方坯高效连铸的核心技术*1 前 言国外连铸技术近10年来自身完善和优化的速度很快。
尤其是1993～1995年以来,130×130(单位mm)小方坯拉速 大于4.0m/min,150×150(单位mm)小方坯拉速超过3.0m/min已不少见,先进的铸机单流年产量可达13～15万t,单个中间罐寿命则达30～50h,作业率在90%。
而且先进国家的思路与实践,已在发展130×130(单位mm)坯拉速5.0～6.0m/min的高效铸机,实现小方坯连铸单流产量达20万t左右。
国内连铸技术近10年来进步很大,1998年连铸比达到67%。
然而,我国铸机台数堪称世界第一,平均年产能力之低也谓世界之最。
因此,国家把发展高效连铸技术作为“九五”科技攻关的一项重要内容。
经过近3年的努力,取得了显著的成效,先后有广钢转炉厂、首钢三炼钢、济钢一炼钢、新疆八钢炼钢厂4个钢厂于1998年通过了省部级鉴定。
此外,杭钢、南钢等一批企业的高效连铸攻关也取得了重大进展,连铸高效化已经成为推动我国钢铁工业结构优化的重大技术,越来越多的企业正在着手于高效连铸的技改工作。
当今,高效连铸技术在减少投资费用、提高生产率、简化工艺流程、降低消耗和成本等方面更进一步发挥了连铸技术的优势,在世界各主要钢铁企业、工程公司、设备制造商中都受到高度重视,正在不断发展。
2 高效连铸技术的概念所谓高效连铸技术,通常是指比常规连铸生产率更高的、以高拉坯速度为核心的技术,以高质量、无缺陷的高温铸坯生产为基础,实现高连浇率、高作业率的连铸系统技术［1］。
高效连铸的涵义有5个“高”:高拉速、高质量无缺陷(特别是无表面缺陷)、高温铸坯、高连浇率、高作业率。
笔者结合国内外众多厂商各自开发的高速连铸技术,以技术集成的观点,将高效连铸技术划分成核心技术—结晶器技术和相关技术—重要技术两个方面,分别进行阐述。
本文阐述第一部分—高效连铸的核心技术。
3 高效连铸的核心技术—结晶器技术众所周知,结晶器是连铸机的“心脏”,国内外各种高速连铸技术的开发均是以结晶器为中心来展开的,这正是本文对高效连铸技术划分的主要原因。
目前已经开发成功的高速结晶器有:Concast的Vonvex、Danieli的Danam、Manneisman-Demag 的抛物线锥度结晶器、VAI的Diamold、PaulWurth 的高速结晶器和Vibromold、Rokop的抛物线锥度结晶器、多家公司研制的喷淋结晶器和我国连铸技术国家工程中心开发的连续锥度结晶器等。
本文从结晶器本体技术和结晶器相关技术两部分来系统地阐述结晶器技术。
3.1 结晶器本体技术结晶器是连铸机的核心,同常规连铸相比,高速连铸结晶器主要在以下3个方面进行突破。
3.1.1 增加铜管长度高拉速 条件下,为加速结晶器内钢水的凝固,延长一冷段是直接有效的措施。
如:VAI的Diamold［2］长度由普通结晶器的800mm增加到1000mm;PaulWurth的高速结晶器长度由700mm延长至1000mm;我国连铸中心研制的连续维度结晶器长度由700mm增至812mm或1000mm;冶金部设备研究院开发的GS-I型曲面结晶器长度由700mm加至1000mm等。
3.1.2 提高冷却强度为改善结晶器的冷却效果,确保结晶器出口坯壳具有足够的厚度,一般采用减少铜管与水套之间的间隙、增加冷却水流速、减薄铜管壁厚、开发结晶器导热性能高的材质等措施来提高一冷强度。
