连铸工艺与操作

©江苏科技大学前言铁水预处理（普通、特殊）炉外精炼钢的连续铸造金属熔铸工艺学主讲张小立Email:[e-mail]金属熔铸工艺学—连铸Feb.2011.连续铸钢主要内容一、概述二、连铸设备三、基础理论四、生产工艺五、在线检测六、工艺实践金属熔铸工艺学—连铸Feb.2011.连铸机设备弧形连铸机规格和参数设备:钢包及钢包回转台中间包及中间包车结晶器和振动装置冷却系统拉坯校直装置辅助装置电磁搅拌装置盛钢桶中间包(止塞杆)结晶器火焰切割長流嘴浸入式水口模振引拔钢坯金属熔铸工艺学—连铸Feb.2011.连铸浇注系统金属熔铸工艺学—连铸Feb.2011.§4连铸的工艺要点4.1连铸钢水的准备4.2中间包和结晶器的冶金4.3拉速的确定和控制4.4铸坯冷却的控制4.5连铸操作工艺4.6浇注事故分析4.7连铸技术经济指标金属熔铸工艺学—连铸Feb.2011.要想使连铸生产稳定高效地进行，并且保证铸坯质量，首先要准备好成分、温度、脱氧程度及纯净度都合格的钢水。这里重点介绍钢水温度的要求。另外，炼钢工序和连铸工序要紧密配合，步调一致。4.1连铸钢水的准备金属熔铸工艺学—连铸Feb.2011.一、各元素含量控制⑴碳是钢中最基本的元素，对组织性能影响最大，尤其是需要在热处理状态下使用的钢，其影响更为突出。多炉连浇时，各炉次间钢水含碳量的差别要求小于0.02%。⑵锰也是钢中重要元素：Mn/S＞24，可消除硫的危害。改善连铸钢水的流动性，应在成分允许的范围内适当增加Mn/Si比，以把脱氧产物控制为液态。⑶铝是钢水的强氧剂，Al2O3聚集，堵塞水口；⑷钢中微量元素：Cu、Sn、Sb等元素在铸坯表面富集会产生细小表面晶间裂纹等。因此，对其含量有严格要求，如要求Cu含量在0.02%以下，Sn含量在0.02%以下，S、P含量在0.025%以下金属熔铸工艺学—连铸Feb.2011.二、洁净度钢液的纯净度主要是指钢中气体氮、氢、氧和非金属夹杂物的数量、形态和分布。在当前炼钢及连铸水平下，一般认为，成品钢中的磷、硫、氧、氮、氢总含量小于0.01%即为超洁净钢。①最大限度地降低主原料带入转炉的硫。炼钢脱硫主要靠铁水预处理和钢水深脱硫②最大限度地净化钢液：保护浇注；宝钢炼钢厂采用了吹氩保护，设三重挡渣堰及过滤器，采用镁钙质涂料和吸附氧化物的覆盖剂，效果良好。金属熔铸工艺学—连铸Feb.2011.1、脱氧过程控制预脱氧：Si和Mn；SiO2增加钢水粘度形成液态硅酸锰终脱氧：Al；Al2O3降低钢水流动性粘结水口或塞棒复合脱氧：Ca和Al2O3形成液态渣6~3][/][SiMn15.0~1.0][/][AlCa金属熔铸工艺学—连铸Feb.2011.2、保护浇注无渣出钢：偏心炉底；挡渣球保护浇注：保护渣；炉盖长水口，浸入式水口；氩封水口接头炉外精炼金属熔铸工艺学—连铸Feb.2011.浇注温度:指钢水进入结晶器时的温度.也可以指中间包内的钢水温度.通常一炉钢水需在中间包内测温3次，即开浇后5min、浇铸中期和浇铸结束前5min,而这3次温度的平均值被视为平均浇铸温度。钢水的浇铸温度要求:(在一定范围内的合理温度)◆在尽可能高的拉速下，保证铸坯出结晶器时形成足够厚度的坯壳，使连铸过程安全的进行下去；◆在结晶器内,钢水将热量平稳的传导给铜板，使周边坯壳厚度能均匀的生长，保证铸坯表面质量。三、浇注温度的确定中间包钢水温度的控制金属熔铸工艺学—连铸Feb.2011.钢水温度过高的危害：①出结晶器坯壳薄，容易漏钢；②耐火材料侵蚀加快，易导致铸流失控，降低浇铸安全性；③增加非金属夹杂，影响板坯内在质量；④铸坯柱状晶发达；⑤中心偏析加重，易产生中心线裂纹。钢水温度过低的危害：①容易发生水口堵塞，浇铸中断；②连铸表面容易产生结疱、夹渣、裂纹等缺陷；③非金属夹杂不易上浮，影响铸坯内在质量。金属熔铸工艺学—连铸Feb.2011.