1、现代连铸新技术及展望,重庆大学材料科学与工程学院冶金系 文 光 华,2,现代连铸新技术及展望,前言 连续铸钢在现代钢铁工艺流程中的作用和现状 高效连铸的开发及应用 近终形连铸的开发及工业化 连铸前沿技术 连铸技术展望,3,一、前言,20世纪下半叶以来，世界钢铁工业的技术经济面貌发生了革命性变化，出现了两轮大规模的创新高潮(现代转炉炼钢、连续铸钢)，推动了工业发达国家从钢铁产品数量扩张到结构优化的战略转移。突出的贡献之一在于连续铸钢技术的工业化，取代了用钢锭模铸钢、初轧机开坯的第一代钢液成形技术，从而使从炼钢到轧制成材的工艺生产线连续化成为可能。而今，随着相关行业科学技术的进步，特别是控制技术的
2、发展，传统连铸技术已无竞争能力可言，即将为以高效连铸、近终形连铸为代表的新一代连铸技术所代替。目前，连铸技术水平的高低已成为一个国家钢铁工业技术水平的重要指标之一。,4,如今在生产率、生产灵活性、产品质量和低成本竞争等方面对连铸生产提出了越来越高的要求，实现连铸机的高生产率主要决定于：1）提高连铸机作业率；2）提高连铸机拉速；3）连铸机设备可靠性和灵活性。由连铸机铸出的铸坯质量决定了最终产品质量，而铸坯质量含义主要是指：1）铸坯的洁净度；2）铸坯表面的缺陷；3）铸坯内部缺陷。连铸机高的作业率和高的铸坯质量是与钢水在连铸机凝固过程紧密相连的，这样就需要不断改进连铸机设备、工艺技术和过程控制技术以
3、实现优化配置，使连铸机生产达到高产量、高质量、低成本的目的。因此，今天简要介绍为实现这一目标，目前连铸生产中所采用的先进技术和今后的发展趋势。,5,二、连铸在现代钢铁工艺流程中作用和现状,连续铸钢技术的发展历程 连续铸钢的重要作用 连续铸钢的生产现状,6,二、连铸在现代钢铁工艺流程中作用和现状,2.1 连续铸钢技术的发展历程连续铸钢技术的发展大致可分为: 四个阶段 第一阶段(18401930年)为连续浇铸金属液思想的启蒙阶段； 第二阶段(19401949年)是连续铸钢特征技术的开发阶段； 第三阶段(19501976年)为传统连铸技术的成熟阶段； 第四阶段(20世纪80以来)传统连铸技术的优化发
4、展阶段。,2.1 连续铸钢技术的发展历程,第一阶段(18401930年)连续浇铸金属液思想的启蒙阶段。 最早(1887年)提出与现代连铸机相似的连铸设备建议的是德国人.，在其开发的设备中已包括了上下敞开的结晶器、液态金属注入、二次冷却段、引锭杆和铸坯切割装置等。,8,2.1 连续铸钢技术的发展历程,第二阶段(19401949年)连续铸钢特征技术的开发阶段。其代表人物是现代连铸之父德国人.，1943年在德国建成了第一台试验连铸机，提出的振动水冷结晶器、浸入式水口、结晶器保护剂等技术原理，奠定了现代连铸机结构的基础。结晶器振动已成为连铸机的标准操作。,9,2.1 连续铸钢技术的发展历程,第三阶段(
5、19501976年)传统连铸技术的成熟阶段。连续铸钢技术以惊人的速度得到了发展，出现了5000多个有关连铸的专利，其中，具有代表性的技术有钢包回转台、浸入式水口浇注、中包塞棒控制、电磁搅拌、结晶器在线无级调宽、渐进弯曲矫直技术等。,10,2.1 连续铸钢技术的发展历程,第四阶段(20世纪80以后)传统连铸技术的优化发展阶段，即高效、近终形连铸发展阶段。以连铸技术优化发展为契机，带动传统钢铁生产流程向紧凑化、连续化、高度自动化方向发展。,11,2.2 连续铸钢的重要作用,12,2.2 连续铸钢的重要作用,从上图模铸与连铸工艺相比，连续铸钢工艺具有如下优点: 1)简化了铸坯生产的工艺流程，省去了模
6、铸工艺的脱模、整模、钢锭均热和开坯工序； 2)生产流程基建投资可节省40%，占地面积可减小30%，操作费用可节省40%，耐材消耗可减少15%，能量消耗降低1/41/2，金属收得率提高9%； 3)使钢铁生产流程趋于高效化、集约化，产品品种生产专业化、优质化; 4)提高了生产过程的机械化、自动化水平，可进行企业的现代化管理升级，流程生产管理趋于科学化、合理化。,13,2.2 连续铸钢的重要作用,近终形连铸与传统连铸相比，上述优点更为明显。,14,2.3 连续铸钢的生产现状,从原材料来看，20世纪堪称为钢铁世纪，钢铁产品总量逐年增加，质量逐步提高，品种趋于多元化。1900年全球粗钢产量约3亿吨，到2
7、001年已超过8亿吨。与此同时，连铸比也由1990年的59.5%迅速提高到2001年的85.4%。19902001年，我国钢产量年均增加约670万吨；连铸比由1990年的22.66%提高到2001年的87.5%，年均增长约4.7%，与发达国家增长最快时期的速度相近。,15,2.3 连续铸钢的生产现状,16,2.3 连续铸钢的生产现状,同时,连续铸钢技术的发展,促进了冶炼、精炼、轧制工序的技术革新,各项生产技术指标大幅提高。,17,2.3 连续铸钢的生产现状,近几年，在我国钢铁工业大力发展的同时，连铸生产也得到高速的增长。2002年全国连铸比就上升到94%，粗钢产量为1.8亿吨。 2005年估计
