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1、不锈钢板坯连铸机关键技术与设备特点摘要：通过不锈钢板坯连铸工程实例，分析探讨了目前我国不锈钢板坯连铸生产线上应用的新的连铸工艺 技术，不锈钢板坯连铸工艺技术的应用对不锈钢板坯连铸机总体设计的要求，对连铸机成套设备功能和配 置的要求。介绍了不锈钢板坯连铸机设备的设计特点和应用情况。一、前言二十一世纪以来，随着我国的不锈钢产品消费量急剧增长，不锈钢板坯连铸技术有了 很大的发展。不锈钢板坯连铸机在产品品种、生产规模、生产效率、工艺操作、铸坯质量 成套设备的改进、液压技术的应用以与自动化控制等方面都有了长足的进步，有的工厂的 不锈钢板坯生产已达到了无清理率，直接热送的工艺水平。不锈钢的凝固特性、凝固结
2、构、物理特性和高温力学性能有其特殊性，连铸生产过程 中控制不好极易产生铸坯表面裂纹、表面凹陷、内部裂纹和中心偏析等，由于不锈钢铸坯 冷却时内部柱状晶发达，轧制过程中钢板内部易产生内部裂纹而影响最终产品质量。不锈 钢广泛应用于食品与饮料业（餐具、厨房用具）、白色家电业（烤箱、洗衣机、微波炉、冰 箱、饮料自动售货机）、建筑业（隔板、楼梯扶手、支撑结构等）、运输业（车皮、卡车、 拖车、地铁车厢、电车、活塞环等）。它还具有很好的耐腐蚀性，可以在许多腐蚀环境中使 用。由于不锈钢的特殊用途，其内部和外部质量要求也非常高。本文着重对目前我国不锈钢板坯连铸生产线上应用的新的工艺技术，以与不锈钢板坯 连铸成套设
3、备的组成和技术特点进行研究和探讨。二、不锈钢板坯连铸生产线新技术的应用1 浇注全过程无氧化保护浇注不锈钢对表面质量的要求很严格，表面质量的好坏是判定产品质量最直观也是最重要 的一项指标。由于不锈钢钢水中含有多种合金元素如Cr、Mo、Ni、Ti等易氧化元素，高温 状态容易和空气中的氧气、氮气等发生反应生成夹杂等冶金缺陷。为了防止裸露的钢水和钢液面受空气氧化，影响钢水的质量，不锈钢板坯连铸机采用 浇注全过程无氧化保护浇注工艺。即采用大包长水口，保护大包到中间包的钢流；采用中 间包浸入式水口，保护中间包到结晶器之间的钢流。在中间包钢液面上覆盖碳化稻壳等中 间包保护覆盖剂，在结晶器内钢液面上覆盖结晶器
4、保护渣。另外在大包长水口、中间包水 口、事故闸板等接口处通Ar气进行密封。这样，从钢水包浇注到钢水流入结晶器，由大包 长水口、中间包覆盖剂、浸入式水口、结晶器保护渣等组成了一个完全封闭的体系，钢水 在浇注过程中完全隔断了与外界空气的接触，实现了浇注全过程完全无氧化的保护浇注。 起到了确保钢水的质量，稳定连铸生产的作用。2 钢包下渣检测不锈钢钢水中 CrO、AlO、TiO、TiN、Ti（CN）、（Cr-Al）O、（Mn-Ti）O 等高熔点物2 3 2 3 2 2 3 2 4 质多，采用钢包下渣检测技术，可有效的控制钢包的下渣量，从浇注源头上控制中间包钢水中的含渣量，提高钢水洁净度。减少中间包排渣
5、操作，避免水口堵塞，同时也减少对耐 火材料的浸蚀。钢包下渣检测常用的有电磁涡流式下渣检测和振动式下渣检测两种。电磁涡流式下渣检测是根据钢渣与钢水导电率的差异。由于钢渣的导电率约为钢水导 电率的 1/1000，所以当大包的钢水浇注接近终点时，钢水携带钢渣进入水口，水口含渣的 钢流的涡电流将发生变化，进而影响电磁场的改变。利用电磁感应的原理检测出钢水中含 渣量的百分数，并以声光报警的形式提醒浇注操作工与时关闭大包滑动水口或直接发出大 包水口关闭信号，来控制钢渣随钢水流入中间包的数量。振动式下渣检测是根据钢渣与钢水流动引起振动频率的差异。在浇注过程中，钢液从 大包经长水口流入到中间包，长水口保护套管
