连铸机毕业设计

摘要

绪论

1.4 连续铸钢技术的介绍

1.4.1 连续铸钢技术的发展

连续铸钢技术发展已有150多年，现已成为钢水造块的主体工艺。世界上先进的主要产钢国家的连铸比已达到95%以上。近20年来我国的连铸技术发展迅猛，在成熟的生产技术应用、新技术的开发、应用基础研究等方面发展的都很快，连铸机保有量和连铸坯产量已占世界第一。与我国钢铁工业在世界上的低位一样，我国是一个连铸生产大国，但不是一个连铸技术大国。

我国连铸机类型齐全，从几毫米铸坯的线材铸机到宽度超过3m的宽厚板铸机，从立式、立弯、直弧及弧形到水平连铸机都有。有代表性的主力机型、有直弧形大板坯铸机、弧形小方坯铸机、弧形大方坯铸机和立弯型薄板坯铸机。

近年来，我国在高效连铸、薄板坯连铸、特殊钢连铸方面取得了长足的进步。目前我国连铸机的设计作业率为80%左右，实际作业率通常为60%~90%，有些连铸机作业率已超过90%。板坯连铸机的浇铸速度一般为1~1.8m/min、薄板坯为4~5.5m/min、120mmX120mm方坯为3~4.5m/min、150mmx150mm方坯为2~3m/min。至于设计产量，大型板坯或薄板坯连铸机为100万t/流、小方坯连铸机为12万t/流左右。某些小方坯的年产量已达到18万t/流。我国连铸生产水平与世界同类指标相当。今年，我国已引进了许多薄板坯连铸连轧生产线。某些薄板坯连铸机的装备技术处于世界先进水平。

在连铸新技术研究开发方面，进行了高效连铸技术、近终形连铸技术、电磁连铸技术、特殊钢连铸技术、连铸坯凝固控制技术和双辊薄贷连铸技术等方面的工作，许多连铸新技术的研究开发是在跟踪国际上的发展。

目前，我国已能够自行设计制造各种类型的连铸机。但国内设计的连铸机往往都有国外样板。我国应用的连铸技术和铸机设计样板大多来源于国际知名公司。先进的新型连铸机都是从欧、美和日本进口。

我国连铸技术与国际领先水平的差距主要在两个方面：①应用同样顶级的技术装备不能稳定的生产顶级产品；②连铸新技术的开发研究与生产应用之间的中间环节——工程化的技术比较薄弱。我国开发的薄板坯连铸机是先进的，也是成功的，但至今没有用其建成连铸连轧生产线，而高效连铸技术就具体技术内容也许并不很先进，但因为

它工程化技术综合进行的好，所以取得了非常显著的成绩。双辊薄带连铸开发与国际领先水平的差距也主要在连续、连轧与自动化综合产业化上。一项新的技术的开发应用很大程度上取决于它与主体工艺流程的融合，主体工艺的工程设计者不愿意采用国内开发的关键技术，只信任外商的保证，而国内新技术的开发者又往往不具备整体工程项目的设计能力。

在连铸技术发展过程中有几个里程碑：①结晶器振动。结晶器振动完成了连续浇铸过程中的脱模，使连续铸钢真正得以工业化；②铸机辊列技术的发展完善，现在的辊列设计方法大约成熟于70年代，它是现代化大型板坯连铸机的基础；③连铸直接扎制生产。连铸直接轧制综合了铸机轧机控制、无缺陷铸坯生产等几乎所有的相关技术，实现了钢材成形全过程的连续化。显然，里程碑式的连铸技术的发展是一个从简单到复杂、从单一到综合的过程。所有，复杂综合的连铸技术仍然是由相对独立的单体技术构成的。

I.生产应用技术

1．结晶液面控制和自动浇铸

应用放射线、电磁涡流等传感器监测液面以及带有控流棒或滑板的结晶器液面控制与自动浇铸系统已成为连铸机的基本配置。它已成为稳定工艺、保证铸坯表面质量、提高劳动生产率的重要措施。