8、钢产量将达3.5亿吨左右，占世界钢产量的35%，连铸比为9496%。应该说我国是名副其实 的 钢铁大国和连铸坯生产大国。同时，连铸比处于世界前列。这个地位是其它任何国家都不可替代的。,18,三、 高效连铸的开发及应用,高效连铸技术是20世纪80年代中后期发展起来的，是连铸技术优化发展的方向。所谓高效连铸通常是指比常规连铸生产效率更高，以高拉速为核心，以高质量、无缺陷铸坯生产为基础，实现高连浇率、高作业率的连铸系统技术。其核心是高拉速技术。,19,三、 高效连铸的开发及应用,高效连铸的应用 高效连铸关键技术,20,3.1 高效连铸的应用,国外板坯铸机高效化技术经济指标：,目前,高效连铸技术在日本
9、、美国、韩国、欧洲等钢铁工业发达国家中的一些现代化钢厂已得到普遍应用,并取得了巨大的经济效益。,21,3.1 高效连铸的应用,国外方坯铸机高效化最高拉速：,22,3.1 高效连铸的应用,可以说，采用高效连铸技术后，使我国钢铁工业仅用10年时间完成了行业总体流程和生产水平的历史性技术改造任务，步入了中后期工业国家的先进行列。,国内状况,23,3.2 高效连铸关键技术,当连铸机作业率超过了80%以上， 再要提高连铸机产量就必须从提高拉速着手。而拉速的提高决定于：出结晶器均匀的坯壳厚度；液相穴的长度；铸坯的冷却强度。为解决上述提高拉速的限制性因素，因此人们一直在探索如何进一步提高连铸机拉速的关键技术
10、。,24,3.2 高效连铸关键技术,1）结晶器锥度优化技术 2）结晶器液面波动控制技术 3）结晶器振动技术 4）结晶器保护渣技术 5）结晶器漏钢预报技术 6）铸坯出结晶器后的支撑和强化冷却技术 7）铸坯矫直技术 8）生产自动化控制技术 9）提高连铸机作业率技术,25,3.2.1 结晶器锥度优化技术,新型方坯高拉速结晶器 方坯拉速提高后所带来的最主要问题是漏钢， 而漏钢的根源多在结晶器内。拉速提高时，出结晶器的坯壳必然变薄，且使得坯壳沿横断面厚薄不均，裂纹向铸坯表面扩展将导致漏钢事故。因此，要提高拉速，首先要对现有结晶器结构进行改进，提高和优化其传热效率。国外已经开发出了一些适应高拉速浇铸的新型
11、结晶器，其本质特点是具有优化的连续锥度。,26,新型方坯高拉速结晶器,1、瑞士CONCAST公司的凸模结晶器(Convex mold)该结晶器内腔形状不同于传统结晶器，其顶部内壁为凸形，两壁间夹角为96，向下逐步变化，直到底部成为方形，两壁间夹角为90。随着温度降低，凸形坯壳发生线收缩而自然变成直线，结晶器内壁的几何形状变化适应了其收缩变化过程，因而模壁与坯壳始终接触良好，抑制了气隙的出现，传热增加且稳定均匀，角部坯壳能和中部坯壳一样均匀地生长。因此，菱变缺陷得到控制，角部坯壳具有足够强度抑制裂纹和漏钢的产生。该结晶器的操作结果是，拉速提高50%100%，拉漏率下降30%，产品质量也明显改善。
12、,27,新型方坯高拉速结晶器,2、DANIELI公司的自适应结晶器(DANAM)该结晶器的特点是，铜管加工成三锥度或抛物线锥度，且可以根据钢种和拉速的不同，通过控制冷却水缝内水压来调整结晶器锥度。结晶器壁在热负荷作用下不再向外弯曲，而在水压作用下会向内移动，弥补铸坯的收缩，使结晶器锥度达到最佳化。这样直接带来两个好处，首先，消除了弯月面附近的负锥度，大大改善了铸坯质量；其次，结晶器与铸坯间的气隙(特别在结晶器下部)，明显小于传统结晶器，传热能力增加，形成较厚坯壳，从而可以保持较高的拉速而没有拉漏的危险。铜管长度在1000mm,拉速达到5.56.0m/min.,28,新型方坯高拉速结晶器,3 、
13、奥地利VAI公司的钻石结晶器(DIAMOLD)该结晶器在设计上有如下三个特点：将结晶器长度延长至1000，以延长铸坯在结晶器内的停留时间，增加出结晶器的坯壳厚度；采用比传统结晶器锥度大的抛物线锥度，以保证坯壳均匀成长；从结晶器顶部往下300400处开始，角部取消锥度以减小摩擦力，而中部仍旧保持抛物线锥度。按照此方法设计出的结晶器，从顶部看其内壁形状象钻石，故称作DIAMOLD。数值模拟表明，该结晶器内坯壳生长稳定均匀，坯壳与模壁间的摩擦力也小。在奥地利、美国、法国、德国及意大利等国投入使用后，拉速大幅度提高，最高超过5.0m/min.，生产效率提高20%50%，铸坯质量明显改善，而且铜管寿命也
