连铸工艺详解.docx

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连铸工艺详解

连铸工艺流程介绍

电炉、转炉、中频机生产出来的钢水经过精炼炉精炼以后，需要将钢水铸造成不同类型、不同规格的钢坯。

连铸工段就是将精炼后的钢水连续铸造成钢坯的生产工序，主要设备包括回转台、中间包，结晶器、拉矫机等。

本专题将详细介绍转炉（以及电炉）炼钢生产的工艺流程，主要工艺设备的工作原理以及控制要求等信息。

连铸的目的:

将钢水铸造成钢坯。

连铸的工艺流程:

连铸工艺详解

连铸的生产工艺流程：

将装有精炼好钢水的钢包运至回转台，回转台转动到浇注位置后，将钢水注入中间包，中间包再由水口将钢水分配到各个结晶器中去。

结晶器是连铸机的核心设备之一，它使铸件成形并迅速凝固结晶。

拉矫机与结晶振动装置共同作用，将结晶器内的铸件拉出，经冷却、电磁搅拌后，切割成一定长度的板坯。

连铸钢水的准备

一、连铸钢水的温度要求：

钢水温度过高的危害：

①出结晶器坯壳薄，容易漏钢；②耐火材料侵蚀加快，易导致铸流失控，降低浇铸安全性；③增加非金属夹杂，影响板坯内在质量；④铸坯柱状晶发达；⑤中心偏析加重，易产生中心线裂纹。

钢水温度过低的危害：

①容易发生水口堵塞，浇铸中断；②连铸表面容易产生结疱、夹渣、裂纹等缺陷；③非金属夹杂不易上浮，影响铸坯内在质量。

二、钢水在钢包中的温度控制：

根据冶炼钢种严格控制出钢温度，使其在较窄的范围内变化；其次，要最大限度地减少从出钢、钢包中、钢包运送途中及进入中间包的整个过程中的温降。

实际生产中需采取在钢包内调整钢水温度的措施：

1）钢包吹氩调温

2）加废钢调温

3）在钢包中加热钢水技术

4）钢水包的保温

中间包钢水温度的控制

一、浇铸温度的确定

浇铸温度是指中间包内的钢水温度，通常一炉钢水需在中间包内测温3次，即开浇后5min、浇铸中期和浇铸结束前5min,而这3次温度的平均值被视为平均浇铸温度。

浇铸温度的确定可由下式表示（也称目标浇铸温度）：

T=TL+△T。

二、液相线温度：

即开始凝固的温度，就是确定浇铸温度的基础。

推荐一个计算公式：

T=1536-{78[%C]+7.6[%Si]+4.9[%Mn]+34[%P]+30[%S]+5.0[%Cu]+3.1[%Ni]+1.3[%Cr]+3.6[%Al]+2.0[%Mo]+2.0[%V]+18[%Ti]} 

三、钢水过热度的确定

钢水过热度主要是根据铸坯的质量要求和浇铸性能来确定。

钢种类别     过热度

非合金结构钢   10-20℃

铝镇静深冲钢   15-25℃

高碳、低合金钢  5-15℃

四、出钢温度的确定

钢水从出钢到进入中间包经历5个温降过程：

△T总=△T1+△T2+△T3+△T4+△T5

△T1出钢过程的温降；

△T2出完钢钢水在运输和静置期间的温降（1.0～1.5℃/min）；

△T3钢包精炼过程的温降（6～10℃/min）；

△T4精炼后钢水在静置和运往连铸平台的温降（5～1.2℃/min）；

△T5钢水从钢包注入中间包的温降。

T出钢=T浇+△T总

控制好出钢温度是保证目标浇铸温度的首要前提。

具体的出钢温度要根据每个钢厂在自身温降规律调查的基础上，根据每个钢种所要经过的工艺路线来确定。

拉速的确定和控制

一、拉速控制作用:

拉速定义:

拉坯速度是以每分钟从结晶器拉出的铸坯长度来表示。

拉坯速度应和钢液的浇注速度相一致。

拉速控制合理,不但可以保证连铸生产的顺利进行,而且可以提高连铸生产能力,改善铸坯的质量.现代连铸追求高拉速。

二、拉速确定原则:

