连铸机及其设备

连铸机及其设备

连续铸造 (CC) 是一种从液态钢中生产无限实心钢绞线的方法，方法是在钢水通过 CC 机器时对其进行连续凝固。它是连接炼钢和热轧的现代钢厂的主要工艺路线。 CC机器的典型剖面图和平面图如图1所示。

图 1 CC 机器的典型剖面图和平面图

连铸机的种类

CC 机器已经从严格的垂直类型机器发展为弯曲机器，以限制安装高度，同时仍使用高铸造速度。近年来，正在建造更复杂的机械设计的CC机器。这些机器采用多种技术来实现更高的铸造速度和更高的产量，并在液芯上进行渐进矫直或渐进弯曲。以下是目前正在运行的CC机器的主要类型。

• 简单的立式 CC 机器，带有直模具和垂直位置的切断器
• 立式 CC 机，带直模以及单点弯曲和矫直
• 立式 CC 机器，带有直模以及渐进式弯曲和矫直
• 弯模矫直弓型机
• 弯模渐进矫直弓型机

在所有情况下，弯曲和矫直通常在一个或几个步骤中进行。多步弯曲和矫直可降低机械应力并降低钢绞线开裂的风险。第一台为钢水CC 制造的CC 机是简单的立式CC 机。后来的发展导致了具有各种弯曲和矫直方式的多种CC机器。这些发展的主要目标是建造更小、更简单、空间需求更小、投资成本更低、生产和维护灵活性高的 CC 机器。立式 CC 机器的主要问题之一是模具与切割点之间的距离有限。因此，铸造速度低，低速意味着低生产率。立式 CC 机器的优点是无需对钢绞线进行弯曲或矫直。在大钢绞线尺寸的情况下，钢绞线内部钢液的铁静压力所产生的应力会导致凝固的钢绞线壳鼓胀。

高度膨胀会导致形成严重的缺陷，如偏析和开裂。因此，充分支撑绞线以避免鼓胀是非常重要的。机器越高，鼓包的风险就越大。这也是下位机发展的原因之一，即弯曲或弓形脚轮。

连铸的一个重要特征是从液态钢中去除非金属夹杂物。由于与钢水相比它们的密度较低，夹杂物能够从液体中浮起。在直型 CC 机器中，夹杂物比在弓型 CC 机器中更容易漂浮到弯月面（靠近模具壁的液体表面）。这是因为在弓形 CC 机器中，一些夹杂物在向上流动时会附着在钢绞线壳的内弧上。这可以看作是夹杂物含量较高，但也可以看作是铸坯中夹杂物的不均匀分布。因此，立式或立式弯曲型CC机的优点是夹杂物比弓型CC机更容易上浮至弯月面。如今，最常见的CC机器类型是带有弧形模具的弓型。钢绞线以弧形离开这个弯曲的模具，模具后无需弯曲，只需在 CC 机器的下部矫直。对于较大的钢绞线，尤其是板坯，由于对清洁度的需求日益增加，立式 CC 机器今天也越来越受欢迎。无论如何，重要的是要知道除了 CC 机器设计之外的许多因素都会影响清洁度和钢材质量。

连铸机通常根据铸坯尺寸命名，如钢坯、大方坯、板坯连铸机等。也有连铸机用于铸造圆形和其他形状，如梁坯。

薄板坯连铸、连铸带钢和近终形连铸（狗骨）是连铸机领域的最新发展。

与传统的CC机器相比，卧式CC机器具有高度低和建造成本低的一些优点。这类CC机已用于铜、铜合金等多种金属的连铸，但对于钢而言，技术复杂，未能广泛用于钢液的连铸。

铸造机类型之间的选择取决于对 CC 机器生产率、产品质量、机器复杂性和成本的特定设施要求的复杂优化。随着新设计的推出，弓形 CC 机器越来越多地采用带有弯曲模具的板坯 CC 以及在较小程度上用于方坯和大方坯的 CC。弯曲的 CC 机器通常比使用弯曲机的垂直机器更容易建造（成本更低）和维护，因为取消了弯曲机。然而，对于某些等级的钢，例如，钢板等级、质量和铸造速度限制以前对这些弯曲机器的限制更大。最近，随着洁净钢实践和电磁搅拌技术的发展，弯曲的CC机器已经克服了这些限制。一般来说，铸造工艺和机器的复杂性在不同类型的铸造产品（钢坯、大方坯或板坯等）之间差异很大。这是由于铸件的热机械特性，以及铸件的不同应用。

