（材料加工工程专业论文）csp薄板坯连铸连轧层流冷却过程温度场数值模拟.pdf

内蒙古科技大学硕士学位论文 摘要 薄板坯连铸连轧技术目前已进入工业大生产行列，并取得显著的经济效益，有着 广阔的发展前景。因此对与此技术相关的课题的研究有着十分重要的意义。 c s p 生产线上常用的冷却方式是层流冷却。热轧后的层流冷却过程不仅降低了板 带温度，更为重要的是奥氏体的分解基本在此过程中发生。根据冷却制度的不同，热 轧后的变形奥氏体可以转变为不同的组织和不同的晶粒尺寸。所以层流冷却过程是 c s p 生产过程中十分重要的环节。 本论文针对包头钢铁集团公司的c s p 层流冷却生产线的实际情况，综合分析了在 层流冷却过程中热轧钢板的换热情况。热轧钢板从精轧机出来到地下卷取机之间的冷 却过程可以分成喷淋水冷却段与空冷段两部分分别加以考虑。在喷淋水冷却段根据冷 却水与热轧钢板的实际换热情况，又将其细分为冲击区与非冲击区两部分分别加以对 待。最终得出各种换热条件下的换热系数经验公式，将其作为温度场数值模拟计算中 的边界条件。 在数值计算中，奥氏体分解所释放的相变潜热采取等价比热容法进行处理。材料 的热物性参数，除密度受温度影响不大取为常数之外，其他参数都作为温度的函数进 行处理。 温度场数值模拟计算的结果表明：在层流冷却过程中所释放的相变潜热使轧件卷 取温度明显升高；随着轧件厚度的增加，内外冷却不均，轧件内外温差明显增大；轧 件的运行速度增加使卷取温度升高的原因主要是冷却时间的减少，而不是换热系数的 增大；增大冷却水的水流密度，降低冷却水的温度都会使轧件与冷却水之间的换热系 数增大，从而使轧件的卷取温度降低，但相比之下，冷却水温度的降低对换热的影响 更为剧烈。 关键词：c s p层流冷却温度场数值模拟 塑茎直型垫奎兰堡主兰垡堡茎 n u m e r i c a ls i m u l a t i o nf o rt e m p e r a t u r ef i e l do fc s p t h i ns l a b c o n t i n u o u sc a s t i n ga n d r o l l i n gl a m i n a rc o o l i n g a b s t r a c t t h i ns l a bc o n t i n u o u sc a s t i n ga n dr o l l i n gt e c h n o l o g yh a sa l r e a d ye n t e r e dt h ei n d u s t r i a lg r e a t p r o d u c t i o nr a n k sa tp r e s e n t a n dh a sm a d er e m a r k a b l ee c o n o m i cb e n e f i t s i th a s av e r yw i d e d e v e l o p m e n tp m s p e c 忸s os t u d y i n gt h es u b j e c tc o r r e l a t i n gw i t ht h i st e c h n o l o g yh a sv e r yi m p o r t a n t m e a n i n g l a m i n a rc o o l i n gi sc o m m o n l yu s e do nc s pp r o d u c tl i n e i ti sav e r yi m p o r t a n tl i n ki nc s pp r o d u c t p r o c e s s l a m i n a rc o o l i l l ga f t e rt h eh o tr o l l i n gr e d u c e dt h et e m p e r a t u r eo ft h ep l a t e , a n dt h em o r e i m p o r t a n tt h i n gi st h a tt h ea u s t e n i t ew a sm o s t l yd e c o m p o s e di nt h i sc o u r s e a c c o r d i n gt ot h e c o o l i n gs y s t e m ，t h ea u s t e n i t ec a nb ec h a n g e di n t od i f f e r e n to r g a n i z a t i o n ，a n dm a yh a v ed i f f e r e n ts i z eo f c r y s t a l l i n eg r a i n s ow ec a nc o n t r o lt h eo r g a n i z a t i o nf o r ma n ds i z eo fc r y s t a l l i n eg r a i no ft h ef i n i s h e d p r o d u c tb yt h ec o n t r o l l e dc o o l i n g ，a n dg e tb e t t e rc o m p r e h e n s i v ep r o p e r t i e s b a s e do nt h el a m i n a rc o o l i n gl i n eo ft h ec s pp l a n to fb a o t o ui r o n s t e e lg r o u pc o m p a n y t h e h e a tt r a n s f e rc o n d i t i o n sw a sc o m p r e h e n s i v e l ya n a l y z e d b e t w e e nt h ef i n em i l la n dt h ed o w n o o i l e r , t h e c o o l i n gc o u r s ew s sd i v i d e di n t oa i rc o o l i n ga n dw a t e rc o o l i n g a c c e d i n gt ot h ea c t u a lh e a tt r a n s f e r c o n d i t i o n , t h ew a t e rc o o l i n gc o u r s ew a sd i v i d e di n t oi m p i n g e m e mr e g i o na n dp a r a l l e lf l o wr e g i o n f i n a l l y , t h ec o e f f i c i e n t se x p e r i e n c ef o r m u l aw a sg e t a n di tw a su s e di nt h et e m p e r a t u r ef i e l dn u m e r i c a l s i m u l a t ec a l c u l a t i o n 鹅b o u n d a r yc o n d i t i o n s d u r i n gt h ec a l c u l a t i o n , t h el a t e n th e a tw a sd e a l tw i t hs p e c i f i ch e a tc a p a c i t yl a w e x c e p tt h em a t e r i a l d e n s i t y , t h eo t h e rt h e r m a i p h y s i c a lp a r a m e t e r sw u w fd e a l ta st h ef u n c t i o no f t h ep l a t et e m p e r a t u r e t h er a s u l lo f t h en u l n e r i c a ls i m u l a t ec a i e u l a f i o ns h o w s ：t h el a t e n th e a tt e l e a s e dd u r i n gt h el a m i n a r c o o l i n gm a k et h ec o i l i n gt 嘲n p e r a t u r ei n c r e a s e do b v i o u s l y ；i ft h et h i c k n e s so ft h ep l a t ee n h