连铸轻压下技术综述.docx

连铸轻压下技术综述1. 连铸轻压下技术综述1.1. 连铸轻压下技术连铸大方坯和小方坯的内部质量，对于确保钢材的性能以及可靠性具有至关重要的作用。这方面的研究将会引起越来越多的关注，其原因是现在的连铸钢坯越来越接近产品的最终形态，这样便可以提高效率和能源利用率。富含多种溶质的钢液会流进在凝固的终了阶段形成的空隙，从而最终产生中心偏析。究其原因是处于半凝固状态的钢材其内部温降大大快于外部温降，直接导致内部收缩较大，从而最终产生了空隙。中心偏析和中心疏松的产生根源：凝固末期熔质富集的钢液流动（包括凝固收缩和辊间鼓肚），使得碳、锰、硫、磷等元素在钢中聚集（不均匀分布）是产生中心疏松的主要原因；钢液中各种溶解物浓度的提高，使其分布在两相界上；浇注参数诸如中间罐钢水过热度、拉坯速度、铸坯宽度及浇注长度等也对铸坯的偏析产生影响。为了达到减少中心偏析的目的，更多的采用的是电磁搅拌技术以及严格控制过热温度的技术。轻压下技术可以在凝固终了点填补上述空隙，从而最终减少中心偏析。轻压下技术是指在铸坯凝固末端对铸坯施以轻度压下,以打断枝晶搭桥，防止中心疏松和中心偏析的产生。这项技术对含碳量高的钢种浇铸意义尤为重大。据资料介绍，意大利的 ABS 厂、韩国浦项钢厂、法国 Usnior 钢厂、小仓厂、川崎制铁等厂的大方坯连铸机均采用了轻压下技术，他们针对不同钢种，不同的拉速，不同的钢水过热度进行了大量的轻压下组合工业实验，以寻找最佳的工艺参数，取得了较好的效果，中心碳偏析指数降低 10% - 15%，中心疏松基本消除。连铸坯的偏析、疏松和缩孔。钢液是一个多组份体系，其凝固特点是存在一个凝固温度区间，即高熔点组份先凝固， 低熔点组份后凝固。根据凝固理论，先凝固组份杂质较少，后凝固钢液则含有较多的杂质元素。这就是所谓的选择凝固，它相当于钢水凝固时从铸坯表面向铸坯中心不断生长的树枝晶对钢水中的剩余元素如硫、磷及合金元素如碳锰等元素有一个排斥作用，使得这些元素随着树枝晶的伸长而不断向铸坯的中心富集，从而引起宏观偏析。另外，在凝固末端，铸坯中心凝固时，沿中心轴会产生快速温降，而铸坯表面不可能产生相应的温降。这样在热收缩过程中，铸坯中心就会形成一定的孔隙，而富集着硫、磷、碳等元素的钢水将填充这些孔隙，这个过程又进一步加剧了铸坯的宏观偏析。再就是铸坯在凝固末端凝固的钢液过热度低，而且没有钢锭或铸造时的那种补给条件，粘稠的钢水很难充分的填充孔隙，这样铸坯就在心部形成疏松和缩孔，而疏松和缩孔周围又聚集着偏析元素，故疏松和缩孔又往往伴随着偏析。连铸过程中使用轻压下技术，基本目的是为了阻止宏观偏析过程的进行。在凝固终了之前的时刻对坯壳进行挤压，可以促使富集着偏析元素的钢水与其它钢水进行混合。而这一过程为这些元素重新在钢水中分布提供了机会，同时减少了它们在中心区域的偏析。在这些条件下，中心区域的偏析元素“包”将会变小， 从而也导致了铸坯化学偏析程度的降低。1.2 偏析、疏松和缩孔的危害连铸方坯中心偏析严重降低线材的机械性能，在拉伸过程中经常会产生杯- 锥状断裂，并且还会大大降低钢材的疲劳寿命。现如今采用的轻压下技术，重点便是为了达到降低中心偏析的目的。连铸机的生产条件决定了连铸坯低倍缺陷是难以避免而又必须加以控制的，一般地：浇注的温度越高，上述缺陷越严重；钢种的凝固范围越宽，上述缺陷越严重； 拉速越快，上述缺陷越严重；冷却速度越慢，上述缺陷越严重；轻压下技术是指在铸坯凝固末端对铸坯施以轻度压下,以打断枝晶搭桥，防止中心疏松和中心偏析的产生,同时起到改善铸坯凝固组织的作用.从当前世界上各国使用轻压下工艺的经验来看，方坯或圆坯连铸时的轻压下工艺一般必须考虑以下两个问题：（1） 必须保证铸坯的最后凝固点落在轻压下区域之内.（2） 必须避免铸坯内部裂纹的产生。1.6.1 压下设备安装位置的确定在轻压下设备的安装过程中，最理想的安装位置是铸坯刚好出轻压下区之前完全凝固，即铸坯的最后凝固点必须在轻压下区内。