（浇注温度也称目标浇注温度）：T浇=TL+△T式中：TL——液相线温度△T——钢水过热度1、液相线温度TL液相线温度，即开始凝固的温度，就是确定浇铸温度的基础。推荐一个计算公式(普碳钢和低合金钢)TL=1537-{88[%C]+8[%Si]+5[%Mn]+30[%P]+25[%S]+5[%Cu]+4[%Ni]+2[%Mo]+2[%V]+1.5[%Cr]}金属熔铸工艺学—连铸Feb.2011.2、钢水过热度△T的确定钢水过热度主要是根据铸坯的质量要求和浇铸性能来确定。钢种类别过热度非合金结构钢10-20℃铝镇静深冲钢15-25℃高碳、低合金钢5-15℃金属熔铸工艺学—连铸Feb.2011.四、出钢温度的确定㈠钢水过程温降分析钢水从出钢到进入中间包经历5个温降过程：△T总=△T1+△T2+△T3+△T4+△T5△T1出钢过程的温降；△T2出完钢钢水在运输和静置期间的温降(1.0～1.5℃/min)；△T3钢包精炼过程的温降（6～10℃/min）；△T4精炼后钢水在静置和运往连铸平台的温降(0.5～1.2℃/min）;△T5钢水从钢包注入中间包的温降。金属熔铸工艺学—连铸Feb.2011.1、△T1钢水从炼钢炉的出钢口流入钢包这个过程的温降分析：热量损失形式：钢流辐射热损失、对流热损失、钢包吸热。影响因素：出钢时间、出钢温度及钢包的使用状况。降低热量损失的措施：①尽量降低出钢温度②减少出钢时间③维护好出钢口，使出钢过程中最大程度保持钢流的完整性④钢包预热⑤保持包底干净金属熔铸工艺学—连铸Feb.2011.2、△T2出完钢钢包内钢水到精炼开始前经过的运输和静置过程中产生的温降分析：热量损失形式：钢水上表面通过渣层的热损失、钢包包衬吸热。影响因素：钢包的容量、包衬材质及温度，钢包的运输距离。降低热量损失的措施：①钢包烘烤、充分预热②减少留置时间③在钢包内加入合适的保温剂3、△T3钢包精炼过程的温降分析热量损失取决于二次精炼的时间和方法。例如:向钢包中吹Ar,由于Ar气的搅拌强化了对流传热，同时Ar气本身还吸热,所以随着吹Ar时间的延长及Ar气量的增加,热量损失会增大.金属熔铸工艺学—连铸Feb.2011.4、△T4钢包精炼结束钢水在静置和运往连铸平台的温降分析：热量损失形式：钢水上表面通过渣层的热损失、钢包包衬吸热。热量损失大小：钢包内衬吸热降低加了保温剂，温降减小5、△T5钢水从钢包注入中间包过程中产生的温降分析：热量损失形式：辐射热损失、对流热损失、钢包吸热。影响因素：钢流保护状况；中间包的容量、材质、烘烤温度及保温措施降低热量损失的措施：①钢流需保护，采用长水口②减少浇铸时间③充分预热中间包内衬④中间包钢液面添加保温剂⑤提高连浇炉数金属熔铸工艺学—连铸Feb.2011.T出钢=T浇+△T总控制好出钢温度是保证目标浇铸温度的首要前提。具体的出钢温度要根据每个钢厂在自身温降规律调查的基础上，根据每个钢种所要经过的工艺路线来确定。㈢钢水温度控制要点1、出钢温度控制：①提高终点温度命中率②确保从出钢到二次精炼站，钢包钢水温度处于目标范围之内2、充分发挥钢包精炼的温度与时间的协调作用3、控制和减少从钢包到中间包的温度损失采用长水口保护浇铸；钢包、中间包加保温剂㈡出钢温度的确定金属熔铸工艺学—连铸Feb.2011.4、钢水在钢包中的温度控制根据冶炼钢种严格控制出钢温度，使其在较窄的范围内变化；其次，要最大限度地减少从出钢、钢包中、钢包运送途中及进入中间包的整个过程中的温降。实际生产中需采取在钢包内调整钢水温度的措施：①钢包吹氩调温。②加废钢调温。③在钢包中加热钢水技术。④钢水包的保温。金属熔铸工艺学—连铸Feb.2011.4.2中间包与结晶器冶金一、中间包冶金冶金工作者在中间包上采取了一系列的技术措施来强化和扩大中间包的冶金功能，从而使中间包由一种简单的钢液过渡容器变成了一种重要的钢液精炼设备。中间包冶金的概念包括:1净化、洁净钢水的功能2调节钢水温度，均匀钢水温度。3改善钢水流动4中间包内可以进行吹氩、喂丝、加热，起到微调成分，调节温度等冶金功能。