14、有所提高。,29,新型方坯高拉速结晶器,4、卢森堡 Paul Wurth 公司的高拉速结晶器其结晶器的主要特点是，结晶器长度延长到1000，采用抛物线锥度，其中在弯月面处最大，为2.3% /；冷却水流速提高到12/，提高了散热能力。在实际浇铸操作时，通过稍许调整弯月面水平高度，使其设计上固定的抛物线锥度适应不同的实际浇铸钢种。该结晶器投入使用，低碳钢拉速达3.5m/min. ，中碳钢达2.8m/min.，高碳钢达2.6m/min.。生产效率提高了50%，铸坯表面质量改善，中心偏析减少。,30,板坯结晶器高效化技术,结晶器自动调宽技术； 结晶器冷却优化技术（水缝、水速等）； 奥钢联最近开发的CL
15、EVER的新型高效箱式结晶器。该结晶器具有以下特点：箱式设计可快速更换铜板；满足刚度要求条件下具有优化的最小单位重量；经济型设计，更换结晶器时调宽驱动装置仍留在铸机上；自动调节板坯宽度，灵活性高；冷却水管路自动连接；优化结晶器背板水缝设计允许使用平面薄铜板；所采用的浅水缝在冷却效率和均匀性方面具有最佳性能。,31,3.2.2 结晶器液面波动控制技术,当拉速提高后，单位时间注入结晶器的钢水量增加，必然加大结晶器内钢液面的波动，此时保护渣容易卷入钢液内部，形成皮下夹渣，影响铸坯质量。在高速浇铸的情况下，除了选择合适的浸入水口浸入深度和出口角度外，更主要的是要采用结晶器液面自动控制技术。国外实现高拉
16、速浇铸的连铸机几乎都采用了结晶器液面波动控制技术，可将钢液面波动控制在3以内，最好的已经达到1。,32,3.2.3 结晶器振动技术,结晶器振动的目的是防止坯壳与结晶器粘接。板坯浇铸过程中发生粘接漏钢的几率较高，因此有必要对结晶器振动装置进行优化，从而能够在高拉速浇铸情况下有效控制粘接拉漏事故的发生。高拉速连铸要求结晶器振动装置具备以下几个条件：负滑脱时间稍短些，以控制振痕深度； 正滑脱时间稍长些，以增加保护渣消耗量。在实现这两个条件方面，传统的正弦振动形式已难以奏效，而非正弦振动形式就显出其优势。非正弦振动的最大特点是，上升速度小而移动时间长，下降速度大而移动时间短，因此满足了高拉速连铸对结晶
17、器振动的要求。,33,3.2.3 结晶器振动技术,奥钢联针对高效板坯连铸，借鉴机械振动装置和第一代液压振动装置的成熟技术，开发出DYNAFLEX液压振动装置。其特点是：无磨损板簧精密导向系统；振动重量低，实现无共振操作；采用螺旋弹簧进行重量补偿，以减小气缸推力；公用介质自动连接；在线调节振幅、频率及波形，可实现非正弦振动。这种振动技术在冶金和操作方面带来以下优点：改善表面质量，同时降低振痕深度；最佳粉剂消耗，减少拉漏，提高高拉速下的浇铸可靠性。,34,3.2.3 结晶器振动技术,小方坯连铸粘接漏钢的趋势比板坯要小得多，结晶器采用正弦振动方式基本上也能够适应工艺要求，而且只要振动频率与拉坯速度合
18、理匹配，就能适用于较宽的拉速范围，满足高速浇铸的要求。目前随着高效连铸技术的发展，高频小振幅技术以及液压振动技术已成为发展的方向。小方坯高速连铸对结晶器振动的主要要求是振动的稳定性，即其仿弧精度。目前针对小方坯高速连铸开发出的板簧式连杆振动装置，用弹簧板代替了四连杆的上导向臂，减少了轴承振动，仿弧性好，可靠性高,大大提高了结晶器的稳定性。奥钢联针对高速小方坯铸机开发出带有无磨损弹簧导向系统的液压振动装置，已经安装在20多台铸机上，都出色地实现结晶器精确定位和无须维修的生产操作。,35,3.2.4 结晶器保护渣技术,高速连铸技术要求结晶器保护渣具有以下特性：在高拉速或拉速变化较大情况下，仍能维持
19、较高的渣耗量，以避免粘接漏钢或引起铸坯纵裂；结晶器壁与坯壳间渣膜厚度适宜，分布均匀，用以降低结晶器摩擦力，且散热均匀；具有适宜的熔渣层厚度，以防止高拉速时熔渣供应不足，造成固态渣粒流入；具有良好的溶解、吸收夹杂物能力，且吸收夹杂物后物理性能保持稳定。鉴于以上四点要求，高效连铸结晶器保护渣应具有低粘度、低结晶温度、低软化及熔融温度、合适的碱度及较快的熔化速度等物理特性。,36,3.2.4 结晶器保护渣技术,研究表明，在高效连铸保护渣中不能通过加入普通连铸所经常加入的CaF2和Na2O等助融剂来降低其粘度和熔融温度，否则会引起枪晶石等高熔点物质析出，破坏熔渣的玻璃性，使润滑条件严重恶化，而且F-离
20、子过多也会严重侵蚀浸入水口。加入适量Li2O、MgO、BaO、B2O3、K2O等助熔剂，对于降低保护渣粘度和软化温度，抑制晶体析出、增大保护渣消耗量具有一定作用。日本钢管公司福山厂的5号板坯连铸机上使用的结晶器保护渣，就加入了一定量的Li2O(0.5%2.5%)，它降低了熔渣的粘度和熔化温度，明显地改进了保护渣的润滑性能，在保护渣的单耗为0.3kg/m2的条件下，板坯坯壳凝固均匀，不存在凝固延迟现象，从而可防止拉漏事故的发生。,37,3.2.4 结晶器保护渣技术,目前小方坯结晶器内除了采用保护渣润滑方式外，也常采用油润滑方式。与保护渣相比，油润滑不利于控制弯月面的凝固和改善铸坯表面质量。然而，
