年产量200万吨板坯连铸生产工艺设计.docx

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年产量200万吨板坯连铸生产工艺设计

工艺设计任务书

一、学生姓名：

XXX学号：

XXXXXXXX

二、题目：

年产量200万吨板坯连铸生产工艺设计

已知：

1.某钢铁厂拟新建一板坯连铸车间，生产的典型钢种为压力容器用钢板16MnR、碳素结构钢板Q195，化学成分是：

16MnR钢：

C：

≤0.20，Si：

0.20~0.55，Mn：

1.20~1.60，P：

≤0.035，S：

≤0.030，Cr：

≤0.,30，Ni：

≤0.,30，Cu：

≤0.30；Cr+Ni+Cu≤0.60；Q195钢：

C：

≤:

0.06~0.12，Si：

≤0.30，Mn：

0.25～0.50，P：

≤0.045，S：

≤0.05，Cr：

≤0.30，Ni：

≤0.30，Cu：

≤0.30。

2.铸坯规格为：

200,270mm×1800,2100mm（厚度×宽度）。

3.计划采用的转炉容量为100吨，冶炼时间为40分钟。

三、设计任务

1.编写产品大纲，制定典型产品的生产工艺流程。

2.确定连铸设备参数，如连铸机的类型、数量、流数、中间包容量等；提出生产需要的有关设备清单。

3.确定连铸主要工艺参数，如钢水的浇注温度、浇注时间、拉坯速度、板坯尺寸以及冶炼与连铸机的配合。

4.编制金属平衡图。

5.连铸浇注周期、连铸机作业率、连铸坯收得率、连铸机生产能力计算。

6.撰写设计说明书。

四、日程安排

1.2011.12.30～2011.12.31查阅国内外技术资料，制定总体工艺方案；

2.2012.01.01～2012.01.10连铸工艺设计；

3.2012.01.11～2012.01.12编写设计说明书；

4.2012.01.13答辩。

五、参考书目

[1]陈家祥主编.连续铸钢手册.冶金工业出版社.1991.12.

[2]李传薪主编.钢铁厂设计原理（下）.冶金工业出版社.1995.5.

[3]《中国冶金报》社编.连续铸钢500问.冶金工业出版社.2002.6.

[4]李慧主编.钢铁冶金概论.冶金工业出版社.1993.11.

[5]陈雷.连续铸钢.冶金工业出版社.1994.5.

一、绪论

连铸即为连续铸钢（ContinuousSteelCasting）的简称。

在钢铁厂生产各类钢铁产品过程中，使用钢水凝固成型有两种方法：

传统的模铸法和连续铸钢法。

而在二十世纪五十年代在欧美国家出现的连铸技术是一项把钢水直接浇注成形的先进技术。

与传统方法相比，连铸技术具有大幅提高金属收得率和铸坯质量，节约能源等显著优势。

使钢水不断地通过水冷结晶器，凝成硬壳后从结晶器下方出口连续拉出，经喷水冷却，全部凝固后切成坯料的铸造工艺。

同通常钢锭浇铸相比，具有增加金属收得率，节约能源，提高铸坯质量，改善劳动条件，便于实现机械化、自动化等优点。

连铸镇静钢的钢材综合收得率比模铸的约高10%。

沸腾钢连铸比较困难，至今尚未成功。

近年对沸腾钢成分的钢液进行真空“轻处理”，可以顺利地进行连铸。

有色金属的连铸发展比钢铁连铸为早。

如在辊式连铸机上，兼有凝固和塑性变形，则称连续铸轧。

由于连铸简化了炼钢铸锭及轧钢开坯加工工序，每吨钢可节约能量（0.15～0.25）×10千卡,如进一步解决铸坯和成材轧机的合理配合问题，热送直接成材，还可进一步节约能源。

连铸坯在结晶结构上的主要特点是：

连铸工艺使钢水迅速而均匀地冷却，因而迅速形成较厚微晶细粒的表面凝固层，没有充分时间形成柱状晶区；连铸坯断面较小，整罐钢水的连铸从开始到终了的冷却凝固时间接近，连铸坯纵向成分偏析差别可在10%以内，这是模铸钢锭无法与之比拟的；连铸坯不像模铸钢锭那样分单根浇铸，所以可避免形成缩孔或空洞，使金属收得率提高；在塑性加工中，为消除铸态组织所需的压缩比也可较小。

