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近终形连铸河北联合大学冶金与能源学院讲稿之二：薄带连铸技术1．薄带连铸技术现状及其分类根据国民经济各行业对板带品种需求预测，今后应重点发展如下品种：①轿车工业用各类深冲板、镀锌、镀锌铝板；②轻工用锡镀板、搪瓷板；②电力工业用冷轧硅钢片；④核电和机械工业用无磁不锈板；⑤航空工业用高精度不锈板；⑥建筑用镜面不锈板、制振钢板；⑦化工用复合板、超低碳不锈板和0.5mm以下薄板；⑧碳工、合工、合结等优质板带。薄带铸造工艺作为一种新的连铸方法，已经引起极大的关注，并且正在世界范围内迅速发展。各主要连铸技术及其工艺特点如表3、表5所示。澳大利亚BHP公司和日本石川岛播磨重工(IHI)从1985年起已合作开发薄带钢连铸技术。BHP公司主要致力于解决连铸的铸模中喂入钢水问题，它认为这是整个连铸过程的关键。BHP和IHI在1994年12月投入1台工业规模的现代化中试设备(称为M项目)。该设备的理论年产能力为50万t。已生产了1900mm宽、2mm厚、单卷5t重的碳钢薄带卷(最大可到20一40t单重)，并已投放建筑和屋顶材料市场。BHP公司认为这些市场是连铸薄带钢瞄准的当然目标，同时公司不考虑把连铸带钢的表面质量提到能与汽车、器具用冷轧带钢竞争的水平。BHP公司相信l台以M项目为模型的连铸设备有可能年产碳钢薄带75万t，比原设计能力50万t提高50％。新日铁、住友金属和在法国的蒂森／于齐诺尔—萨西洛尔合资公司都准备在1997一1998年内开始生产连铸不锈钢薄带。新日铁是与三菱重工合作开发薄带钢连铸技术的。它们的工作领先于日本其他钢铁公司，已接近工业生产阶段，2000年9月开工。其主要技术关键是能精确控制2根辊筒(铸模)中钢液面和辊筒旋转的先进的控制系统。设在新日铁公司光厂的中试设备已浇出目前世界上最宽的(1330mm)304不锈钢连铸薄带。钢液先从60t钢包浇入中间包，然后从后者浇入l对直径1200mm的镀Ni铜辊筒中。中试产品已在日本国内出售。据说，用户认为这种连铸带钢与一般的304不锈钢带相当，已被接受使用。日本不锈钢公司与住友金属联合开发1种不锈钢薄带单辊连铸机，但它们未透露此项目进展的点滴情况。韩国浦项钢铁公司与英国戴维国际公司在80年代合作开发304不锈钢薄带连铸技术。据报道，它们已生产了350mm宽、2mm厚、单卷重5t的薄带卷。计划在1996年内l台可浇铸1300mm宽的中试设备要开工。法国于齐诺尔—萨西洛尔公司第l台中试薄带钢连铸机于1986年开工，并浇铸过200mm宽的带卷。该设备很快扩大到860mm宽的带卷生产。德国蒂森钢铁公司在1988年参加到上述法国的项目，并命名该合作项目为Myosotis。在法国于吉纳不锈钢厂附近建立了1台中试连铸机。这台德法联合经营的中试设备正在生产2．5—3．5mm厚的304和430不锈钢、硅钢、碳钢和特殊钢带卷，单卷重达20t。Myosotis项目于1995年又安装了第2台卷取机，以便延长浇铸时间。美国J&L不锈钢公司一直在研究是安装l斯特克尔轧机，还是上1台薄带钢连铸机。拥有该公司50％股份的法国于吉纳不锈钢厂正在劝说公司安装连铸机。公司首席执行官表示不久将为薄带钢连铸工程发包签约。意大利ILVA钢铁公司及其研究开发子公司CSM正在试验1台与法国于吉纳相似的连铸机。它们的连铸机已浇出800mm宽、2—3mm厚的304不锈钢带卷。英国钢铁公司已浇铸了400mm宽、2—6mm厚单卷重0．65t的碳钢薄带。该公司曾试验过一些新的工艺，如流变浇铸、钢液低过热喂入法和减压喂入法，目的是控制钢液在楔子中的湍流。所谓流变浇铸，即是使钢水在液态和固态温度之间冷却，并通过搅拌使之保铸液态。在低过热浇铸中，浇铸温度稍超过金属液相温度几度。但是由于英国钢铁工业的重组，英国钢铁公司不锈钢部分划到阿维斯塔·设菲尔德公司，因此，该项目暂停进行。然而英国钢铁公司还在研究建立工业化中试设备，准备生产1550mm宽、2—7mm厚的薄带卷。