方坯截面在二冷区是自支撑的，而板坯通常不是。通常，方坯连铸机设计简单，浇注流开放，自动控制有限，二冷区没有轧辊支撑。另一方面，板坯 CC 机器很复杂，并且在整个 CC 机器中使用各种子系统，例如总流罩、计算机控制和总卷筒遏制。 Bloom CC 机器介于这两个极端之间。

连铸机设备

CC 机的主要设备包括 (i) 钢包转塔连同转塔称重系统和钢包盖机械手，(ii) 中间包和中间包车以及中间包称重系统、中间包预热器和干燥机，(iii) 模具和模具摆动以及结晶器液位控制和电磁搅拌器，(iv) 二次冷却，包括铸坯冷却、铸坯控制和引导，(v) 拉出和矫直机，(vi) 引锭杆、引锭杆停车和引锭杆断开辊单元，(vii) 夹送辊和火炬切断装置，(viii) 产品识别系统，以及 (ix) 辊道和产品排放系统。下面将详细介绍其中一些设备。

钢包转台

CC 机器的一个非常重要的部分是钢包转塔。它安装在钢筋混凝土底座上。它装有重达 300 吨的钢浇包。通过钢包回转台，钢包被交替回转到浇注和装料位置。该功能保证了CC机器的不间断运行。当一个钢包被倒空时，另一侧提供一个满的钢包。

钢包回转台轴承即使承受很大的力和相当大的倾覆力矩，也能达到10年以上的使用寿命。

钢包转台支撑钢包，其带有旋转臂的液压系统具有允许钢包升降同时保持水平位置的机制。此外，钢包转台中还装有应变计称重传感器，可以连续监测钢包的重量。传动机构通常采用变频交流电机。钢包转塔通常具有应急响应机制，以确保操作人员在紧急情况下的安全。它通常还具有人孔，以确保其易于维护。通常还配备钢包盖机械手。

中间包

中间包的主要功能是作为钢包和模具之间的钢水库，在多股连铸机的情况下，将钢水分配到不同的模具中。第一项在钢包更换过程中特别重要。除了作为液态钢的储罐外，中间包越来越多地用作冶金反应容器，旨在改善对钢的清洁度、温度和成分的控制。

中间包通常是细长的、几何简单的形状。中间包的种类和形状很多。多股方坯和大方坯连铸机的一种常见中间包设计是槽形，浇注箱在中点偏移，而对于板坯连铸机，中间包是短箱形或盆形。来自钢包的浇注流向下引导至中间包底部的位置，该位置由耐磨浇注垫保护。这个位置通常尽可能远离中间包水口，以尽量减少湍流。在其他地方，中间包内衬耐火砖或耐火板。堰和坝用作流动控制装置，既增加了停留时间，又减少了湍流对钢水表面、钢水流进入模具和死区的不利影响。

如今，几乎所有的 CC 机器上都使用了用于保护浇注流免受钢包和中间包以及中间包和结晶器之间再氧化的喷嘴，至少在铸造高级钢时是这样。各种设计的塞子控制喷嘴和滑动浇口都用于控制钢水从钢包到中间包和从中间包到模具的流动。中间包钢水的自由表面通常覆盖有熔渣，以避免钢水再氧化和热量损失。

钢水的排放速率由喷嘴的孔径和喷嘴上方的铁静压力（中间包中钢水的高度）控制。根据所铸造的截面尺寸和所需的铸造速度选择不同的孔。当生产铝镇静钢时，塞杆控制喷嘴用于铸造板坯和大截面。在此应用中，通过喷嘴的钢水排放速率可通过设置与喷嘴开口相关的塞头来手动或自动控制。由于氧化铝的堆积，早期的超大喷嘴用于铸造铝镇静钢，因此可以升高塞头以补偿流量的降低。

脱氧实践的最新发展以及通过塞头和喷嘴单元使用氩气鼓泡使氧化铝堆积问题最小化。控制来自中间包的钢水流量的另一个发展是应用类似于钢包上使用的滑动浇口系统。这些浇口系统还可以提供在铸造过程中更换喷嘴以及改变喷嘴尺寸的能力。

中间包车通常采用半悬挂式设计，安装在主操作平台上。它通常是液压驱动的，用于支撑和输送中间包进行浇注或加热。它还集成了称重机构进行重量测量，可以连续监测钢水的重量。

模具

模具是CC机器的心脏，许多缺陷的根源可能与模具中发生的现象有关。因此，霉菌现象及其控制尤为重要。模具的主要功能是在进入二次喷雾冷却区时建立一个强度足以容纳其液芯的实心壳。产品的关键要素是形状、外壳厚度、均匀的外壳温度分布、无缺陷的内部和表面质量、最小的孔隙率以及很少的非金属夹杂物。