小方坏辽钤轻压下技术凡用示戏图皿动u 动示仕1连铸保护渣粘度检测技术林长利 安山 市噪并自动化 限公司）一、攫述H 声 L S -Ml，奴 尘 E 忙 rr-汀情U湟,半 .H汀hllJ'i'防1 !' tuo'C 用· 以“ ·1 1 血 它嗣 设汇心 狂II/ 导先进入扣丛运行吠忐 庉心气儿品 i.“劓扂进A :rn抹T 艺但- 1-k在计 厅机上 2 示 枯阻伽 且伍 ， 叶伴丈坠，勹泣竹il' J贮伦喜灶Jl 工忭， 丛iii叩 下叮14 吓 阔)ilj起悄沾， 笠个竹覆动 1：成女拦已？贮习础 屯 个“ dI七比，切祜度酌仪过 ，卜佣 , M备测玉袄且I北 A和 此屯向功总 二特点鲁 一位书1行吁桑佐荒闱合犬 ft·环且rn F仗丘酌笞fi 进行和出的行开 ，卜 记机 可吹出 I: 拉顷节刊乐技壮芷运行"I，,位 代喇系迕 正11 E暑耙役贮 巾 仇f电乐找 叮 计叶高的 从 r 忱fT1iJ )俨 许fl行怍闷中摩 卜位也li 贮材忑挖 兀n旧 l l 们也 1小虹-I I' “ U' 过l杆l乍护和出 匕 rPLC ）全门动控利由， 忙空印店钦H f 心 讨书代晶灼定忭 忧吐备如片皿 让 仗”心中任. h拍妒 外大 卫币 不为叶 伈 片，飞仕，尽 忧以；“如水旬布炉片竹氏劝对艾个迫r ,体关点大 打， IPIll打白长. 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The technological measures increasing the productivity of continuous casting machine and improving the quality of casting products are discussed.Keywords：continuous casting technology；thin-slab continuous casting； thin strip continuous casting近年来，我国经济的快速增长，特别是工业和基本建设的加速，促进了钢铁工业的发展。我国已成为世界上钢铁消费和钢铁生产大国，粗钢产量和消费量占世界总量的比例分别由1992 年的11.2%和11.9%跃升到2002 年的20.1%和25.8%， 2002 年钢产量达到 1.82 亿 t。由于连铸技术具有显著的高生产效率、高成材率、高质量和低成本的优点，近二三十年已得到了迅速发展，目前世界上大多数产钢国家的连铸比超过 90%。连铸技术对钢铁工业生产流程的变革、产品质量的提高和结构优化等方面起了革命性的作用。我国自 1996 年成为世界第一产钢大国以来，连铸比逐年增加，2003 年上半年连铸比已经达到了 94.65%。1 我国连铸技术发展1.1 连铸比迅速增长统计数字显示，2002 年我国连铸比为 93.7%，2003 年上半年全国连铸比达到 94.65%，已超过了世界 89 70%平均连铸比的水平；我国连铸比已达到发达国家的水平，连铸比将要达到饱和状态。1.2 连铸机数量增长较快我国连铸机的数量如表 1 所示（统计到 2002 年 12 月）。由表 1 可知：与工业发达国家相比，我国连铸机的台数最多；现有连铸机年生产能力可达 29 亿 t，实际连铸机产能还大有潜力。表 1 国内连铸机统计万 t机型台数/台流数/流年产能/说明小方坯方、矩坯板坯 薄板坯圆坯异型坯2117838983.50150mm×150mm2187819902>150mm×150mm91102011201052383831262511.2563板方兼用者按板坯计薄板坯连铸连轧以生产圆坯为主者按圆坯合计551174929204.75有几家方案未确定者（如广东、福建等）尚未计入1.3 高效连铸技术普遍应用采用了高拉速、高作业率、高连铸炉数、高质量的连铸技术，40%50%小方坯连铸机进行了高效化改造，流产量达到 1520 万 t/a，710 天连浇生产，铸坯无清理率达 95%以上，做到了产量与质量的统一和炉机匹配统一。1.4 薄板坯连铸连轧流程应用（TSCR）全球已建成 54 流连铸连轧生产线，年生产能力为 5500 万 t；我国已建和在建 13 流生产线，年生产能力达到 1400 万 t（见表 2），占全球总产量的 1/4； 中国 CSP 钢产量（1050 万 t）与CSP产量（1000 万 t）相当。