21、在高速浇铸条件下，随着振痕的变浅，某种程度上会克服油润滑对铸坯表面质量的不利影响，而且油润滑适用的拉速范围比保护渣宽，更容易满足高速连铸的工艺要求，更有利于防止漏钢发生。因此，目前实现高速浇铸的小方坯铸机上的结晶器多采用油润滑方式。意大利皮特尼高速的费列尔诺德钢厂的一台断面为100mm100mm160mm160mm的小方坯铸机,拉速为2.73.0m /min.，为保证结晶器的充分润滑,在每个结晶器铜板上都安装了独立的润滑油供油装置，显著降低了拉漏率。,38,3.2.5 结晶器漏钢预报技术,漏钢预报技术在连铸生产事故中，对连浇率和作业率影响最大的是漏钢事故。拉速越高，漏钢机会越大。目前国外方坯连
22、铸机作业率达90%，板坯连铸机作业率达93%以上，而这些铸机几乎都配备了拉漏预报报警装置，使漏钢事故几乎减少到零。目前广泛采用的是一种以测量结晶器铜板温度为基础的拉漏预报技术。即将多个热电偶埋设在铜板内，使之形成网格布置，根据各个热电偶所测定的温度变化，对结晶器发生的粘结性拉漏事故进行预报。,39,3.2.6 铸坯出结晶器后的支撑和强化冷却技术,在高拉速浇铸情况下，结晶器出口处坯壳较薄。为了提高坯壳强度、减少漏钢、防止鼓肚和裂纹，必须对铸坯施以有效支撑和均匀强化冷却。随着高速连铸的发展,连铸机二次冷却的均匀强冷已广为推广。在国外高速连铸中，二冷比水量已达到2.53.0 l/kg。为达到此冷却强
23、度，获得具有恒定高温的连铸坯，广泛采用计算机动态控制的铸坯冷却技术以实现板坯冷却最佳化。 日本钢管公司福山厂的5号板坯连铸机改进了连铸板坯从结晶器出来之后的支撑方式，在结晶器出口之下1.5长的范围内，采用6对足辊来支撑铸坯坯壳，防止坯壳开裂漏钢。同时，为防止板坯边角部的温度过低，而采用了一种能自动调节冷却喷嘴间距的装置。,40,3.2.7 铸坯矫直技术,拉速的提高使铸流冶金长度增加，必然涉及带液芯矫直问题。通常的单点矫直使带液芯的铸坯承受很大应变，在固液两相区容易产生矫直裂纹，从而形成内部缺陷。为改善铸坯内部质量，目前国外现代化铸机在高速浇铸过程中，多采用带液芯的多点矫直、连续矫直以及压缩浇铸
24、技术。这三种措施对于防止铸坯内裂、提高铸坯质量能起到显著作用。目前，在连铸机上广泛采用了多点弯曲和多点矫直技术。在众多已开发的连续矫直技术中，以康卡斯特公司开发的矫直技术较为理想。该技术的特点是，在整个矫直区应变率是恒定的，不产生应变率峰值，而且所获得的应变也很低。,41,3.2.8 生产自动化控制技术,高效连铸技术比传统连铸生产的生产节奏明显加快 ，生产效率大大提高，这就必须采取合理的工艺操作，同时要求连铸设备处于最佳运行状态。国外许多施行高效化连铸生产的厂家，为了使浇铸过程稳定、顺行、高效,减少人为因素对生产过程的影响，纷纷开发和应用了高度自动化的连铸生产控制系统。日本钢管公司福山厂在其5
25、号板坯连铸机上实现了生产过程的电子计算机动态控制，中间罐内的钢水量和结晶器内的钢液面实现了高精度的自动控制，连铸板坯实现了无人操作的自动切割。,42,3.2.9 提高连铸机作业率技术,提高连浇炉数（方坯1000炉、板坯1500炉） 结晶器在线调宽技术 提高结晶器寿命技术（1000 3000炉） 异钢种接浇技术 快速更换水口技术 防止水口堵塞技术 采用各种检测装置（如结晶器热态监视器,二冷区喷嘴检测、结晶器窄面锥度自动控制、结晶器振动监测、辊子开口度及对弧测量以及辊子转动检测装置等）,43,四、近终形连铸的开发及工业化,近终形连铸意味着连铸坯的形状接近最终产品形状。其最吸引人注目在于它能够减少工
26、序、生产设备更加简单、可减少设备费用和降低生产成本。另一方面，为使铸坯的形状接近产品形状，需要有克服浇铸困难的新技术和更加严格的质量保证技术。这里介绍的近终形连铸主要指具有显著进展的薄板坯连铸法(下称记TSC：Thin S1ab Casting)和带钢连铸法(下称SC：Strip Casting)的技术开发及商业生产现状。,44,四、近终形连铸的开发及工业化,近终形连铸的定位 薄板坯连铸的开发和应用 薄带连铸法的开发和发展 近众形连铸技术现状总结,45,4.1 近终形连铸的定位,工艺A：200-500万元/年；工艺 B：60-150万吨/年 工艺C：30-50万吨/年。,46,4.1 近终形连