确保铸坯出结晶器时的能承受钢水的静压力而不破裂，对于参数一定的结晶器，拉速高时，坯壳薄；反之拉速低时则形成的坯壳厚。

一般，拉速应确保出结晶器的坯壳厚度为12-14mm。

影响因素：

钢种、钢水过热度、铸坯厚度等。

1）机身长度的限制

根据凝固的平方根定律，铸坯完全凝固时达到的厚度：

又机身长度：

得到拉速：

2）拉坯力的限制

拉速提高，铸坯中的未凝固长度变长，各相应位置上凝固壳厚度变薄，铸坯表面温度升高，铸坯在辊间的鼓肚量增多。

拉坯时负荷增加。

超过拉拔转矩就不能拉坯，所以限制了拉速的提高。

3）结晶器导热能力的限制

根据结晶器散热量计算出，最高浇注速度：

板坯为2.5米/分

方坯为3-4米/分

4）拉坯速度对铸坯质量的影响

（1）降低拉速可以阻止或减少铸坯内部裂纹和中心偏析

（2）提高拉速可以防止铸坯表面产生纵裂和横裂

（3）为防止矫直裂纹，拉速应使铸坯通过矫直点时表面温度避开钢的热脆区。

5）钢水过热度的影响

一般连铸规定允许最大的钢水过热度，在允许过热度下拉速随着过热度的降低而提高，如图1所示。

6）钢种影响：

就含碳量而言，拉坯速度按低碳钢、中碳钢、高碳钢的顺序由高到低。

就钢中合金含量而言，拉速按普碳钢、优质碳素钢、合金钢顺序降低。

图1 拉速与温度对应表

第四节铸坯冷却的控制

钢水在结晶器内的冷却即一冷确定，其冷却效果可以由通过结晶器壁传出的热流的大小来度量，如图2所示。

图2 钢水在结晶器内的冷却

1）一冷作用：

一冷就是结晶器通水冷却。

其作用是确保铸坯在结晶器内形成一定的初生坯壳。

2）一冷确定原则：

一冷通水是根据经验，确定以在一定工艺条件下钢水在结晶器内能够形成足够的坯壳厚度和确保结晶器安全运行的前提。

通常结晶器周边供水2L/mm·min。

进出水温差不超过8℃，出水温度控制在45-500℃为宜，水压控制在0.4-0.6Mpa。

3）二冷作用:

二次冷却是指出结晶器的铸坯在连铸机二冷段进行的冷却过程.其目的是对带有液芯的铸坯实施喷水冷却,使其完全凝固,以达到在拉坯过程中均匀冷却.

4）二冷强度确定原则:

二冷通常结合铸坯传热与铸坯冶金质量两个方面来考虑.铸坯刚离开结晶器,要采用大量水冷却以迅速增加坯壳厚度,随着铸坯在二冷区移动,坯壳厚度增加,喷水量逐渐降低.因此,二冷区可分若干冷却段,每个冷却段单独进行水量控制.同时考虑钢种对裂纹敏感性而有针对性的调整二冷喷水量.

5）二冷水量与水压:

对普碳钢低合金钢，冷却强度为：

1.0-1.2L/Kg钢。

对低碳钢、高碳钢,冷却强度为：

0.6-0.8L/Kg钢。

对热裂纹敏感性强的钢种，冷却强度为:

