高效連鑄技術(shù)的研究進展

高效連鑄技術(shù)的研究進展

近年來，我國連鑄技術(shù)快速發(fā)展，2001年連鑄比達到90%以上。但目前普遍存在生產(chǎn)效率低、原料及能量消費大、澆鑄鋼種少且質(zhì)量水平低等問題,難以形成“煉鋼—連鑄—軋制“三位一體的連續(xù)配套生產(chǎn)模式。較之常規(guī)連鑄技術(shù),高效連鑄技術(shù)具有更高的澆注速度、高的連鑄機作業(yè)率、高連澆率、高的質(zhì)量水平及高的出坯溫度。其核心是高拉速,其目的是提高連鑄機和整個配套流程的生產(chǎn)效率及鑄坯質(zhì)量。實現(xiàn)連鑄的高效化是一項系統(tǒng)工程,應充分研究和利用對鋼液連續(xù)鑄造過程中的流動、傳熱、應變及溶質(zhì)偏析現(xiàn)象的規(guī)律,對工藝技術(shù)進行不斷創(chuàng)新以獲得較好的經(jīng)濟效益。1高效連鑄鋼液流動模式和鑄流特性的優(yōu)化設(shè)計高效連鑄技術(shù)對于鋼液的澆注溫度、潔凈度及流動穩(wěn)定性等方面的要求嚴格,因此有必要通過數(shù)學模擬和物理模擬來對中間包內(nèi)鋼液的流動特性和溫度分布進行深入研究,并廣泛應用中間包冶金技術(shù),優(yōu)化中間包的結(jié)構(gòu)參數(shù)以獲得良好的流動模式和鑄流特性。眾多研究及實踐均表明:(1)在連鑄高效化改造中應采用大容量、高壽命、深型中間包,且包型可通過流動模型仿真計算來進行優(yōu)化設(shè)計;(2)通過控流及過濾設(shè)備(包括壩、堰、導流板和過濾器)的優(yōu)化組合應用,可以有效地控制鋼液的流動方向、流動模式和停留時間,更有利于夾雜物的上浮分離和過濾;(3)采用如螺旋喂絲技術(shù)等各種精煉方法可以對鋼液的成分和溫度進行準確調(diào)節(jié);(4)采用等離子中間包加熱技術(shù),添加既能起保溫作用又能起成分微調(diào)作用的覆蓋劑,實現(xiàn)多爐連澆和低過熱度高速澆注;(5)中間包熱周轉(zhuǎn)技術(shù)可降低熱損失、穩(wěn)定澆鑄溫度,有利于高效連鑄的順行;(6)中間包內(nèi)襯材質(zhì)的改進,可大幅度地提高中間包的使用壽命。2結(jié)晶器的傳熱及變形控制結(jié)晶器的內(nèi)腔結(jié)構(gòu)尺寸、鋼液流動模式及其傳熱能力大小是影響連鑄坯質(zhì)量和連鑄順行的重要因素,近年來研究人員應用三維流動傳熱耦合數(shù)學模型及水力學模型對其進行了仿真及實測研究[9,10,11,12,13,14,15,16],并獲得了適用于高效連鑄結(jié)晶器的研究成果及實用新技術(shù):(1)結(jié)晶器液面的波動及保護渣熔化的性能不良會導致結(jié)晶器各壁面的熱流密度不一致,對鑄坯的質(zhì)量有不利影響?？刹捎没谌斯ど窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)模型等的專家系統(tǒng)對結(jié)晶器液面位置進行自動化精確控制以使結(jié)晶器液面位置的波動值控制在很小的范圍(一般可控制在±3mm的范圍內(nèi),最好為±1mm)。采用電磁制動技術(shù)來對結(jié)晶器中的鋼液流動行為進行控制以抑制由于伸入式水口射流所引起的回旋流及抑制鋼流的沖擊深度,促進夾雜上浮和使結(jié)晶器中的坯殼厚度均勻,減少漏鋼等事故。