钢坯连铸

钢坯连铸

钢的连铸是将液态钢连续凝固成金属绞线的过程。根据钢绞线的尺寸，这些半成品称为板坯、大方坯或钢坯。钢坯具有方形横截面，一侧通常为 150 毫米或更小。它是轻型材轧机、棒材轧机和线材轧机轧钢的原料。钢坯也用于某些产品的锻造。

连铸工艺是在 1950 年代发明的，目的是提高钢铁生产的生产率。以前只有铸锭可用，它仍然具有其优点和优势，但并不总是能满足生产率要求。此后，连铸技术得到进一步发展，以提高产量、质量和成本效率。

钢的连铸现在是所有钢铁生产商的首选方法，以取代旧的铸锭方法。这一过程以其众多优势而著称，经历了许多改进，并且过去和现在都是经验和数学上广泛研究的主题。钢坯连铸是钢铁工业采用的连铸方式之一，钢坯是连续同步生产的。这种类型的工艺需要对操作参数进行很好的控制，以便生产出良好和连续的坯料。该过程可分为多个步骤，首先将炼钢炉中的热钢水倒入钢包中，在二次炼钢中调整钢的化学成分，然后倒入分配器（中间包），然后从分配器进入铸模。钢的凝固是通过间接冷却在铜铸模中开始的，这一领域进行了许多研究。铸坯从模具中通过喷水进行二次冷却。

钢坯生产在 1960 年代得到了推动，因为此时通过将电钢制造与连铸和精益组织结构相结合，小型钢厂的概念得到了发展，从而产生了一种有利可图的钢铁生产新文化。方坯生产商虽然利润丰厚，但在生产高质量连铸产品方面却落后。

20世纪80年代进行的一项调查表明，模具设计和钢坯连铸操作不规范，每个公司都在做不同的事情。 Brimacombe 及其同事在 1970 年代后期开始探索钢坯模具的内部工作，并借助数学模型和厂内测量建立了模具设计、操作参数和钢坯质量之间的联系。由于这些努力，方坯铸造转向标准设计和操作参数，从而显着提高了铸坯质量。 1994 年进行的一项新调查揭示了这一点，并注意到方坯生产商已通过满足严格的质量要求，成功地开始向汽车行业提供特殊棒材质量的方坯。从那时起，方坯连铸机供应商重新检查了连铸方坯的连铸速度，从而产生了许多旨在提高生产率的新发展。钢坯高速连铸技术的一个共同特点是模具长度的增加。

现在可以使用范围广泛的方坯连铸机。这些机器具有不同的弯曲半径，从单股到八股，铸造速度高达 6 m/分钟。一台半径为6 m的单流连铸机如图1所示，两台八机架连铸机如图2所示。

图1单流连铸机

图 2 八流连铸机

下面介绍钢坯连铸工艺。 

钢包

钢水从炼钢设备转移到钢包中的钢坯连铸机。在此转移过程中，有机会控制钢水的清洁度、成分和温度。如果没有利用这些机会，则输送到方坯连铸机的钢水很脏，或者太热或太冷。铸造优质钢坯是一项艰巨的任务。

在将钢水输送到连铸机的过程中，一个主要问题是空气、炉渣和钢包耐火内衬中的氧气 (O2) 吸收。有必要在每个传输步骤中尽量减少 O2 的吸收。出钢结束时应防止钢包中的渣溢出炼钢炉。钢包中钢的表面需要覆盖一层合成熔渣（i）以防止从空气中吸收 O2，（ii）用于吸收非金属夹杂物，以及（iii）将热量降至最低失利。在一些工厂中，钢包顶部覆盖有钢包盖。此外，在浇注过程中，钢包还配备了一个耐火管，以防止在将钢倒入中间包时吸收氧气。从钢包到中间包的钢流由滑动闸阀控制。在一些工厂中，钢包的重量是在称重传感器的帮助下连续测量的。

通常用惰性氩气 (Ar) 对钢水进行冲洗以使钢的温度均匀。钢水的温度控制对于控制铸态组织以及防止诸如钢包和中间包形成结壳、脱壳等操作问题很重要。除非采取特殊措施，否则钢中排出的气体会使其与空气接触，因此受到控制。

