高效连铸和近终型连铸生产技术

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1、高效连铸和近终型连铸生产技术近终形连铸是指在保证成品钢材质量的前提下，尽量缩小连铸坯的断面，使之更接近最 终产形状的连铸过程。与传统的连铸工艺相比，近终形连铸能够简化生产工艺减少设备、缩 短生产线、节约能源、提高成材率。国内有关钢铁企业在近终形连铸技术的应用上亦取得了 值得关注的成绩。目前，国内有关单位对此进行了积极的研究和开发。由有关专家撰写的此 篇文章，系统介绍了近终形连铸技术的发展现状与趋势，值得有关钢铁企业特别是准备上此 项目的企业参考和借鉴。按照连铸坯的断面来分，近终形连铸可分为薄板坯连铸、带钢连铸、异形坯连铸、空心 管坯连铸等。薄板坯连铸世界上第一条薄板坯连铸连轧生产线于 1989

2、年在美国纽柯公司的克劳福兹维尔厂建成投 产。经过短短十几年的发展，到 2002 年底，全世界已建成 56 条薄板坯连铸连轧生产线，而 我国是世界上建有薄板坯连铸连轧生产线最多的国家。1996 年，我国与德国西马克公司签 订了三家捆绑引进 CSP 技术设备合同，这三家分别是：广州珠江钢铁有限责任公司、邯郸 钢铁公司、包头钢铁公司。1999 年 8 月和 11 月，珠钢与邯钢相继投产，包钢于 2001 年 8 月建成投产。唐山钢铁公司、涟源钢铁公司和马鞍山钢铁公司也分别与意大利的达涅利公司、 日本的三菱重工、德国的西马克德马克公司签订了薄板坯连铸连轧技术设备引进合同。鞍 钢从奥地利的奥钢联公司引进

3、了一套中等厚度(135mm)的薄板坯连铸机，并依靠国内技术集 成，建设连轧生产线。此外，本溪钢铁公司、唐山新丰钢铁有限公司、济南钢铁公司也在兴 建薄板坯连铸连轧生产线，计划于 2005 年投产。薄板坯连铸连轧工艺各种各样。其中比较成功并在世界各地建有生产线的类型有 CSP、 ISP、CONROLL、FTSRQ、TSP、SUMITOMO 等。CSP(Compact Strip Production)工艺是由德国的西马克公司开发的目前最流行的薄板坯连 铸连轧生产工艺，世界上第一条薄板坯连铸连轧生产线即为该公司所建。CSP薄板坯连铸的 主要工艺特点为使用漏斗型结晶器。漏斗型结晶器上口断面较大，满足了

4、长水口插入、保护 渣熔化的需要。ISP(Inline Strip Production)工艺是由德国的德马克公司开发。早期的ISP薄板坯连铸机使 用传统的平行板型结晶器、薄片状浸入式水口，铸坯出结晶器厚度为60mm,在二冷区经液 芯压下降低至45mm。后来由于薄片状水口寿命低、铸坯表面质量较差等问题而改用橄榄球 形结晶器。CONROLL 工艺是由奥钢联工程技术公司开发的，其连铸的特点为铸坯较厚，一般为 75-130mm，采用平行板式结晶器，实际已属于中薄板坯连铸。FTSRQ(Flexible Thin Slab Rolling for Quality) 工艺是由意大利达涅利公司开发的，其薄板

5、坯连铸机的主要特点为使用所谓H2(High Speed，High Quality)结晶器。H2结晶器呈漏斗形， 铸坯横断面由凸形逐渐变为矩形。TSP(Tippins-Samsung Process)工艺为美国蒂金斯公司推出，其连铸部分采用传统的中等厚 度(125mm)的板坯，使用平行板式结晶器。Sumitomo工艺是日本住友金属开发的，铸坯厚度为90-100rmn,采用平行板式结晶器。 总之，目前的薄板坯连铸与传统的板坯连铸本质上没有太大的区别。但是，为了适应铸坯 厚度较薄的特点，世界各国薄板坯连铸机普遍采用新的技术，如漏斗形结晶器、H2结晶器、 液压非正弦振动、电磁制动、带液芯压下(或铸轧、