a n c e d ，t h e t e m p e r a t u r ef i e l dt u r n e dt om o r eu n e v e n ；h i g h e rt r a n s p o r ts p e e dw i l lm a k et h ec o i l i n gt e m p e r a t u r e i n c r e a s e d t h ep r i m a r yl t a s o no fi ti sr e d u c e dt h ec o o l i n gt i m e i n c r e a s et h es p r a yw a t e rd e n s i t yo r d e c r e a s et h et e m p e r a t u r eo f c o o l i n gw a t e rw i l lr a i s et h eh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t s a sar e s u l tt h ec o i l i n g t e m p e r a t u r ew a sd e s c e n d e d b yc o n t r a s t , t h ec h a n g eo f w a t e rt e m p e r a t u r eh a sm o r ev i o l e n ti n f l u e n c eo n t h eh e a t 订a n s f e rc o e f f i c i e n t s k e yw o r d s ：c s pl a m i n a rc o o l i n gt e m p e r a t u r ef i e l dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n - 2 一 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 内蒙古科技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并 表示了谢意。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解内蒙古科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保 存论文。 签名 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 导师签名：赳日期： 护要、6 、t 。 堕鐾查塾垫查兰堡主堂焦堡苎 一一 引言 薄板坯连铸连轧是8 0 年代末、9 0 年代初开发成功的生产热轧板卷的一项短 流程工艺，是继氧气转炉炼钢、连续铸钢之后钢铁工业最重要的革命性技术之一。 所谓薄板坯连铸连轧，指的是为了使连铸坯断面尺寸进一步接近成品尺寸，尽量 减少轧制道次而开发的一种连铸连轧技术。 薄板坯连铸连轧生产工艺与传统的板坯连铸及热带连铸连轧生产工艺相比， 其优越性具体表现为： 1 缩短了生产周期( 仅为常规流程的1 6 ) ； 2 减少了厂房面积和设备重量( 仅为常规流程的1 3 2 3 ) ： 3 降低加热能耗( 比常规流程的8 0 0 1 2 热装节能约1 3 ) ： 4 提高劳动生产率( 作业时间从常规流程的5 h 缩短到o 5 h ，人员约为常规 流程的1 3 ) ； 5 降低投资成本( 可减少5 0 以上) ； 6 可进行钢种和质量要求不同的小批量生产； 7 工艺凝固速度快，板坯铸态组织细丽致密，避免了中心疏松，改善了钢 材质量，也可通过快速凝固创造出新材质； 8 使生产些难轧制材料薄扳成为可能。 由于薄板坯连铸连轧生产具有以上众多的优越性，世界各国都竟相兴建薄板 坯连铸连轧厂。目前我国已投产和在建7 条生产线，总生产能力将超过1 0 0 0 万 吨侔【1 1 。这不仅为研究c s p 技术创造了条件。同时对该项技术的研究提出了迫 切的要求。 控制冷却是热轧钢铁产品所常用的冷却方式。可以通过控制冷却细化铁素体 晶粒，结合沉淀强化来生产碳含量低的高强度钢。由于碳含量的降低。降低了组 织中珠光体的含量，提高了产品的焊接性能以及韧性。 c s p 生产线上常用的冷却方式是层流冷却。