2. 铸坯矫直

过去的弧形连铸机普遍采用单点矫直方式，全部的矫直变形都集中在矫直点处。由于刚刚凝固的坯壳塑性很差，容易形成矫直裂纹，所以“全凝矫直”或“矫直前全凝”几乎成为定律。但是浇铸速度的大幅度提高使铸坯液心变得很长，人们不得不突破这一定律，寻求其他避免矫直裂纹的方法。多点矫直和连续矫直变形分配在几个矫直点上或整个矫直区域内，使矫直过程中发生了回复和松弛。从而保证不产生矫直裂纹。该技术在连铸机的设计和实际生产中都取得了良好的效果。

3. 二次冷却控制

连铸坯壳从结晶器中拉出时，其内部还有很多液心，需要进行喷水冷却，谓之二次冷却。二次冷却具有保证生产运行、提高生产率、提高铸坯质量、保护设备等重要作用。冷却介质可用水或汽水。现代连铸机按不同断面钢种设有多套冷却制度。在浇铸过程中分回路自动在线调控水量，在线调控水量的方法可用静态水表法和二冷动态控制法。

我国的二冷动态控制系统多随连铸机进口。国外厂商一般不公布其软件的核心，许多用户是花钱买“放心”，并不关心其中的技术问题。实际生产中，喷水管道、喷嘴的安装检修和水质的保证是二冷技术的基础。

4. 在线调宽

板坯连铸机在线调宽技术是提高生产率的重要措施。它可以用于结晶器锥度控制。我国进口的大板坯连铸机都装备这种系统。但由于我国板材规格的批量比较大，所以在线调宽的使用频率很低。

5. 电磁搅拌

电磁搅拌是利用感应电动机原理使导电融体流动的设备和方法。这种流动发生在铸坯液心里会有许多方面的作用：其一是均匀芯内钢水的温度；其二是将凝固枝晶带入铸坯内部，使其成为等轴晶的凝固核心；其三是冲洗凝固前沿的富集溶质，最终在这一区域形成白亮带。所以电磁搅拌的冶金效果是扩大等轴晶区，减少中心偏析和皮下缺陷。

早期的连铸电磁搅拌主要用在特殊钢连铸机的二冷区(S2EMS)。这种方法生成的白亮带很明显。近几年使用的电磁搅拌器大多安装在结晶器段(M2EMS) ,也有在二冷区(S2EMS)或凝固末端(F2EMS)与M2EMS配合使用形成复合电磁搅拌的。设备结构较复杂的板坯连铸M2EMS及S2EMS普遍用于不锈钢和硅钢的浇铸。

6.粘结漏钢预报

凝固坯壳粘结(悬挂)在结晶器壁上时结晶器铜板的温度场会反映出特定的变化模式。因此用布置在铜板上的热电偶测量这种变化模式就可以预报粘结漏钢的发生。但实际生产中情况非常复杂，连铸机的产量和压力都较大。漏钢预报系统的设置需要与特定的铸机及操作状况相适应。目前我国进口的大型板坯连铸机都装备有这种系统。

7.凝固末端轻压下及液芯压下

凝固末端轻压下是指在铸坯即将完全凝固时用外压力使之变形的工艺。板坯连铸机中轻压下可由原有辊列实现,方坯连铸机中由拉矫机或专用机架完成。凝固末端轻压下可以改善中心疏松或缩孔、减轻中心偏析。文献常常回避凝固末端轻压下的副作用,多认为其有利，实际上刚刚凝固的坯壳塑性很差轻压下时又很难保证每一点三向压应力的状态任一方向有拉应力都可能使铸坯产生裂纹。

目前液芯压下技术主要用于薄板坯连铸机其基本作用类似于漏斗式结晶器扩大结晶器熔池以便容纳浸入式水口同时浇铸出较薄的铸坯。

II.在开发技术

1.结晶器电磁制动

电磁制动是在结晶器设置电磁铁,使熔池内维持一个稳恒磁场。该稳恒磁场能够抑制熔池内的钢液流动,减少钢液面漩涡的形成，使结晶器内的钢液面趋于平稳。凝固坯壳内钢液流动过程稳定将减少钢流对坯壳的冲击,降低穿透深度,减少卷渣的可能,使电磁制动能适应薄板坯连铸的高拉速及窄液面。

目前,国际、国内一些薄板坯连铸机装备了电磁制动系统，但是尚未见到有关电磁制动应用确切效果的报告。从上述电磁制动对钢液流场的作用可以推断它将影响结晶器内的温度分布进而影响水口的工作状态和保护渣的熔化。所以电磁制动的应用应与水口和保护渣的设计一起综合考虑。