薄带钢连铸法的基本原理是使钢水通过由转动的1根或2根辊筒(前者称为单辊法，后者称为双辊法)构成的铸模，浇出1—10mm厚的薄带。紧贴辊面上的钢水凝固后形成一层跟随着转动辊筒而移动的外壳。外壳依靠热收缩或其他力量而剥离辊面。为冷却辊身，轮中通以高速循环水。辊筒材料早期曾采用钡或钢，后来也有铜铬合金，铜铬合金有良好导热率，并反高温机械性能比铜好。目前一般使用接N。铜辊，从而可防止钢材过热而变形，并反最外面的Ni层容易清除，便于更换。今天，人们对薄带钢连铸技术的研究还是集中在当年难例发明人亨利·贝塞麦同样一些问题上，即为了获得洁净而均匀的薄带钢，如何在辊筒两端留住钢水，如何控制钢水流动和压力。辊筒两端处绝对不能漏钢，同时在该处还必须使钢如在辊筒中央部位一样保持液态，防止边缘变形或堆积。大多数正在进行的项目中都采用压紧辊筒两端的侧面挡板。这些挡板用氮化硼、硼或氮化硅等高级材料制成。据报道，意大利AST的台尔尼钢厂研究人员采用复合式侧面挡板获得成功。这种挡板中与钢水接触部分采用低导热率材料，与辊筒端接触部分采用抗冲击性好又不受钢水吸附的材料。与通过辊缝正在浇铸的钢水相接触的板也采用类似的材料，但它的抗冲击性甚至要更好，与钢水的粘附性更小。这种复合式挡板除了价格因素外，问题是保持不同材料之间的边界很困难。有些项目曾研究过利用磁力使钢水保留在模子中的方法，如乌克兰基辅的研究小组曾试图利用压向钢水的电磁力代替侧面挡板。美国内陆钢铁公司研究人员在1台辊筒不转动的模型机中也采用这种方法支撑140mm深的钢液熔池。薄带钢连铸的模子是个很灵敏的部件，为浇出表面平滑元缺陷的钢带，操作人员对它必须十分小心。弯月面的水平面上局部地方若有2mm以上的波动，就会引起铸带凝壳厚度的变化而发生开裂。研究人员曾通过变动标准浸入式水口进行了试验。强迫钢水流笔直朝下有助于防止钢水在辊筒间凝固，但是这会使铸带在辊筒面上变硬。加拿大人利用热水模拟钢水的研究表明，水平出带是种合适的方法。2．单带连铸技术重点讲解单带DSC技术2.1工艺概况1986年，MannesmannDemag决定将它自己开发的薄带连铸付诸安装和生产，目的是设想一种既经济又可行的工艺，使钢水到热带整个生产工艺路线的步骤减到最小限度。同时，又能保证在铸坯品种和产量方面有最大限度的灵活性。直接薄带连铸工艺(以下均称为DSC工艺)是一种初步研究的结果，这个项目由BMFT〔德国联邦研究和科技部门)提供财政支持，在1989年到1991年期间，建造、试验和完善了该工艺中的辊带连铸机部分，1993年初，代表瑞典钢铁控股公司的MEFOS公司也开始开发它自己的薄带连铸项目。在对当时的这项近终形连铸项目的实用性研究完成后，MannesmannDemag作出决定，用DSC工艺继续它的薄带连铸项目。这样，MannesmannDemag\MEFOS同意在这个工艺的进一步发展上合作。由于材料性能及几何尺寸的原因。对大多数钢种来说，连铸带坯有一定量最小限度的热变形是完全必要的。图l是用来生产5mm一10mm厚连铸带坯的DSC工艺流程。从中可以看出，这种薄带连铸方法，薄带坯不是直接进冷轧机，而是采用二到三架热轧工序，整个工艺是在惰性气体气氛下作业的。这种采用DSC工艺的连铸机是一种辊带式连铸机。钢水从中间包流出，挠在循环运转的辊带上；这条辊带通过下面的冷却段(用水喳雾或水喷嘴)被强制冷却；通过冷却段后，薄带(已完全凝成固态)经由拉坯执拉出，离开连铸机，然后按指定路线进入上述提到的热轧机。可以看出，这种工艺有以下优点：——这种连铸机有很高的生产能力；——带坯不会受到任何弯曲应力；——这种工艺既适合浇铸不锈钢也适合浇铸碳钢；——生产的薄带厚度可以允许后接热轧工艺(如果需要)；——连铸机在浇铸厚度和浇铸速度上有很大的灵活性。2.2DSC工艺的生产能力辊带连铸机的浇铸作业率可以容易地用各种分析方法估计出来.图4表明了在满足60m/nin的浇铸速度下作业需要的辊带连铸机冷却段的长度。