企业炼钢炉150t 电炉连铸机投产均热炉日期珠钢1 流立弯型CSP辊底炉191.8m1998.11邯钢100t 转炉1 流立弯型CSP×98015601236 机架CSP1.2辊底炉1999191.8m.12包钢210t 转炉2 流立弯型CSP70×90016802006 机架CSP1.2辊底炉200.8m×2，摆动联接2001.4唐150t 转90701 流直弧型、65×25 机架达辊底炉20021200.86表 2 我国薄板坯连铸连轧生产装备一览板坯最终产年设计能轧尺寸品尺寸/mm力/万 t机/mm50×6 机950180架1.27350CSP50701钢TSR炉8501680涅利/ 三菱187.8m.1210090707 机辊底炉马钢t 转2 流立弯型CSP、65×9001220架0.88270m×2，摆动2003.12炉600CSP联接涟源90t转1 流立弯型CSP70、65×1307 机架0.812.7辊底炉291.8m2004.4本炉900160090851 流直弧型×CSP钢FTSR85011507502 传统连铸技术的发展2.1 提高连铸机生产率的途径2020.5提高连铸机产量，主要是从提高连铸机拉速和提高连铸机作业率两方面着手。2.1.1 提高连铸机拉速连铸机拉速的提高受出结晶器坯壳厚度、液相穴长度（冶金长度）、二次冷却强度等因素的限制。要针对连铸机的不同情况，对连铸机进行高效化改造。小方坯连铸机高效化改造的核心就是提高拉速。拉速提高后，为了保证出结晶器坯壳不漏钢，其核心技术就是优化结晶器锥度，开发新型结晶器，包括： Concast 的凸模结晶器（CONVEX MOLD）；Danieli 自适应结晶器（DANAM）；VAI 的钻石结晶器（DIAMOLD）；Paul Wurth 的多锥度结晶器。虽然结晶器名称不相同，但其实质就是使结晶器锥度与坯壳收缩相一致，不致于产生气隙而减慢传热， 影响坯壳均匀性生长。目前，国际上小方坯铸机拉速达到的水平见图 1 和表 3。图 1 方坯尺寸与拉速关系名 称断面/mm×拉速结晶器型式VAI表 3 小方坯铸机拉速mm/m.min-1德马克130×1304.0-4.3抛物线康卡斯特150×1503.5凸型丹尼立130×1304.3自适应115×1155.1钻石155×1552.9钻石小方坯铸机拉速的提高，表现为单流产量的提高。从世界连铸发展的历程来看，20 世纪 70、80、90 年代连铸机的单流年产量分别为 56、810、1516 万 t。我国钢材生产结构是长型材较多，板材比较低（约 40%），反映在连铸机建设上是中小型钢厂建设小方坯连铸机较多。据统计，我国共建小方坯连铸机 280 台 978 流，年产量近 6000 万 t，平均单流年产量约为 6 万 t。与国外比较，连铸机生产率还较低。为提高连铸机生产率，从 20 世纪 90 年代以来，我国对旧有小方坯连铸机进行了高效化改造，如 120mm×120mm 方坯拉速由 2.0m/min 提高到3.04.0m/min，150mm×150mm 方坯拉速由 1.5m/min 提高到 2.53.0m/min。目前，我国不少钢厂的小方坯连铸机经过高效化改造后，单流年产量已达到 15 20 万 t 的国际水平。板坯连铸机拉速的水平如表 4 所示。目前板坯厚度为 200250mm 的拉速在1.62.0m/min 左右，单流年产量达到 200 万 t。如果说提高拉速是小方坯连铸机高效化的核心，那么板坯连铸机高效化的核心就是提高连铸机作业率。这是因为板坯连铸机的拉速受炉机匹配条件及铸机本身冶金长度的限制不可能有较大的变化，以及由于过高拉速所造成的漏钢危害，对板坯连铸机的影响远远高于小方坯连铸机。从原则上讲，连铸机提高拉速措施有：结晶器优化技术；结晶器液面波动检测控制技术；结晶器振动技术；结晶器保护渣技术；铸坯出结晶器后的支掌技术；二冷强化冷却技术；铸坯矫直技术；过程自动化控制技术。