金属熔铸工艺学—连铸Feb.2011.中间包及中间包车中间包作用：介于大包和结晶器之间，接受来自大包的钢水，并向结晶器分流，起到减压、稳流、除渣、储钢分流、均匀温度和成分以及冶金的作用；结构：呈“T”型，由包体、包盖组成，底部设有滑动水口机构，浸入式水口及夹持装置，并设溢流槽。金属熔铸工艺学—连铸Feb.2011.1、设置挡渣墙图5-5a所示。使用中取得了如下效果：提高了钢的清洁度；使中间包流场均匀，消除了死区；增大了钢水停留时间；增大了钢—渣相互作用时间；减少了水口堵塞。随后，他们又对上述挡墙设备进行了改进，如图5-5b所示，从图中看出，钢水向上流动的比例增大，避免了钢水在较短时间内流入水口。之后又设计安装了开有向上倾角的隔板，并取消了挡墙，如图5-5c所示。金属熔铸工艺学—连铸Feb.2011.2、防湍流垫改善中间包流动状态防湍流垫安装在中间包底部的钢包注流冲击区，它使从钢包长水口冲出的钢流向注流中心折回，在防湍流垫内重复循环以消耗掉注流的动能，从而降低了注流速度，防止湍流的产生。容量大型化金属熔铸工艺学—连铸Feb.2011.3、向中间包底部吹气通过中间包底部的多孔砖向中间包内吹入惰性气体，如图5-7所示，由于气泡上升运动，钢水的上升运动远大于不吹气时的运动，同时夹杂物上浮运动速度增大，无疑这对去除夹杂物更为有利。金属熔铸工艺学—连铸Feb.2011.4、中间包过滤技术为了提高钢的清洁度，防止和减轻水口堵塞，近年来，美国、日本和我国相继开展了钢水过滤技术的开发研究工作金属熔铸工艺学—连铸Feb.2011.5、中间包加热技术采用中间包内加热可保持最佳过热度浇铸、补充合金微调所需热量。等离子体加热等离子加热的原理是利用氩气或氮气在电弧下离解成为等离子体的高温气体作为加热源，对中间包钢水进行加热。其特点是温度高，能量集中，功率调节快，温度控制精确，能量利用率高（大于80%），气体选择灵活，不含对钢水有害的杂质。金属熔铸工艺学—连铸Feb.2011.电感应加热感应加热法具有设备结构简单、加热速度快、电热效率高、成本低、操作方便等优点，但在浇铸初期钢水温度控制难度较大。由于感应加热器安装在中间包下部更接近结晶器，从钢水的热流来看，其位置较为合理，同时，借助于电磁力可以搅拌钢水，取代吹氩，因此有利于夹杂物上浮。金属熔铸工艺学—连铸Feb.2011.中间包是钢水去除夹杂物理想场所。钢水面上复盖剂要有效吸收夹杂物。（1）绝热保温；（2）吸收上浮夹杂；（3）隔绝空气碳化稻壳；中性渣：（CaO/SiO2=0.9～1.0）；碱性渣：（CaO+MgO/SiO2≥3）；双层渣。渣中（SiO2）增加，钢水中T[O]增加。生产洁净钢应用碱性复盖剂。6、中间包覆盖剂金属熔铸工艺学—连铸Feb.2011.7、成分微调及夹杂物变性处理向中间包内喂入各种合金包芯线，改变钢中夹杂物形态或调整某些微量合金元素或易氧化元素的含量8、复合工作衬净化钢液中间包内净化钢液，法国索拉克钢铁公司研制了一种中间包钢液净化复合工作衬，这种中间包衬的主要成分为氧化钙、氧化镁和二氧化硅天然原材料作中间包衬材料。镁质材料垫层具有良好的隔热性能，能减少中间包内钢水的热损失；钙镁质材料表层除具有吸收钢中Al2O3夹杂物的作用外，还具有脱硫、脱氮的作用。金属熔铸工艺学—连铸Feb.2011.二、结晶器冶金结晶器被称为连铸机的“心脏”，其作用是使钢水均匀快速地冷却，以形成厚度均匀、表面良好的初生坯壳，从而保证连铸的顺利进行。设计结晶器的根本目的，就在于使从结晶器出来的铸坯具有一定厚度的均匀坯壳，在机械应力和热应力的综合作用下，既不会拉断，也不致产生歪扭变形和裂纹等质量缺陷。结晶器本体由结晶器铜管、外水套、内水套和冷却水系统组成，足辊用于支撑导向坯壳很薄的铸坯。金属熔铸工艺学—连铸Feb.2011.1、保证凝固坯壳均匀生长合适的浸入式水口形状、出口倾角以及浸入深度。