27、铸的定位,47,4.2 薄板坯连铸的开发和应用,4.2.1 80年代的开发竞争关于为什么数毫米厚度薄钢板的制作，必须使用200mm厚板坯这一简单问题是从80年代开始正式提出的，当时传统式板坯用连铸法在技术上已基本确立。与传统式连铸法相比，TSC法所面临的主要技术课题有：(1)如何从薄结晶器缝隙中注入钢水的浇钢技术；(2)由于板坯薄，需提高浇铸速度，从而确保生产率的高速浇铸技术。为实现板坯厚度是传统法的1/21/4，拉速是24倍(3 6m/min.)的要求，可采用以下两种方法：一种是采用结晶器和凝固壳无相对移动速度的同步结晶器连铸法，这与传统法完全不同；另一种是最大限度追求传统法固定结晶器振动的
28、连铸法。大体上，日、美用第一种，欧洲用第二种。,48,4.2 薄板坯连铸的开发和应用,4.2.2 同步结晶器连铸法的开发同步结晶器就是结晶器和凝固壳同步移动，在开发到商业规模试验设备中，仅有用皮带驱动的同步结晶器。在钢铁公司主导下，以碳素钢连铸为对象，对以下三种方法进行了研究。 (1)倾斜双带式：1982年日本着手进行50t钢水规模的倾斜双带式连铸法开发。美国于1986年开始进行32t钢水规模的倾斜双带式连铸法开发。 (2)垂直上大下小双带式：1987年日本开始进行160t钢水规模垂直上大下小双带式连铸试验。(3)垂直平行双带式：1989年日本开始进行70t钢水规模垂直平行双带式连铸法开发。采
29、用上述连铸法连铸的板坯厚度为30 50mm，拉速完全达到6 10m/min.，表明它们都有可能实用化。但与传统法相比，还未能发挥其优越性，所以尚未达到商业生产。,49,4.2.3 固定结晶器连铸法的研究与日本不同，欧洲不是以钢铁公司为主导，而是以重工业设备公司为主导进行开发研究的。(1)1985年，德国西马克公司(SMS)根据使结晶器内凝固壳变形进行浇铸的奇特想法，提出了漏斗形结晶器。由于将浸入式水口插入结晶器的展开喇叭口中，因此克服了钢水浇铸的困难。(2)1987年，德国德马克冶金技术公司(MDH)把结晶器形状做成垂直弯曲形，使用厚度60 70mm的矩形结晶器进行浇铸试验。浸入式水口改为超平
30、薄壁水口。另外在浇铸过程中对铸坯实施轻压下。这是该法的独特之处。(3)1992年，意大利的达涅利公司正式进行了80t钢水规模的中试设备的开发。虽然结晶器的构造类似于漏斗形结晶器，但结晶器下端不是矩形，其特征是用与结晶器连接的扇形段压下区的辊子使铸坯形成矩形。,50,4.2.4 薄板坯连铸机实际生产现状,51,4.2.4 薄板坯连铸机实际生产现状,TSC紧凑式轧制工艺2001年全世界已有30多台被采用，并进入普及阶段。此表还不包括我国的马钢、唐钢和凌钢。,52,4.2.5 薄板坯连铸技术的现状,虽然TSC法的技术要素与传统式板坯连铸法没有大的差别，但从省略铸坯修整的直接连铸工艺来看，要求有更严格
31、的铸坯表面质量。在实际使用本方法时，以下的应用技术起着重要的作用。,53,1） 钢水的浇铸技术本研究将薄板坯的厚度定义在40 100mm，按已投入商用的TSC机规格可分为厚度40 70mm薄板坯和厚度80 100mm中厚板坯。前者占投产的TSC约70，采用有利于浸入式水口浇铸钢水的漏斗形结晶器。后者大多采用矩形结晶器。无论是浇铸何种厚度的板坯，TSC机浸入式水口的内径都比传统式板坯用连铸水口的小，因此在浇铸用铝脱氧的钢水时，浸入式水口容易因Al2O3而发生堵塞。如果象以往那样向水口内吹入Ar气，由于TSC的拉速很快，Ar会被铸坯吸入，而易产生针孔缺陷。因此，就目前的TSC来说，为抑制Al2O3
32、的生成，一般是在对钢水进行Ca处理后再浇铸。,54,2） 高速浇铸技术关于低碳铝镇静钢的浇铸，传统式板坯连铸机的最高拉速是2.5m/min.左右，而采用TSC商用机浇铸同种钢的最高拉速可提高一倍，为56m/min.。TSC试验机曾取得用8.0m/min.的拉速浇铸之后，热轧成带钢的实绩。另一方面，根据凝固壳断裂强度的研究，推测最高拉速可达8.5m/min.为达到稳定的倍速浇铸，在操作方面要防止拉漏；在铸坯质量方面要防止发生表面缺陷（尤其是表面纵裂纹）。在结晶器内必须解决的三个关键技术：a)合理的结晶器内腔形状；b)与之相适应的伸入式水口；c)适应高拉速的保护渣。,55,3） 铸坯的轻压下技术连
33、铸机出口的铸坯厚度越薄，热轧设备越紧凑，可降低设备费用。为此开发了连铸机内铸坯液芯压下技术和末切割铸坯的凝固后轧制技术，使小于1.2mm厚度超薄热轧钢板产生成为可能。由于铸坯液芯压下不需要大的设备，且压下量为20mm左右，因此广泛应用于商用连铸机。在试验上已取得了压下量达40mm，并且无铸坯质量问题的实绩。另一方面，末切割铸坯在凝固后的低速轧制技术至今只有2台工业机采用，目前正在使用过程中，但其后并没有取得进展。这是因为当铸坯表面温度下降时，如果采取低速轧制，容易产生轧制裂纹，以及有低速轧机维修问题等。,56,4） 薄板坯连铸法的课题TSC法紧凑式轧制工艺的成本优势已被证明能够生产传统法难以生