2.结晶器非正弦振动及其液压驱动

连续铸钢的工业化依赖于结晶器振动的引入。振动既可以产生脱模的作用,还会对坯壳产生拉应力和剪应力,有可能破坏脆弱的初生坯壳。根据粘滞流体摩擦原理,摩擦力反比于液体渣的膜厚度,而正比于坯壳与结晶器壁的相对速度。结晶器向上运动时与坯壳的相对速度最大,产生的拉应力也最大。

为了降低结晶器向上运动时的最大速度,提出了非正弦振动方式。采用液压驱动方法更易于实现非正弦振动,还可以在线调控振幅和偏斜率。Man2nesmann Demag A G曾经进行板坯结晶器液压驱动的正弦和非正弦振动工业试验,用振动位移2驱动力迟滞回线方法测定了摩擦能量损失和摩擦力。实测结果表明,频率和振幅对摩擦力的影响很明显,而实测的摩擦力未能反映出偏斜率的预期作用,即实测数据不能证明非正弦振动会削弱摩擦力。

实际生产中,振动机构的平稳性远比驱动问题更重要。为了提高振动机构的平稳性,对机械连接形式、导向方式及驱动方式进行了大量研究和开发。研制出适用于板坯和方坯的各种形式的振动机构,如全悬挂的板坯/方坯振动机构、方坯全板簧振动机构及方坯半板簧振动机构等。这些振动机构都着力减少关节轴承数目,减小磨损造成的偏摆,同时保持机构较好的刚性,确保其不因意外干扰而产生摆动或变形,控制振动负荷,并能长期稳定运行。

3.连铸坯质量预报

直接轧制、热送热装的发展提出了无缺陷铸坯生产和铸坯质量预报跟踪的要求。连铸坯质量预报包括两个基本内容:①判断各种缺陷产生的知识、经验等技术内容;②用这些知识、经验与现实的生产状况进行对比,给出每一铸坯缺陷信息的自动预报系统。

早期开发的连铸坯质量预报系统采用简单逻辑判断方法进行“思维”。如果实际生产过程的某项指标或几项指标的组合不符合质量要求,系统将认为相关的缺陷指标超标。

后来发展了人工智能的连铸坯质量预报专家系统。现在的连铸坯质量预报系统一般具有自学习功能,它要求连铸机在正常生产条件下向系统回馈上千炉次的铸坯质量检验结果,“教”给系统判断的尺度。但是这种回馈学习过程在企业中很难完成。

III.应用基础研究

1.熔池内的传输中间包冶金

连铸中间包和结晶器熔池内的流动、传热、凝固及夹杂物的行为是连铸过程中的基本现象。由于钢的熔点很高,这些基本现象的实验和观测都很困难。所以,实际研究过程中数值模拟和物理模拟成为最主要的方法。近年来,数值模拟计算的一个重要发展是对流动、传热和凝固现象的耦合处理。即:不仅要考虑流动对温度的影响和传热对凝固的作用,还要考虑温度不均匀引起的自然对流以及凝固对流动区域和粘度的影响。结晶器熔池的上表面也是模拟研究的重要对象,有人用数值模拟和物理模拟方法研究了液面的波动和卷渣等问题。

对中间包的模拟研究集中在堰、坝和墙等的结构优化设计,希冀在中间包中去除较多的夹杂物。最近,将中间包钢水作为非等温流体的研究结果表明,钢水的自然对流会使它像被合理的堰、坝结构控制一样,即钢水在中间包内的降温及由此引起的对流会使钢水合理流动,实际设置的堰、坝和墙等结构的作用不大。堰、坝和墙未改善提供夹杂物长大动力的湍流脉动条件,通过它们来降低夹杂物含量的潜力不大。

2.弯月面区域内的诸现象

弯月面区域包含了钢水、液渣层、凝固渣层、渣膜、凝壳和结晶器壁等对象,汇集了流动、传热、表面作用、凝固、应力应变、振动等现象。这一区域控制着渣膜、初始凝壳及振痕的形成,关系到坯壳的完整性、铸坯表面质量、浇铸速度和漏钢率等生产中的最基本问题。虽然固定式结晶器振动脱模这种传统连铸方法已经发展得很成熟,但对其最基础现象的认识还不够深入。