6、会产生较强的振动，由于钢渣的比重大约是 钢液的三分之一，由钢渣流动与钢液流动所引起的振动必然存在差异，因此，通过监测安 装在钢包长水口机械手支撑臂的振动测渣自增敏装置，能间接监测长水口保护套管内钢液 和钢渣的流动变化情况。3 中间罐连续测温采用中间包连续测温技术，对中间包钢水温度进行连续监测，为铸坯表面目标温度值 二冷动态控制系统提供重要操作参数。能够使连铸机生产稳定，是生产高质量产品的有效 保障。钢水连续测温系统采用的是黑体空腔辐射钢水连续测温技术，是由黑体空腔测温管、 钢水连续测温探头、钢水连续测温信号处理器和大屏幕显示器四部分组成，用黑体测温管 插入到钢水中感知温度，以专门设计的黑体空腔
7、辐射测温探头接受钢水温度相对应的红外 辐射信号，将信号输送到信号处理器，并根据在线黑体理论确定钢水的实际温度。可对 1400-1600C的钢水进行连续测温。4 结晶器自动加渣结晶器自动加渣系统可根据不同的生产情况，按照铸机拉速的变化自动调节保护渣加 渣量和加渣时间，保护渣加入均匀合理，减少用量，提高润滑效果，提高铸坯表面质量。自动加渣系统利用 PLC 中央控制加渣系统，通过调整加渣间隔时间与吹渣时间来控制 加渣量与加渣周期。系统渣料斗的保护渣由连接管道到达受控气动阀，由现场操作箱与电 磁阀控制气动阀的开关时间，从而控制加渣量。加渣电磁阀在通电状态气动阀关闭下渣管 道，加渣电磁阀断电后气动阀打开
8、下渣管道，保护渣由渣料斗自由下落进入吹渣管。加渣 电磁阀通电与断电时间由现场操作箱上的转换开关控制，加渣阀通电后下渣管道重新关闭 此时，吹渣电磁阀通电开始吹渣，利用氮气将保护渣由吹渣管均匀吹入结晶器上口液面， 通过调整出渣口外形与位置以保证渣均匀吹入。满足各钢厂、任何钢种对添加保护渣的要 求，大大提高钢的质量并降低工人的劳动强度。5 结晶器液面自动控制结晶器液位的控制采用的结晶器液面自动检测与中间包塞棒机构的控制系统，控制结 晶器内钢水的液面。结晶器液面检测系统采用电磁涡流型钢水液面检测仪，可精确地检测 出结晶器内的钢水液位，并实时把探测得到的液面信号传给PLC控制系统。PLC系统将实 测液位
9、与设定液位相比较，综合塞棒开度和拉速信息，给出适当的调节量，通过执行机构 数控电动缸驱动塞棒启闭机构，调节塞棒机构的开启程度，进而控制中间包流入结晶器 内的钢水流量，使结晶器内钢水的液面在较小的范围内波动，结晶器的液面波动控制范围 在3mm以内，以保证结晶器内钢水液面的稳定。由于结晶器内钢水液面的稳定，避免了钢水上下较大幅波动时所易造成的挂钢、卷渣 等现象的出现，同时稳定结晶器内的钢水流场，有利于夹杂物上浮，提高铸坯的内部与表面质量。尤其可以减少铸坯的表面缺陷，减少铸坯的表面精整率，提高金属的收得率。6 结晶器漏钢预报不锈钢钢水粘度大，一旦发生漏钢，处理起来非常困难，严重影响连铸生产，造成设备
10、损失。漏钢主要有以下几种形式：在结晶器液面附近，初生的凝固坯壳与铜板粘结， 当结晶器往上振动和铸坯下降时，粘结处的铸坯壳被拉断，此时，钢水虽流入断处形成新 的凝固壳，但凝固壳较薄。结晶器反复振动，此处凝固壳就将时断时连，并随铸坯往下移 动，这样铸坯出结晶器就会出现漏钢。这种漏钢称之为粘结性漏钢。结晶器冷却不均匀; 使得凝固壳厚薄不一，在薄处易产生裂纹或者由振动痕迹引起裂纹，出结晶器后，在裂纹 处漏钢。这种漏钢称之为裂纹性漏钢。未熔化的保护渣或其他夹杂物嵌在凝固坯表面， 出结晶器后由于钢水静压力作用，在夹杂物位置处漏钢。这种漏钢称之为夹杂物漏钢。粘 结性漏钢在漏钢中所占的比例最大。采用结晶器漏钢
11、预报系统可有效地减少漏钢事故，保证连铸生产稳定。结晶器内装有 漏钢预报装置，一旦发生坯壳与结晶器铜板的粘连，该装置发出报警信号，人工判断后， 手动或自动降低铸机拉速，防止拉漏。在正常生产时，结晶器下部存在气隙，铜板温度从 上端至下端是下降的，在出现粘结性漏钢之前，粘结处铜板温度增高。根据这一特性，在 结晶器铜板上安装了 3 排热电偶，并将测得的温度和有关工艺数据输入预报系统，按下述 逻辑处理，对漏钢进行预报。结晶器铜板第1 排热电偶温度上升，检知坯壳已被拉断结晶器铜板第2 排热电偶温度上升，上升曲线的峰值和第1排热电偶温度峰值的时间间 距，与两排热电偶安装位置与拉坯速度相对应，这说明拉断的坯壳
