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连铸工艺核心指南:流程原理与显著优势

连铸基础原理

连铸是将液态钢凝固为半成品(坯料),供后续精轧的工艺。1865年Henry Bessemer爵士构思并申请专利,因工程设备难题未商业化,1950年代解决问题后投入商用,2012年全球连铸钢产量达14.75亿吨。连铸取代了铸锭、脱模、加热坑、初轧等多道工序,实现单工序完成,大幅提升收得率、质量、生产率和成本效益。连铸原理见图1。

连铸工艺核心指南:流程原理与显著优势

图1 连铸原理

参照图1:钢包(1)从精炼工位吊至连铸机,包车旋转至浇铸位置对准中间包(3)。液钢流入中间包,再进入水冷铜结晶器(5)。凝固始于结晶器,经辊段支撑(6)和弯曲区(7)继续凝固,随后矫直、火焰切割,送中间库或热送精轧。

铸坯断面规格分类

连铸机设计关键考量

以上因素决定流数、拉速等设计参数,需匹配液钢供给。钢种质量决定机长、垂直高度、结晶器弯直、水冷/气雾冷却、电磁搅拌等参数。

液钢输送两步走

液钢从钢包到结晶器分两步:(1) 钢包→中间包;(2) 中间包→结晶器。中间包流量控制通过滑板、塞棒、定量水口等孔道装置,配合中间包液位调节实现。

连铸机主要段落与核心部件

五大功能段落

  1. 中间包:位于结晶器上方,调节液钢流入速度
  2. 水冷铜结晶器(一冷区):生成足够强度固态外壳维持铸坯形状进入二冷区
  3. 二冷区+包围段:铸坯大部分仍为液态,喷水/气雾进一步凝固
  4. 展直段:除垂直连铸机外均设
  5. 切割装置:割炬或机械剪,切定长

核心部件详解

中间包

典型矩形,也有三角、T形。底部布水口分配液钢。关键功能:促进夹杂物上浮分离;换包时保持液钢连续供给;维持水口上液位稳定保证浇铸速度恒定(明流水口制);提供稳定流型。

结晶器

核心功能:形成足够强度固态外壳包容液态核心。关键指标:形状、壳厚、壳温均匀、内外表面无缺陷、低气孔、少非金属夹杂。结构为开口箱体,内衬高纯铜合金水冷壁。铜面常镀铬/镍增硬防铜渗透导致表面裂纹。传热复杂,常用数学/计算机建模辅助设计。热阻序列:固态壳内导热→壳面到铜面接触传热→铜壁导热→铜内表面到冷却水对流传热。

结晶器振动

减少摩擦粘连、防壳体撕裂、防断浇。振动靠润滑油/粉末熔剂降低摩擦,液压/凸轮/杠杆驱动往复振动。频率、行程、波形可变。常用“负拔”模式:下行速度超拉速,产生压应力封合表面裂纹气孔增强壳体强度。

二冷系统

多分区控制凝固铸坯冷却。喷淋介质为水或气水混合。传热三方式并存:辐射(上部主导)、导热(辊缝接触、遵循傅里叶定律)、对流(高速水滴/雾穿透蒸汽层蒸发、遵循牛顿冷却定律)。功能:控制凝固速率、喷水强度调节铸坯温度、机架冷却。

凝固壳增长预测

可靠遵循菲克定律,亦用于计算全凝固距离(无液态核心)。

铸坯包围与导向

多组挡辊对向夹持铸坯,必要时加侧辊。核心:提供导向包围至外壳自支撑。辊系布局(间距、直径)需精选,最小化辊间鼓包和液固界面应变。上部壳薄弱区用小直径密排辊四面支撑,下部仅宽面支撑。

展弯矫直

外弧受拉、内弧受压,应变由弧半径和钢种力学性能决定。外弧过量应变致裂纹。采用多点展弯渐变增大弧半径,逐步矫直至水平面,最小化应变。

浇铸工艺流程

开浇时用钢假锭封堵结晶器底部,液注入部分凝固形成外壳包液芯铸坯。一冷区壳厚达10-20 mm时,矫直拉拔机启动带动假锭拉出铸坯,液钢同速补入。拉速300-7500 mm/min视断面、钢种、质量而定。单炉浇铸45-90分钟避免包温过降。出结晶器入辊段包围二冷室喷水/气雾促凝固,保形保质。大断面需延长包围。全凝固后经矫直拉拔机,假锭断开回收。矫直后切割成成品(板坯/矩形坯/方坯/圆坯/异型坯)。

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