位一样，我国是一个连铸生产大国，但不是一个连铸技术大国。我国连铸机类型齐全，从几毫米铸坯的线材铸机到宽度超过3m 的宽厚板铸机，从立式、立弯、直弧及弧形到水平连铸机都有。有代表性的主力机型、有直弧形大板坯铸机、弧形小方坯铸机、弧形大方坯铸机和立弯型薄板坯
2、铸机。近年来，我国在高效连铸、薄板坯连铸、特殊钢连铸方面取得了长足的进步。目前我国连铸机的设计作业率为80% 左右，实际作业率通常为60%90% ，有些连铸机作 业 率 已 超 过90% 。 板 坯 连 铸 机 的 浇 铸 速 度 一 般 为11.8m/min、 薄 板 坯 为45.5m/min、 120mmX120mm方 坯 为34.5m/min、 150mmx150mm方 坯 为23m/min 。至于设计产量，大型板坯或薄板坯连铸机为100 万 t/流、小方坯连铸机为12 万 t/ 流左右。某些小方坯的年产量已达到18 万 t/ 流。我国连铸生产水平与世界同类指标相当。今年，我国已引进了许
3、多薄板坯连铸连轧生产线。某些薄板坯连铸机的装备技术处于世界先进水平。在连铸新技术研究开发方面，进行了高效连铸技术、近终形连铸技术、电磁连铸技术、特殊钢连铸技术、连铸坯凝固控制技术和双辊薄贷连铸技术等方面的工作，许多连铸新技术的研究开发是在跟踪国际上的发展。目前，我国已能够自行设计制造各种类型的连铸机。但国内设计的连铸机往往都有国外样板。我国应用的连铸技术和铸机设计样板大多来源于国际知名公司。先进的新型连铸机都是从欧、美和日本进口。我国连铸技术与国际领先水平的差距主要在两个方面：应用同样顶级的技术装备不能稳定的生产顶级产品；连铸新技术的开发研究与生产应用之间的中间环节工程化的技术比较薄弱。我国开
4、发的薄板坯连铸机是先进的，也是成功的，但至今没有用其建成连铸连轧生产线，而高效连铸技术就具体技术内容也许并不很先进，但因为它工程化技术综合进行的好，所以取得了非常显著的成绩。双辊薄带连铸开发与国际领先水平的差距也主要在连续、连轧与自动化综合产业化上。一项新的技术的开发应用很大程度上取决于它与主体工艺流程的融合，主体工艺的工程设计者不愿意采用国内开发的关键技术，只信任外商的保证，而国内新技术的开发者又往往不具备整体工程项目的设计能力。在连铸技术发展过程中有几个里程碑：结晶器振动。结晶器振动完成了连续浇铸过程中的脱模，使连续铸钢真正得以工业化；铸机辊列技术的发展完善，现在的辊列设计方法大约成熟于7
5、0 年代，它是现代化大型板坯连铸机的基础；连铸直接扎制生产。连铸直接轧制综合了铸机轧机控制、无缺陷铸坯生产等几乎所有的相关技术，实现了钢材成形全过程的连续化。显然，里程碑式的连铸技术的发展是一个从简单到复杂、从单一到综合的过程。所有，复杂综合的连铸技术仍然是由相对独立的单体技术构成的。I.生产应用技术1结晶液面控制和自动浇铸应用放射线、电磁涡流等传感器监测液面以及带有控流棒或滑板的结晶器液面控制与自动浇铸系统已成为连铸机的基本配置。它已成为稳定工艺、保证铸坯表面质量、提高劳动生产率的重要措施。2. 铸坯矫直过去的弧形连铸机普遍采用单点矫直方式，全部的矫直变形都集中在矫直点处。由于刚刚凝固的坯壳
6、塑性很差，容易形成矫直裂纹，所以“全凝矫直”或“矫直前全凝”几乎成为定律。但是浇铸速度的大幅度提高使铸坯液心变得很长，人们不得不突破这一定律，寻求其他避免矫直裂纹的方法。多点矫直和连续矫直变形分配在几个矫直点上或整个矫直区域内，使矫直过程中发生了回复和松弛。从而保证不产生矫直裂纹。该技术在连铸机的设计和实际生产中都取得了良好的效果。3. 二次冷却控制连铸坯壳从结晶器中拉出时，其内部还有很多液心，需要进行喷水冷却，谓之二次冷却。二次冷却具有保证生产运行、提高生产率、提高铸坯质量、保护设备等重要作用。冷却介质可用水或汽水。现代连铸机按不同断面钢种设有多套冷却制度。在浇铸过程中分回路自动在线调控水量