中间包

中间包在钢坯连铸过程中扮演着很多角色。它充当分配器，将钢排放到钢坯连铸机的多股。它还有助于控制钢水流入模具，因为它具有比钢包恒定且更低的静水压头。这主要在连铸机启动期间很重要，因为在开始将钢水浇注到模具中之前，中间包可以用钢填充到其正常的稳态水平。中间包中可能发生的另一个重要现象是夹杂物的漂浮，这有助于提高铸件的清洁度。此外，中间包还可以用作反应器，用于添加钙（Ca）等试剂，控制夹杂物的形态。

由于上述功能，中间包的形状和尺寸主要取决于控制流体流动的需要。由于每个工厂的热尺寸、铸坯尺寸、铸坯数量、铸坯间距和浇注速度都不同；不存在独特的最佳中间包设计。然而，以下是精心设计的中间包的主要特点。

• 中间包设计是为了最大限度地浮出夹杂物。因为这个中间包体积很大，尽管其他缓解因素限制了它的大小。例如，如果要在不中断铸造操作的情况下按顺序浇注具有不同成分的炉次，则必须尽量减少中间包中“混合”钢的体积，因为混合钢不合格并且可能代表产量损失.
• 钢流到各股的停留时间必须相同，才能保证钢的品质。
• 钢通过中间包的短路应尽量减少，即尽可能实现活塞流。
• 中间包中的流动模式允许大部分钢移动到靠近表面的地方，其中浮出的夹杂物可以被中间包熔渣吸收。这一点很重要，因为夹杂物仅靠浮力可以行进的距离在中间包中的可用时间内很小。
• 应尽量减少死体积，因为它有效地减少了钢的停留时间。
• 需要隔离来自流入钢包流的湍流，尤其是当明流从中间包浇注到结晶器时。湍流会影响中间包流的粗糙度和模池中的气体夹带。
• 中间包的深度应足够，超过约 500 毫米，以防止喷嘴井产生涡流，从而将熔渣拉低到结晶器池中。

确定最佳中间包设计需要确定内部流量控制装置（如水坝和堰）的形状、尺寸以及位置和尺寸。这些通常是通过广泛使用水模型和/或数学模型来实现的。

影响生产率和质量的中间包设计的另一个方面是防止钢水再氧化。因此，使用具有吸收夹杂物能力的覆盖渣来防止从空气中吸收 O2。从中间包流向模具的钢通过耐火管或惰性气体罩进一步保护。后者用于铸造小截面坯料，其中模腔太小而无法容纳耐火管。对于质量较差的钢坯的铸造，钢通常通过空气浇注而不用担心再氧化。中间包衬有对钢呈惰性的耐火材料。此外，钢中的脱氧剂，例如 Ca 或铝 (Al)，不得与构成耐火衬里的氧化物发生反应。有的工厂对中间包进行预热，以驱除某些类型内衬中的挥发性成分，这些成分可能对钢产生氢气，同时也为了更好地控制钢温。

中间包操作的一个主要问题是浇注口被氧化铝（Al2O3）等固体夹杂物堵塞。尽管夹杂物与喷嘴的直径相比很小，但它们通常会通过边界层粘附在耐火材料上，并最终通过连续的堆积形成横跨喷嘴的桥梁，阻止流动。对于需要更小直径喷嘴的小钢坯的铸造来说，这个问题很严重。当使用更大的喷嘴铸造更大的截面时，Ar 经常通过喷嘴连续冲洗，以防止过度堆积。如果夹杂物处于液态，则喷嘴堵塞不是问题。因此，为了将铝镇静钢顺利铸造成钢坯，需要添加适量的钙以产生铝酸钙夹杂物。

通过中间包喷嘴的浇注速度是通过不同的技术来实现的，具体取决于浇注的截面尺寸。对于较大的截面，在中间包和结晶器之间采用耐火管，通常使用塞杆或滑动闸阀来控制流量，通常使用自动流量控制来实现恒定的弯液面和浇注速度。在小截面钢坯的情况下，采用明流浇注，中间包通常没有流量控制。然后通过选择适当的喷嘴直径和维护中间包中特定的钢静压头来调整流量。然后通过改变铸造速度来控制弯液面水平。中间包钢水头的维护可以手动进行，也可以通过称重传感器对中间包进行连续称重，并将信号连接到钢包上的滑动闸阀。