34、产的超薄热轧钢板等，目前进入普及阶段。但今后能否持续取决于“TSC紧凑式热轧”工艺的薄板质量能否与“传统式板坯用连铸传统式大型热轧”工艺的薄板质量匹配或更高。以碳素钢为例，目前它还无法稳定应用于汽车用外壳材料、安全构件、加固构件和家用电器材料等所谓的高级钢，主要应用于低、中级钢。另一方面，从不锈钢来看，以前为获得与传统法连铸板坯相同的质量，板坯厚度控制在100150mm，拉速限于3m/min.以下的低速。但是，最近的研究已取得很大的进展，能够在板坯厚度6070mm、拉速5m/min.条件下，获得与传统连铸板坯相同的质量。,57,4） 薄板坯连铸法的课题,由于TSC法的拉速是传统板坯连铸法的一倍
35、，因此容易产生铸坯裂纹的问题。但随着初期凝固控制技术的进展，这一问题正在克服。然而，TSC还存在着以下二个课题：第一个课题是：对于铝脱氧钢，为了使注入钢水用的结晶器内水口不发生堵塞，必须对钢水进行Ca处理。如果不解决此间题，那么象超低碳钢等就难以采用本法。另外，在没有进行Ca处理的情况下，由于采取的是高拉速，因此担心夹杂物会增加。,58,4） 薄板坯连铸法的课题,第二个课题是：为了达到与下道工序的轧制直接连接，必须控制铸坯在被轧前途中不被冷却到A3相变点以下(图的2道)。因此铸坯是在粗大奥氏体组织状况下被轧制的，钢板无法获得细化晶粒组织。为扩大本法的应用钢种，必须再做些研究。今后，若能研究透彻
36、这两课题，就可打开应用 于高级钢的突破口。,59,4.3 薄带连铸法的开发和发展,4.3.1 开发竞争进入80年代，SC法以不锈钢为主要研究对象而得以开发。其原因是：奥氏体系不锈钢容易获得表面质量比碳素钢等钢种更好的带钢铸坯，同时适合于各种不锈钢的小批量生产。而且，SC法的浇铸时间和不锈钢的精炼时间基本相同，以及有可能在不锈钢板领域中为解决板坯物流的诸多问题打开一条道路等，这也是SC法得以开发的原因所在。另一方面，碳素钢的发展稍慢，进入90年代后不用铝作脱氧剂的钢种得到了积极的开发，如建材用低碳硅脱氧钢和电磁用高硅钢等。80年代世界各地在实验室进行了各种形式的SC法试验。其后，在日本、欧洲、美
37、国、澳大利亚和韩国的研究已发展到浇铸钢水重量超过10t的试验连铸机。,60,4.3.1 开发竞争,这些研究结果归纳于下表。表中(1)为1997年在日本投产的商用SC1号机。与TSC的商用1号机相比，迟了约10年；(4)为1999年在德国已投入商用的带钢连铸机； (7)为2002年在美国纽柯投入商用的带钢连铸机。,61,4.3.2 薄带连铸机实际生产现状,由于SC机刚刚达到实用化，因此其实际的生产能力尚无定论。作为商用投产的2台连铸机都是以不锈钢为对象的垂直双辊式连铸机。工业SC设备的一例示于下图。整个作业线的长度大约5080m，比TSC法的更紧凑。 美国纽柯以碳素钢为对象的商用SC机也是垂直双
38、辊式连铸机。可以说作为批量生产的商用机仅限于垂直双辊式连铸机。,62,4.3.2 薄带连铸机实际生产现状,三种商用SC机的技术参数和下道工序的比较示于下表。 由表可见，与成本和生产能力有直接关系的双辊直径有很大差异。另一方面，为把浇铸的带钢制成热轧钢板，从尺寸精度和晶粒方面来看，也必须进行在线热轧。,63,4.3.3 薄带连铸技术的现状,垂直双辊式SC法的技术要素与传统式板坯连铸法有很大的不同。由于SC法是把钢水浇入相当于结晶器的浇铸辊之间，因此必须在铸辊的侧面设置防止钢水漏出的侧封板。钢水与浇铸辊接触形成的凝固壳以与辊子运转相同速度移动，同时凝固成长，在最接近铸辊的位置上(轻触点)与另一方向
39、的坯壳压合，形成15mm厚的带钢铸坯后脱离辊子。与传统连铸法相比，采用SC法的钢水凝固结束时间非常短，只需0.20.8 s。虽然带钢铸坯的厚度与钢水和浇铸辊接触的时间成正比，但由于液面波动等原因，带钢铸坯的厚度会发生微妙的变化，因此确保带钢铸坯厚度恒定的控制技术很重要。,64,4.3.3 薄带连铸技术的现状,SC法与使用固定结晶器和润滑保护渣的传统板坯连铸法不同，具有如下特征。(1)钢水熔池内并存着长边面为辊子冷却，短边面为侧封板隔热的二个不同凝固特性。(2)长边面的凝固壳是因与水冷辊子的直接接触而形成，因此,凝固时的冷却速度大。(3)凝固时产生的滚动对带钢铸坯的厚度有很大的影响。,65,4.