拉速提高了，铸坯内部疏松、偏析缺陷加重，夹杂物增加。高拉速与高质量是相互矛盾的，因此应根据钢种和产品用途，采取相应的技术措施，把高拉速和高质量的矛盾统一起来，以获得最佳经济效益。2.1.2 提高连铸机作业率表 5 为 20 世纪连铸机世界平均水平指标。由表 5 可知，连铸机的作业率和浇注率逐年提高。但是我国连铸机作业率行业内差距较大。据统计，我国连铸机平均作业率 2000 年为 63%，2001 年为 64.8%，2002 年为 63.8%，与世界平均水平差距较大。国外有不少钢厂板坯连铸机拉速不高，而单流产量却很高，如A.K.Ashland 钢厂的板坯铸机，浇 240mm×11601750mm 板坯，工作拉速为 1.78m/min，单流年产量达到 220 万 t，连铸机有钢作业率为 98%。这说明对板坯连铸机高效化改造核心不是提高拉速，而是要设法提高铸机作业率以提高连铸机的生产率。厂家板坯尺寸/mm×mm住友公司鹿岛厂 3 号板坯连铸机钢管公司福山厂 5 号连铸机阿姆科公司阿什兰厂连铸机国家钢铁公司格拉尼特厂连铸机德国克虏伯公司莱茵豪森厂连铸机中国上海宝山钢铁公司1 号、2 号连铸机钢铁公司蒙瓦利厂连铸机270×1450220×7001650240×9651727220×9002040260×8501650210250×9001930210250×7001050表 4 高效板坯连铸技术经济指标拉速作业率漏钢率年产量/m.min-1/%/%/万 t>2.0>90<0.02>3002.593<0.02>3002.0>90<0.052001.6590<0.051601.6>85<0.03>200>1.4>80<0.12>2302.0>90<0.05260表 5 20 世纪连铸机指标（1 世界平均水平 1）年代70 年代中铸机作业率/%3538浇注速率/t（流.min）-1板坯1.7大方坯0.25小方坯0.18期80 年代末90 年代60>901.86230.350.40.180.60提高连铸机作业率的技术有：（1） 长时间浇注多炉连浇技术：异钢种多炉连浇；快速更换长水口；在线调宽；结晶器在线快速调厚度（只需 2530min）；在线更换结晶器（小方坯）； 中间包热循环使用技术；防止浸入式水口堵塞技术。（2） 长时间浇注连铸机设备长寿命技术：长寿命结晶器，每次镀层的浇钢量为 2030 万 t；长寿命的扇形段,上部扇形段每次维修的浇钢量 100 万 t,下部扇形段每次维修的浇钢量 300400 万 t。（3） 防漏钢的稳定化操作技术：结晶器防漏钢预报系统；结晶器漏钢报警系统；结晶器热状态运行检测系统。（4） 缩短非浇注时间维护操作技术：上装引锭杆；扇形段自动调宽和调厚技术；铸机设备的快速更换技术；采用各种自动检测装置；连铸机设备自动控制水平。提高板坯连铸机设备坚固性、可靠性和自动化水平，达到长时间的无故障在线作业，是提高板坯连铸机作业率水平的关键。2.2 提高连铸坯质量技术连铸坯的质量概念包括：铸坯洁净度（钢中非金属夹杂物数量，类型，尺寸， 分布，形态）；铸坯表面缺陷（纵裂纹，横裂纹，星形裂纹，夹渣）；铸坯内部缺陷（中间裂纹，角部裂纹，中心线裂纹，疏松，缩孔，偏析）。连铸坯质量控制战略是：铸坯洁净度决定于钢水进入结晶器之前的各工序；铸坯表面质量决定于钢水在结晶器的凝固过程；铸坯内部质量决定于钢水在二冷区的凝固过程。提高连铸坯洁净度技术（1）连铸坯洁净度评价包括：钢总氧量 TO；钢中微观夹杂物（50m）； 钢中大颗粒夹杂物量（50m）。不同产品对钢中洁净度要求如表 6 所示。（2）连铸坯洁净度是一个系统工程。就连铸过程而言，要得到洁净的连铸坯，其任务是： 炉外精炼获得的“干净”钢水，在连铸过程中不再污染；连铸过程中应创造条件在中间包和结晶器中使夹杂物进一步上浮去除。连铸过程钢水再污染，主要决定于钢水二次氧化、钢水与环境（空气、渣、包衬）相互作用、钢水流动的稳定性、钢渣乳化卷渣。