12、位置已下移。第 3排热电偶的温度曲线也有与第2排相同的趋势，则可断定，继续拉坯将会发生漏钢 此时，漏钢预报系统就会发出音响信号，操作者应与时降低拉坯速度或暂停拉坯。应当指出，结晶器上部要受钢水面波动的影响，而且其下部又有气隙存在，因此在这 两个部位都不能正确测量出用来判断漏钢与否的温度。因此，最合适的热电偶安装位置在 结晶器的中部。7 连续弯曲连续矫直辊列曲线不锈钢主要含有 Cr、Al、Ti 等元素，其特殊的合金成分和凝固组织导致了较强的裂纹 敏感性，不锈钢高温抗拉强度相对较低，裂纹铭感性较强。尤其是马氏体和铁素体不锈钢 高温抗拉强度仅为单相奥氏体不锈钢的 1/5。利用直弧形铸机生产铸坯极易产
13、生弯曲和矫 直裂纹，造成铸坯缺陷。因此不锈钢板坯连铸机采用连续弯曲和连续矫直的辊列曲线，将连续弯曲和连续矫直 技术应用于铸机弯曲段和矫直段，使弯曲力矩和矫直力矩均匀分布在整个弯曲区和矫直区 内，弯曲和矫直的应力和应变也相应的均匀分布在整个弯曲区和矫直区内。可使铸坯在通 过弯曲区/矫直区时，在整个区间长度内均匀的连续变形，其曲率均匀变化，应变速度低。 在变形过程中实现平滑过渡，避免了铸坯在弯曲和矫直状态下出现的应变峰值，确保铸坯 在弯曲和矫直过程中的应变值低于允许值。减小弯曲 /矫直带来的机械应变与控制应变速 度，从而避免固液两相区由于弯曲/矫直而引起内裂危险。有效地保证了铸坯的质量。9 表面目
14、标温度值二冷动态控制系统 表面目标温度值二冷动态控制是根据设定的二冷各区铸坯表面目标温度值与实际铸坯 表面温度值之差来动态的调节二冷水量，使铸坯的实际表面温度与目标表面温度相吻合。从而维持铸坯表面温度的合理性与均匀性，提高铸坯质量。称为在线动态配水，属于二级 配水技术，是现代连铸核心技术。首先根据生产钢种的高温力学特性、二冷冶金原则和铸机特性制定二冷区各段的铸坯 表面目标温度值；不锈钢按凝固组织分类有奥氏体不锈钢、马氏体不锈钢、铁素体不锈钢 和奥-铁双向不锈钢，不锈钢的导热系数比碳素钢小，凝固收缩量比碳素钢大，钢的导热系 数不同凝固结构也有区别。不锈钢的凝固特性、凝固结构、物理特性和高温力学性
15、能有其 特殊性，钢种的高温力学性能是制定铸坯在二冷各区的表面目标温度的基本依据，由于各 钢铁企业对相同钢种化学成分的控制范围有所不同，钢种的高温力学性能一般通过高温力 学实验的方法得到。不同钢种按照高温力学实验的要求做出试样，试样与铸坯关系，试样 在铸坯上的取样位置，试样的尺寸数量等，都有严格的要求。同时要求取试样的铸坯的工 艺条件包括钢种成分、拉速、浇注温度等等都要做详细的记录。连铸生产中，根据钢种、铸坯断面尺寸、中间包钢水温度、拉坯速度、结晶器传热、 二冷水量等参数的变化，应用铸坯传热凝固数学模型，每隔一个时间段，在线计算一次二 冷各段的铸坯表面温度；用计算得到的铸坯实际表面温度与预先设定
16、的铸坯目标表面温度 值进行对比，根据与设定的目标值的差值结果，动态的改变二冷各区各回路的冷却水量。二维动态凝固-传热数学模型6T + V dT、_ d匚dT)kd+一:k dT+ Sdz)dxl dx丿dzl dz丿二冷水系统按数学模型由计算机动态控制冷却水量，在二冷动态分析模块中，瞬态的 拉坯速度、水流速率、浇铸温度、二冷水温度以与环境温度都作为已知的模型输入信息处 理。通过连铸温度和凝固工艺条件的计算，使一些重要结果参数的瞬态变化，如液相穴深 度、凝固终点位置、固相分数分布以与板坯表面温度能随工艺条件的变化与时反馈出来。二冷动态控制的手段是调节各冷却回路的水量，控制的目标是各个冷却回路末端的控 制点的温度，控制的策略是当拉速变化时让控制点的温度波动最小。各个控制点的温度可 以同时通过模型计算预测和实际测量获得，通过改变各个冷却