当然，连铸技术也有其缺陷。

在浇铸生产过程中，由于钢水成分、温度、浇铸速度、冷却水强度等控制不当，以及铸机设备安装不合规格等原因，可造成与模铸相似的各种缺陷。

与模铸钢锭的差别是裂纹缺陷比较多见。

近年连铸生产自动化技术迅速发展。

在技术先进的钢厂已经开始实现对钢水成分、温度、结晶器钢液面、铸速、二次水冷却、铸坯质量热检查、定尺切割等用计算机进行全面自动控制；生产过程中有质量不合格铸坯时，实行自动切除；然后热送连轧生产。

中国于50年代开始进行半连铸的工业试验。

1959和1960年间建成直立式方扁坯连铸机。

60年代中期建成弧形板坯连铸机。

同时还建有立弯式小方坯连铸机。

截至1981年，中国投产的连铸机有26台，1981年生产连铸坯254万吨,占全国钢产量的7.65%。

浇铸的钢种有普通碳钢、低合金结构钢、弹簧钢、电工钢等。

连铸坯的品种有120～200毫米方坯，700～2300毫米宽板坯。

80年代在工业发达国家已有不少电炉车间实现了全连铸化,新建大型转炉车间也有全连铸的。

浇铸的钢种在1970年以前大多是普通碳素钢。

目前除极少数高碳、高合金钢和易产生裂纹的钢种，如含铅易切削钢、高速工具钢和某些轴承钢及阀门钢,连铸尚有困难外,约有85%钢种都能连续浇铸。

70年代采用了电磁搅拌,可提高连铸坯质量。

连铸生产的钢种包括有深冲的薄板钢，高强度的中厚板钢、钢轨钢、弹簧钢、线材钢、不锈耐酸钢等。

特别是不锈耐酸钢，目前全世界约有50%以上是用连铸法生产的。

生产的板坯最大尺寸为宽2640毫米,厚350毫米；方坯最大为560×400毫米,最小为50×50毫米,实际生产中常控制在100×100毫米以上；圆坯最大为φ450毫米，最小为φ40毫米。

由于连铸的种种优势，它是最近几十年来钢铁行业的重点和热点问题。

作为钢铁行业的本科生，对连铸技术有一定的了解也显得十分必要。

因此，借助此次课程设计的机会，我全面地学习了连铸的基本知识，并在老师的指导下完成了这篇车间设计论文。

以上。

二、产品大纲及生产工艺流程

1.产品大纲

1）生产规模

计划年产合格铸坯：

200万吨/年

2）产品分类（见表1）

表1产品规格及分类

铸坯断面/mm×mm

钢号

钢种

年产量/wt

比例/%

200×1600

16MnR

压力容器用钢

50

25

200×2100

16MnR

压力容器用钢

50

25

270×1600

Q195

优质碳素结构钢

50

25

270×2100

Q195

优质碳素结构钢

50

25

2.生产工艺流程

本连铸车间的生产工艺流程为：

将原料送入100吨转炉冶炼后，再由精炼炉精炼，制得的钢水装入钢包，经天车运至钢水包回转台。

回转台转动到浇注位置吼，将钢水注入中间包，中间包再经水口将钢水分配到各个结晶器中。

钢水在结晶器中迅速凝固成形，得到带液心的铸坯，铸坯经由二次冷却装置冷却，拉坯矫直装置矫直后，送交切割机切成符合用户要求的板坯长度，再由打印机打印注明生产批次及相关数据。

得到的板坯经垛板台垛板后，一部分经热送辊道送入轧钢车间，余下部分未充分冷却的送入冷床冷却，之后一并清理检查，再次交友冷床冷却，之后作为车间成品外运。

生产工艺流程如下图：

三、连铸机设备参数的计算

3.连铸机类型选择

现在世界各国使用的连铸坯有立式、立弯式、弧形、椭圆形和水平式5种。

据不完全统计，目前世界上所建的连铸机中，立式占17%，立弯式占21%，弧形占55%，其他形式占7%。

目前新建的连铸机是弧形的最多。

立式连铸机从中间包到切割站等主要设备都排在一条垂直绳上。

整个机身矗立在车间地平面上或者布置在地下的深坑内。

这种连铸机占地面积小，设备紧凑，高温铸坯无需弯曲变形，铸坯表面和内部裂纹少，铸坯内凝固液体中夹杂物容易上浮，钢水比较“干净”，二次冷却装置和夹辊等结构简单，便于维护。