钢水一炉的正常浇铸时间为一小时左右，与钢坯连铸机供热时间为30～40分钟至2小时左右。

模具

模具是铸造机的“心脏”。它也是散热的主要装置。模具的功能是 (i) 去除钢水的过热，(ii) 生成足够厚度的实心壳，(iii) 容纳模具下方的液池而不会破裂，以及 (iv)支持外壳的初始生长。由于模具控制着热量的排出，模具的设计和操作极大地影响了铸坯的内部和表面质量。无表面裂纹是非常重要的，特别是如果铸坯要在再热炉中热装进行轧制，因为表面裂纹会在轧制过程中氧化并形成氧化缝缺陷。

模具可以是直的或者可以具有半径为4m至15m的曲率。弧形模具与弧形铸坯一起使用，以降低连铸机的高度和资金成本。直模有助于铸造产品中的夹杂物分布。在弯曲模具的情况下，夹杂物漂浮可以优先被靠近内半径面的凝固前沿捕获以形成带。由于这在直模中不会发生，夹杂物分布更均匀。这种担忧的有效程度取决于进入模具的钢材的清洁度和铸坯所需的质量要求。在任何情况下，离开直模的铸钢通常逐渐弯曲到水平方向以降低连铸机高度。然而，在一些工厂中，模具和子模具区域是直的，因此铸造产品不会受到可能产生裂纹的机械弯曲力。使用弧形模具，钢绞线在切割成长度之前需要拉直到水平位置。

不管模具是直的还是弯曲的，模具的基本设计都是一样的。管模用于钢坯的连铸。这些模具由铜 (Cu) 管组成，铜 (Cu) 管同心放置在钢挡板内，冷却水流过两者之间的环形空间。铜管的壁厚范围从大约 6 毫米到 20 毫米。较厚的壁管模具用于较大的部分。模具管由不同等级的铜合金制成。含磷、银（含银）或铬和锆的铜合金是模具管的常用材料。

在铸造过程中，对模具进行润滑和往复运动，以防止钢粘在Cu上，从而导致实心皮破裂。振荡模具通常遵循正弦波形，调整其频率和幅度，以确保在向下冲程期间的几分之一秒内，模具比下降的铸坯移动得更快。已发现这段“负带”周期会影响钢绞线表面振荡痕迹的形成。通常使用的润滑剂取决于被铸造的截面尺寸。

对于小截面，例如 100 毫米方形钢坯，钢以明流从中间包到模具的方式浇注，使用菜籽油或合成油。油被泵送到模具顶部的加油板上，油从那里渗入模具壁的内部。与钢水接触热解的油的精确润滑作用不是很清楚。当铸造较大型材时，钢通过浸入式水口引入模具。在这种情况下，润滑是通过向弯液面添加铸造粉末来完成的，在那里它与钢接触、熔化并被拉入凝固壳和摆动模具之间的间隙中。调整通常由氧化物、碳和氟化钙组成的粉末的组成以控制其熔化范围和粘度。热导率和模具/钢间隙中脱模粉层的厚度也取决于成分，它们会影响模具的热量提取率。

可以使用多种油类，例如植物油、合成油和混合物油。尽管油品的闪点是一个关键特性，但相对于最高热面温度的沸程更有意义，需要从根本上加以考虑。对于 125 平方毫米的坯料，润滑油的进料速度通常在 0.014 至 0.17（典型值为 0.05）毫升/分钟/毫米模具周边的范围内。但从工业卫生、钢坯质量和成本等方面考虑，可达到的出油率越低越好。

