连铸工艺与设备1

连铸工艺与设备课程编号：01024035课程类型：选修课学时：32学分：2开课对象：材料成型及控制工程专业本科生先修课程：认识实习、机械设计、金属学、生产实习0绪论1连续铸钢技术发展的概况1)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)就曾提出过连续浇注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)相德国人戴伦(1887年)提出来的。0绪论1连续铸钢技术发展的概况2)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。3)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。4)英国人哈里德则提出了“负滑脱”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。因而在20世纪50年代连续铸钢步入了工业生产阶段。0绪论1连续铸钢技术发展的概况5）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。世界第一台弧形连铸机于1964年4月在奥地利百录厂诞生。6）进入20世纪80年代以后，连铸技术日趋成熟。0绪论1连续铸钢技术发展的概况世界上第1台工业性生产连铸机于1951年在前苏联“红十月”冶金厂建成，是1台立式双流板坯半连续铸钢设备。1952年第1台立弯式连铸机在英国巴路厂投产。1952年在奥地利卡芬堡钢厂建成1台双流连铸机，它是多钢种、多断面、持殊钢连铸机的典型代表。1954年在加拿大阿特拉斯钢厂投产第1台方坯和板坯兼用连铸机。0绪论1连续铸钢技术发展的概况0绪论1连续铸钢技术发展的概况0绪论2我国连续铸钢技术发展概况1）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。2）1957年当时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，浇铸75mm×180mm的小断面铸坯。3）由徐宝升教授主持设计的第1台双流立式连铸机于1958年在重钢三厂建成投产。4）徐宝升教授主持设计的第1台方坯和板坯兼用弧形连铸机于1964年6月24日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。0绪论2我国连续铸钢技术发展概况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。2004年，我国连续铸钢发展势头强劲，全国连铸比约达96.03%，比2003年提高0.63个百分点。0绪论2我国连续铸钢技术发展概况0绪论3连铸机的机型及其特点按结晶器是否移动可以分为两类：1）固定式结晶器：包括固定振动结晶器的各种连铸机，如立式连铸机、立弯式连铸机、弧形连铸机、椭圆形连铸机、水平式连铸机等。2）同步运动式结晶器的各种连铸机。如双辊式连铸机、双带式连铸机、单辊式连铸机、单带式连铸机，轮带式连铸机等。这些也是正在开发中的连铸机机型。0绪论4连续铸钢的优越性1）简化了工序，缩短了流程;2）提高了金属收得率;3）降低了能源消耗;4）生产过程机械化、自动化程度高;5）提高质量，扩大品种。1连铸机的工艺流程与设备1.1连铸机的工艺流程由炼钢炉炼出的合格钢水经炉外精炼处理后，用钢包运送到浇铸位置注人中间包，通过中间包注入强制水冷的铜模—结晶器内。结晶器是无底的，在注入钢水之前。必须先装上一个“活底”，它同时也起到引出铸锭的作用，这个“活底”就称为引锭链。注入结晶器的钢水在迅速冷却凝固成形的同时，其前部与伸入结晶器底部的引锭链头部凝结在一起。引锭链子的尾部则夹持在拉坯机的拉辊中，当结晶器内钢水升到要求的高度后，开动拉坯机，以一定的速度把引锭杆(牵着铸坯)从结晶器中拉出。