40、3.3 薄带连铸技术的现状,因此，薄带连铸的关键技术就是：稳定侧封板功能的技术 均匀凝固技术 铸坯厚度控制技术,66,4.3.4 薄带连铸法的课题,在不锈钢带钢连铸应用刚开始，SC法作为实际的生产工艺，它是否有经济性还不能作定论。关于SC法生产的热轧钢板和冷轧钢板的产品特性，除了奥氏体系不锈钢外，还不能说是很明确的。例如，高碳钢采用本法的例子还没看到。本法的凝固开始冷却速度快，限1s时间内完成凝固。控制技术及其装置非常重要。为扩大本法的应用，必须解决以下基本课题。,67,4.3.4 薄带连铸法的课题,设备热负荷的可靠性，如双辊和侧封板等； 均匀凝固的稳定性。这里，课题1是与浇铸的稳定性和本法的
41、制造成本有直接关系。课题2是即使稍有一点凝固不均匀波动产生，都会对带钢铸坯质量造成敏感的影响，与传统法生产的热轧钢板相比，其表面质量容易产生波动，有时还需对钢板进行修整。因此今后在试图将本法扩大应用于铝脱氧钢时，为抑制钢水浇铸过程中出现不稳定的钢液波动，还必须解决浸人式水口堵塞问题，这是必须解决的技术课题。除了这些课题外，今后在追求本法的低成本过程中，如何有效变动带钢铸坯的宽度也是今后所要探究的问题。,68,4.4 近众形连铸技术现状总结,(1)TSC紧凑式轧制工艺主要用于低、中级薄板的近终形连铸，目前已进人普及阶段。本法是否能发展成为能稳定生产高级薄钢板的技术，正是未来应用范围扩大的关键所在
42、。(2)SC法主要用于奥氏体系不锈钢的近终形连铸，其工业连铸机处于投产初级阶段，因此市场对产品质量的评价和该工艺的经济性还无定论。从减少能耗和减轻环境负荷的观点来看，本法无疑是生产薄钢板的最佳工艺，但仍有许多技术有待开发，普及阶段的到来尚需一段时间。,69,五、连铸前沿技术,5.1 液心压下技术 5.2 液压非正弦振动技术 5.3 电磁连铸技术 5.4 洁净钢连铸生产技术 5.5 铸机动态监控与铸坯质量预报技术,70,五、连铸前沿技术,5.1 液心压下技术在连铸机上，对铸坯进行在线压下的行为，依据其工艺出发点的不同，存在不同的提法。主要包括轻压下技术、铸轧技术、液芯压下技术等。这些提法的核心是
43、利用铸机扇形段对带液芯的铸坯进行适量压下，以满足工艺要求。严格意义上讲，轻压下技术、铸轧技术是液芯压下技术的特殊表现形式。液芯压下是融凝固与塑性变形、连铸与轧制一体的新工艺技术。,71,5.1 液心压下技术,具体形式有辊式轻压下技术和锻压式轻压下技术，其主要作用概括为如下四方面： 在连铸坯的凝固末端进行适量压下，以减小铸坯中心宏观偏析及疏松，改善铸坯质量； 在结晶器下方进行压下，以扩大结晶器容积，有利于稳定薄板坯连铸结晶器内钢液面，促进钢中夹杂的上浮； 提高薄板坯连铸保护渣的润滑效果，改善铸坯表面质量； 可以灵活地改变铸坯厚度，增加产品规格范围，使生产组织具有更大的灵活性。,72,5.2 液压
44、非正弦振动技术,连铸结晶器振动方式从发展历程看主要可归纳为如下四种：同步振动(矩形波)、负滑振动(梯形波)、正弦振动和非正弦振动。严格地讲，除正弦振动外的所有振动方式都可称为非正弦振动。这里讲的非正弦振动是指与正弦振动相对应，具有一定偏斜的波形。结晶器非正弦振动与正弦振动相比具有如下特点：1)结晶器上升时间长且速度平缓，可减少初生坯壳所承受的拉伸应力；2)结晶器下降时间短且速度快，对初生坯壳施加了压应力，有利于脱模；3)负滑动时间明显减少，可减少振痕深度，提高铸坯表面质量。因此,非正弦振动更适应高拉速连铸过程。,73,5.3 电磁连铸技术,电磁技术在连续铸钢工艺中有着广泛的应用，概括地讲可以分