模具是一个端部开口的箱形结构，它包含一个由铜合金制成的内衬，该内衬用作与被铸造的液态钢的界面，并为铸件提供所需的形状。衬里与外部钢支撑结构刚性连接。

模具可以是管状模具或板状模具，根据CC机器的类型，它们可以是直的或弯曲的。对于较大的钢绞线截面，如板坯，通常使用板模。模具材料必须满足许多要求。模具材料通常由铜和一些铜合金组成。为避免铜材料磨损，模具通常涂有铬或其他硬质材料。模具用水冷却，这种冷却称为一次冷却。为避免水道内沸腾或形成气泡，使冷却不稳定，水道内的水流速度要足够快，甚至可达 10 m/sec 或更高，水温不得超过 50 摄氏度。同样重要的是水是干净的，冷却表面上不能有任何沉积物。

钢在凝固和冷却时会收缩。因此，模具通常为锥形或多锥形，以补偿绞线收缩以及确保模具和外壳之间的良好接触，从而确保从外壳到模具的良好和平稳的热传递。为了防止模具和钢之间的高摩擦，模具是摆动的，铸造粉末（或在某些情况下是油）用作润滑剂。铸造粉末对于保持低模具摩擦和高铸坯表面质量非常有效。铸造粉末手动或使用自动送粉器添加到钢表面上。重要的是在钢面顶部有一个稳定的液态铸造粉末池，以确保液态粉末持续平稳地进入模具-钢界面。

模具设计有两种类型，即 (i) 管状模具和 (ii) 板状模具。管状模具通常由一件铜内衬组成，该内衬通常具有相对较薄的壁，并且仅限于较小的方坯和大方坯连铸机。板模由附在钢板上的 4 片铜内衬组成。在一些板模设计中，可以调整相对的一对板的位置以提供不同的截面尺寸。例如，通过定位窄面板可以改变板坯宽度，通过改变窄面板尺寸可以改变板坯厚度。板模在本质上比固定配置的管状模具更具适应性。除了允许改变尺寸外，还可以改变模具锥度（以补偿不同钢种的不同收缩特性）以及易于制造和修复。

在铸造操作过程中，铜衬板会发生变形（模具内部尺寸发生变化）。主要是由于热和机械应变引起的模具磨损和模具变形。

模具中的热传递控制是通过强制对流冷却水系统完成的，该系统通常设计为适应凝固过程产生的高热传递率。一般来说，冷却水从模具底部进入，垂直通过位于模具外壁和钢制密封夹套之间的一系列平行水通道，然后从模具顶部排出。主要控制参数是（i）在所需水温、压力和质量下的水量，以及（ii）水均匀流过模具衬套周边通道的流速。

模具振动是必要的，以尽量减少凝固壳的摩擦和粘连，避免壳撕裂和钢液爆裂，这可​​能会因清理和维修而对设备和机器停机造成严重破坏。外壳和模具之间的摩擦通过使用模具润滑剂（如油或粉状助焊剂）来减少。振动通过液压或电机驱动的凸轮或杠杆实现，这些凸轮或杠杆支撑和往复（或振动）模具。

主要使用支撑模具并使其往复运动的电机驱动凸轮。模具振荡周期很多，并且在频率、幅度和模式方面各不相同。许多振荡系统的设计使得当钢种的不同截面尺寸在同一台 CC 机器上铸造时可以改变周期。但是，几乎无一例外地采用了一个特征，即在凝固壳上应用负片。通过设计循环的“向下冲程”来获得负带钢，使模具的移动速度快于被铸造部分的退出速度。在这些条件下，在凝固壳中会产生压应力，这往往会密封表面裂缝和孔隙，从而提高壳的强度。在循环的“向上冲程”部分，模具非常迅速地返回到起始位置，然后重复循环。因此，振荡周期的形状关于时间是非对称的。

电磁搅拌 (EMS) 系统产生电磁力，作用于每单位体积的钢，并在钢液中产生搅拌运动。 EMS 系统由 (i) 电源组（包括变压器和高低压配电器）、(ii) 变频器、(iii) 搅拌器、(iv) 监控器/控制器和 (v) 冷却水系统组成。电磁搅拌 (EMS) 技术的应用促进了钢绞线中等轴晶区的形成。使铸件凝固组织细化，夹杂物含量降低，铸件表面、亚表面和内部组织质量得到改善。