Bikeman方程可描述保护渣和钢水表面作用下的弯月面形状。Takeuchi提出了铸坯振痕的形成机理。Brimacombe等研究了方坯连铸结晶器与凝壳的相互作用,包括结晶器变形、凝壳收缩、摩擦及振痕形成等现象。那贤昭、邓元安研究了电磁约束作用下弯月面形状和初生坯壳的变化。颜慧成、杨文改研究了渣膜的润滑作用。

3.两相区域内的诸现象

与铝等金属相比,钢的导热性能差、密度大、凝固区间宽且浇铸速度高,所以连铸坯壳内有一个长长的“液芯”,而且这个“液芯”的大部分是两相区。两相区内的流动、传热、扩散与液相或固相中区别很大,而且更复杂。铸坯的偏析、疏松、缩孔和内裂纹都在这一区域形成。曾有人尝试将两相区的枝晶和液体按多孔介质处理来考察其传输现象。

在半固态加工技术开发中对两相区的流变特性进行了较多的研究。所谓流变特性是指两相区固相率、晶体形态、表观粘度的关系。与连铸过程密切相关的两相区特征参数有零强度温度(对应的固相率约为013)、零渗入温度、倾倒边界(对应的固相率约为0165～0173)和零塑性温度。通常认为零塑性温度在固相线以下40～50℃。但是,观察分析零塑性温度下的铸坯断口发现,此时钢中约有10 %的残余液相。可见这是相互矛盾的。

4.铸坯的力学问题

铸坯(坯壳)的受力变形是连铸中的又一基本现象。它决定着连铸机的基本结构设计和铸坯质量。板坯鼓肚变形是最早被重视的坯壳力学问题,它的解决产生了成熟的辊列设计方法。铸坯矫直变形的研究产生了各种矫直技术。漏斗形结晶器、液芯铸轧和凝固末端轻压下等技术都需要进行铸坯应力/应变问题的研究。

钢的高温力学性能、物理性能是铸坯应力/应变问题及裂纹问题研究的基础。这方面已经有了一些数据。但在连铸温度下、铸造状态下经常找不到适用的弹性模量、伸长率等参数。

发生在两相区的变形、裂纹和偏析通常与零强度温度、零渗入温度和零塑性温度密切相关。由于情况太复杂,在这方面要得到系统的研究结果很困难。

5.连铸的非稳态过程

已往对连铸过程中流动、传热和凝固的研究都是作为空间稳定现象来处理的。实际生产中，各种问题往往出现在工艺条件剧烈变化的起浇、换包和走尾坯等非稳态过程中。现在已有人在进行瞬态传热、非稳态冷却控制及中间包开浇碗应用的研究。

IV.主导技术问题和双辊薄带连铸

振动式结晶器是现代连铸的基础和核心,这种形式的连铸仍然是今后的主导技术。双辊薄带连铸是一种同步结晶器技术,相对于现有的连铸工艺它是革命性的。传统连铸机以固定式结晶器振动脱模作为基础。在浇铸过程中,坯壳与结晶器作相对拉坯运动。而双辊薄带连铸是一种同步结晶器的连铸形式,它完全不同于传统连铸。双辊薄带连铸的最大特点和优点是:结晶器辊与坯壳间没有相对的拉坯运动。也正是由于在它的侧封处丧失了这一特点产生了种种问题。双辊薄带连铸在连铸热轧带钢生产中达到了近终形、节能和高效的极至。

目前,薄带连铸连轧技术的开发在全世界已形成三大集团。一是德国、意大利和奥地利企业组合的Eurostrip ;二是澳大利亚BHP、美国纽克和日本IHI的Castrip ;三是新日铁、三菱重工和住友金属等组成的日本集团。各集团曾多次宣称自己开发的项目已进入工业性生产阶段,且产品质量可满足进一步加工的要求。但几年之后它们似乎仍未实