立式连铸机的缺点是机身高达20~46m，必须加高厂房或深挖地坑，基建费用昂贵；因不能把连铸机高度增加过高，故只能低速浇注，生产率低。

适用于优质钢、合金钢和对裂纹敏感小断面钢种铸坯的浇注。

立弯式连铸机与立式相比，机身高度降低，节省投资；水平方向出坯，加长机身比较容易，可实现高速浇注；铸坯内未凝固钢液中得夹杂物易上浮，夹杂物分布均匀。

缺点是因铸坯要经过一次弯曲一次矫直，故容易产生内部裂纹；铸机高度虽然降低，但基建费用依然较高。

结晶器和立式连铸机一样都是直的，属于过渡机型。

弧形连铸机采用的是具有某一曲率半径的弧形结晶器。

其结晶器，二次冷却装置和拉矫设备都布置在某一半径的一个圆的四分之一弧度上。

铸坯在结晶器内凝固时就已经弯曲，带液心的铸坯从结晶器拉出来，沿着弧形轨道运行，继续喷水冷却，在四分之一圆弧处完成凝固，然后矫直并拉出送至切割站。

弧形连铸机的高度仅为立式的三分之一，建设费用低，钢水静压力小，铸坯在辊间的鼓肚小，铸坯质量好；加长机身也比较容易，故可高速浇注，生产率高。

弧形连铸机的缺点是：

因铸坯弯曲矫直，容易引起内部裂纹；铸坯内夹杂物分布不均，内弧侧存在夹杂物的聚集；设备较为复杂，维修也较困难。

弧形连铸机虽然有缺点，但由于在设备和工艺上的技术进步，仍然是世界各国钢厂采用最多的一种机型。

垂直弯曲型连铸机也就是带直结器的弧形连铸机，这种连铸机成为垂直弯曲型连铸机。

该种铸机的垂直段较短，一般仅为2~3m，铸坯带液相弯曲和矫直。

它保持了立式连铸机的夹杂物易上浮的特点，但由于铸坯带液相弯曲和矫直，因而设计中应尽量降低弯曲和矫直点铸坯两相界面处的变形率以保障内部质量。

椭圆形连铸机又称为超低头连铸机，它的结晶器、二次冷却段、夹辊和拉坯矫直机均布置在1/4椭圆弧上，椭圆形圆弧是由多个半径的圆弧线所组成，其基本特点与弧形连铸机相图。

水平连铸机的结晶器、二次冷却区、拉坯矫直机、切割装置等设备安装在水平位置上。

水平连铸机的中间罐与结晶器是紧密相连的。

中间罐水口与结晶器相连接处装有分离环。

拉坯时，结晶器不振动，而是通过拉坯机带动铸坯做拉——反推——停不同组合的周期性运动来实现的。

水平连铸机是高度最低的连铸机，其设备简单，投资省，维护方便。

水平连铸机结晶器内钢液静压力小，避免了铸坯的鼓肚变形，中间罐与结晶器之间是密封连接，有效防止了钢液流动过程中的二次氧化；铸坯的清洁度高，夹杂物含量少，一般仅为弧形连铸坯的1/8~1/16、另外，铸坯无需矫直，也就不存在由于矫直弯曲而产生裂纹的可能性，铸坯质量好，适合浇注特殊钢和高合金钢，因而受到各国的关注。