同時應選擇傳熱性能和潤滑性能較好且均勻的保護渣以及適宜的伸入式水口類型,從而提高鑄坯質(zhì)量。高效連鑄保護渣的關(guān)鍵是在高拉速下,保護渣膜的潤滑要均勻,對坯殼的傳熱要均勻。為此,保護渣的熔化速度要與高拉速相適應,比傳統(tǒng)低速連鑄要快。另外,由于正常拉速范圍加大,而保護渣隨溫度的變化其主要物理化學性質(zhì)如熔點、粘度、吸收夾雜等能力的變化要小。(2)為確保高拉速條件下結(jié)晶器出口處鑄坯具有足夠厚度的凝固殼(防止漏鋼事故),結(jié)晶器銅管長度應適當增加,并縮小水縫寬度、增加進水壓力和流速及恒壓供水,應用導熱性能優(yōu)良的材質(zhì)等手段來提高結(jié)晶器的傳熱性能。另外還可采用拉漏預報技術(shù)來對粘結(jié)性拉漏事故進行預報,在出結(jié)晶器時采用有效的鑄坯支撐和強化冷卻技術(shù)來提高凝固殼強度和提高冷卻均勻性,減少漏鋼機率及抑制鑄坯缺陷的形成。高效連鑄下,結(jié)晶器的長度由傳統(tǒng)的700~800mm增加到850~1000mm。連鑄技術(shù)國家工程研究中心的連續(xù)錐度結(jié)晶器有一種規(guī)格的長度為812mm。Danieli公司的Danam-1結(jié)晶器,銅管壁厚為11mm、冷卻水壓為1.2MPa、水縫流速大于10m/s、結(jié)晶器材質(zhì)為Cu-Cr-Zr合金。近年來,國內(nèi)外已開發(fā)出結(jié)晶器出口對鑄坯的有效支撐和強化冷卻技術(shù),成功應用了多級組合結(jié)晶器、高速水膜輔加結(jié)晶器等技術(shù),可有效提高拉速。(3)鑄坯的凝固收縮會導致結(jié)晶器壁面與凝固殼之間氣隙的形成,且氣隙熱阻在結(jié)晶器總傳熱熱阻中占較大的比例,要正確計算鑄坯與結(jié)晶器之間的熱流就必須對氣隙的形成和分布進行準確的判斷。在高拉速連鑄時,氣隙的消除或大幅度減弱是保證結(jié)晶器有優(yōu)良傳熱效果的關(guān)鍵。可針對不同的鋼種(或鋼種大類),采用結(jié)晶器內(nèi)鋼液的流動及傳熱-坯殼的傳熱與應變分析,以及與結(jié)晶器本身的傳熱和應變分析兩者相結(jié)合的(或完全耦合的)解析方法來研究結(jié)晶器彎月面以下不同距離處氣隙的形成趨勢,并根據(jù)氣隙的預測值采用連續(xù)變化錐度銅管(如拋物線曲線錐度銅管)或多錐度銅管來使結(jié)晶器內(nèi)腔幾何形狀變化趨勢盡量與鑄坯的凝固收縮變化趨勢保持一致,從而使得鑄坯與結(jié)晶器壁面始終接觸良好,抑制氣隙的產(chǎn)生以加強傳熱的效果及均勻穩(wěn)定性。(4)高效連鑄結(jié)晶器應采用適當?shù)恼駝友b置以提高振動的平穩(wěn)性、確保脫膜的順利進行以及抑制鑄坯表面振痕的形成,較為有效的振動方式是高頻率低振幅。可采用控制精度高、調(diào)整靈活度高、維修簡單、根據(jù)需要可任意改變波形、容易控制負滑脫等的液壓伺服振動技術(shù)和半板簧、全板簧振動結(jié)構(gòu)來提高仿弧精度、避免偏振晃動及改善鑄坯與結(jié)晶器壁間的潤滑與脫膜。(5)結(jié)晶器銅管的冷卻可采用對水質(zhì)要求不高且操作靈活的噴淋冷卻方式。