如Danilie的Danaml结晶器［3］铜管壁厚为11mm、冷却水压12×105Pa、结晶器材质是Cu-Cr-Zr;Rokop的抛物线结晶器［4］其铜管外与一个可重复使用的不锈钢水套之间的间隙是常规的一半等。
3.1.3 采用连续维度/多锥度铜管拉速提高后,结晶器几何形状需适应铸坯的凝固收缩,从而使铸坯和模壁始终尽可能地接触良好,抑制气隙生产,传热增加且均匀稳定,角部坯壳能和中部坯壳一样均匀地生长,结晶器铜管多采用连续锥度或多锥度来满足这些要求。
如:Concast的Convex［5］、Demag的抛物线锥度结晶器［6］、PaulWurth 的高速结晶器、Diamold 结晶器、Rokop的抛物线结晶器、连铸中心的连续锥度结晶器、GS-I 型曲面结晶器等均采用了此技术。
以上述技术为核心开发的高速结晶器,可显著地提高拉速。
如:Convex可提高拉速50%～100%,使德国Thyssen Sathl Ag 的133×133(单位mm)的铸机拉速由2.1～2.3m/min提高到3.3～4.2m/min、德国Ssarstahl的转炉厂150×150(单位mm)铸机拉速达到3.0～3.5m/min,最高达4.5m/min;Danam-1提高拉速54%,可将130×130(单位mm)连铸机的拉速由2.8m/min提高至4.3m/min，Diamold提速超过50%，使115ⅹ115(单位mm)断面的中碳钢和包晶钢拉速均达到5.2m/min，140×140(单位mm)断面的中碳钢拉速达4.0m/min;连续锥度结晶器增速也达到50%,将广钢150×150(单位mm)铸机拉速由1.2～1.8m/min提高到2.2～2.7m/min,最大拉速3.5m/min,使首钢120×120(单位mm)铸机拉速由2.4m/min提高到3.5m/min,最大拉速5.2m/min;另Demag、PaulWurth和Rokop等高速结晶器均提速50%以上。
3.2 结晶器相关技术3.2.1 结晶器液面控制在高速连铸时,为保持结晶器钢液面的稳定,除了选择适宜的浸入式水口的浸入深度和出口角度外,更主要的是采用结晶器液面控制系统。
目前结晶器液面控制已经成为成熟的技术,可使钢液面的波动控制在±3mm,最高达±1mm［7］。
德国AMPEA、MPC、Simens、意大利Pomini、Danieti、英国Davy,瑞典Interstop、卢森堡PaulWurth、芬兰Rautaruukki、奥地利VAI、美国Rokop等公司均已开发了自己的技术,参见图1。
国内也形成了Co60、Ce137等液面自动控制技术。
图1 Simens结晶器液位控制结构示意图3.2.2 结晶器的冷却目前方坯结晶器铜管冷却方式有喷淋冷却和管式水缝冷却两种,其中喷淋冷却方式可根据结晶器热流状况灵活改变冷却水的分布,有效地改善水缝冷却条件下由于铜管变形或不对中所造成的冷却不均匀,并且对水质要求低,不需要投资上结晶器软化水系统。
它非常适用于企业新建方坯铸机或软化水系统能力不足情况下的铸机改造。
邯郸、安阳、杭州等钢厂采用喷淋结晶器技术后,铸机拉速有了明显的提高;新疆八钢炼钢厂在对原喷淋结晶器作了进一步改进后,提速效果极其显著。
在管式水缝冷却结晶器中,由于冷却水造成的生产事故或铜管报废的主要原因是结水垢,这是因结晶器热流过大,铜管冷面温度过高所致。
在高拉速条件下,铜管热流进一步的增加,因此在水缝冷却结晶器的生产使用中,随着拉坯速度的增加应增大冷却水的压力,确保水缝流速 大于10m/s;同时要改善结晶器铜管的对中结构,防止铜管变形。