在浇铸厚度为10mm的情况下，要达到实际应用的300t/h·m的生产能力，冷却段的长度必须在8m左右。在冷却段长度为固定尺寸的条件下，例如象图5所示的4．5m，浇铸厚度为4mm一10mm时，生产能力则在100t/h·m一300t/h·m之间。图4和图5说明，从满足所需浇铸作业率角度看，辊带连铸机这种方法，是具有高度灵活性的。当把诸如停工时间、设备维修时间、耐材供料系统停工时间等各种因素全部考虑进去后，可以计算出当带坯的平均宽度为1250mm时，一台辊带连铸机的产量大约为200万t／a。这个产量的估计是下述经济计算为基础的。对于要直接冷轧的薄带来说，厚度必须小于3mm，如图3所示，能够生产出这种厚度薄带的工艺只有双辊法和DSC法。从图6可以看出，在年产量大于50万t一60万后，DSC工艺的投资优势要明显得多。2.3DSC工艺的发展状况MannesmannDemag\MEFOS目前正在MEFOS研究院的中试连铸机上进行试验，其重点主要集中在金属熔液的注入系统和辊带连铸机本身上。（1）加入系统如同其它所有的薄板坯连铸项目一样，本项目也把重点专门集中到金属熔液的供应系统上。现在正在试验两种不同的加入系统。图6各种近结形连铸工艺单位投资的比较（2）低压加入系统(LPS)采用低压加入系统(图8)主要是为了在液态金属加入时能获得各种优异的物理条件，但是这种系统的塞杆控制比较复杂。这种系统分两个区域，叫做注满区和负压区。先将中间包注满到一定的液面高度，开始浇铸后，负压区随即产生负压，一直到注满区的钢水液面下降到所设定的高度为止。这个液面高度同时也形成了必要的浇铸压力，浇铸压力决定了流向运转着的辊带机的钢水流量，这里假定中间包出口通道是做成一定几何形状的。由于浇铸压力可以在大于0的范围内任意调节(同时钢水流量也可在大于0范围内调节)，所以就能满足运转的辊带机和钢水流股之间的平均相对速度为0的要求。（3）管道加入系统(TFW)与低压加入系统相比，管道加入系统(图9)在钢水流到运转的辊带上时，落点条件较差，但操作却更容易一些。在保温位置时，这根加料管道被从中间包来的钢水注满到浇铸高度。当钢水从管道流出时，这个浇铸高度通过激光测量控制大包塞棒而保持不变。钢水流股是通过一个连接机构流到运转或冷却的辊带上的，这个特殊的连接机构具有下列功能：——将钢水均匀地分布于整个辊带的宽度上；——在运转的辊带上，使接受钢水的辊带连铸机的这一点上的紊流减到最小。2.4这台机器的主要性能可达到：——高达60m/min的浇铸速度；—450mm(也可选如900mm)的薄带宽度；——5mm一10mm之间的薄带厚度。使用至今的这台连铸机的参数为：——所浇的钢种为普碳钢和18/8不锈钢——浇铸速度在30m／min一40m／min之间——每包钢水容量为l.5t一2t2.5今后发展的重点是：——进一步试验各种钢水加人系统(包括已经提到的)——优化薄带连铸机的各项机械性能(如薄带的边部控制等)；——优化辊带的冷却；——优化辊带的稳定性，综上所述，单带工艺的特点如下：(1)由于结晶器在水平方向运动，增加冷却带长度即可增加产量，提高铸速不受几何形状限制，高速连铸没有困难。例如：以50m／min的速度生产10mm厚的普碳钢铸坯，冷却带只需12m长。(2)目前，最好的冶金水平也不能使碳钢直接浇铸至热带厚度。为获得良好的技术性能，要进行压下量70一80％的热轧使气孔闭合。这意味着铸坯厚度必须在10mm左右，经在线热轧后形成2—3mm的带钢。但是，此工艺也有一些问题。主要是铸坯厚度不均匀问题。其它问题同传统的连铸工艺相同，即表面和边部问题，但由于用此工艺生产的铸坯表面相对大得多，长度也相对长得多，使表面和边部问题变得更严重。如果采用此工艺后铸坯的氧化皮厚度与传统工艺接近，那么物料损失会很严重。因此，需要对铸机的冷却带和轧机进行惰性气体密封保护。通常采用氮气保护。单带工艺生产的铸坯内部质量非常好。与传统工艺相比，该工艺生产的普碳钢和不锈钢枝晶间距较小，微观偏析在正常范围内。由于该工艺中铸坯上、下表