热轧后的层流冷却过程不仅降低 了板带温度，更为重要的是奥氏体的分解基本在此过程中发生，根据冷却制度及 随后卷取工艺的不同，热轧后的变形奥氏体可以转变为铁索体，珠光体、贝氏体 或马氏体等不同组织，而且可能具有不同的晶粒尺寸。因此采用热轧后控制冷却 可以控制成品的组织形态和晶粒尺寸，获得更为优良的综合性能。 c s p 生产过程中，由精轧机组轧制的热轧钢板在进入卷取机之前，由于其组 织性能和机械性能方面的要求，必须严格地控制钢板的冷却制度，使其达到并保 证实际卷取温度，这是c s p 生产的重要环节之一【2 】。 内蒙古科技大学硕士学位论文 薄板坯连铸连轧工艺装备庞大，各工艺环节衔接紧密，在工程现场直接进行 大量的试验和实测不仅十分困难，而且费用支出也非常可观。如果采用计算机仿 真技术，通过建立薄板坯连铸连轧过程的数学模型，在计算机上通过改变各工艺 参数，进行仿真试验，这可以大大降低研究成本。在大量仿真试验的基础上，可 以提出优化的技术路线，为工程设计或生产控制提供可靠的理论依据。 本论文将对薄板坯连铸连轧( c s p ) 层流冷却过程进行研究，并结合包钢c s p 生产线的实际生产情况，对其层流冷却过程轧件的温度场进行了计算机数值模 拟，以期为工程设计或生产控制提供可靠的理论依据。 2 内蒙古科技大学硕士学位论文 1 1 国内外薄板坯连铸连轧技术发展概况 1 1 1c s p 工艺流程及特点 4 图1 1c s p 生产线工艺布置图 f 嘻1 1d i s t r i b u l i o n o f c s p p r o a u c t l i n e 1 钢包回转台2 中问包3 结晶器4 二冷区5 空冷区6 剪切机 7 直通式辊底加热炉8 高压水除鳞机9 精轧机组1 0 层流冷却1 1 卷曲机 斯勒曼- 西马克公司开发出的c s p ( c o m p a c ts t r i pp r o d u c t i o n ) 工艺，也可称 为紧凑式热带生产工艺。其生产工艺流程见图1 1 。钢包内的精炼钢水注入中间 包，然后通过一个配有防止钢液二次氧化，减少坯壳凝固过程产生横向应力的异 型浸入式水口，进 漏斗型结晶器。钢水在结晶器内凝固放热形成一定坯壳厚度 的铸坯，带液芯的厚度为5 0 m m 的薄板坯以一定的拉坯速度拉出结晶器进入二冷 区。二冷区的铸坯表面与冷却水和支撑辊按与拉坯速度相匹配的冷却强度进行换 熟，以确保铸坯断面内的液芯进矫直机前全部凝固。全部凝固的铸坯接着进入空 冷区，与周围环境进行自然冷却。经剪切后以拉坯速度进入长度为1 6 0 2 0 0 m 的辊底式隧道均热炉。首先板坯进入炉内加热段，加热到一定温度后随即以精轧 机入口速度通过炉内均热保温段。满足轧制湿度的板坯出炉后经过高压水除鳞 机进入4 6 架四辊精轧机组轧制成不同厚度规格的热轧带钢。最后经过层流 冷却线进行冷却后进入卷取机。在整个c s p 生产过程中，从钢水冶炼到成品离 线，仅需要1 5 小时。髓着带卷质量的不断提高和生产成本的降低，热轧带卷的 生产大厂日益显示出了强大的竞争实力。 1 1 2 国内外薄板坯连铸连轧技术应用现状 薄板坯连铸连轧工艺自1 9 8 9 年7 月在美国纽柯( n u c o r ) 公司的 - 3 一 内蒙古科技大学硕士学位论文 c a r w f o r d s v i l l e 投产以来，得到了快速的发展。据统计，截止2 0 0 1 年1 2 月，全 球共有( 包括少数在建设项目) 3 6 条作业线( 5 4 流) ，其生产能力约为5 5 0 0 万 吨，年。其中c s p ：2 6 条作业线( 包括i s p 5 条) ，4 2 流( 包括i s p 7 流) ，其年产 能力约为4 2 0 0 万t ( 包括i s p 7 6 5 万t ) ；f t s r ：4 条作业线，5 流，其年生产能 力约为5 0 0 万吨侔；q s p ：3 条作业线，4 流，能力约为5 0 0 万吨，年；c o n r o l l ： 3 条作业线，3 流，能力约为3 1 5 万吨年u j 。 据不完全统计，目前已经有1 4 种左右的工艺在工业性生产机组或半工业性 生产机组进行生产或试验。常用的生产工艺有c s p 技术，i s p 技术与f t s r 技术。 c s p 技术采用漏斗型结晶器、立弯式连铸机、辊底式隧道均热炉以及4 6 架轧机。