0.4-0.6L/Kg钢，水压为0.1-0.5MPa，如图3所示。

图3 凝固系数与二冷水量关系

连铸过程检测与自动控制

一、连铸过程自动检测

（一）中间包钢液温度测定

1）中间包钢液温度的点测

用快速测温头及数字显示二次仪测量温度，如图4所示。

图4 二次温度测量仪

2）中间包钢液温度的连续测定

采用连续测温热电偶对中间包钢液温度进行连续测量，如图5所示。

图5 连续测温热电偶

（二）结晶器液面控制

1）放射性同位素测量法如图6所示：

图6 放射性同位素测量法

2）红外线结晶器液面测量法如图7所示：

图7 红外线结晶器液面测量法

3）热电偶结晶器液面测量法如图8所示：

图8 热电偶结晶器液面测量法

4）激光结晶器液面测量法如图9所示：

图9 激光结晶器液面测量法

（三）连铸机漏钢预报装置如图10所示：

图10 连铸机漏钢预报装置

（四）连铸二次冷却水控制如图11所示：

图11 连铸二次冷却水控制

（五）铸坯表面缺陷在线检测

1）工业电视摄象法如图12所示：

图12 工业电视摄象法

2）涡流检测法如图13所示：

图13 涡流检测法

二、连铸坯表面质量及控制 

（一）连铸过程质量控制

1）提高钢纯净度的措施

（1）无渣出钢

（2）选择合适的精炼处理方式

（3）采用无氧化浇注技术

（4）充分发挥中间罐冶金净化器的作用

（5）选用优质耐火材料

（6）充分发挥结晶器的作用

（7）采用电磁搅拌技术，控制注流运动

（二）连铸坯表面质量及控制

连铸坯表面质量的好坏决定了铸坯在热加工之前是否需要精整，也是影响金属收得率和成本的重要因素，还是铸坯热送和直接轧制的前提条件。

连铸坯表面缺陷形成的原因较为复杂，但总体来讲，主要是受结晶器内钢液凝固所控制，如图14所示。

图14 连铸坯表面缺陷示意图

（三）连铸坯内部质量及控制

铸坯的内部质量是指铸坯是否具有正确的凝固结构、偏析程度、内部裂纹、夹杂物含量及分布状况等。

凝固结构是铸坯的低倍组织，即钢液凝固过程中形成等轴晶和柱状晶的比例。

铸坯的内部质量与二冷区的冷却及支撑系统密切相关，如图15，图16所示。

图15 铸坯内部缺陷示意图

图16 “V”形偏析

1）减少铸坯内部裂纹的措施

（1）采用压缩浇铸技术，或者应用多点矫直技术

（2）二冷区采用合适夹辊辊距，支撑辊准确对弧

（3）二冷水分配适当，保持铸坯表面温度均匀

（4）合适拉辊压下量，最好采用液压控制机构

2）夹杂物的控制

从炼钢  精炼  连铸生产洁净钢，主要控制对策是：

（1）控制炼钢炉下渣量

● 挡渣法（偏心炉底出钢、气动法、挡渣球）

● 扒渣法：

目标是钢包渣层厚＜50mm，下渣2Kg/t

（2）钢包渣氧化性控制

● 出钢渣中高（FeO+MnO）是渣子氧势量度。

（FeO+MnO）↑板胚T[O]↑

（3）钢包精炼渣成分控制

不管采用何种精炼方法（如RH、LF、VD），合理搅拌强度和合理精炼渣组成是获得洁净钢水的基础。

合适的钢包渣成分：

CaO/Al2O3＝1.5～1.8，CaO/SiO2=8～13，（FeO+MnO）＜5％。

高碱度、低熔点、低氧化铁、富CaO钙铝酸盐的精炼渣，能有效吸收大颗粒夹杂物，降低总氧。

（4）保护浇注

● 钢水保护是防止钢水再污染生产洁净钢重要操作

● 保护浇注好坏判断指标：

－△[N]＝[N]钢包－[N]中包；－△[Al]s＝[Al]钢包－[Al]中包 

● 保护方法：

①中包密封充Ar；②钢包  中间包长水口，△[N]＝1.5PPm甚至为零；③中间包  结晶器浸入式水口

（5）中间包控流装置

● 中间包不是简单的过渡容器，而是一个冶金反应容器，作为钢水进入结晶器之前进一步净化钢水

● 中间包促进夹杂物上浮其方法：

  a.增加钢水在中间包平均停留时间t：

t＝w/（a×b×ρ×v）。

中间包向大容量深熔池方向发展。

  b.改变钢水在中间包流动路径和方向，促进夹杂物上浮。

（6）中间包复盖剂

  中间包是钢水去除夹杂物理想场所。

钢水面上复盖剂要有效吸收夹杂物。

● 碳化稻壳；

● 中性渣：

（CaO/SiO2=0.9～1.0）

● 碱性渣：

（CaO+MgO/SiO2≥3）

● 双层渣

渣中（SiO2）增加，钢水中T[O]增加。

生产洁净钢应用碱性复盖剂。

（7）碱性包衬

  钢水与中间包长期接触，钢水与包衬的热力学性能必须是稳定的，这是生产洁净钢的一个重要条件。

包衬材质中SiO2增加，铸坯中总氧T[O]是增加，因此生产洁净钢应用碱性包衬。

