连铸工艺与设备

1/521.连铸工艺与设备绪论安徽工业大学材料学院2012.3.62/52钢铁生产工艺流程炼铁炼钢轧钢连铸3/521.1连铸概论转炉生产的钢水经过炉外精炼后需要铸造成不同类型和规格的钢坯。连铸就是将精炼后的钢水连续铸造成钢坯的生产工序。连铸概念：连铸为连续铸钢(CC-ContinuousSteelCasting)简称，是将钢水用连铸机浇铸、冷凝、矫直、切割得到铸坯的工艺，是连接炼钢和轧钢的中间环节，是炼钢生产的重要组成部分。在钢铁厂生产各类钢铁产品过程中，使用钢水凝固成型有两种方法：传统的模铸法和连续铸钢法。4/525/52连铸主要设备包括：钢包(盛钢桶)回转台、中间包(罐)、结晶器(一次冷却)、结晶器振动机构、二次冷却装置、拉坯矫直装置(拉矫机)、切割装置和铸坯运出装置等。6/52马钢CSP连铸机主要装备示意图7/52从转炉或电炉初炼好的钢水注入钢包的同时进行脱氧合金化，然后运至钢包精炼站进行钢水温度和成分的调整(炉外精炼)。1.2连续铸钢的工艺流程将装有精炼好钢水的钢水包运至连铸平台回转台，回转台转动到浇铸位置后，将钢水注入中间包。8/52中间包再由水口将钢水分配到各个结晶器中，结晶器使铸坯成形并迅速冷却凝固结晶，形成外表为凝固坯壳内部是未凝固钢水的铸坯。在结晶器下端出口处的凝固坯壳应有足够厚度，以保证内部钢液不流出来(钢液流出叫拉漏)。9/52随着拉坯辊缓慢地将带液芯铸坯从结晶器拉出，中间包内的钢水也同时连续地注入结晶器内，就可以得到很长带液芯铸坯。带液芯铸坯在二次冷却区喷水强制冷却，拉矫机与结晶振动装置共同作用，将结晶器内铸坯拉出，当拉到规定位置时，铸坯内部完全凝固。将铸坯切割成规定的尺寸，由出坯装置送后续工序。10/521—钢水包；2—中间包；3—振动机构；4—偏心轮；5—结晶器；6—二次冷却夹辊；7—铸坯中未凝固钢水；8—拉坯矫直机；9—切割机；10—铸坯；11—辊道连铸机工艺流程11/521.3连续铸钢的优越性连续铸钢自问世以来便得到迅速发展，主要是由于与传统的“模铸-开坯”工艺相比，具有如下突出优点：1)简化了钢坯生产工序，缩短了工艺流程，节省投资；a.省去了脱模、整模、钢锭均热、初轧开坯等工序。b.薄板连铸机，又省去了粗轧机组。2)提高了金属收得率和成材率；由于在一个机组上连续浇铸出钢坯来，可以提高金属收得率达7%-8%，成材率提高10%-15%，成本可以降低约10%-12%；12/523)降低了能源消耗。据日本资料介绍，连铸的能源消耗仅为模铸工艺的13.5%-20.8%；4)生产过程机械化、自动化程度高，改善劳动条件。可以采用计算机自动控制，易于实现连续生产；5)提高铸坯质量，扩大品种。连铸坯断面比较小，冷却速度大，枝晶间距小，偏析程度小，尤其沿铸坯长度方向化学成分均匀。此外，除沸腾钢外几乎所有钢种均可以采用连铸工艺生产，而且质量很好。6)与轧钢衔接良好。13/52早在19世纪中期美国人塞勒斯(1840年)、赖尼(1843年)和英国人贝塞麦(1846年)就曾提出过连续浇铸液体金属的初步设想，并用于低熔点有色金属的浇铸；类似现代连铸设备的建议是由美国人亚瑟(1886年)和德国人戴伦(1887年)提出来的。1930年，铜和铝的连续铸造开始应用于生产。钢的连铸要困难的多。钢的熔化温度高，导热性差，不容易在短时间内形成足够厚的外壳，外壳很容易拉断，此时连铸机还不适合铸钢。1.4连续铸钢技术发展的概况14/521933年德国人容汉斯建成一台结晶器可以振动的立式连铸机，并用其浇铸黄铜获得成功，后又用于铝合金的工业生产。结晶器振动的实现，不仅可以提高浇注速度，而且使钢液的连铸生产成为可能，因此容汉斯成为现代连铸技术的奠基人。15/5240年代连续铸钢试验开发在20世纪40年代，钢的连铸试验开发主要集中在美国和欧洲。容汉斯决定让美国罗西(I.Ross)使用他的专利权，这对连续铸钢技术开发具有重要历史意义。