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降低生产成本和提高产品质量的先进连铸技术ChangHeeYim和OhjoonKwon技术研究实验室,浦项,1Goedong-dong,Pohang790-785,韩国摘要:现代连铸技术研究者将精力直接着眼于浇注速度的提高之上,同时又要确保浇注产品的高质量。光阳厂新近修缮板坯铸机设计的最大目标拉速为2.7m/min,最近研发了各种不同的技术。新设计的板坯铸机的年生产能力被证实可达350万吨以上。在高拉速条件下通过对结晶器液面进行充分控制可以确保板坯的表面质量。生产发现,可移动的多模式电磁系统中的制动模式对弯月面的平稳控制是有效的。通过实行诸如结晶器液位控制、钢包吹氩净化和强冷在内的技术也能够改进铸坯的表面质量。采用传统的轻压下技术提高了铸坯的内部质量。通过对轻压下技术进行优化,厚钢板的废品率得到大幅度降低。研究发现一种新型的铸坯质量预报系统对产品质量的提高也是有帮助的。通过采用新近开发的重压下技术,铸坯的中心偏析和缩孔被证实有了进一步的减少。由浦项钢铁公司开发的PoStrip工艺是一种具有创新意义的近终形连铸技术。为了证实这种工艺技术在质量和生产率方面的商业生存能力,建设了一条不锈钢带示范生产线。采用这种技术生产的奥氏体不锈钢被证实和传统产品具有相同的机械性能。关键词:高速连铸,偏析,带钢连铸连铸工艺技术发展的关键趋势之一是铸坯产品质量和生产率的提高。在已有的连铸工艺中,为了确保质量和生产方面的竞争力,人们在连铸技术开发方面付出了大量的精力。铸坯的诸如中心偏析和疏松的缺陷总是成为制约高质量钢的稳定生产的核心问题。电磁技术是广泛采用的提高铸坯质量的方法。各种技术模式得到开发和商业生产线的实际应用,取得了成功成果。轻压下也是提高铸坯内部质量的一种有效工具。通过对采用各种传感器获得的和从生产数据库提取的工艺数据进行综合分析,开发了计算机监控和预测系统。连铸的一个新趋势是更薄厚度铸坯的生产。薄板坯连铸和带钢浇注就是这方面的例子。为了可以直接采用钢液生产高温薄钢带,浦项钢铁公司开发了称为“poStrip”的具有创新意义的连铸技术。多年来,进行了大量的实验室基础实验和试生产试验,研究结果被证实是非常有意义的。因此最近建设了一条具有商业化规模的不锈钢带的示范生产线。基于连铸生产经验和对连铸工艺技术的理解,在连铸技术领域,浦项钢铁公司在全球的技术领导能力的建设的设想方面起到了示范性的作用。下表描述了这些尝试的部分特色。图1热试后产量的变化1.高速连铸浦项光阳修复的2-3铸机的主要目标是实现每年350万吨的生产能力,生产的钢种要包括汽车用的钢板在内[1,2]。对于给定的铸坯断面和铸机长度,为了满足达到设计的目标年产量的需要,铸机的最大拉速设为2.7m/min。为了确保在高拉速条件下的连铸操作的稳定顺行,最近在铸机修补过程中开发了各种技术并得到工业化应用。为了抑制非稳定鼓肚的产生,对辊子尺寸和辊列进行了设计以实现结晶器液位波动的最小化。为了缩短液相穴终点长度和通过控制铸坯表面组织而减少边角横裂纹,采用了强的二次冷却技术[3]。为了适应各种不同的操作条件,配置了一套具有多模式的电磁系统以控制结晶器内的流场。为了将水口堵塞降到最低程度,采用了一套吹氩自动化控制系统。1.1高速连铸试验2007年成功进行了热态试验,连续三天内每天浇注了30炉钢。图1显示了热态试验后的产量变化。为了避免发生任何的连铸操作事故和出现铸坯质量问题,高速连铸试验都是非常谨慎地实行。对于某一特定的钢种,在完成一次高速浇注试验后,对许多工艺参数进行了分析。针对低碳铝镇静钢、超低碳钢和中碳钢三类钢的高速浇注试验的详细情况如表1所示。对于低碳铝镇静钢,开浇后拉速很快就达到了2.4m/min。浇注930mm宽度铸坯时,在连续三个浇次内,拉速在最大设计值2.7m/min以下的试验都得到了成功实现。自开始热试以来60天后,达到了6.5吨/分钟/流的高产能。对于超低碳钢,在完成了低碳铝镇静钢的高速浇注试验后,超低碳钢的拉速很快达到2.5m/min。