钢水在上开口1 7 0 m m ，下开口5 0 m m 的漏斗结晶器内铸成5 0 m m 厚的 薄板坯。经切断后进入辊底式均热炉进行均热，然后进入连轧机轧制闭。 由于c s p 技术设备简单，流程畅通，易于掌握，世界各地采用该技术的厂 家最多。至1 9 9 8 年1 月，就有1 9 个厂家，2 7 条连铸生产线采用了c s p 技术进 行生产，总年生产能力达到了2 7 0 0 万t 。其中以美国用的最多，在美国又以纽柯 ( n u c o r ) 公司为代表州。 i s p 采用平行边结晶器、液芯压下技术、2 3 机架预轧机、感应加热和热 卷箱式炉均热以及4 机架精轧机。钢水在6 0 m m 的平行铜板结晶器内铸成钢坯， 出结晶器后利用铸坯仍处于液芯状态下进行液芯压下到4 5 m m 。出连铸机后利用 铸坯处于高温状态将其预轧制到1 5 m m 。然后进行感应加热卷成空芯卷，在保温 箱内进行均热。开卷后进入4 机架精轧机组进行轧制。i s p 方案的技术含量较高， 带液芯压下，以及预轧机的采用都充分利用了铸坯的高温特性，大大减少了轧机 的负荷，而且感应加热的热效率高，控制温度比较灵活。在所有的工艺方案之中， 该方案的生产线是最短的，仅约1 8 0 m ，真正实现了短流程生产【3 j 。 目前有8 个厂家，1 2 条连铸连轧生产线采用了该项技术，总年产量达到了 1 1 0 0 万t 。仅在韩国浦项钢铁公司光阳厂就拥有4 流，3 条作业线设备【4 】。 f t s r 技术采用凸透镜型结晶器、带辊形的液芯压下、辊底式隧道炉、1 2 台粗轧机、热辊道和6 7 架精轧机。钢水在凸透镜型结晶器内铸成中一f i , 带凸度 的8 0 9 0 m m 铸坯，液芯钢坯出结晶器后，由带辊形的棍子压成厚度7 0 8 0 m m 的矩形断面板坯，切断后进入辊底式隧道炉均热，然后进入粗轧机轧至2 5 3 5 m m 。经过保温隧道进入糖轧机。该技术生产的钢种范围较广，而且在提高质 量方面也比较全面，增加了粗轧后的二次加热。为了得到更好的表面质量，生产 线有3 次除鳞，分别设在连铸机出口、初轧机入口和精轧机入口。 目前，德国的蒂森公司、意大利的达涅利公司以及加拿大的阿尔戈马钢铁 4 内蒙古科技大学硕士学位论文 公司都采用了f t s r 技术1 4 j 。 我国自1 9 9 9 年8 月，珠江钢厂c s p 投产以来，至今已有邯郸、鞍山、包头 四条作业线投入生产；并有唐山、马鞍山、涟源三条作业线开始建设。这样，我 国将拥有7 条薄板坯连铸连轧作业线，其设计产能接近1 0 0 0 万吨绰。其中c s p 类型的有5 条作业线，c o n r o l l 类型的1 条作业线，f t s r 作业线l 条i ”。拟 建的凡套薄板坯连铸连轧生产线基本上都采用了新开发的技术如中厚板坯技术。 半无头轧制技术，铁索体轧制技术，液芯压下技术等。有些生产线即使目前没有 采用这些新技术，也为其预留了空间。这些生产线的产品都以薄规格及超薄规格 为主，部分实现了“以热代冷”，设计年生产能力都在2 0 0 万t 以上。 可以看出，在未来3 5 年间，中国的薄板坯连铸连轧技术将在国际上扮演 重要角色；也可以说是中国钢铁工业技术进步的重要标志。 其中珠江钢厂，邯郸钢铁公司和包头钢铁公司的三条生产线具有以下共同 点：采用漏斗型结晶器、结晶器液压振动、带液芯铸轧、摆动式加热炉、热轧卷 最小厚度为l m m 。这三条生产线的主要技术参数见表1 1 。 表1 1 我国部分c s p 生产线的主要技术参数 t a b l e1 1m a i nt e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e r o f s o m eo f t h ec s p p r o d u c tl i n eo f c h i n a i 技术参数珠江钢厂邯郸钢铁公司包头钢铁公司 i 冶炼周期m i n 7 04 54 2 l 结晶器厚度m m 5 0最大7 0 最大7 0 凝固厚度蚴6 0 4 07 0 5 05 0 宽度m1 0 0 0 ，1 3 0 09 0 0 ，1 6 9 8 0 ，1 5 6 0 拉坯速度( m r a i n )最大5 5 ( 7 o ) 最大4 8 最大5 5 ( 7 0 ) 板坯入炉表面温度 1 l o o1 1 3 01 1 3 0 板坯出炉袭厦温度1 1 5 0 1 1 5 01 1 5 0 中间厚度哪 5 0 “05 2 55 0 最终厚度蚴 1 2 5 1 8 1 32 0 卅2 1 02 0 l _ 2 生产能力( 万吨侔) 1 0 0 ( 2 0 0 ) 1 0 0 ( 2 0 0 1 2 4 0 1 1 3 薄板坯连铸连轧的优越性 薄板坯连铸连轧技术之所以在十几年的时问内就有如此迅速的发展，就在 于它比传统热轧带钢生产具有更多的优点，因而一经出现就成为了现代熟轧带钢 的发展趋势吲。 