7、，在线调控水量的方法可用静态水表法和二冷动态控制法。我国的二冷动态控制系统多随连铸机进口。国外厂商一般不公布其软件的核心，许多用户是花钱买“放心”，并不关心其中的技术问题。实际生产中，喷水管道、喷嘴的安装检修和水质的保证是二冷技术的基础。4. 在线调宽板坯连铸机在线调宽技术是提高生产率的重要措施。它可以用于结晶器锥度控制。我国进口的大板坯连铸机都装备这种系统。但由于我国板材规格的批量比较大，所以在线调宽的使用频率很低。5. 电磁搅拌电磁搅拌是利用感应电动机原理使导电融体流动的设备和方法。这种流动发生在铸坯液心里会有许多方面的作用：其一是均匀芯内钢水的温度；其二是将凝固枝晶带入铸坯内部，使其成为
8、等轴晶的凝固核心；其三是冲洗凝固前沿的富集溶质，最终在这一区域形成白亮带。所以电磁搅拌的冶金效果是扩大等轴晶区，减少中心偏析和皮下缺陷。早期的连铸电磁搅拌主要用在特殊钢连铸机的二冷区(S2EMS)。这种方法生成的白亮带很明显。近几年使用的电磁搅拌器大多安装在结晶器段(M2EMS) ,也有在二冷区(S2EMS)或凝固末端 (F2EMS)与 M2EMS 配合使用形成复合电磁搅拌的。设备结构较复杂的板坯连铸M2EMS及 S2EMS普遍用于不锈钢和硅钢的浇铸。6.粘结漏钢预报凝固坯壳粘结(悬挂 )在结晶器壁上时结晶器铜板的温度场会反映出特定的变化模式。因此用布置在铜板上的热电偶测量这种变化模式就可以预
9、报粘结漏钢的发生。但实际生产中情况非常复杂，连铸机的产量和压力都较大。漏钢预报系统的设置需要与特定的铸机及操作状况相适应。目前我国进口的大型板坯连铸机都装备有这种系统。7.凝固末端轻压下及液芯压下凝固末端轻压下是指在铸坯即将完全凝固时用外压力使之变形的工艺。板坯连铸机中轻压下可由原有辊列实现,方坯连铸机中由拉矫机或专用机架完成。凝固末端轻压下可以改善中心疏松或缩孔、减轻中心偏析。文献常常回避凝固末端轻压下的副作用,多认为其有利，实际上刚刚凝固的坯壳塑性很差轻压下时又很难保证每一点三向压应力的状态任一方向有拉应力都可能使铸坯产生裂纹。目前液芯压下技术主要用于薄板坯连铸机其基本作用类似于漏斗式结晶
10、器扩大结晶器熔池以便容纳浸入式水口同时浇铸出较薄的铸坯。II. 在开发技术1.结晶器电磁制动电磁制动是在结晶器设置电磁铁,使熔池内维持一个稳恒磁场。该稳恒磁场能够抑制熔池内的钢液流动,减少钢液面漩涡的形成，使结晶器内的钢液面趋于平稳。凝固坯壳内钢液流动过程稳定将减少钢流对坯壳的冲击,降低穿透深度,减少卷渣的可能,使电磁制动能适应薄板坯连铸的高拉速及窄液面。目前 ,国际、国内一些薄板坯连铸机装备了电磁制动系统，但是尚未见到有关电磁制动应用确切效果的报告。从上述电磁制动对钢液流场的作用可以推断它将影响结晶器内的温度分布进而影响水口的工作状态和保护渣的熔化。所以电磁制动的应用应与水口和保护渣的设计一
11、起综合考虑。2.结晶器非正弦振动及其液压驱动连续铸钢的工业化依赖于结晶器振动的引入。振动既可以产生脱模的作用,还会对坯壳产生拉应力和剪应力,有可能破坏脆弱的初生坯壳。根据粘滞流体摩擦原理,摩擦力反比于液体渣的膜厚度,而正比于坯壳与结晶器壁的相对速度。结晶器向上运动时与坯壳的相对速度最大 ,产生的拉应力也最大。为了降低结晶器向上运动时的最大速度,提出了非正弦振动方式。采用液压驱动方法更易于实现非正弦振动,还可以在线调控振幅和偏斜率。Man2nesmann Demag A G 曾经进行板坯结晶器液压驱动的正弦和非正弦振动工业试验,用振动位移2 驱动力迟滞回线方法测定了摩擦能量损失和摩擦力。实测结果