产品分类钢种代表规格产品材质特性要求清洁度要求D<15m表 6 高级钢材对洁净度的要求DI 罐低碳铝镇静钢0.20.3mm飞边裂纹TO<20×10-6,D<20m薄板深冲钢荫罩钢超低碳铝镇静钢低碳铝镇静钢0.20.6mm0.10.2mm超深冲，非时效性表面线状缺陷防止图像侵蚀C<20×10-6，N<20× 10-6,TO<20×10-6， D<100mD<100m,低硫化导架结构材13%Cr42Ni0.150.25mm打眼加工时的裂纹D<100m D<5m，N<50 ×10-6中管线钢X5270 级低合金钢1040mm氢引起的裂纹夹杂物形态控制低硫化，S<10×10-6厚板低温用钢9%Ni1040mm低温脆化P<0.003%,S<0.001%抗层状撕结构高强钢1040mm层状撕裂低磷化、低硫化裂钢无缝管座圈材净化管轴承钢不锈钢50300mm10 mm转动疲劳寿命电解浸蚀时的表面光洁度TO<10×10-6, Ti<20×10-6TO<20×10-6, N<50×10-6，D<5 m棒材轴承轴承钢3065 mm转动疲劳特性TO<10×10-6, Ti<15×10-6渗碳钢SCM432、420疲劳特性、加工性TO<15×10-6，P<0.005%轮胎钢丝SWRH72、82B0.10.4mm冷拔断裂非塑性夹杂 D<20m线材弹簧钢SWRSSi-Cr 钢1.610mm0.10.15疲劳特性、残余应变性非塑性夹杂 D<20mmm（3）连铸过程控制钢洁净度对策：保护浇注；中间包冶金技术，钢水流动控制；中间包材质碱性化（碱性复盖剂，碱性包衬）；中间包电磁离心分离技术； 中间包热循环操作技术；中间包的稳定浇注技术；防止下渣和卷渣技术；结晶器流动控制技术；结晶器 EMBR 技术。2.2.2提高铸坯表面质量的控制技术铸坯表面质量好坏是热送热装和直接 轧制的前提条件。铸坯表面缺陷的产生主要决定于钢水在结晶器的凝固过程。要清除铸坯表面缺陷，应采用以下技术：结晶器钢液面稳定性控制；结晶器振动技术；结晶器内凝固坯壳生长均匀性控制技术；结晶器钢液流动状况合理控制技术； 结晶器保护渣技术。提高连铸坯内部质量的控制技术连铸坯内部缺陷一般情况在轧制时能焊合消除，但严重时会使中厚板力学性能恶化，使管线钢氢脆和高碳硬线脆断。铸坯内部缺陷的产生主要决定带液芯的铸坯在二冷区的凝固过程。要消除铸坯内部缺陷，可采用以下技术措施：低温浇注技术；铸坯均匀冷却技术；防止铸坯鼓肚变形技术；轻压下技术；电磁搅拌技术；凝固末端强冷技术；多点或连续矫直技术； 压缩铸造技术。3 薄板坯连铸技术的发展3.1 板坯连铸工艺的发展供热连轧生产线坯料的发展经历了钢绽厚板坯连铸薄板坯连铸/连轧 薄带坯连铸等几个阶段。市场竞争要求连铸机生产率高，产品质量好，产品规格具有潜力， 合理和操作成本低等。对于现代化热轧带钢生产线，浇注板坯厚度对达到这些基本要求有重要影响。因此要选择综合优势生产方案。通常，厚板坯： 200250mm，单流年产量 200 万 t；薄板坯 4070mm，单流年产量 5070 万 t； 中薄板坯 90120mm，单流年产量 100150 万 t；中厚板坯 130150mm，单流年产量 150200 万 t。最终产品质量取决于连铸板坯质量。就产品质量而言，传统厚度的板坯明显优于连铸薄板坯。而中等厚度板坯质量与传统厚度板坯质量十分接近。厚板坯、薄板坯、中等厚度板坯连铸的优点比较如表 7 所示。从生产率、质量、 和操作成本比较来看，中等厚度板坯连铸综合了传统板坯和薄板坯连铸的优点，是两者中的一种折衷方案。短流程钢厂建设薄板坯连铸机和中等厚度板坯连铸机已成为联合企业的竞争对手，现在世界上钢铁企业几乎不再建设长流程的厚板坯连铸机。表 7 厚板坯、薄板坯、中等厚度板坯连铸的优点比较传统板坯（200250mm 厚）高生产率、高质量、高的灵活性中厚板连铸机（90150mm）薄板坯（5070mm 厚）高生产率、高质量、高灵活性、较低成本、较低操作成较低、较短生产周期、热装本、较短生产周期、连铸连连铸轧制轧（直接轧制）3.2 薄板坯连铸的发展与应用薄板坯连铸的发展自 1989 年 6 月 20 日 Nucor Steel 的 Crawfordsville 厂第一条 CSP 生产线投产以来，随着市场和用户需求，CSP 得到了快速发展。目前世界上已有 25