  对低碳Al-K钢，中间包衬用Mg-Ca质涂料（Al2O3→0），包衬反应层中Al2O3可达21％，说明能有效吸附夹杂物。

（8）钢种微细夹杂物去除

● 大颗粒夹杂（>50μm）去除，采用中间包控流技术

● 小颗粒夹杂（<50μm）去除：

 －中间包钙质过滤器

 －中间包电磁旋转

（9）防止浇注过程下渣和卷渣

● 加入示踪剂追踪铸坯中夹杂物来源

● 结晶器渣中示踪剂变化

● 铸坯中夹杂物来源，初步估算外来夹杂物占41.6%二次氧化占39%，脱氧产物为20%

（10）防止Ar气泡吸附夹杂物

对Al－K钢，采用浸入式水口吹Ar防止水口堵塞，但吹Ar会造成：

● 水口堵塞物破碎进入铸胚，大颗粒Al2O3轧制延伸会形成表面成条状缺陷

● ＜1mmAr气泡上浮困难，它是Al2O3和渣粒的聚合地，当气泡尺寸>200μm易在冷轧板表面形成条状缺陷。

为解决水口堵塞问题，可采用：

－钙处理改善钢水可浇性

－钙质水口

－无C质水口

目前还是广泛采用吹Ar来防止堵塞。

生产洁净钢总的原则是：

钢水进入结晶器之前尽可能排除Al2O3。

（11）结晶器钢水流动控制

三、连铸坯形状缺陷及控制

（一）鼓肚变形

带液心的铸坯在运行过程中，于两支撑辊之间，高温坯壳中钢液静压力作用下，发生鼓胀成凸面的现象，称之为鼓肚变形。

板坯宽面中心凸起的厚度与边缘厚度之差叫鼓肚量，用以衡量铸坯彭肚变形程度。

减少鼓肚应采取措施：

（1）降低连铸机的高度

（2）二冷区采用小辊距密排列；铸机从上到下辊距应由密到疏布置

（3）支撑辊要严格对中

（4）加大二冷区冷却强度

（5）防止支撑辊的变形，板坯的支撑辊最好选用多节辊

图17 铸坯鼓肚示意图

（二）菱形变形

菱形变形也叫脱方。

是大、小方坯的缺陷。

是指铸坯的一对角小于90°，另一对角大于90°；两对角线长度之差称为脱方量。

应对菱变的措施：

（1）选用合适锥度的结晶器

（2）结晶器最好用软水冷却

（3）保持结晶器内腔正方形，以使凝固坯壳为规正正的形状

（4）结晶器以下的600mm距离要严格对弧；并确保二冷区的均匀冷却

（5）控制好钢液成分

（三）圆铸坯变形  

圆坯变形成椭圆形或不规则多边形。

圆坯直径越大，变成随圆的倾向越严重。

形成椭圆变形的原因有：

（1）圆形结晶器内腔变形

（2）二冷区冷却不均匀

（3）连铸机下部对弧不准

（4）拉矫辊的夹紧力调整不当，过分压下

可采取相应措施：

（1）及时更换变形的结晶器

（2）连铸机要严格对弧

（3）二冷区均匀冷却

（4）可适当降低拉速

（四）夹杂物的控制

提高钢纯净度的措施：

（1）无渣出钢

（2）选择合适的精炼处理方式

（3）采用无氧化浇注技术

（4）充分发挥中间罐冶金净化器的作用

（5）选用优质耐火材料

（6）充分发挥结晶器的作用

（7）采用电磁搅拌技术，控制注流运动

（五）间包冶金

当前对钢产品质量的要求变得更加严格。

中间包不仅仅只是生产中的一个容器，而且在纯净钢的生产中发挥着重要作用。

70年代认识到改变中间包形状和加大中间包容积可以达到延长钢液的停留时间，提高夹杂物去除率的目的；安装挡渣墙，控制钢液的流动，实现夹杂物有效碰撞、长大和上浮。

80年代发明了多孔导流挡墙和中间包过滤器。

在防止钢水被污染的技术开发中，最近已有实质性的进展。

借助先进的中间包设计和操作如中间包加热，热周转操作，惰性气氛喷吹，预熔型中间包渣，活性钙内壁，中间包喂丝，以及中间包夹杂物行为的数学模拟等，中间包在纯净钢生产中的作用体现得越来越重要。

在现代连铸的应用和发展过程中，中间包的作用显得越来越重要，其内涵在被不断扩大，从而形成一个独特的领域——中间包冶金。

中间包冶金的最新技术：

（1）H型中间包

（2）离心流中间包

（3）中间包吹氩

（4）去夹杂的陶瓷过滤器

（5）电磁流控制

图18 H型中间包

连铸自动化控制工艺流程图

连铸自动化控制工艺流程图：

将装有精炼好钢水的钢包运至回转台，回转台转动到浇注位置后，将钢水注入中间包，中间包再由水口将钢水分配到各个结晶器中去。

结晶器是连铸机的核心设备之一，它使铸件成形并迅速凝固结晶。

拉矫机与结晶振动装置共同作用，将结晶器内的铸件拉出，经冷却、电磁搅拌后，切割成一定长度的板坯。

有连铸机拉坯辊速度控制、结晶器振动频率的控制、定长切割控制等主要控制技术。

水平连铸控制工艺流程图：

图片：

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生产线实景图：

连铸的主要工艺设备介绍:

