连铸理论及工艺-绪论

绪论主讲教师：闵义2007.11连铸理论及工艺Tel：13897996336024-83687720Email：[e-mail]1.钢铁制造工艺流程烧结、球团焦化模铸高炉炼铁铁水预处理电炉炼钢转炉炼钢炉外精炼连铸热轧冷轧高炉焦炭废钢焦化直流电弧炉煤粉复吹转炉VacuumDegasserLadleFurnace石灰铁矿石AlCr/Ni/MoFe-MnCoke焦炭石灰焦炭钢水包CC-molds中间包直接还原竖炉烧结铁水预处理2.模铸与连铸由钢水到半成品钢坯的加工过程中，凝固是关键的环节，在很大程度上影响了产品的均匀性及其最终性质。浇铸工艺的选择不仅关系到产品质量，而且决定了生产成本。浇铸工艺主要为模铸和连续铸钢（连铸），模铸为液态分割，连铸为固态分割。连铸：将一包或多包钢水经一组特殊的冷却装置连续地浇铸成一定断面形状的钢坯的工艺过程。3.与模铸相比，连铸的优越性提高成材率10%～12%；减少从钢水到最终产品的生产工序,省去钢锭塞棒、加热和粗轧等，节约了人力和能源，降低成本20%；产品质量好、性质均匀；优化生产工艺流程，使全连续和自动化操作成为可能；节约场地，改善工作环境；与轧钢衔接良好等。4.连铸的应用提高生产率，降低成本，环境友好的要求，对凝固现象的透彻理解，促进了连铸技术本身的发展，包括连铸机设计、耐火材料、辅助材料和凝固过程控制技术等不断改进，特别是炼钢技术的进步使连铸技术成功应用于工业化生产。5.连铸的增长1970年,世界连铸比为4%，目前为88%，粗钢产量年均增长4%。连铸钢产量，从2001年的8.50亿t达到2002年的9.04亿t，增长6.2%，2003年底达到9.65亿t，比上年增长6.8%，2004年粗钢产量为10.50亿t，增长8.8%，世界连铸钢产量2004年达9.37亿t。连铸比的增加较粗钢增速要快，并且加速增加。中国占连铸钢产量的23.72，其次是日本，为12.76%，美国第三，占10.38%。中国连铸比为91.2%，低于工业化国家，高于88%的世界平均水平。世界连铸比和近年连铸钢产量6.连铸过程简述按结晶器类型分，可分为固定式连铸和随动式连铸两种。固定式连铸：就是以水冷的底部敞口的固定铜结晶器为特征的“常规”连铸方式；随动式连铸：是指轮式、轮带式、履带式等结晶器随铸坯一起运动的连铸方式。而本课程涉及的内容都是建立在固定式连铸基础上的。这也是目前实际生产中大规模采用的。下面以一种常用的弧形连铸机为例说明这种常规连铸的一般过程。连铸一般过程如下：装有经二次精炼钢水的钢包被运到连铸机上方回转台上；钢水通过钢包底部的水口再注入到中间包内；打开中间包塞棒或滑动水口，钢水流入下口由引锭杆头封堵的水冷结晶器内；在结晶器内，钢水沿其周边逐渐冷凝成钢壳。当结晶器下端出口处坯壳有一定厚度时，同时启动拉坯机和结晶器振动装置，使带有液心的铸坯进入弧形导向段；在这里铸坯一边下行，一边经受二次冷却区中许多按一定规律布置的喷嘴喷出的雾化水的强制冷却继续凝固；当引锭杆出拉坯矫直机后将其与铸坯脱开；铸坯被矫直且完全凝固后，由切割装置将其切成定尺；最后由出坯装置特定尺铸坯运到指定地点。7.课程主要内容绪论连铸理论板坯连铸方坯连铸中间包冶金技术连铸保护渣连铸新技术展望、近终形连铸1.1连续铸钢的早期尝试常规连铸机概念的最早提出者为美国炼钢工作者亚瑟(B.Atha)(1886年)和德国土木工程师达勒思(R.M.Daelen)(1887年)。前者采用一个底部敞口、垂直固定的厚壁铁结晶器并与中间包相连，施行间歇式拉坯，后者采用固定式水冷薄壁铜结晶器，施行连续拉坯、二次冷却，并带飞剪切割、引锭杆垂直贮放装置。在1935年之前，连铸过程主要用于有色金属，尤其是铜和铝的领域。由于炼钢炉容量大、高的浇铸温度和钢导热性较低，此时的连铸机还不适合铸钢。第一章连铸技术的发展历史1.2振动式结晶器的发明最重要的开拓性工作是如何提高一台连铸机的浇铸能力，可以通过加大浇铸断面，多流铸坯和提高浇铸速度来实现，最关键的是浇铸速度。固定不动的结晶器的浇铸速度只有0.6m/min左右，若想钢以高速进行连续浇铸，必须采取措施防止铸坯从结晶器拉出时薄弱的坯壳被撕裂。在1913年，瑞典人皮尔逊(A.H.Pehrson)曾提出结晶器以可变的频率和振幅做往复振动的想法，1933年德国人容汉斯(s.Junghans)在一台浇铸黄铜和钢的连铸机上(见图l-2)提出了结晶器以与铸坯同样的速度下行一段距离，然后以较快的速度返回到原来的位置。将这一想法付诸实施.。振动结晶器的构想和付诸实施，不仅使浇铸速度提到一个较高的水平，而且是使连铸技术成为通向钢领域发展的基石。此后，连铸技术经历了“从20世纪40年代的试验开发、50年代开始步入工业生产、60年代弧形铸机出现、70年代大发展、到80年代日趋成熟的技术和90年代以后的新技术变革”发展历程。1.340年代连续铸钢的试验开发在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的试验工作。40年代连铸技术开发主要在结晶器上。曾出现固定不动的结晶器、弹簧吊挂式的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。