12、表明,频率和振幅对摩擦力的影响很明显,而实测的摩擦力未能反映出偏斜率的预期作用,即实测数据不能证明非正弦振动会削弱摩擦力。实际生产中 ,振动机构的平稳性远比驱动问题更重要。为了提高振动机构的平稳性,对机械连接形式、导向方式及驱动方式进行了大量研究和开发。研制出适用于板坯和方坯的各种形式的振动机构,如全悬挂的板坯 /方坯振动机构、方坯全板簧振动机构及方坯半板簧振动机构等。这些振动机构都着力减少关节轴承数目,减小磨损造成的偏摆,同时保持机构较好的刚性,确保其不因意外干扰而产生摆动或变形,控制振动负荷 ,并能长期稳定运行。3.连铸坯质量预报直接轧制、热送热装的发展提出了无缺陷铸坯生产和铸坯质量预报跟
13、踪的要求。连铸坯质量预报包括两个基本内容:判断各种缺陷产生的知识、经验等技术内容;用这些知识、经验与现实的生产状况进行对比,给出每一铸坯缺陷信息的自动预报系统。早期开发的连铸坯质量预报系统采用简单逻辑判断方法进行“思维”。如果实际生产过程的某项指标或几项指标的组合不符合质量要求,系统将认为相关的缺陷指标超标。后来发展了人工智能的连铸坯质量预报专家系统。现在的连铸坯质量预报系统一般具有自学习功能 ,它要求连铸机在正常生产条件下向系统回馈上千炉次的铸坯质量检验结果,“教”给系统判断的尺度。但是这种回馈学习过程在企业中很难完成。III. 应用基础研究1.熔池内的传输中间包冶金连铸中间包和结晶器熔池内
14、的流动、传热、凝固及夹杂物的行为是连铸过程中的基本现象。由于钢的熔点很高,这些基本现象的实验和观测都很困难。所以,实际研究过程中数值模拟和物理模拟成为最主要的方法。近年来,数值模拟计算的一个重要发展是对流动、传热和凝固现象的耦合处理。即:不仅要考虑流动对温度的影响和传热对凝固的作用,还要考虑温度不均匀引起的自然对流以及凝固对流动区域和粘度的影响。结晶器熔池的上表面也是模拟研究的重要对象,有人用数值模拟和物理模拟方法研究了液面的波动和卷渣等问题。对中间包的模拟研究集中在堰、坝和墙等的结构优化设计,希冀在中间包中去除较多的夹杂物。最近 ,将中间包钢水作为非等温流体的研究结果表明,钢水的自然对流会使
15、它像被合理的堰、坝结构控制一样,即钢水在中间包内的降温及由此引起的对流会使钢水合理流动 ,实际设置的堰、坝和墙等结构的作用不大。堰、坝和墙未改善提供夹杂物长大动力的湍流脉动条件,通过它们来降低夹杂物含量的潜力不大。2.弯月面区域内的诸现象弯月面区域包含了钢水、液渣层、凝固渣层、渣膜、凝壳和结晶器壁等对象,汇集了流动、传热、表面作用、凝固、应力应变、振动等现象。这一区域控制着渣膜、初始凝壳及振痕的形成,关系到坯壳的完整性、铸坯表面质量、浇铸速度和漏钢率等生产中的最基本问题。虽然固定式结晶器振动脱模这种传统连铸方法已经发展得很成熟,但对其最基础现象的认识还不够深入。Bikeman 方程可描述保护渣
16、和钢水表面作用下的弯月面形状。Takeuchi 提出了铸坯振痕的形成机理。Brimacombe等研究了方坯连铸结晶器与凝壳的相互作用,包括结晶器变形、凝壳收缩、摩擦及振痕形成等现象。那贤昭、邓元安研究了电磁约束作用下弯月面形状和初生坯壳的变化。颜慧成、杨文改研究了渣膜的润滑作用。3.两相区域内的诸现象与铝等金属相比 ,钢的导热性能差、密度大、凝固区间宽且浇铸速度高,所以连铸坯壳内有一个长长的“液芯”,而且这个“液芯”的大部分是两相区。两相区内的流动、传热、扩散与液相或固相中区别很大,而且更复杂。铸坯的偏析、疏松、缩孔和内裂纹都在这一区域形成。曾有人尝试将两相区的枝晶和液体按多孔介质处理来考察其传输现象。在半固态加工技术开发中对两相区的流变特性进行了较多的研究。所谓流变特性是指两相区固相率、晶体形态、表观粘度的关系。与连铸过程密切相关的两相区特征参数有零强度温度(对应的固相率约为013) 、零渗入温度、倾倒边界(对应的固相率约为0165 0173) 和零塑性温度。通常认为零塑性温度在固相线以下4050。但是 ,观察分析零塑性温度下的铸坯断口发现,此时