5 内蒙古科技大学硕士学位论文 1 1 3 1 在生产工艺上的优越性 传统的热轧带钢生产一般是由炼钢车间冶炼钢水，铸成一定厚度的厚板坯， 经冷却后被送往轧钢车间，经过处理编组后，在进入加热炉进行二次加热至轧制 温度，最后轧制成材。炼钢车间与轧钢车间是两个相互独立的车间，生产线不连 续。 而在薄板坯连铸连轧生产过程中，连铸机与连轧机连成一条生产线。钢水 由薄板坯连铸机铸成一定规格长度的薄板坯，随即进入在线的再加热炉进行少量 加热，即被送入连轧机组进行轧制。 由于薄板坯连铸连轧生产线所具有的上述特点，使其在生产工艺上具有了 以下一些优越性： 1 大大缩短了生产线长度 薄板坯连铸连轧生产缩短了从结晶器到带钢卷取机之间的距离，同时也省去 了传统热轧带钢生产中的板坯存放和处理车间。 2 缩短了生产周期 薄板坯连铸连轧生产省去了大量的中间倒运以及停滞时间。从钢水冶炼到热 轧成品输出，仅需要1 5 h 。而传统的热轧带钢生产则需要5 h 左右。相比之下， 薄板坯连铸连轧生产大大缩短了生产的周期，从而可以减少生产过程中流动资金 的占用。 3 简化了工艺流程，减少了工艺设备 薄板坯的厚度较薄，可以省去传统热轧带材的粗轧过程，节省了大约3 0 的 设备。从而降低了车间的单位基建造价，使得吨钢投资下降了约1 9 3 4 。 4 节约能源，提高成材率 与传统工艺相比，薄板坯连铸连轧的能耗降低了约2 0 ，成材率提高了大约 2 3 ，从而大大降低了生产成本。 5 适合生产更薄的产品 薄板坯连铸连轧生产适合生产薄规格以及超薄规格的热轧板卷，提高了产品 的附加值，从而能够实现较高的经济效益。 1 1 3 2 在产品质量上的优越性 1 连铸坯冷却强度大，晶粒细小 由于薄板坯连铸是在高拉速下的快速冷却凝固过程。当薄板坯连铸快速冷却 时，冷却强度要远远大于传统的板坯，其二次、三次枝晶更为细小，改善了内部 凝固组织，使奥氏体组织明显细化，并且减少了枝晶间易熔元素的富集程度。同 6 内蒙古科技大学硕士学位论文 时，由于采用了液芯轻压下技术，能够破碎初生的树枝晶，并成为结晶核心，从 而加速了凝固速度，扩大了等轴晶区的比例，缩小了柱状晶区的比例，并且形成 了较细的晶粒。由于薄板坯厚度薄，具有快速冷却的特点和细化的结晶组织，其 中心偏析的程度大大减少。 2 合金元素的作用效果大 微量合金元素的完全溶解是合金元素在钢中起多重作用的前提。在常规的冷 装工艺过程里，在再加热前的冷却过程中，合金元素以碳、氮等的化合物形式析 出；在再加热过程中，合金元素以固溶状态存在。但是在薄板坯高温直接装炉工 艺过程中，许多合金元素不会析出，始终处于熔融状态，这种状态可以最大限度 的发挥合金元素的潜力，对初始组织和再结晶组织均起到了细化晶粒的作用。 3 轧制过程中的温度均匀稳定 以c s p 技术为例，辊底式隧道均热炉与轧机同在一条生产线上，板坯头部 进入到轧机时，其他部分仍在均热炉内保温。出炉后的板坯与空气的接触时间很 短，从而保证了板坯横断面和纵向温度的均匀分布。生产数据测试表明，板坯横 断面与纵向温差均在l o 以内。实测各架轧机轧制力的变化曲线表明，在变形 过程中无温度变化引起的轧制力波动。而在传统的热轧带钢生产中，带钢纵向的 温度波动是不可避免的，并且影响到带钢的厚度精度。对于薄板坯连铸连轧，原 始组织的均匀和轧制过程温度的均匀保证了产品性能的稳定和均匀。 4 产品组织性能好 由于在薄板坯连铸连轧生产过程中，铸态组织细小、均匀，轧制加工温度均 匀，产品的组织及晶粒大小也均匀，从而保证了产品性能的均匀一致。在传统的 带钢生产过程中，产品边部与中部的性能有较大差别，这显然是由于边部温降较 快所致。此外，薄板坯产品的性能参数分布非常集中，而用传统方法生产的产品 性能参数则比较分散。 1 1 4 薄板坯连铸技术的发展趋势 1 产品越来越薄。