钢坯连铸机模具的重要方面如下。

• 铸流表面的热量通过一系列热阻传递到铸模冷却水，例如 (i) 分离模具和铸流的气隙，(ii) 铸模壁，以及 (iii) 铸模冷却水界面。其中，气隙对热流的阻力最大，占总阻力的 84%。模具中的散热模式很大程度上取决于间隙形成的动力学。模具和铸坯之间的间隙是多个变量的复杂函数。此外，间隙尺寸在纵向（后退）和横向上都不同，导致散热图案不均匀。尽管对间隙形成的机制已经有了相当多的了解，但它仍然是人们知之甚少的现象。
• 在研究模具中的时间平均温度曲线时，很明显，不同位置的温度曲线相似，峰值刚好低于金属水平，然后温度急剧下降。温度下降的直接原因是由于气隙、外壳厚度和模具变形的增加，随着模具下方距离的增加，热量排出减少。还可以看出，偏角位置的温度明显低于相应的中间面位置。这是因为由于二维热流，缝隙往往首先在角落形成，然后扩散到整个面部。
• 由于气隙宽度的增加，热通量在弯月面达到峰值并随后降低。由于与 delta-gamma 相转移相关的收缩，钢中的碳含量对模具热传递也有影响。
• 钢坯铸造中采用的管模组件设计更简单，但在操作过程中更容易受到热变形的影响，因为模具没有在其整个长度上得到支撑。在操作过程中，模具管受到不均匀的散热模式并获得不均匀的温度分布。钢坯模具会因温度变化而变形，其热机械行为与许多质量问题有关。还发现，由于不同热膨胀引起的应力大小，加上模具支撑系统的物理约束和模具管本身的几何形状，操作期间总变形的一部分是永久性的。影响负锥度和峰值凸起以及其相对于模具顶部的位置的因素包括冷却水流速、水质、金属水平、相对于模具顶部的约束位置、壁厚和类型模管支架。
• 过程变量对热传递有显着影响。钢的碳含量、结晶器锥度、浇注方式、润滑和浇注速度是影响传热的主要工艺变量。
• 除了排热之外，结晶器振动和润滑也是连铸的基础。必须尽量减少模壳摩擦，以消除粘钢、撕裂和开裂。振荡器是简单的机器，它使钢坯模具往复运动，以帮助防止钢粘在模具壁上。模具通常以正弦模式振荡，典型的冲程和振荡频率参数分别为 10 毫米和 2 赫兹 (Hz)。用于最小化粘着和振动标记深度的模具振动参数是行程和负剥离时间。负脱模时间定义为模具向下移动速度快于拉坯拉出速度的时间段。模具导程是在负带期间模具移过外壳的距离。对于钢坯连铸，推荐的模前导和负脱模时间值分别为 3-4 毫米和 0.12 - 0.15 秒。负脱模时间低于 0.1 秒且模具导程低于 2-3 毫米的铸造机容易粘模壳，尤其是在弯液面波动的情况下。大于 5 毫米的模具引线可能会导致更深、不均匀的振荡痕迹。
• 连铸坯表面的特点是存在因结晶器往复运动而在弯液面周期性形成的振荡痕迹。每个振荡标记都是钢的局部凹陷，因此会导致钢/模具间隙的宽度局部增加。因此，在振动标记附近局部地减少了热量去除。根据振荡痕迹的深度，可能会出现局部减少的壳厚度、破裂或横向表面裂纹。钢绞线表面振荡标记的间距与振荡周期的频率有关。
• 模具的向内锥度，用于补偿凝固壳的收缩，从无锥度到单锥度和双锥度变化。在一些工厂中，普遍的做法不仅是使用非锥形模具，而且在一定程度的磨损后将模具管反转以延长管寿命。然而，现在已经看到，模具锥度对振动痕迹的深度和均匀性有很大的影响，因此对偏斜和偏角内部裂纹有很大的影响。还可以看出，弯月面处的模具锥度对钢的局部和整体散热有很大影响，对模具变形、油润滑和钢坯表面质量产生影响。根据测量的散热量、冷却实心钢的收缩和模具变形的轴向分布进行的计算表明，双锥度是可取的，并且对于低 C 热（0.16 %）而言，与高 C 热相比，双锥度的严重性较低。
• 模具变形计算表明，对于 100 毫米至 150 毫米的钢坯截面，最小壁厚约为 13 毫米，对于 200 毫米见方，最小壁厚增加到大约 20 毫米。如果模具用油润滑，壁厚大于 20 毫米会导致粘连问题，因为较厚的壁可能导致弯液面附近的模具热面温度超过油的沸点范围，通常为 220 摄氏度至 350 摄氏度摄氏度。关于内角半径，操作经验表明，大约 3 毫米到 4 毫米的值有助于最大限度地减少纵向裂缝。
• 弯月面高度（从铜模管顶部算起）最佳为 100 毫米至 150 毫米。较浅的弯月面导致模具管的最大热膨胀区域靠近定位板，该定位板通常将管固定在适当的位置。定位板对模具管向外运动的阻力会产生塑性应变和不希望的永久管变形。弯月面过深会不必要地缩短凝固壳在模具中的停留时间。
• 需要保持较高的水流速度，通常高于 10-11 米/秒，原因是 (i) 铜管的水冷面相对于水的沸点必须足够冷以抑制成核沸腾，(ii) 铜管的热面不得超过弯液面附近润滑油的沸点范围，和 (iii) 铜的温度不得超过由温度时间决定的软化特性，特定的铜牌号，因为这会导致模具永久变形。
• 使用了三种类型的模具支架。它们是 (i) 由安装在所有四个侧面的槽中的定位板支撑，(ii) 在靠近模具管顶部的两侧上的定位板，以及 (iii) 支撑在模具管的顶部和底部。第二支撑与浅金属层相结合，在管的周边产生不均匀的模具分布。与第一种和第三种类型的支持相比，这反过来有利于偏心。
• 冷却水的质量非常重要。即使是 20 微米的沉积物也会对模管温度产生破坏性影响。这是因为相对于铜的沉积物对从管子到冷却水的热流引入了很大的热阻。水质差的最直接后果是永久性霉菌变形。经常看到，在模具管的所有四个面上，沉积物的严重程度并不相同。这是因为冷却水的速度由于水路尺寸的变化而在模具的外周周围发生变化。问题的根源在于水套、模具管、模具外壳和其他决定冷却水通道尺寸的组件的公差。