二次冷却

通常，二次冷却系统由一系列区域组成，每个区域负责在凝固线通过机器时对凝固线进行一段受控冷却。喷射的介质要么是水，要么是空气和水的混合物。

该区域发生的三种基本传热形式如下。

• 辐射 - 它是二冷室上部区域的主要热传递形式。
• 传导 - 当产品通过轧辊时，热量通过外壳以传导方式传递，并且由于相关的接触，热量也通过轧辊的厚度传递。这种形式的热传递遵循傅立叶定律。这种形式的热传递也通过密封辊发生。
• 对流 - 这种传热机制是通过从喷嘴快速移动喷射的水滴或水雾，穿透靠近钢材表面的蒸汽层，然后蒸发。

具体而言，二次冷却传热起到以下作用。

• 提高和控制凝固速度，部分CC机器在该区域实现完全凝固
• 通过喷水强度调节来调节钢绞线温度
• 机器安全壳冷却

链遏制

在 CC 机器中，铸坯需要由辊子支撑并从垂直面引导到水平面。安全壳区域是二次冷却区域的组成部分。一系列保持辊包含股线，延伸穿过相对的股线面。也可能需要封边卷。该区域的重点是提供钢绞线引导和遏制，直到凝固壳自支撑。

为了避免影响钢材质量，应仔细考虑将与辊子布置和钢绞线伸直相关的应力降至最低。因此，辊布局，包括间距和辊直径都经过仔细选择，以尽量减少辊间鼓胀和液/固界面应变。

为了限制偏转，辊子支撑在几个滚动轴承中。这些轴承承受高负荷、低速、溅水和高温。辊子通常由各种设计（开放式、密封式、未剖分式或剖分式）的球面滚子轴承和圆柱滚子轴承支撑。上段一般采用滚针轴承。

钢绞线支撑需要保持钢绞线形状，因为钢绞线本身是一个包含液体芯的凝固壳，该液芯具有来自与机器高度相关的头部压力的膨胀铁静力。最受关注的区域是机器的高处。在这里，膨胀力相对较小，但外壳更薄且最弱。为了弥补这种固有的弱点并避免外壳破裂和由此导致的液态钢爆裂，轧辊直径较小且间距较小。就在模具下方，所有四个面通常都被支撑，只有宽面支撑在机器下方的区域。

弯曲和拉直

与从垂直到水平平面的钢绞线遏制和引导同样重要的是伸直力和矫直力。当发生伸直时，实心壳外半径处于拉伸状态，而内半径处于压缩状态。产生的应变由圆弧半径以及所铸造钢种的机械性能决定。如果沿外半径的应变过大，就会出现裂纹，严重影响钢材的质量。这些应变通常通过结合多点伸直过程来最小化，其中半径逐渐变大，以便逐渐拉直产品进入水平面。

哑吧

假杆通常根据其设计具有不同的类型。它们是 (i) 刚性假杆，(ii) 带有刚性可移动部件和可扩展（气动）部分的假杆，以及 (iii) 带有可移动部件（链式）的假杆。

刚性型假杆操作方便，设计简单。它们具有运行可靠性。链式假杆可用于任何类型的 CC 机器。根据部分的移动性，引人杆链可以具有刚性或可扩展部分。具有刚性截面的假杆配备有移动和压紧辊的液压机构。带有可扩展部分的假杆与弹簧式压辊一起使用。一些连铸机操作员更喜欢在径向型多股连铸机上使用刚性假杆，这样可以加快连铸机股的制备过程。

刚性假杆是在CC机器中铸造的具有相同横截面的弯曲梁。梁被弯曲以匹配 CC 机器加工轴的曲率半径。将刚性引锭杆送入模具是通过机器滚柱导轨向上进行的。刚性假杆易于制造和使用。

引锭杆头部的设计是基于进料、入模、安装密封和冷却的方法，以及与铸件连接和分离的方法。用于移除和存储引锭杆的装置专为每根特定的钢绞线而设计。引锭杆的输送和送入模具，与铸件分离和通过滚柱导轨拉出后取出，以及保持在非操作位置是通过特殊机器进行的，这些机器通常配备特殊的辅助机构。引锭进模有两种方式，即向下和向上。

弯曲和矫直部分以外的设施

矫直后，钢绞线在辊道上被传送到切断机，在该切断机处将部分切割成所需的长度。有两种类型的切割机，即 (i) 氧燃料割炬和机械剪。氧气燃料火炬用于大截面，例如板坯和大方坯。钢坯要么用火炬切割，要么用剪刀切割。切割成所需长度后，铸造产品通过产品标识系统，在该系统中产品标识被冲压或涂漆。之后，根据形状或等级，铸钢型材要么被放入中间仓库，要么在加热炉中热装进行热轧或作为半成品出售。对于较小的截面，铸造产品被转移到主要是翻转步进梁式的冷床，以保持产品的直线度。