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，而在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。1.450年代开始步入工业化连续铸钢技术尽管开始步入工业生产，但产量很少。1960年的产量仅为115万t、连铸比仅为0.34％。1950年世界钢产量为1.9亿吨，而1960年达到3.4亿吨，其中80％为平炉钢，而电炉和碱性贝塞麦转炉钢产量只各占10％。因为平炉炼钢配连铸较困难，因此，初期的连铸生产设备多与电炉炼钢相配合，规模相当小。其典型的生产率对小方坯、大方坯和板坯来说分别为15、30和60t/h；铸机作业率最高也只有40％(单炉浇铸)，而当时连炉浇铸还未实现。与今天铸机平均生产率相比当时的生产率只是现在的50％(小方坯)、25％(大方坯)和小于20％(板坯)。特别是当时连铸产品质量较低。大的钢厂当时还未感受到投资连铸的巨大利益。世界上第一台工业生产性连铸机是1951年在原苏联红十月钢厂投产的立式半连续式装置。它是双流机，断面尺寸为180mm×600mm。但作为连续式浇铸的铸机是1952年建在英国巴路钢厂的双流立弯式铸机，其生产断面尺寸为50mm×50mm和90mm×90mm的小方坯。宽板坯连铸机最早于1959年建在原苏联的新列别茨克厂。在不锈钢连铸方面最突出的设备当属在1954年投用的加拿大阿特拉斯钢厂(Atlas)的方板坯兼用机。连铸的钢种主要分为三组：大部分是产品构成多样化的特殊钢；其次是不锈钢；最少的是碳钢和低合金钢。这种钢种构成不仅反映了电炉炼钢的优势，而且体现了生产者期望连铸合金钢有高的收得率并可获得优厚的投资回报。1.560年代弧形铸机引发的革命立式铸机除生产率低以外，由于建筑高度大，故投资多。采用了弧形连铸后，连铸技术的应用才实现了一次真正的突破，因为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。关于弧形连铸机的概念早在1952年德国人欧·萨波尔(0．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。1960年中国的徐宝陛教授在北京钢铁学院也设计了一台200mm×200mm方坯的弧形铸机，并建成一台简单的试验装置，开展弧形铸机的研究试验工作。为浇铸铝镇静钢，1964年6月，德国底林根厂成功地开发了浸入式水口和保护渣浇铸技术并使之成为一项标准化操作。另外，在德国胡金根厂作为曼内斯曼公司1964年9月投产的第一台弧形机上为了减小矫直变形率而采用了三点矫直方式。在此期间还进行了钢包-中间包-结晶器间钢流的全保护，并进行钢中Mn/Si比对氧化物夹杂形貌和铸坯夹渣的影响(小方坯)；铸坯宏观组织、浇铸断面和浇铸条件对中心硫松和偏析的影响以及细小的硫化物对耐海水腐蚀性能的有益作用等课题的研究。在提高生产率方面，出现了快速更换中间包、钢包车和转台以及中间包加热等实现连炉浇铸的技术和装备。弧形连铸机出现后，以其较高的生产率、低的投资和便于安装在原有炼钢厂房内等巨大的潜力而引发了一场革命。特别是60年代中期以后。氧气转炉的迅速普及(如日本)。更需要连铸与之配合以实现快节奏的生产。所有这些都给连铸技术的大发展和生产应用奠定了很有利的基础。到本世纪60年代末，铸机总数已达200多台，尽管总的设备能力已近5000万t/a但实际连铸钢的产量只有2600万t/a。60年代与弧形结晶器铸机同时开发的还有另一种弯曲型铸机，即现在很流行的直结晶器弧形机。1.670年代两次能源危机推动了连铸技术的迅速发展从本世纪70年代开始，日本在连铸技术的应用和发展方面可以说是异军突起。无论从生产能力还是从技术水平的提高来说，以突飞猛进的步伐，跨居世界前列。1977年国际钢铁协会技术研究报告的调查结果指出的，就吨钢半成品的能耗而言，连铸比模铸-开坯可节能67-150万J。而从世界范围看，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。本世纪70年代，连铸技术已呈现大发展的局面，发展目标旨在进一步提高铸机生产能力和改善产品质量。在耐火材料方面引入了钢包滑动水口代替塞棒，大大降低了钢包的故障率。实施钢包钢流的保护和延长钢水在中间包内的停留时间。钙处理技术实现使用定径水口来浇铸含铝钢小方坯。结晶器液面自动控制技术的纷纷采用又使表面质量得到进一步改善，1.780年代连铸技术日趋成熬连铸技术发展了钢的凝固学原理，反过来，不断发展的凝固学又支持了连铸冶金技术的发展。另外运行好坏还与炼钢和精练操作密切相关。特别是钢包冶金的完善化大大有利于连铸的操作。在板坯连铸方面，浇铸中可自动调节宽度的结晶器、涡流式结晶器液面检测、漏钢预报、粒状保护渣的自动加入，使结晶器操作实现远距离控制。钢水在中间包内等离于加热，能有效控制钢水温度。中间包冶金技术由于考虑了渣/金属间反应面变得更加合理。1.8我国连铸技术的开发与应用我国是世界上开发相应用连铸技术较旱的国家之一。20世纪50年代中期就进行过连续铸钢方面的试验研究。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。一些工厂不能结合本厂具体情况去组织和管理好与连铸机有关的各种条件。如钢水条件、冷却水条件、设备条件和协调各工序间的运行。其铸机产量、产品质量和经济效益等有待提高。