二者分别在美国和德国独立进行连续铸钢试验工作。40年代连铸技术开发主要在结晶器上。曾出现固定不动结晶器、弹簧吊挂式结晶器和以容汉斯方式为代表的振动结晶器。目前，振动式结晶器已经成为标准的铸机模式。16/52连铸技术的突破性进展--英国人哈里德(Halliday)提出的“负滑脱”(Negativestrip)概念。在哈里德的负滑脱振动方式中，结晶器下振速度比拉坯速度快，铸坯与结晶器壁间产生了相对运动，真正有效地防止了铸坯与结晶器壁的粘连，钢连续浇铸的关键性技术得到突破。在容汉斯及罗西的振动方式中，结晶器下降时与铸坯无相对运动，哈里德的负滑脱方式中结晶器与铸坯有相对运动，有改善润滑、减轻粘结的优点，更便于实现高速浇铸。17/52连续铸钢在20世纪50年代步入了工业生产阶段，但产量很少。1950年世界钢产量为1.9亿吨，而1960年达到3.4亿吨，连铸钢产量仅为115万t，连铸比仅为0.34%。世界上第一台工业生产的连铸机于1951年在前苏联“红十月”冶金厂建成，是一台立式双流板坯半连续铸钢设备，用于浇铸不锈钢。1952年第一台立弯式连铸机在英国巴路厂投产。50年代开始步入工业化18/52进入20世纪60年代，弧形连铸机的问世使连铸技术出现了一次飞跃。相比较立式铸机，弧形铸机不仅提高了生产率，降低了设备投资，而且更有利于安装在原有的钢厂内。弧形连铸机的概念早在1952年德国人欧·萨波尔(O.Schaber)就提出，最先把弧形结晶器连铸机的设想付诸工业性试验的却是德国曼内斯曼公司。世界第一台弧形连铸机于1964年4月在奥地利百录厂诞生。60年代弧形铸机引发革命19/5220世纪70年代，世界范围的两次能源危机促进了连续铸钢技术的大发展，提高了连铸机的生产能力，从而改善了铸坯的质量，扩大了品种。从世界范围看，1980年连铸钢产量已逾2亿吨，相当1970年产量的8倍。这种增长速度是事先没有料到的。其原因来自1973~1974年和1979年两次能源危机的推动。70年代能源危机推动连铸技术迅速发展20/52进入20世纪80年代以后，连铸技术日趋成熟。如开发了钢包精炼、钢液钙处理、电磁搅拌、结晶器液面自动控制、中间包冶金、结晶器冶金、结晶器在线调宽等一系列技术；连铸坯的热送、直接轧制及其相伴的无缺陷铸坯生产技术等。80年代连铸技术日趋成熟21/52连铸比的概念连铸比：指连铸合格坯产量占合格钢总产量的百分比。合格钢生产量=合格连铸坯生产量+合格钢锭生产量+合格铸钢水生产量。连铸比是衡量一个国家或一个钢铁工厂生产发展水平的重要标志之一，也是连铸设备、工艺、管理以及和连铸有关的各生产环节发展水平的综合体现。1960年代末，世界钢产量的连铸比仅为5.6%，到2004年连铸比为90.4%，2005年我国钢铁产量约3.5亿吨，其中96%依靠连铸技术生产。22/521.4连续铸钢技术发展的概况23/521.4我国连续铸钢技术发展概况我国是连续铸钢技术发展较早的国家之一，早在20世纪50年代就已开始研究和工业试验工作。1957年上海钢铁公司中心试验室的吴大柯主持设计并建成第1台立式工业试验连铸机。1958年由徐宝升主持设计的我国第1台双流立式连铸机于重钢三厂建成投产。1964年6月24日由徐宝升主持设计的我国第1台方坯和板坯兼用弧形连铸机于在重钢三厂诞生投产，这是世界上最早的生产用弧形连铸机之一。24/52为了学习国外的先进技术和经验，促进我国连铸生产发展，一些企业从70年代后期开始引进国外技术和设备。据统计，到1995年底我国运转和在建的连铸机已有300多台，其中自行设计制造的占80%，由国外引进的只有70台左右。2005年我国的钢产量达到3.5亿吨，占世界的30%左右，为世界第一钢产量大国；连铸比96%以上，实现了全连铸化；连铸机1000多台为世界第一。25/5226/52我国连铸机台数为世界第一，但总体技术经济指标与国外先进水平差距较大。