我国从70年代末开始进行了大量的研究和工业试验工作。

本车间模拟生产的板坯属于中厚板，宽度也较大，不属于小断面铸坯，不能使用立式连铸机和立弯式连铸机。

综合考虑基础建设投资和技术成熟度，选用弧形连铸机作为生产机器。

另，参考相关企业车间设计，选择双臂钢包回转台，封闭系统浇注，钢包和中间包之间采用长水口装置，要求回转台具有使钢包升降的功能。

设钢包加保温盖装置，采用大容量中间包，中间包内设挡渣墙和坝，和结晶器之间采用浸入式水口保护浇注。

设置塞棒机构。

采用可调宽的结晶器和多点拉矫机。

采用水冷和气——水冷却兼备的铸坯冷却系统，即二冷区的上半部分喷水强冷，中段和后段用气——水雾化缓冷，水平段液心回热。

既可以减少表面裂纹，生产高温铸坯，又比较经济。

采用上装引锭杆和火焰切割设备，电磁搅拌机装置搅拌。

铸坯表面温度测量采用非接触式辐射高温计。

4.连铸机流数

连铸机流数n可按下式计算：

n=

式中：

n：

连铸机流数；

Q0：

钢包实际容量，t；

Tmax：

钢包浇铸时间，min；

F：

铸坯断面积，m2；

vc：

拉坯速度，m／min；

γ：

铸坯密度，7.8t／m3。

计算条件：

Q0=100t，Tmax=60min，F1=0.200×1.600m2，F2=0.270×1.600m2，F3=0.200×2.100m2，F4=0.270×2.100m2，vc=1.0m/min；

带入数据有：

N1=200/（60*7.8*0.200*1.600*1.0）=0.67流

N2=200/（60*7.8*0.200*2.100*1.0）=0.51流

N3=200/（60*7.8*0.270*1.600*1.0）=0.44流

N4=200/（60*7.8*0.270*2.100*1.0）=0.38流

因此，取流数为n=1流。

5.中间包容量

中间包是短流程炼钢中用到的一个耐火材料容器，首先接受从钢包浇下来的钢水，然后再由中间包水口分配到各个结晶器中去。

通常认为中间包起以下作用：

1）分流作用。

对于多流连铸机，由多水口中间包对钢液进行分流。

2）连浇作用。

在多炉连浇时，中间包存储的钢液在换盛钢桶时起到衔接的作用。

3）减压作用。

盛钢桶内液面高度有5~6m，冲击力很大，在浇铸过程中变化幅度也很大。

中间包液面高度比盛钢桶低，变化幅度也小得多，因此可用来稳定钢液浇铸过程，减小钢流对结晶器凝固坯壳的冲刷。

4）保护作用。

通过中间包液面的覆盖剂，长水口以及其他保护装置，减少中间包中的钢液受外界的污染。

5）清楚杂质作用。

中间包作为钢液凝固之前所经过的最后一个耐火材料容器，对钢的质量有着重要的影响，应该尽可能使钢中非金属夹杂物的颗粒在处于液体状态时排除掉。

中间包容量有1.5t、3.0t、5.0t、7.5t四种，国际上水平连铸的中间包有加大趋向，原因有：

1）使钢水在中间包内温降速度小，可达0.3℃／min。

2）使夹杂充分上浮保证大型夹杂物不近入结晶器内。

3）中断钢水后能维持较长的浇铸时间（大于30min有利于多炉连浇）。

中间包容量过大，中间包小车、台车及倾翻设备过大，则修建、砌包、烘烤、费用都将加大。

按照设计要求，采用容量为5.0t的中间包。

6.设备清单

序号

设备名称

数量

备注

1.

钢包包转台

1

2.

长水口机械手

1

3.

中间包车组

1

液压升降

4.

中间包盖

1

5.

中间包

2

6.

中间包烘烤装置

2

7.

中间包水口烘烤装置

1

8.

悬臂操作箱

1

9.

结晶器

1

10.

结晶器罩

1

11.

振动装置

1

液压振动

12.

振动支架

1

13.

弯曲段（水气润滑配管）

1

14.

扇形段（水气润滑配管）

3

15.

拉矫段（水气润滑配管）

1

16.

基础框架一

1

17.

基础框架二

1

18.

拉矫传动装置

1

19.

引锭杆及引锭头

1

20.

引锭杆存放对中装置

1

21.

一次火焰切割机

1

22.

二次火焰切割机

1

23.

切前辊道

1

24.

切割区辊道

1

25.

输送辊道

1

26.

出坯辊道

1

27.

移钢机（10m）

1

28.

冷床

1

29.

固定挡板

1

30.

二冷排蒸汽风机

1

31.

基础电控系统

1

32.

二冷配水控制系统

1

33.

二冷配水仪表

1

34.

主机液压站

1

35.

铸机本体润滑站

1

36.

液面自动控制系统

2

37.

大包称量装置

1

38.

二冷区电磁搅拌装置

1

39.

扇矫段翻转对中台

1

40.