二次冷却

在钢坯连铸机的结晶器下方，移动的钢绞线被成排的喷水冷却。二次冷却的目的是继续模具中开始的热量排出和凝固，而不会产生足以导致形状缺陷、表面裂纹或内部裂纹的拉应力。

喷嘴通常连接到垂直集管或立管上，立管通常位于每个阶段的中心。大多数情况下，铸坯机上使用的喷嘴会产生完整的锥形图案（圆形或方形），尽管有时也会使用空心锥形喷嘴。就在模具下方，通常位于脚辊的位置，每个面经常使用一个或两个喷嘴，形成 V 形图案。雾化室的长度可能从 0.5 m 到 5 m 不等。传统上，水喷雾是根据压力雾化原理工作的，即水在压力下被迫通过孔口或喷嘴并分解成水滴。方坯连铸机的二次冷却系统的设计主要取决于质量考虑，并且需要了解通过水喷射冷却影响传热的因素。二次冷却的设计取决于三个重要方面，即 (i) 喷雾冷却对钢坯缺陷产生的影响，(ii) 由于喷雾产生的热量去除，这取决于水压等变量，间距、喷嘴类型、钢绞线表面温度和水通量，以及 (iii) 喷雾区域内的水分布与 (ii) 中提到的喷雾参数的函数关系。

连铸坯中与喷射相关的缺陷是中部裂纹、菱形裂纹和斜裂纹。下面介绍喷雾冷却对缺陷形成的影响。

• 根据喷雾冷却的轴向剖面，由于热梯度的变化，在凝固壳中可能会产生较大的拉伸应变。喷房后的坯料再加热是造成中途裂纹的原因。
• 喷雾冷却的强度会影响通过壳体的局部温度分布，进而改变钢的高温力学性能和壳体承受液芯铁静压力引起的鼓胀的能力。
• 实心壳的横向切片在通过喷雾时的温度偏移可能会影响氮化铝 (AlN) 等相的沉淀，这会降低高温延展性。如果在这种情况下，外壳受到很大的拉应力，例如在矫直过程中，可能会产生横向裂纹等缺陷。

喷水排热率与喷水变量之间存在关系。喷雾传热系数受大量变量的影响，例如喷嘴类型、喷嘴到钢绞线的距离、水压、水温和钢的表面温度。在这些喷嘴类型中，喷嘴到钢绞线的距离和水压会影响喷水通量（升/平方米秒），这是最重要的喷水变量。另一方面，钢的水温和表面温度直接影响传热。在表面温度为1200～700℃的正常连铸工况下，表面温度对传热系数的影响较小，而喷水流量对传热系数的影响最大。

二次冷却后的铸坯进入切割段，在此通过液压剪或割炬将铸坯切割成所需的长度。