6、动态轻压下、轻压下)、二冷气雾冷却。 此外，薄板坯连铸拉速高，出结晶器坯壳厚度较薄，故二冷段只能采用小辊径、小辊距的密 排辊布置方案。薄板坯连铸生产的铸坯直接进加热炉，要求铸坯无缺陷。我国在“七五”、“八五”期间对薄板坯连铸技术进行了开发，在兰州钢厂建成了半工业性的 试验机组，于 1990 年 10 月拉出了 50mm*900nnn 的国内第一块薄板坯。20 世纪 90 年代中 期，我国在大连重型机械集团公司建成一套薄板坯连铸试验机组，进行了普碳钢和低合金钢 的拉坯试验并取得了铸轧技术的试验成功。尽管我国有能力自主建设薄板坯连铸机，但在关 键的工艺和设备上与国外还有一定的差距，因此有必要加强这

7、方面的开发研究以取得新的突 破。带钢连铸用连铸机直接浇铸厚度为 l-10mm 的连铸坯的生产工艺为带钢连铸。经带钢连铸机生产的 产品可直接当热轧带钢使用，也可进入冷轧机轧成厚度小于 lmm 的冷轧带钢。与传统的板 坯或薄板坯连铸经热轧再进行冷轧生产厚度小于 0.5mm 的冷轧带钢工艺相比，带钢连铸可 节省设备投资 50%，生产成本降低 20%，生产过程中的能耗、污染、温室气体的排放也会 大幅度下降。20 世纪 80 年代世界各国对带钢连铸的研究达到了高潮。德国、日本、意大利、 美国、英国、法国、中国、韩国等国家的 40 多个钢铁企业及研究机构从事带钢连铸的试验， 共研制了 20 多台不同类型的

8、连铸机进行试验研究或半工业性规模试验。带钢的厚度太薄，很难使用传统的固定式结晶器完成初始的凝固过程，因此带钢连铸机与 传统的连铸机大不相同。国内外试验过的带钢连铸机的机型多种多样，有辊式、带式、直槽 式、移动活块式。经多年的研究比较，辊式带钢连铸机最有希望工业化，而其它类型的带钢 连铸机逐渐被人们所抛弃，仅有少数科研机构还在进行研究。辊式连铸机主要有以下几种 形 式：水平双辊式。这是目前带钢连铸机使用最多的形式。连铸时钢液被注入到两个互相平行、 安装高度相同、等径的金属冷却辊及侧封挡板围成的空间内。与冷却辊表面接触的钢液凝固 成坯壳，被旋转的冷却辊不断挤压并拉出。冷却辊之间的间隙为带钢的厚度，

9、冷却辊的长度 或两侧封挡板内表面之间的距离即为带钢的宽度。倾斜双辊式。倾斜双辊式的两个冷却辊不在同一高度，两个冷却辊轴心的连线与水平方向 成一定夹角，采用特制的浇铸水口将钢液注入到两辊之间，其它部分的结构与水平双辊式的 相似。异径双辊式。异径双辊式与倾斜双辊式的主要区别在于上下两个冷却辊的直径不同，上面 的冷却辊的直径较小，已凝固的带钢由刮刀从下辊上剥下。单辊式。单辊式连铸机是使用水冷旋转辊使钢液从辊子上部或侧面紧贴着辊子表面流出， 钢液在辊子上被激冷而形成薄的带钢。用这种方法主要浇铸厚度小于 lmm 的极薄材料或生 产非晶合金等。国内自1958年开始研究带钢连铸，80 年代以后先后试制了3

10、台同径双辊式 带钢连铸机、2台异径双辊式带钢连铸机。第一台同径双辊式连铸机的辊径为200mm,辊 宽为150mm；第二台连铸机辊径为500mm,辊宽为250mm,浇铸了 500多炉次厚度为l-3mm、 宽度为250mm的304不锈钢带；第三台连铸机更为实用，辊径为1200mm，辊宽为600mm, 于1995年开始试验，已浇铸了 60多炉次宽580mm、厚2-5mm的不锈钢带。辊式带钢连铸机目前存在的主要问题是冷却辊的侧封及带钢的质量。大多数双辊式连铸机 采用耐火材料制成的侧挡板,由支承结构顶向冷却辊的边墙。侧挡板必须能够承受热侵蚀、 热冲击及钢的化学侵蚀,还必须具有低的热导率,以免在挡板的内表