如吨钢能耗比日本高20~30%，作业率低10%左右，成材率低9%左右；日本的中厚板连铸机拉速在2~3米/分，我们多数铸机在1.5米/分以下。为了尽快改变目前钢铁工业状况，迅速赶上世界先进水平，应从以下四方面着手：(1)提高冶炼技术；(2)采用先进的连铸设备；(3)采用先进的工艺和操作技术；(4)科学的管理。1.5连续铸钢发展概况总结27/521.6连铸机概念铸机的名称1.台数：凡是共用一个钢包(盛钢桶)同时浇注一流或多流铸坯的一套连铸设备，称为一台连铸机。2.机组：一台铸机中具有独立传动和工作系统，当其它机组出现故障时仍可照常工作的一套连铸设备称为一个机组。一台连铸机可以是多机组，也可以是单机组。28/523.流数：对于每台连铸机来说，同时能浇铸铸坯的总根数叫连铸机流数。凡一台连铸机只有一个机组，又只能浇铸一根铸坯叫一机一流。如能同时浇铸两根以上的铸坯叫一机多流。凡一台连铸机具有多个机组又分别浇注多根铸坯的，称为多机多流。一机多流与多机多流相比，设备重量轻，投资省，但一机多流如有一流出事故，可造成全机停产，且生产操作及流间配合困难。近年来，方坯最高浇8流，多数用2~4流。板坯最多浇4流，多数用l~2流。29/521.6连铸机型分类从上世纪50年代连铸工业化开始，60年来连铸机发展经历了一个由立式、立弯式到弧形的演变过程，目前连铸机型采用最多的是全弧形和弧形带直线段(或者是立弯式)。连铸机可以按照多种形式分类：1)按照连铸机结构外形或铸坯运行轨迹分：立式、立弯式、直结晶器多点弯曲式、直结晶器弧形、弧形、椭圆形和水平连铸机。30/52连铸机型示意图31/52123456立式立弯式水平椭圆形弧形直结晶器多点弯曲32/52立式连铸机浇铸、结晶凝固、二次冷却和切割等工序均在垂直线上顺序进行。立弯式铸机先是垂直的，待铸坯凝固后再弯90成水平状切割运出，高度比立式有所降低。弧形连铸机把钢液浇到弧形结晶器内，沿弧形轨道运行，经过1/4圆弧后在水平方向出坯，设备高度比立弯式更进一步降低。在弧形连铸机的基础上进一步改进，就出现了椭圆形连铸机。水平连铸机目前正处于开发阶段。据不完全统计，目前世界上所建的连铸机中，立式占17%，立弯式占21%，弧形占55%，其它形式占7%，目前新建连铸机是弧形的最多。33/522)按照连铸机所浇铸断面大小和外形分：厚板坯、薄板坯、大方坯、小方坯、圆坯、异型钢坯及椭圆形钢坯连铸机和薄带连铸机等。方坯连铸机：通常把所浇铸断面或者当量面积150×150mm以上为大方坯；断面150×150mm为小方坯。板坯连铸机：铸坯断面长方形，宽厚比一般在3以上。圆坯连铸机：铸坯断面为圆形，直径60~400mm。异型坯连铸机：浇铸异型断面如工字梁。34/52板坯圆坯方坯35/523)按钢水的静压头(单位重量流体所具有静压能)分：高头型、标准头型、低头型和超低头型连铸机等。静压力较大的为高头型连铸机如立式、立弯式连铸机。静压力较小为低头连铸机如弧形、椭圆和水平连铸机。4)连铸机按一个机组共用一个大包所能浇铸坯数分：台机流。单流或一机一流，双流或者一机二流或者二机二流；多机多流。5)按拉速分类有：高拉速和低拉速连铸机。主要区别在于：高拉速时铸坯带液芯矫直，低拉速时铸坯全凝固矫直。36/521.7立式连铸机特点基本特征：连铸机主要设备如中间包、结晶器及其振动装置等均上下依次序排列在一条垂直线上。主要优点：非金属夹杂物易于上浮；铸坯四面冷却均匀；成分和夹杂物偏析较小；主体设备结构均简单，可省去一套矫直装置；占地面积小，设备紧凑；二次冷却装置和夹辊等结构简单，便于维护；铸坯在结晶凝固过程中，不受任何机械外力作用。高温铸坯无弯曲变形，铸坯表面和内部裂纹少，为获得高质量铸坯创造更有利的条件；适于优质钢、合金钢和对裂纹敏感钢种的浇铸。37/52主要缺点：铸机机身很高，由此带来一系列问题：钢水静压大，极易使凝固坯壳产生鼓肚变形，从而导致铸坯质量恶化。机身高达20~40m，基建费用高，安装维修不