1.1连铸机的工艺流程为防止铸坯壳被拉断漏钢和减少结晶器中的拉坯阻力，在浇铸过程中既要对结晶器内壁润滑又要它做上下往复振动。铸坯被拉出结晶器后，为使其更快地散热，需进行喷水冷却，称之为二次冷却，通过二次冷却支导装置的铸坯逐渐凝固。这样，铸坯不断地被拉出，钢水连续地从上面注入结晶器，便形成了连续铸坯的过程。当铸坯通过拉坯机、矫直机(立式和水平式连铸不需矫直)后，脱去引锭链。完全凝固的直铸坯由切割设备切成定尺，经运输辊道进入后步工序。图1-1弧形连铸工艺流程和设备1-钢包；2-中间包；3-结晶器及振动装置；4-电子搅拌器；5-二冷区支导装置；6-拉矫机；7-切割装置；8-辊道；9-坯料1.2连铸设备组成简介主体设备主要包括：浇铸设备—钢包运载设备、中间包及中间包小车或旋转台、结晶器及振动装置、二次冷却支撑导向装置；如在弧形连铸设备中采用直结晶器时，需设顶弯装置，拉坯矫直设备—拉坯机、矫直机、引锭链、脱锭与引锭链存放装置；切割设备—火焰切割机与机械剪切机(摆式剪切机、步进式剪切机等)。辅助设备主要包括：出坯及精整设备—辊道、拉(推)钢机、翻钢机、火焰清理机等；工艺性设备—中间包烘烤装置、吹氖装置、脱气装置、保护渣供给与结晶润滑装置等；自动控制与测量仪表—结晶器被面测量与显示系统、过程控制计算机、测温、测重、测长、测速、测压等仪表系统。工艺流程和主要机械设备的说明可知，连续铸钢设备必须适应高温钢水由液态弧形连铸机变成液-固态，又变成固态的全过程。其间进行着一系列比较复杂的物理与化学变化。显然，连续铸钢具有连续性强、工艺难度大和工作条件差等特点。因此生产工艺对机械设备提出了较高的要求，主要有：设备应具有抗高温、抗疲劳强度的性能和足够的刚度，制造和安装精度要高，易于维修和快速更换，要有充分的冷却和良好的润滑等。1.2连铸设备组成简介1.3弧形连铸机1.3弧形连铸机1.3.1连铸机特性参数的表示1）台数：凡是共用一个盛钢桶，浇铸1流或多流铸坯的1套连铸钢设备称为l台连铸机。2）机数：凡具有独立传动系统和独立工作系统，当它机出现故障机仍能照常工作的一组连续铸钢设备，称之为1个机组。1台连铸机可以由1个机组或多个机组组成。3）流数：1台连铸机能够同时浇注铸坯的总根数称之为连铸机的流数。1.3弧形连铸机连铸机的规格表示如下：aRb—C这里：a—机数，若机数为1，则可省略；R—机型为弧形或椭圆形连铸机；b—连铸机的圆弧半径，m；若椭圆形连铸极为多个半径之乘积，也标志可浇铸连铸坯的最大厚度；C—表示拉坯辊辊身长度，mm；它标志着连铸机可容纳的连铸坯的最大宽度。1.3弧形连铸机例如：1）3R5.25～240表示此台连铸机为3机，弧形连铸机，其圆弧半径为5.25m，拉坯辊辊身长度为240mm。2）R3×4×6×122～350表示该连铸极为1机，四段椭圆形连铸机，圆弧半径分别为3m、4m、6m和12m，拉坯辊辊身长度为350mm。1.3.2弧形连铸机主要参数的确定1.3.2.1铸坯断面尺寸规格铸坯断面尺寸是确定连铸机的依据。由于成材需要，铸坯断面形状和尺寸也不同。目前已生产的连铸坯形状和尺寸范围如下：小方坯：70mm×70mm～200mm×200mm；大方坯：200mm×200mm～450mm×450mm；矩形坯：150mm×l00mm～400mm×560mm；板坯：150mm×600mm～300mm×2640mm；圆坯：80mm～450mm。确定铸坯断面和尺寸的依据1)根据轧材需要的压缩比确定。2)根据炼钢炉容量和铸机生产能力及轧机规格来考虑。一般大型炼钢炉与大型连铸机相匹配，这样可充分发挥设备生产能力，简化生产管理。3)要适合连铸工艺的要求。若采用浸入式水口浇注时，铸坯的最小断面尺寸为：方坯在150mm×150mm以上，板坯厚度也应在120mm以上；如浇注时间不长，可用薄壁浸入式水口，浇注的最小断面可以为120mm×120mm。