11、面生产不需要的凝固。 侧封不严时带钢的边缘生产飞边、毛刺或被撕裂,形成不规则的边部。目前使用的材料主要 有氮化硼、氧化铝、氮化硅、石墨、石英等,但效果都不甚理想,主要问题是寿命低、成本 高,不适应工业化生产的需要。带钢的质量问题主要有夹杂和冷块、表面裂纹、边缘毛刺。带钢连铸连轧产品能够替代传统的薄规格热轧产品和部分的冷轧产品,是薄规格扁平材生 产的发展趋势,其工业化应用己指日可待。 2001 年美国纽柯公司在克劳福兹维尔厂建造世 界上第一台商业规模的双辊式带钢连铸机，用于浇铸不锈钢和碳钢。业内人士认为，一旦商 业性运作取得成功，则此项技术对钢铁工业的影响将超过十几年前薄板坯连铸机投产所带来 的

12、影响。异形坯连铸异形坯是指除了方坯、板坯、圆坯、矩形坯以外的具有复杂断面的连铸坯，目前主要为工 字形连铸坯。异形坯用于轧制成H型钢或工字钢梁，而H型钢通常用于要求承载能力大、 截面稳定性好的大型桥梁、高层建筑、水利工程、核电站、铁道车辆、重型设备等方面。国 外H型钢占大型型材产量的30%-45%。我国经济建设的步伐逐年加快，对H型钢的需求量 也日益增大。传统的生产大型型材的坯料是用铸锭经初轧机开坯得到大方坯或用连铸机生产大方坯，至 少需经二十多个道次的轧制才能成材，而采用工字形连铸坯，只需十几个道次即可完成，显 著地减少了轧制道次，因而也就大幅度提高了轧机的生产能力。同时，采用异形坯来生产工

13、字钢，避免了轧件尾端舌形的形成，可提高成材率 8%。本质上，异形坯连铸机与矩形坯或方坯连铸机基本相同，主要区别在于结晶器内腔形状和 二冷区支撑辊的布置形式不同。世界上第一台工字形坯连铸机于 1968 年在加拿大的阿尔戈 玛公司建成投产，由瑞士的康卡斯特公司设计制造。虽然异形坯连铸早在 30多年前就已实 现工业化，技术也已经成熟，但在20世纪70年代至80年代发展较为缓慢，、目前全世界异 形坯连铸机约有30多台。国内只有马鞍山钢铁公司引进一台异形坯连铸机，于1998年建成 投产，年生产能力为63万吨。空心管坯连铸到目前为止，无缝钢管在制管之前必须先进行穿孔，即将实心的管坯加工成空心管坯，随 后进

14、一步轧制成钢管。这不仅需要专门的穿孔设备，而且金属消耗量大、工序多，钢管的成 本必然高。如果能用连铸机直接生产出空心的管坯，则可省去穿孔工序并提高金属的收得率， 节省基建投资，降低钢管生产成本。在工业生产上有少数工艺采用离心浇铸的空心管坯来生产难变形的高合金钢管。但离心浇 铸的生产是间歇性的，效率很低，生产的空心管坯成本较高，难以在工业生产中广泛应用。对连续浇铸空心管坯的试验研究大多数采用内结晶器的方法，即在传统的圆形结晶器的中 心放入一个水冷的芯子作为内结晶器，钢液注入外结晶器与内结晶器形成的环行空间内，这 样便得到管状的空心坯。这种方法的主要困难在于内结晶器的设计上。如果内结晶器的锥度 太

15、大，则因坯壳与内结晶器接触不良而得不到充分的冷却；如果内结晶器的锥度太小，则铸 坯凝固时可能将内结晶器箍住。德国、前苏联、美国都先后采用内结晶器的方法进行了空心 管坯的半工业性浇铸试验，用空心管坯轧制出的钢管的各项指标均满足标准要求。奥地利的一家研究实验室试验了一种不使用内结晶器的所谓 “无芯连铸法”来生产空心管 坯。其方法是将传统的弧形连铸机的二冷区由90度延长至180度，铸坯在半个圆周上进行 凝固，铸坯被拉到与结晶器内的钢液面相同的高度以上，此时铸坯内还有一定厚度的液芯， 这时将拉出端的头部切掉，根据连通器的原理，坯壳内的液芯将与结晶器内钢液面保持在同 一高度。因此，继续拉坯时，坯壳厚度不