就中碳钢而言,需要在开发出了相应的结晶器保护渣以后再进行高速连铸试验。1.2低碳铝镇静钢的操作结果图2显示了某一浇次拉速的变化过程和相应的结晶器液位水平。图2中初时拉速为2.5m/min,开浇40min后拉速增加到2.7m/min。在连续浇注三炉钢时连铸工艺条件均能得到稳定维持。拉速为2.7m/min时,结晶器液面波动控制在2mm以内,而且随着拉速的提高液面的波动没有呈现增高的趋势。结晶器内液位的稳定控制归功于辊列、辊子尺寸以及冷却条件的优化设计。采用由结晶器铜板侵蚀模式检测到的弯月面波动状况显示了那种平稳的弯月面曲线。可移动的具有多种模式的电磁系统中的电磁制动模式被发现对于弯月面平稳性的控制是有用的。在矫直装置附近安置了温度扫描仪,采用它检测了铸坯表面温度在宽度方向上的变化曲线。为了控制铸坯发生鼓肚,铸坯中心区域的温度被设定的足够低。铸坯角部温度被控制在大约780C。采用射钉方式测定的液相穴长度为45.5m,液芯末端位于距铸机出口前1m。这个结果表明,这台铸机的最高拉速只能达到2.7m/min。铸机内的凝固系数为30.8mm/min0.5。2.高质量铸坯的浇注2.1铸坯表面质量的控制在低碳铝镇静钢的高速浇注实验中,铸坯质量得到了仔细检测。结果没有观察到与夹杂和裂纹相关的质量问题。我们认为这要归因于结晶器液位的稳定控制以及1.2节所提及的铸坯具有低的表面温度。从中间包的预热到浇注结束,整个过程中都充满了氩气气氛,其目的是防止由于在中包和水口输送系统发生空气的吸入而造成的钢液二次氧化。这使得连铸起始,钢液自封闭的滑动水口开始注入,在水口输送钢液系统中,夹杂物的沉积得到了最小化。表1低碳铝镇静钢、超低碳钢和中碳钢的高速浇注试验记录图2拉速的变化趋势以及在以最大拉速2.7m/min.进行浇注时的结晶器内液位的水平经由水口运输系统的连接件或因操作过程氩气控制不足造成的吸气现象会导致钢液的二次氧化或水口发生大量的堵塞。而且,由于水口堵塞的程度和位置的检测是复杂的,生产高质量的铸坯引起了人们的过度关注。为了便于操作人员能够监控水口运输系统的气体损耗的程度和位置以及堵塞情况,开发了带有人机接口的氩气控制系统,如图3所示。图中显示的氩气流速可根据氩气耗量和水口堵塞严重程度进行自动控制。生产超低碳钢时通过采用氩气控制钢种日期拉速(宽度)备注低碳铝镇静钢’08.12.182.5m/min(1,180mm)’08.01.172.6(1,240mm)产能:6.5吨/分钟/流’08.02.012.6(1,000mm)’08.02.142.7(930mm)连续浇注3炉钢超低碳钢’08.02.292.3(1,049mm)’08.03.182.5(1,000mm)中碳钢’08.03.061.8(1,140mm)VcMoldLevel系统,水口堵塞程度得到了大幅度的下降,而且即便是在高拉速条件下,由结晶器保护渣和氧化铝夹杂带来的铸坯质量问题仍然没有恶化。为了防止弯曲和直形段铸坯的温度进入第三脆性区温度范围,二冷段采用了精密的冷却措施[4]。由此,对于一些裂纹敏感性钢种,角裂和横裂缺陷得到了有效减少。图3氩气控制系统的示意图2.2铸坯内部质量的控制采用板坯铸机浇注300mm厚铸坯是通过超声检测方法分析产品质量,厚板生产中的高的废品率一直是长期的难题。造成内部质量问题的中心缺陷主要是中心偏析和疏松。液相穴的终点位置的准确检测是非常重要的,因为众所周知,轻压下技术[5~7]必须正好施加在液相穴终点之前的附近位置才能最大程度减少中心偏析。在铸坯凝固最后阶段这将会对凝固收缩进行补偿。宽的铸坯通常具有延长的凝固区域,由于在铸坯宽度方向上凝固不均匀,凝固区距铸坯两侧约达250mm。因此,为了覆盖凝固区,必须对轻压下的范围进行修正。采用修正的轻压下技术后,铸坯整体的内部质量得到了有效改进。图4内部质量预测系统示意图为了提高和控制铸坯的内部质量,轻压下的技术条件包括轻压下施加范围、压下率和拉速也需要进行监控。