扇矫段维修组装台

1

41.

结晶器存放台

2

42.

弯曲段维修对中台

1

43.

结晶器维修试压台

1

44.

辊子存放架

1

45.

扇形段更换装置

1

46.

导轨安装工具

1

47.

通用吊具

1

48.

中间包胎膜

1

49.

中间包存放台

2

50.

渣盘

3

51.

切头收集装置

1

52.

中间包水口托架

2

53.

内外弧维修用样板

1

54.

对弧样板

1

55.

钢结构平台

水泥平台为主

56.

二冷室

57.

扇形段更换导轨

58.

辊道部分过桥

59.

连铸机铺板

60.

大包事故摆槽

61.

铸机本体液压配管

1

62.

铸机本体水气配管

1

63.

铸机本体润滑配管

1

64.

铸机维修区水系统

1

65.

铸机本体照明系统

1

66.

二冷蒸汽排放管道

1

67.

各种起吊用工具

1

68.

中间包准备用工具

1

四、

连铸主要工艺参数

7.浇注温度

对掺有合金元素的钢种而言，钢水凝固温度TL通常用以下公式计算：

TL=1537℃−（88C％+8Si％+5Mn％+30P％+25S％+5Ca％+4Ni％+2Mo％+2V％+1.5Cr％）根据此公式可算得

16MnR钢凝固温度为：

TL（16MnR）=1506.5℃

Q195钢凝固温度为：

TL（Q195）=1507.7℃

浇注温度等于各钢种的液相线温度加上钢水过热度，即：

T浇=TL+ΔT0

其中ΔT0为钢种的过热度。

对厚板材热轧钢而言，ΔT0取5~20℃，因此统一确定T浇为1525℃，以留出足够裕量。

由于浇注温度与铸坯表面和内部质量均有密切联系，而能满足两者要求的温度区间又比较窄，因此浇注温度与目标值之间不能有太大波动。

浇注温度的波动范围最好控制在±5℃之内。

因此，对钢的吹氩操作，钢包和中间包的热工状况要严格管理。

8.浇注时间

钢包最大允许浇注时间可按下式计算：

式中：

Tmax：

每包钢水最大允许浇注时间，min；

Q0：

钢包容量，t；

：

质量系数。

带入数据得：

Tmax=60min。

每包钢水的浇注时间，其计算公式如下：

式中

tm：

每包钢水的浇注时间，min；

Q0：

钢包容量，t；

γ：

带液芯钢坯的密度，取7.6t/m³；

d：

板坯厚度，m；

W：

板坯宽度，m；

V：

拉坯速度，m/min；

n：

流数。

将n=1带入上式可得各尺寸板坯浇筑时间如表4所示：

表2板坯浇注时间表

Q0/t

r（t/m3）

d/m

W/m

v（m/min）

n

tm/min

100

7.6

0.20

1.6

1.0

1

41.1

100

7.6

0.20

2.1

1.0

1

31.3

100

7.6

0.27

1.6

1.0

1

30.5

100

7.6

0.27

2.1

1.0

1

23.2

综合考虑各尺寸板坯产量，得：

tm=0.25（tm1+tm2+tm3+tm4）=31.5min

取tm=30min，以上各数据均小于Tmax，因此数据有效

9.拉速

拉坯速度指连铸机每一流单位时间拉出铸坯的长度（m/min）。

在钢种、铸坯断面和流数确定后，拉速大小对提高连铸机的生产能力起着决定作用。

（1）最大拉速vmax：

按最大断面计算最大设计拉速，根据参考资料[3]表3-6，初选综合凝固系数k=26mm·min-0.5，vmax=1.4m/min。

（2）工作拉速vm：

vm一般由经验公式得出：

vm=f/D

式中，f——与钢种、结晶器长度、冷却强度等有关的系数，板坯取350～500，这里取400。

D——铸坯厚度，mm；

A——铸坯横断面面积，mm2；

代入数据得计算结果分别为2m/min和1.48m/min。

由于不得超过最大拉速，取vm=1.0m。

10.连铸机冶金长度

Lc=

式中：