16、再增加，这样便得到空心的连铸管坯。适当地改变 拉坯速度和调节二次冷却强度，可以在相当宽的范围内获得不同壁厚的管坯。采用连铸空心管坯来生产无缝钢管的优点是勿庸置疑的，但现已提出的空心管坯生产工艺 还存在许多技术问题尚未完全解决。内结晶器法生产空心管坯的工艺与传统连铸工艺较为接 近，在解决现行存在的问题后，最有希望实现工业化应用。总之，在世界能源日益短缺、环境污染逐年加剧的严峻形势下，钢铁企业通过发展近终形 连铸来改进传统的生产流程，达到节省能源、减少污染物排放、降低生产成本的目的，是钢 铁生产发展的必然趋势。在未来的几年里，带钢连铸技术的成熟与广泛应用将给钢铁企业带 来新的机遇和挑战，而其它类型

17、的近终形连铸技术也将得到进一步发展并逐渐走向成熟。在 目前中国钢铁工业史无前例的大好形势下，我们应该清醒地认识到，与发达国家相比，我国 对近终形连铸技术研究与开发的投入力度还远远不够，技术发展水平与国外也有不小的差 距。在诸多的近终形连铸技术中选择几项研究基础较好进行重点开发和重点投入，是当务之 急，也是明智之举。近几年，高效连铸技术在国外迅速发展，重点包括提高铸机拉坯速度、提高连浇率、提 高连铸机的作业率三项技术。目前，日本板坯连铸机的拉速已经达到-;K;89,最高-DC;K;89。 板坯连铸机的月产量从-万0提高到LC万0。小方坯最高拉速可以达到CD.;K;89，单流产 量可达到-C万0K

18、6,连铸机的连浇炉数超过A.炉，最高达到A万炉。连铸机的作业率按结 晶器内钢水占有的时间比日历时间，可达到 F-H 以上。薄板坯连铸连轧和薄带等近终型连 铸，作为-A世纪钢铁生产的重大变革工艺技术，将会有很大发展。日本预测，到年在连铸 技术领域，传统连铸占L.H，薄板连铸占C.H，薄带连铸占A.H。由于天钢二钢采用化铁炼钢工艺，而生铁、焦碳质量难以保证，使得化 铁炉铁水含硫高，炼钢脱硫任务重，操作难度大，影响了产量和质量及新品种的开发，而二 钢原有的铁水（喷粉法）脱硫，因设备复杂，生产作业率低，作业区域污染严重，可操作性 差，成本高等很难满足生产需要。为解决这一问题，天钢与有关单位一起先后进行

19、了一系列 的铁水喷粉脱硫的完善工作，但未能奏效。为此， 2001 年二钢与郑州大学等单位合作，共 同对铁水脱硫技术进行了研制和开发，开发了一种新式脱硫法，并已设计出一种能渣铁分离、 自动排渣的连续脱硫装置，它能利用铁水的落差或流动时所具有的动能，完成铁水与脱硫剂 的充分混合或接触来达到脱硫的目的，同时实现铁水与渣的自动分离。由于新式脱硫设备简 单，操作方便，成本低，脱硫效果好，很快应用于生产。这套装置已获得国家专利这项技术 已于2002年9月通过市经委组织的专家鉴定，专家组对该项目给予很高评价，称其为简便 实用，适合国情，属国内首创，达到国际先进水平。该项目已申报 2003年天津市科技成果为开

20、发该项目，二钢与郑州大学等单位共同研究工艺实施方案，合作完成脱硫装置设计、 脱硫剂研制、脱硫装置内衬耐材设计及改进等难题。目前， #?&?法铁水连续脱硫技术已经 纳入操作规程，即生产普碳钢时，当铁水?GD.E.H时进行中度脱硫，使铁水?达到.D.C.H以 下，为转炉冶炼提供好的原料条件；生产品种钢时进行深度脱硫，使铁水?达到.D.I.H或.D.-.H 以下。新法脱硫的使用，增加了二钢对付高硫铁水的能力，大大减少了因化铁炉铁水?高问 题对转炉冶炼造成的不良影响，使得入转炉铁水成分比较稳定，从而有利于稳定转炉操作， 转炉高拉碳、温度合格率、计划品种执行率等指标明显提高，改善了钢水质量，连铸工序拉 钢顺畅，铸坯质量提高，各种质量及生产事故明显减少。截止目前二钢采用该工艺已处理铁水I-B J.0，生产高效品种钢ABC JC.0。实施这项技 术，天钢获得了显著的经济效益及社会效益，为改善天钢转炉铁水质量、增加生产规模、提 高产品质量、降低生产成本及开发品种钢等方面发挥了重要作用。