3.2.3 铸坯支撑和强化冷却技术对结晶器出口处薄弱坯壳的有效支撑和施以强化冷却是提高坯壳强度和减少漏钢、防止鼓肚、裂纹的主要保证之一。
板坯采用格栅方式,方坯采用水幕强冷方式和加大冷却水量等都是基于这种考虑而采用的措施,国内外已经研制和开发出先进的有效支撑和强化水冷技术。
以往在结晶器下口采用足辊结构对铸坯进行支撑导向和冷却,近年来随拉速的提高,发展形成了多级组合结晶器、高速水膜辅加结晶器等,因为其在结晶器出口处较长的范围内对铸坯起到支撑和均匀冷却的作用,它们与足辊结构相比较有以下显著优点:(1)改善了铸坯在结晶器出口处的冷却均匀性,可有效地防止由于坯壳生长不均匀造成的漏钢事故;(2)改善因结晶器内冷却不均匀造成的脱方;(3)如前所述,高速水膜辅加结晶器可在高拉速条件下减少结晶器长度的增加,进而降低拉坯阻力,减少粘结漏钢事故。
首钢独立开发了铸铁质的压力水膜附加结晶器,使120×120(单位mm)的平均工作拉速由原2.2～2.4m/min提高了22%以上,最高达3.5m/min,广钢转炉1号连铸机150×150(单位mm)采用多锥度结晶器与高速水膜辅加结晶器(长度280mm)相结合进行生产,将拉速由1.6m/min提高到2.2～2.7m/min。
3.2.4 振动技术及振动机构类型高速连铸要求结晶器振动具备两个条件:(1)使正滑脱时间稍长些;(2)结晶器上升时,使坯壳和结晶器之间的相对速度小些,亦即上升速度稍微慢些。
为满足上述两个条件,又要保持传统结晶器振动概念中的负滑脱时间内使结晶器对坯壳施加一种压力,若仍采用原来的正弦波形的振动模式已难奏效。
于是早在40多年前,由连铸技术先驱者之一,Rossi先生提出的非正弦技术(巴洛钢厂最早采用),又在新的技术背景下获得了更为广泛的应用。
液压振动技术即采用液压系统作为振动源,具有控制精度高、调整灵活、在线设备体积小、重量轻、维护简单等特点,它不仅能满足高频振动的要求,消除电机、减速器传动中由于冲击负荷造成的电机烧损和减速器损坏等问题,更主要的是它可以根据工艺条件的要求任意改变振动波形,控制负滑脱速度和负滑脱时间,改善结晶器与铸坯之间的润滑与脱模,减少粘结性漏钢事故;同时,降低高拉速条件下的振动频率,减少机构磨损。
国外该技术已经实际运用,如PaulWurth的Vibromold。
国内虽未正式投入工业生产,但随着高效连铸技术的推广,高频小振幅技术的采用将会成为未来振动技术的发展方向。
目前国内小方坯连铸机振动台的主要结构形式有:罗克普型、德马克型、康卡斯特型、三菱型和Stel-Tek型板弹簧振动机构等5种类型,连铸技术国家工程中心结合国内生产厂采用罗克普机型、德马克机型、康卡斯特机型较多的现状,综合分析了现有振动装置在生产中使用的情况,优化设计出半板簧振动系统,该系统的特点为［8］:(1)四连杆的上导向臂用弹簧板代替,类似于三菱振动装置或其它半板簧振动装置;(2)采用新型的传动系统,使结构更加紧凑,使用可靠性大大提高;(3)在结晶器定位与结构不做大的改动的条件下,适合于罗克普、德马克等机型改造。
半板簧振动系统已经应用于广钢、首钢和济钢的高效连铸改造。
此外,结晶器电磁制动技术和拉漏预报技术在板坯高效连铸中有着较为广泛的应用。
4 结 论(1)本文以技术集成的观点系统阐述了高效连铸的核心技术,对国内外方坯高效连铸的典型结晶器进行了归纳、总结。
(2)高拉速是高效连铸技术的核心,实现高速连铸的关键在于提高一次冷却效率,须以完备的结晶器技术作保障。