Lc：

连铸机冶金长度，m；

D：

铸坯厚度，mm；

取D为最大值270mm，带入上式，Lc=m=26.96m

对于液心多点矫直弧形连铸机，把从结晶器液面到最后一对拉辊之间的长度称为铸机长度（LB）。

由于凝固末端的位置有变化，一般留有10%的富裕量，则有：

LB=1.1×Lc=29.67m≈30m

取结晶器长度LB=30m

11.结晶器长度

结晶器长度的选取主要取决于浇注速度、铸坯出结晶器最小坯壳厚度和结晶器的冷却强度等。

一般取700~900mm。

理论计算表明，结晶器内50%的热量是它的上部导出的，结晶器下部只起到支撑作用，过长的结晶器无益于凝壳的增厚，故没有必要把结晶器设计过长。

现选结晶器长度为700mm。

选取结晶器长度后，为了确保结晶器出口处坯壳不至于太薄，应根据凝固公式进行验算，即坯壳的理论厚度为：

δ=k=k

式中：

δ：

结晶器出口处凝壳厚度，mm；

k：

凝固系数，取26mm/min0.5；

t：

凝固时间，min；

L：

结晶器有效长度，即结晶器液面至结晶器下口的距离，约为结晶器实长减去80~100mm，现取600mm；

v：

拉坯速度，取1000mm/min；

带入数据，有：

t==0.6min

δ=26×=20.14mm

对板坯结晶器而言，出口处坯壳厚度应为15~20mm，计算结构符合要求

12.铸机的弧形半径

铸机弧形半径大，铸机高度增加，导致钢水静压力大，铸坯鼓肚变形量增大，并增大了设备的所需投资。

反之，铸机弧形半径小，则矫直变形率大，易产生裂纹等缺陷。

因此，铸机弧形半径大小应针对不同的铸坯断面，浇注的钢种等因素，选择最佳的半径。

根据经验公式，得连铸钢种，铸坯厚度D与连铸机弧形半径尺寸之间的关系如下：

对板坯连铸机，有R=（40~50）D

对优质钢和高合金钢，有R=（40~50）D

当D=200mm时，R=8000~10000mm；当D=270mm时，R=10800~13500mm。

综合二者考虑，取R=10000mm=10m。

13.匹配系数计算

连铸机与转炉的匹配数量关系如下式所示：

式中：

tm：

每包钢水浇注时间，min；

T：

冶炼时间，min，本车间为40min；

k：

匹配系数。

将tm=32带入得到k=0.8，为保证生产，向上取整为k=1,即1台铸机配1座转炉，CC:

LD=1:

1。

五、金属平衡图

六、连铸机主要性能参数

14.连浇炉数

连浇炉数是指同浇次的炉数，或者用装一次引锭杆所浇钢液的炉数。

平均连浇炉数是指浇注钢液的炉数与连铸机开浇次数的比值，它反映了连铸机的作业能力。

从单炉连浇改至多炉连浇，可减少准备工作和连铸机的停歇时间，从而增加了连铸机的产量，提高连铸机作业率，降低消耗，提高经济效益。

据统计，与单炉连浇相比，铸坯产量提高50%，金属收得率提高3%，操作费用降低25%。

多炉连浇是一项高难技术，它是连铸设备、工艺、管理水平的综合体现。

我国韶关钢厂小方坯连铸机1989年创造了连浇110炉的记录；武钢1700mm板坯连铸机于1985年创造了连浇117炉的记录；美国板坯连铸机1973年曾连续浇注108h25min，连浇132炉，浇注27983吨；日本大方坯连铸机1979年连浇过246炉，浇钢39360吨；日本另一板坯连铸机1989年曾连浇625炉。

1997年我国平均连浇炉数：

板坯连铸机单流最高17.58炉，双流14.84炉，小方坯单流15.58炉，3流为11.49炉，单流矩形坯26.37炉，大方坯14.62炉，双流为8.57炉。

考虑到15年来的技术进步，本车间单流板坯连铸机连浇数取4。

15.浇注周期

因为转炉数多于铸机数，，本车间遵循“钢水等铸机”的原则，即把钢包提前列到铸机等待，连铸机随时可以得到钢水包的供应，对于连铸来说组织多炉连浇的操作工艺较为简单容易。

欧洲国家多采用这种方式。

在这种情况下，浇注周期Tcc按下式计算：

Tcc=ntm+tp，min

式中：

tp：

准备时间，指从上一连铸炉次中间包浇完至下连铸炉次开浇的