[连铸设备]钢包回转台

钢包回转台

钢包回转台：

设在连铸机浇铸位置上方用于运载钢包过跨和支承钢包进行浇铸的设备。

由底座、回转臂、驱动装置、回转支撑、事故驱动控制系统、润滑系统和锚固件6部分组成。

单臂钢包回转台：

由底座、立柱、上转臂、上转臂驱动装置、下转臂、下转臂驱动装置组成。

蝶形钢包回转台：

由底座、升降液压缸、回转架、钢包支座、回转臂、平行连杆、驱动装置、防护板组成。

钢包回转台是连铸机的关键设备之一，起着连接上下两道工序的重要作用。

钢包回转台的回转情况基本上包括两侧无钢包、单侧有钢包、两侧有钢包三种情况，而单个钢包重量已超过140吨。

三种情况下，钢包回转台受力有很大不同，但无论在何种情况下，都要保证钢包回转台的旋转平稳，定位准确，起停时要尽可能减小对机械部分的冲击，为减少中间包液面波动和温降，要缩短旋转时间。

因此，我们在变频器的容量选择上，留有余地，即比电机功率加大一级。

同时利用变频器的s曲线加速功能，通过调整s曲线保证加、减速曲线平滑快速，减少对减速机的冲击，再通过PLC判断变速限位、停止限位实现旋转过程中高、低速自动变换及到位停车，同时满足了对旋转时间和平稳运行的要求

[连铸设备]中间包

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。

连铸机钢水包和结晶器之间钢水过渡的装置，用来稳定钢流，减小钢流对坯壳的冲刷，以利于非金属夹杂物上浮，从而提高铸坯质量。

[连铸设备]结晶器

在连续铸造、真空吸铸、单向结晶等铸造方法中，使铸件成形并迅速凝固结晶的特种金属铸型。

结晶器包括：

直型结晶器、

弧形结晶器curvedmold：

用于弧型和超低头型（椭圆型）连铸机上。

组合式结晶器compositemold：

由四块壁板组成，每块壁板又由一块铜板和一块钢（铁）板用螺栓连接而成。

多级结晶器multistagemold

调宽结晶器adjustablemold：

宽度可调的结晶器，一般只用于板坯连铸。

结晶器是连铸机的核心设备之一，直接关系到连铸坯的质量。

结晶器的振动频率要求准确，并根据拉坯速度自动调整，在高振频时，由于电机负载率上升，转差率增加，导致振动频率有所降低，而为了保证振动频率的精确，需要打开变频器的转差补偿控制，在负载增加时，使变频器自动增加输出频率以提供在没有速度降低情况下所需要的电机转差率，补偿量正比于负载的增加量，并在整个调速范围内都起作用。

　　另外，结晶器的振动是由电机带动偏心机构旋转来实现的，因此表现为输出电流及母线电压呈现周期性震荡，在振动频率较高时有引起母线过电压故障的可能，通过允许变频器的母线调节功能，使变频器会基于直流母线电压自动调整输出频率，监测到母线电压瞬时升高时变频器会适当增加输出频率以减小引起母线电压升高的再生能量，这样做降低了出现变频器过压故障的可能性。

主要供应商

无锡市芸翔连铸机械有限公司

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[连铸设备]拉矫机

拉矫机

　　在连铸工艺中，连铸机拉坯辊速度控制是连铸机的三大关键技术之一，拉坯速度控制水平直接影响连铸坯的产量和质量，而拉坯辊电机驱动装置的性能又在其中发挥着重要作用。

交流电机变频调速技术日益成熟，交流变频驱动调速平稳，调速范围宽，对机械冲击低，交流电机维护量低，交流变频调速已取代直流调速，完全能够满足拉坯辊速度控制的需要。

4、5号连铸机的拉矫机为五辊双机架三驱动，上拉坯辊、下拉坯辊、矫直辊由三台同型号电机共同驱动，完成引锭杆的上下传送运行和连铸坯牵引，三台电机必须保持同步，与一般的同步要求不同的是要保证三个辊面的线速度相同，而不是三台电机的转速相同，以避免出现负载分配不均引起母线过压、欠压、过载故障。