45、为如下几个方面：电磁力学特性的利用，如注流约束、电磁制动、电磁搅拌、电磁软接触等；电磁热特性的利用，如中间包感应加热等；电磁物理特性的利用,如电磁下渣检测、液面检测等。目前，利用电磁技术改善连铸坯质量的研究工作也取得了很大进展，已被用于工业生产的电磁冶金技术主要是电磁制动和电磁搅拌。,74,5.3 电磁连铸技术 5.3.1 电磁制动技术,电磁制动的目的是改变凝固过程中的流动、传热和溶质的分布,进而影响连铸坯的凝固组织。与常规连铸相比,电磁制动能够降低结晶器内钢液向下冲击的深度,促进凝固前沿非金属夹杂物的上浮,稳定弯月面的波动,促进保护渣的均匀分布,75,5.3 电磁连铸技术 5.3.2 电磁搅
46、拌技术,电磁搅拌的目的是强化液芯内钢水的对流运动，均匀钢液过热度，打碎树枝晶，促进非金属夹杂物和气泡的上浮；促进等轴晶的形成；减轻中心偏析、中心疏松和缩孔；改善铸坯的表面质量。,76,不同位置 搅拌器的 冶金效果,77,5.3 电磁连铸技术 5.3.2 软接触电磁连铸技术,软接触：是对连铸结晶器施加一个高频交流电磁场，在初始凝固区产生一个指向铸坯内部的电磁压力，此电磁压力部分抵消了钢液的静压力，使熔融金属弯月面凸起，弯月面处的熔融金属与结晶器之间呈非接触状态，保护渣流人通道变宽，渣液均匀畅流，减轻了由于结晶器振动保护渣流人、流出所造成的动压变化而引起的铸坯表面振痕。,78,5.3 电磁连铸技术
47、 5.3.2 软接触电磁连铸技术,最近提出，采用间歇式高频电磁场取代结晶器机械振动，并从理论上和可视化实验方面证明了其可行性。利用低熔点金属锡模拟钢，通过高速摄像机，观察结晶器无机械振动下保护渣的流入、流出行为，研究了电磁连铸过程中间歇频率和磁感应强度对保护渣消耗量的影响以及采用分瓣形水冷铜制结晶器进行无机械振动下的锡金属电磁连铸模拟实验，确立了铸坯表面质量、电磁场参数、保护渣消耗量等三者之间的关系，开发了结晶器无机械振动电磁连铸新技术，并将其命名为MOLEMC(Mold Oscillation Less E1ectro Magnetic Casting)技术。,79,5.3 电磁连铸技术 5
48、.3.2 软接触电磁连铸技术,钢的软接触结晶器电磁连铸技术是冶金工业新兴的前沿技术，代表新世纪连铸生产的发展方向，具有非常广阔的应用前景。然而，实验结果虽然表明软接触电磁连铸技术在传统连铸机上的应用是可行的，但是，要真正实现工业应用还有一些关键技术需要去攻克，如高频(数万到数十万赫兹)高功率(数百干瓦)电源设备、切缝式结晶器、抗电磁场干扰的液位检测系统等等。尽管如此，软接触电磁连铸始终被看作二十一世纪革命性的连铸新技术，近年来，国外已取得了突破性进展，日本的新日铁、川崎、神户、住友以及富士电机等各大公司正投入巨资进行相应设备的开发和工业性试验；韩国亦把软接触电磁连铸技术定为国家重点研究项目联合
49、进行工业性试验研究。国内，宝钢在电磁冶金领域的技术开发力度和科研投入，已经受到国内外电磁冶金学者的普遍关注。,80,5.4 洁净钢连铸生产技术,连铸过程生产洁净钢一是去除钢液中氧化物夹杂，进一步净化进入结晶器的钢水；二是防止钢水的再污染。对于液体钢中夹杂物去除主要决定于:1）夹杂物形成；2）夹杂物传输到钢/渣介面；3）渣相吸附夹杂物。对于防止连铸过程钢水再污染，主要决定于：1）钢水二次氧化；2）钢水与环境、钢水与空气、钢水与耐材相互作用；3）钢液流动和液面稳定性(渣-钢界面紊流、涡流)；4）渣钢乳化卷渣(渣/钢界面紊流、涡流)。因此，应根据产品用途把炼钢-精炼-连铸的操作处于严格控制之下，才能生产洁净钢。,81,5.4 洁净钢连铸生产技术,就连铸而言，主要技术控制对策如下：1）保护浇注技术2）中间包冶金技术（控流装置、过滤器、吹气等）3）中间包覆盖剂（酸性、中性、碱性和高铝碱性渣）4）中间包包衬（碱性包衬）5）中间包电磁离心分离技术（促进夹杂物分离）6）中间包真空操作技术（降低冲击力、减少卷渣）7）中间包热操作技术（寿命达800炉）8）防止下渣和卷渣技术（大包和中包）9）结晶器钢水流动控制技术（电磁制动）,