现稳定的商业性运行,更达不到向用户出售双辊薄带连铸机的成熟程度。我国也一直在进行双辊薄带连铸机的开发,最近在上海还进行了浇铸试验。

V.铸坯质量

连铸坯的质量问题主要包括表面缺陷、内部缺陷和洁净度。随着对钢材洁净度要求的提高和连铸工艺全面取代模铸开坯,人们特别关注连铸坯的洁净度和中心缺陷。

连铸坯中心缺陷主要有中心偏析、中心裂纹、中心疏松、中心缩孔等。大量的实践经验和研究结果已经表明,方(圆) 坯的中心偏析和中心缩孔与大比例的柱状晶密切相关。降低浇铸温度和浇铸速度或采用电磁搅拌可以有效地控制中心缺陷。实际上,连铸机一般都有“钢水过热度较高时应降低浇铸速度”的规程,所以过热度对中心缺陷的贡献会被掩盖。二次冷却强度在很大范围内不会影响连铸坯的凝固组织。如果二次冷却强度加大到使液心长度明显减小的程度可能对控制铸坯中心缺陷有利,但同时也会产生其它不利的影响。所以建议不要在用提高二次冷却强度来改善铸坯中心质量上再做徒劳的工作。

板坯的中心缺陷主要是中心线裂纹和中心线偏析。对于这种缺陷,除了控制柱状晶发展外,重点还应限制坯壳的额外变形。目前人们已经认识到铸机基准弧和辊子开口度是影响板坯中心缺陷的基本因素。

铸坯洁净度是指夹杂物的数量和分布,它一方面取决于精炼后的钢水,另一方面取决于浇铸过程的污染和氧化程度。保护浇铸措施有时仅仅是一种形式而达不到防止二次氧化的目的。铸坯洁净度差主要出现在非稳定浇铸过程中(开浇、换包等),这在生产中尤其应该重视。至于中间包,只要它有足够的寿命,能减少污染钢水就可以了。大量的实践经验表明,中间包内各种控制流动措施对去除夹杂物的作用不大。

1.42 连铸技术的简介

⑴高效连铸技术

高效连铸技术的内涵是：以高拉速为核心，以高质量、无缺陷铸坯生产为基础，实现高连浇率，高作业率的生产技术。其核心技术包括：高效结晶器技术、电磁连铸技术、振动优化技术、带液芯压下技术、二冷动态控制技术、连续弯曲与矫直技术等等。

高效结晶器技术：高效结晶器技术是当今连铸技术优化发展的核心技术之一。其目标是：提高结晶器内热流密度，增加坯壳凝固厚度；改善结晶器传热均匀性，均匀凝固坯壳；均匀内壁与铸坯表面的摩擦，提高结晶器铜板的寿命。

电磁连铸技术：电磁连铸技术在连铸工艺中有着广泛的应用，大致可分为以下几个方面：①电磁力学特性的应用，如注流约束、电磁制动、电磁搅拌电磁软接触等；

②电磁热特性的应用：如中间包感应加热等;③电磁物理特性的应用：如液面检测等。已被用于工业生产的电磁冶金技术主要是电磁制动和电池搅拌技术。以电磁制动为例，通过改善结晶器内的钢液流动，进而改变结晶器的传热和铸坯内的溶质分布，以改善连铸坯的凝固组织。与常规连铸相比，电磁制动能够降低结晶器内钢液向下冲击的深度，促进凝固前沿非金属扎杂物的上浮，稳定弯月面的波动，促进保护渣的均匀分布。

电磁制动的作用包括：当拉速处在高拉速的情况下，其作用力可以让板坯外壳充分冷却，使得漏钢概率降低；当拉速变化时达到稳定拉速的作用，从而达到抑制结晶器液位波动、减少钢水偏析、提高板坯质量的作。

结晶器振动优化技术，其核心是实现结晶器的的非正弦波动。通常与正弦振动相对应，具有一定偏斜的波形。结晶器非正弦振动与正弦振动相比具有如下特点：结晶器上升时间长且速度平缓，可减少初生坯壳所承受的拉伸应力；结晶器下降时间短且速度快，对初生坯壳施加了压应力，有利于脱模；负滑动时间明显减少，可减少振痕深度，提高铸坯表面质量。