1.3.2.2拉坯速度(浇注速度)拉坯速度是指每分钟拉出铸坯的长度，单位是m/min，简称拉速.qDBvc1式中：——钢水密度，；B——铸坯宽度，m；D——铸坯厚度，m。3mt拉还速度的确定FlKvca用铸坯断面选取拉速:l—铸坯断面周长，mm；F—铸坯断面面积，mm2；K—断面形状速度系数，m·mm/min。b用铸坯的宽厚比选取拉坯速度:DfvcD—铸坯厚度，mm；f—系数，m·mm／min。最大拉坯速度限制拉坯速度的因素主要是铸坯出结晶器下口坯壳的安全厚度。对于小断面铸坯坯壳安全厚度为8～10mm；大断面板坯坯壳厚度应≥15mm。22maxmmLKvLm—结晶器有效长度(结晶器长度-100mm)；—结晶器内钢液凝固系数，；—坯壳厚度，mm。mK1/2mm/minmaxvLKmm1.3.2.3圆弧半径铸机的圆弧半径只是指铸坯外弧曲率半径，单位是m。它是确定弧形连铸机总高度的重要参数，也标志所能浇铸铸坯厚度范围的参数。如果圆弧半径选得过小，矫直时铸坯内弧面变形太大容易开裂。生产实践表明，对碳素结构钢和低合金钢，铸坯表面允许延伸率在1.5～2％；铸坯凝固壳内层表面所允许的延伸率在0.1～0.5%范围内。连铸对一点矫直铸坯延伸率取0.2％以下，多点矫直铸坯延伸率取0.1～0.15％。适当增大圆弧半径，有利于铸坯完全凝固后进行矫直，以降低铸坯矫直应力，也有利于夹杂物上浮。但过大的圆弧半径会增加铸机的投资费用。1.3.2.3圆弧半径可用经验公式确定基本圆弧半径，也是连铸机最小圆弧半径cDRR—连铸机圆弧半径，D—铸坯厚度；c—系数，一般中小型铸坯取30～36；对大型板坯及合金钢，取40以上。国外，普通钢取33～35，优质钢取42～45。液相深度液相深度L液是指铸坯从结晶器液面开始到铸坯中心液相凝固终了的长度，也称为液心长度。vtL液L液—连铸坯液相深度，m；v—拉坯速度，m／min；t—铸坯完全凝固所需要的时间，min。冶金长度根据最大拉速确定的液相深度为冶金长度L冶。冶金长度是连铸机的重要结构参数；决定着连铸机的生产能力，也决定了铸机半径或高度，从而对二次冷却区及矫直区结构乃至铸坯的质量都会产生重要影响。max224vKDL凝冶铸机长度铸机长度是从结晶器液面到最后一对抗矫辊之间的实际长度。这个长度应该是冶金长度的1.1～1.2倍。1.3.2.4连铸机流数的选择TvFGnn—1台连铸机浇注的流数；G—盛钢桶容量，t；v—平均拉还速度，m/min；—连铸坯密度；T—允许浇注时间，min。1.4弧形连铸机主要设备1.盛钢桶盛钢桶尺寸的确定盛钢桶的容量应与炼钢炉的最大出钢量相匹配。为了减少热量的损失和便于夹杂物的上浮，盛钢桶的高宽比(砌砖后深度H和上口内径D之比)一般1：1～1.2：1；为了吊运的稳定，耳轴的位置应比满载重心高200～400mm；为便于清除残钢残渣，盛钢桶桶壁应有10％～15％的倒锥度，大型盛钢桶桶底应向水口方向倾斜3%～5％。盛钢桶的结构盛钢桶由外壳、内衬、和注流控制机构三部分组成。如图示。盛钢桶的外壳一般由锅炉钢板焊接而成，桶壁和桶底钢板厚度分别为14～30mm和24～40mm之间，为了保证烘烤时水分顺利排出，在盛钢桶外壳上钻有一些直径为8～10mm的小孔。大型盛钢桶还安有底座。盛钢桶外壳腰部焊有加强箍和加强筋，耳轴对称地安装在加强箍上。外壳盛钢桶内衬一般由保温层、永久层和工作层组成。保温层紧贴外壳钢板，厚约10～15mm，主要作用是减少热损夫，常用石棉板砌筑。永久层厚约30～60mm，为了防止盛钢桶烧穿事故，一般由一定保温性能的粘土砖或高铝砖砌筑；工作层直接与钢液、炉渣接触，受到化学侵蚀、机械冲刷和急冷急热作用及由其引起的剥落。内衬盛钢桶通过滑动水口开启、关闭来调节钢液注流。靠下滑板带动下水口移动调节上下注孔间的重合程度控制注流大小；驱动方式有液压和手动两种。注流控制机构滑动水口图1-5滑动水口控制原理图a-全开；b-半开；c-全闭1-上水口；2上滑板；3-下滑板；4-下水口供给连铸用的合格钢液经吹氩调温或精炼处理后，将盛钢桶送到中间