2 0 世纪9 0 年代初建成的薄板坯连铸连轧生产线，热轧 碳钢带卷的厚度为1 7 - 1 2 r a m ，不锈钢带卷的厚度为2 0 1 2 m m ，实际生产以5 m m 以上的居多。随着市场需求的变化和技术的不断进步，热轧带钢的厚度变得越来 越薄。1 9 9 5 年投产的希尔沙( h y l g a ) 厂的c s p 生产线，轧制产品的厚度为1 o 1 2 5 m m ，厚度和形状可控制在标准公差的l 4 以内。未来薄板坯连铸连轧生产线 的产品规格将以l m m 为主。 2 产品规模太。世界上第一条薄板坯连铸连轧生产线的年生产能力为5 0 7 内蒙古科技大学硕士学位论文 万t ；第二条生产线的年生产能力为7 0 万t 。其生产能力低的原因是冶炼设备均 是一座电炉。世界上第一套转炉配c s p 生产技术的年产量可达9 7 万t 。要充分 发挥热连轧机的能力，新建的生产线年产量定位2 0 0 3 0 0 万t 。 3 利用现有老厂的高炉、转炉设备建设薄板坯连铸连轧生产线，专门生产 薄规格( 2 3 r a m ) 、超薄规格( 1 6 r a m ) 的热轧卷。即可用热轧超薄钢板来 代替相当一部分商品冷轧钢板，节约冷轧厂的投资，又可解放传统热轧带钢轧机 的能力，促进生产。 4 通过适当增加铸坯的厚度和宽度，提高拉速，增加铸机的单流产量，有 可能实现一台铸机( 单流) 与一部热连轧机配合生产，达到年产2 0 0 万t 的生产 能力。 5 薄板坯连铸机的各个工艺参数面临进一步的优化选择。铸坯厚度、凝固 时间与冶金长度之间的关系直接影响轧机架数、布置方式、主机本身结构以及产 品的质量。 6 为使薄板坯连铸机高效、安全的运行，它的水冷系统正向结晶器冷却、 二次冷却、二冷段支承辊的内冷却三部分发展。 7 在轧制超薄规格热轧带卷时，由于受到终轧机架处带钢强度的限制，带 钢在s l 常r j 过程中的再加热问题将会成为一个新的关注点。 8 薄板坯连铸连轧技术的先进性决定了它的投资额是可观的。多数薄板坯 连铸连轧生产线投资均在3 5 亿美元以上。而建设一家以热轧带卷为主要产品的 高炉- 转炉联合企业的总投资额一般不低于3 0 亿美元【5 】o 可以预计，随着薄板坯连铸连轧技术的不断成熟和完善，流程会更加合理， 相关设备将进一步得以优化和标准化，一次性的投资额将有望有所下降。而且生 产技术上的进步将会使产品的成本进一步得以降低，薄板坯连铸连轧的产品在市 场上将具有更强的竞争能力。 1 2 薄板坯c s p 连轧的工艺特点 1 大压下和高强度轧制 大压下和高强度轧制是薄板坯连铸连轧的工艺特点之一。薄板坯连铸连轧与 传统板坯生产的一个重要的不同之处就是压下量的不同。传统板坯生产热轧带卷 一般是将2 0 0 3 0 0 m m 厚度的板坯轧制到成品厚度，而薄板坯连铸连轧的板坯是 从5 0 7 0 m m 厚轧制到成品厚度。薄板坯连铸连轧最大道次压下率可达6 0 0 5 ， 最终道次压下率近2 3 6 7 ，而传统板坯生产最大道次压下率不超过5 0 ，最终 道次压下率不超过2 0 6 1 。 - 8 塑茎鱼型垫盔堂堡主堂垡丝苎 一 一 2 高效除鳞技术 薄板坯连铸连轧工艺，氧化铁皮在板坯表面厚度薄而且粘结牢固，难以去除。 为了确保板坯的表面质量，采用达涅力专利技术，旋转式除鳞机，可以除去板坯 表面的原始氧化铁皮，并且控制二次氧化铁皮的生成。其主要特点是减少了耗水 量，降低了泵站的成本，水冲压压力大于传统工艺的除鳞机的冲压压力，减少了 水流量，热量损失小。 3 恒速轧制 对于常规热连轧机组，为了减少轧制过程中带钢头尾的温差，提高轧机的生 产效率，常常采用升速轧制制度。对于薄板坯连铸连轧，轧制能力比较富余，而 且采用均热炉保温，不存在坯料头温温差的问题，所以一般采用恒速轧制制度进 行生产。另外轧机在生产过程中的大压下带来了高负荷，不采用升速轧制而采用 恒速轧制，在一定程度上也起到了降低轧机负荷要求的作用。 4 冷却工艺 板坯在轧制过程中，受到轧件与轧辊的接触热传导以及塑性变形热的综合影 响，温度发生了相应的变化。不同部位的板坯都具有不同的温度。板坯表面附近， 受到接触热传导的影响较大，开始时温度剧烈下降，随后由于塑性变形热的影响， 温度又逐渐回升。离表面越近的部分，这种变化趋势越明显。对于离表面一定厚 度的部分，受接触热传导的影响很弱，温度没有明显的降低，但是由于塑性变形 热的主导作用，温度会有略微的升高。这一点对于轧件心部的影响尤为明显。