带液芯压下技术：带液芯压下是融浇注凝固与塑性变形，连铸与轧制一体的新工艺技术。具体形式有辊式轻压下技术和锻压式轻压下技术。

带液芯压下的主要作用有四个方面：在铸坯的凝固末端进行适量压下，以减少铸坯中心宏观偏析与疏松，改善铸坯质量；在结晶器下方压下，以扩大结晶器容积，利于稳定薄板坯连铸结晶器内钢液面，促进钢中夹杂的上浮；提高薄板坯连铸保护渣的润滑效果，改善铸坯表面质量；可以灵活的改变铸坯质量，增加产品规格范围，使生产组织有更大的灵活性。

⑵薄板坯连铸连轧技术

薄板坯连铸连轧技术开发初衷体现在三个方面：最大限度减少加工工序；最大限度的节能；最大限度的使薄板坯温度均匀。在大约240m空间跨度和3h时间跨度内，实现了从冶炼到热轧薄板卷成品的冶金过程。

薄板坯连铸连轧工艺技术的关键是薄板坯连铸，而结晶器又是薄板坯连铸技术的核心。多种薄板坯连铸结晶器的成功开发，使得无缺陷薄板坯高效连铸技术得以实现。我国是薄板坯连铸技术开发较早的国家之一。在薄板坯连铸结晶器、浸入式水口、

保护渣三大核心技术方面取得了重大的突破。开发了双弧形、椭圆形及锥形内壁腔曲面薄板坯连铸结晶器，并用于工业生产。

1.5 连续铸钢的优越性

（1）简化了钢坯生产的工艺流程，节省大量投资，省去了模铸工艺中脱模、整模、均热及初轧等工作。（2）提高了金属收得率和成材率。（3）提高了钢坯质量。（4）改善了劳动强度，提高了劳动生产率，而且有助于铸钢生产的连续化和自动化。（5）节约能量消耗。

1.6 方坯连铸机的主要用途和使用范围

1.7 方坯连铸机在国内外的发展和存在的题

1.7.1 方坯连铸机在国外的发展情况

1. 7.2 方坯连铸机在国内的发展情况

1.7.3 连铸机目前存在的问题

①.由于包晶钢所用保护渣的液渣层薄，导致铸坯可能冷却不均匀，进入段中后，受到辊子压力，薄的地方受压变形大，导致钢水上涌，厚的地放，受压变形小，钢水回落，这样反应在结晶器中就是液面波动。

②.液渣薄，导致钢水与液位探头的绝对距离小，探头敏感，导致了液面波动大

③.水口侧孔被侵蚀，导致偏流。

④.氩气量过大

1.8 连铸机的未来发展趋势

1.推广近终形连铸

接近于最终产品形状的近终形连铸技术在带、线材和异形坯方面继续发展。它另外一种趋势是对铸坯形状制约的减少。以统筹考虑连铸和轧制的高效、节能和低投资为目标可连铸生产出各种尺寸的铸坯以至板坯、矩形坯和方坯的界限将不甚分明。

2.提高产品质量

钢种连铸已经成为进一步提高全国连铸比的关键这需要解决许多品种的质量问题如连铸方坯的内部缺陷以及在复杂应力状态下连铸坯钢材的破坏行为等。随着薄板坯连铸上、下游工艺的配套完善许多品种的钢都适合此流程。

3.提高生产效率

许多连铸机的浇铸速度不高作业率为60 %左右。但只要上、下游生产流程匹配得当生产率还有潜力可挖。一批高产铸机的作业率已超过90 %。提高浇注速度非常重要需要且有可能使板坯铸机的浇注速度达到2～4 m/ min ,方坯铸机达到3~7 m/min。

4.节能

连铸技术的应用实现了大多数钢材的一火成材这大大节约了能源。连铸坯的热送、热装节约了能源、资金、土地等资源。在我国连铸比很高(96%)的条件下仍然可以通过连铸坯的热送、热装和连铸直接轧制进一步降低能耗。薄板坯连铸直接轧制是板坯热装的极限。目前已经实现了条形材的连铸直接轧制而高速连铸使连铸与热轧间的衔接更合理并且连铸坯的清洁环保加热方式的应用范围正在扩大。此外连铸坯未经加热直接轧制也有可能实现。

5.主导技术的多样化

以双辊薄带连铸为代表的同步结晶器将突破由振动式结晶器一统连铸主导技术的局面形成连铸主导技术的多元化。