铸坯可能具有非常不同的中心偏析和缩孔水平,特别是在施行动态轻压下的条件下,甚至于对于同一炉次在拉速发生变化的过程中,铸坯内部质量也会明显不同。基于扇形段的监控数据开发了铸坯内部质量预测系统,如图4所示。该系统使得在切割铸坯之后5分钟内,可以通过偏析指数的预测对铸坯内部质量进行评估。根据这种通过采用新开发的质量预测系统而获得的内部质量指数,可以对厚板坯的生产工艺进行优化。当内部缺陷指数超过了某一特定值时,铸坯需要进行缓慢的冷却,或者将其轧制成更小规格的产品。由此,超声检测的厚度超过70mm的厚板坯的废品率可由5%大幅度降低到0.5%以下。A然而,由于非均匀凝固的存在,在施行轻压下技术以后,中心偏析和缩孔缺陷仍然存在于铸坯内部。为了将铸坯的中心缺陷最小化,开发了一种称为POSHARP(POSco厚板坯和压下工艺的新技术.这种技术中,在板坯中心区域收缩孔形成以前,凝固壳以某一确定的压下率进行压缩。带有液芯的铸坯被铸机辊缝施行压下,直到自铸坯两侧开始生长的凝固壳相遇为止。残余的含有更高含量溶质元素的钢液被往上挤压,由此使得在这种残余钢液流入凝固缩孔内之前,大部分区域的凝固组织得到了均匀化。因此,诸如中心偏析和缩孔之类的缺陷能够得到抑制和最小化。POSHARP技术观点在连铸试生产中得到了检验,如图5所示。TheconceptofPOSHARPhasbeentestedatthepilotslabcasterasshowninFig.5.图.5浦项的试验铸机图6显示了有、无采用POSHARP压下技术时的连铸坯的宏观组织。从图6(a)可见,未采用POSHARP压下技术时,在铸坯中可清晰地见到粗大的偏析线。另一方面,采用了POSHARP压下技术时,铸坯中心区域的偏析很少图6(b)。铸坯中心缩孔也采用超声试验进行了检测,检验结果也验证了POSHARP压下技术的有效性。(a)未采用POSHARP压下技术(b)采用POSHARP压下技术图6有、无采用POSHARP压下技术时的连铸坯的宏观组织比较3.薄带连铸—一种创新的连铸工艺带钢连铸工艺技术目标是直接采用钢液生产高温薄板。图7是表征双辊薄带连铸工艺的基本原理的示意图。这种工艺称为poStrip带钢连铸技术,该名称将浦项和带钢连铸两个词汇组合在一起。当钢液喂入到由两个内部带有水冷的浇注辊和边部挡板组成的熔池内时,凝固壳立即在浇注辊面上形成,在每个浇注辊表面上形成的两块凝固壳相遇在一起而形成一条薄的轧制钢带。由于取消或尽可能减少了热轧工序,带钢连铸工艺大幅度降低了生产成本。由于车间占地面积或规模很小,因此带钢连铸工艺的主要投资成本相对更低。连铸工艺的效率越高,那么生产运行成本就越低,环境友好特性也得到改进。这种工艺用于生产包括304型不锈钢在内的多种钢种的生产可行性已经在钢铁企业得到了验证[8~12]。图8系统显示了直接采用薄带浇注、接着在同一生产线上采用热轧工序从而生产黑色低温热态钢卷的简易的操作流程。Fig.7带钢连铸的工作原理图8传统连铸及带钢连铸工艺比较3.1poStrip带钢连铸的发展历史1989年,以商业化生产钢带为最终目标,浦项启动了双辊带钢连铸工艺技术的研发项目。为此,浦项最终设计和建造了两种类型的双辊带钢铸机原型。1号机为实验规模的铸机,生产的带钢宽度为350mm,2号机为生产规模的铸机,生产的带钢宽度为1300mm。通过进行一系列的实验室试验和试生产试验,带钢连铸工艺的关键技术参数得到了建立。2004年,为了生产宽度1350mm的带钢,启动了商业化的项目。经过两年的设计、工程研究和建设工作以后,2006年,poStrip带钢生产示范线开始投入热试。带钢连铸机的设备零部件的排布示意图和设备参数分别如图9和表2所示。最近建造了在线轧制车间,这样浇注钢带不仅仅能够被轧制成更薄的板带还能够提高产品的内部及表面质量。图9poStrip带钢连铸机的设备布置示意图表2poStrip带钢连铸机的设备基本参数钢包重量100吨浇注辊宽度~1340mm浇注
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