該冷卻方式可根據(jù)對結(jié)晶器熱流分布的要求而對噴淋水的分配進行調(diào)節(jié),可有效改善水縫冷卻方式由于結(jié)晶器的變形或氣隙的形成而造成的冷卻不均勻現(xiàn)象,從而使結(jié)晶器中的鋼液得到均勻的冷卻,提高結(jié)晶器壽命。(6)高拉速下結(jié)晶器中鋼液流動及浸入式水口的設(shè)計及仿真。高拉速下,鑄流流量增加,使水口的內(nèi)徑及側(cè)孔尺寸等與常規(guī)連鑄有所不同。鑄流的沖擊深度和結(jié)晶器內(nèi)鋼液的流動、夾雜物的上浮模式等也發(fā)生了變化。鑄流的沖擊深度更深,夾雜物的上浮時間更短。因此,對高拉速下結(jié)晶器中鋼液流動及浸入式水口的設(shè)計,應專門進行數(shù)學仿真及物理模擬研究。3連鑄冷卻的優(yōu)化高拉速條件下鑄坯拉出結(jié)晶器后的表面溫度必然有所升高,在二冷區(qū)的冷卻強度和比水量勢必要大幅度地增加,以加速鑄坯中液芯的凝固。針對高拉速連鑄對二次冷卻系統(tǒng)的要求,采用以下5項技術(shù)措施:(1)適當延長二次冷卻噴淋段長度,實施高強度高密度冷卻。一般來說,高拉速下二冷噴淋區(qū)鑄坯的表面溫度要比傳統(tǒng)低速連鑄低。但過低將使斷面溫差增大,容易產(chǎn)生內(nèi)裂。因此適當增加噴淋段長度,使其與鑄坯表面溫度、凝固的冶金長度等有機地配合。(2)改善噴淋水質(zhì)量,避免發(fā)生噴嘴堵塞事故。提高噴淋水壓力并恒壓供水,增加噴淋冷卻的強度。使鑄坯得到良好地、均勻地冷卻。對噴淋水應過濾,去除水中的顆粒物和懸浮物。(3)在高拉速下,鑄機正常生產(chǎn)的拉速變化較大。為此,應采用適用壓力范圍大(其最大壓力與最小壓力下流量的比值大)且霧化性能好的噴嘴。(4)應用基于目標溫度曲線、以拉坯速度為輸入變量的連鑄二次冷卻動態(tài)控制數(shù)學模型對不同澆注條件下的二次冷卻水量進行準確的在線自動控制,同時采用脈沖調(diào)節(jié)方式對供水系統(tǒng)調(diào)節(jié)閥門進行平穩(wěn)控制,提高二次冷卻水的控制精度。連鑄高效化以后,更需要二冷水的自動控制和動態(tài)控制,特別對板坯連鑄更是如此。(5)連鑄高效化后,鑄坯更容易產(chǎn)生鼓肚現(xiàn)象。對于(薄)板坯連鑄,應采用密排輥列布置或多支點分節(jié)輥技術(shù)以抑制鑄坯鼓肚現(xiàn)象的產(chǎn)生。4拉矯機的工作環(huán)境高拉速澆注鑄坯具有較長的液相穴深度,在矯直點處鑄坯芯部鋼液尚未完全凝固,故引起帶液芯矯直的問題。此時,若仍然采用簡單的單點矯直則勢必會使得鑄坯內(nèi)部承受較大的應力應變作用,而引起凝固前沿固液相界面處矯直裂紋的產(chǎn)生,影響鑄坯的內(nèi)部質(zhì)量。為使矯直區(qū)域內(nèi)鑄坯內(nèi)部的應力應變低于許用范圍,可采用曲率半徑逐漸減小的連續(xù)矯直技術(shù),將集中于一點的矯直變形分散到若干個矯直點上,以確保每一個矯直點上的應變率均處于允許范圍之內(nèi),帶液芯鑄坯在連續(xù)矯直區(qū)域內(nèi)具有恒定的彎曲力矩及應變率且完全不受剪力作用,因此可以獲得無矯直缺陷的鑄坯,實現(xiàn)高拉速連鑄條件下的無損矯直。由于高拉速連鑄鑄坯到達矯直區(qū)時具有較高的表面溫度,故造成拉矯機的工作環(huán)境溫度有較大程度的升高,因此有必要對拉矯機實施強化冷卻以及將電動機安置于高溫區(qū)外,使拉矯機適應高速連鑄的環(huán)境條件。剪切設(shè)備應采用能充分利用煤氣資源、設(shè)備故障率低及維修費用低的快速窄縫火焰切割機。以提高設(shè)備的可靠性和降低金屬的切割消耗。5連鑄的技術(shù)措施結(jié)晶器在連鑄過程中對鋼液凝固坯殼的形成起著十分重要的作用,在連鑄高效化改造中結(jié)晶器的相關(guān)設(shè)計是核心部分。(1)從轉(zhuǎn)爐煉鋼、二次精煉及中間包冶金幾個方面入手,提高澆注鋼液的質(zhì)量。這是連鑄順行的基礎(chǔ)。(2)采用穩(wěn)定的低過熱度澆注技術(shù)。使進入結(jié)晶器的鋼液溫度恒定在液相線溫度附近(高6~10℃),增加連鑄坯凝固組織中等軸晶區(qū)所占的比例,改善中心偏析和中心疏松狀況。同時,低過熱度澆注對于降低出鋼溫度、提高耐火材料壽命、減少拉漏事故、穩(wěn)定和提高拉坯速度以及抑制裂紋生成都是十分有利的。由比利時冶金研究中心和南非阿爾貝德廠共同研發(fā)的低過熱度澆鑄技術(shù),采用了一種中空水冷噴射水口來控制鋼液的過熱度,同時在結(jié)晶器下口實行強烈水幕冷卻。低過熱度澆鑄,可提高拉速,明顯降低偏析,對開發(fā)高碳、高合金鋼的高效連鑄有重要意義。(3)采用復合電磁攪拌技術(shù),包括結(jié)晶器中的電磁攪拌(MEMS)、二次冷卻區(qū)的電磁攪拌(SEMS)和凝固末端的電磁攪拌(FEMS),可有效控制連鑄過程中液相的流動狀態(tài)、促進夾雜物去除、改善凝固組織、加快凝固末期的凝固速度以及降低枝晶間殘余鋼液的滲透能力,減少宏觀偏析。(4)在鑄坯中固相體積分數(shù)為0.4~0.8的區(qū)域內(nèi),采用靜態(tài)或動態(tài)輕壓下技術(shù)可有效地減少中心縮孔和成分偏析,改善連鑄坯的質(zhì)量。(5)高效連鑄及其前后工序的柔性配合和物流管制技術(shù)。連鑄高效化不但對連鑄本身這一單元工序的技術(shù)和物流管制有更高的要求,而且還涉及到整個煉鋼工序及軋鋼工序各生產(chǎn)單元之間的匹配和銜接問題。因此,高效連鑄對整個煉鋼和軋制過程都提出了很高的要求。為此,要解析鐵水預處理、轉(zhuǎn)爐煉鋼、二次精煉、連鑄過程、鑄坯熱送、加熱及軋制等工序過程的時間、溫度和物質(zhì)流量等因素,進行詳細的物流分析和動態(tài)仿真;研究連鑄高效化后生產(chǎn)組織和調(diào)度方案,并進行優(yōu)化;建立煉鋼-連鑄-軋鋼過程的生產(chǎn)調(diào)度管理系統(tǒng),實現(xiàn)生產(chǎn)模式的最優(yōu)化。(6)提高作業(yè)率的其它措施。除上面討論的技術(shù)措施外,可通過控制漏鋼,通過結(jié)晶器在線調(diào)寬、異鋼種連澆等技術(shù),組成一個連澆過程;快速更換浸入式水口,來提高連澆率,從而可提高作業(yè)率?？s短連鑄的準備時間,快速更換扇形段,可采用上裝引錠桿等方法來減少作業(yè)時間。6高效化技術(shù)應用技術(shù)主導地位連鑄高效化是提高鑄機的生產(chǎn)率、改善鑄坯質(zhì)量以及降低生產(chǎn)成本而獲得較高經(jīng)濟效益的途徑,是現(xiàn)代鋼鐵企業(yè)優(yōu)化結(jié)構(gòu)、技術(shù)進步和提高市場