轧 件温度过高，容易造成晶粒粗大，对产品的组织性能会产生不利的影响。因此， 在各道次轧机机架之间采用冷却水对钢板进行冷却。 板坯轧制成材后，温度较高，强韧性不高。通过控制板材轧制后的冷却速度， 使变形奥氏体得以快速冷却，相变组织也得以相应的细化。从而起到了细晶强化 的作用，使得板材的强韧性得以提高。c s p 工艺中常用的冷却方式是层流冷却。 这种冷却方法的冷却水在喷嘴处的出口速度比较低，形成了平滑、连贯的无压力 水流直接落到板材的表面，冷却水不反溅，在钢板的表面形成层流。层流冷却方 式对于板材的冷却比较均匀，而且易于控制。 5 生产薄规格热轧产品 薄板坯连铸连轧工艺的特点之一就是可生产薄规格热轧产品。特别是直通式 辊底炉使坯料具有良好的温度均匀性，使c s p 工艺在此方面更具优势。为适应 薄规格热轧产品生产，在设置上采用相应措施：为了便于薄带的输送，减少输出 辊道的间距。 为防止薄带在输送时飘离辊道，在f 6 机架后设置最大流量为3 0 m 3 s ，风压 9 内蒙古科技大学硕士学位论文 为8 1 0 p a 高速风机，用空气压住带钢。在f 5 f 6 机架上采用小直径工作辊，以 降低轧制力和减少轧辊造成低热损失。在层流冷却前设置喷淋段，采用较高的压 力，使带钢头部冷却后具有一定的强度m ： 1 3 控制冷却方式 控制冷却的方式概括起来主要有压力喷射冷却、层流冷却、水幕冷却、雾化 冷却、板湍流冷却、水一气喷雾法加速冷却、直接淬火等几种冷却方式【8 9 】。 1 3 1 屡流冷却 冷却水在喷嘴的出口处的速度比较低，形成平滑、连贯无压力的水流直接落 到板材表面，冷却水不反溅，并在钢板表面形成层流。这种冷却方法称为层流冷 却。层流冷却又分为管层流和板层流( 即水幕) 两种。管层流对水质要求严格， 需要软化水，水冷区面积较大，增加了车间的长度；但冷却比较均匀，易于控制。 板层流对水质要求不高，水冷区较短，可以缩短车间长度，也可以采用自动控制， 冷却也比较均匀，而且与管层流相比设备投资可以节省很多。 高密度管层流冷却是在普通管层流冷却的基础上对其进行改造，利用其结构 简单，易于形成稳定的层流状态等优点，增加u 形管的密度，并结合生产特点， 对其在宽度方向上的排列进行调整，使其对各种宽度的产品进行均匀冷却。由于 其单根上集管密度增加，使冷却能力提高；通过侧喷装置和集管的组数控制可以 使钢板在各集管间形成自回火区，从而控制钢板的组织性能及表面质量；喷嘴采 用l o m m 以上的圆管，不易堵塞，便于维修和管理。 1 3 2 水幕冷却 从喷嘴流出的冷却水以板幕状的方式流出，冷却均匀，冷却效率高。随着水 幕冷却技术的发展，又出现可调水幕。所谓可调水幕是指流量和水流宽度可根据 生产工艺要求而变化。目前主要有几种形式：一是出1 = 1 缝隙保持不变，用改变水 豹压力使流量变化。从保持层流的观点看，这种调节是很有限的。另一种是保持 水头不变，而改变出水口的开口度和缝隙宽度，有利于形成稳定的层流。还有一 种如图1 2 所示的可调水幕。该水幕利用分段斜楔控制出水的缝宽，提升或下降 斜楔控制出水口的开口度。 1 0 内蒙古科技大学硕士学位论文 图1 2 水幂结构示意图 f i g 1 2s k e t c hm a po f c u r t a i nc o o l i n gc o n f i g u r a t i o n 1 3 3 赜射冷却 也称为高压喷嘴冷却。在供水管上错列位置开若干排小孔，把水加压从各孔 口喷射到运行的钢板上，水从喷嘴中以超出连续喷流的流速喷出，水流发生破断， 形成水滴群，喷射到钢板表面进行冷却。这种冷却方式称为喷射冷却。此法的缺 点是对水质有严格要求，水压要高，用同一喷嘴可控制的冷却能力范围不太宽。 与其他方法相比，冷却效率不高，大量的冷却水都飞溅而去，不与钢板直接接触， 从而水的消耗量大。 1 3 4 喷雾冷却 也称为雾化冷却，即用加压的空气使水雾化，水和高速空气流一起从喷嘴喷 射出来，直接喷到钢板表面进行冷却。这种冷却有两种作用：( 1 ) 为了提高冷却 能力用空气加速液滴；( 2 ) 为了控制冷却能力用空气使液滴极微细化，而不需给 太大的动量。这种冷却方法适用于从空冷到强水冷却的极宽范围。但这种方法噪 音较大，车间雾气较大，对空气和水有严格要求，对设备腐蚀严重，而且喷嘴结 构和配管系统较为复杂。雾化冷却很主要的特点是它的应用范围很宽，是常规冷 却水系统的性能所达不到的，因而也得到很广泛的应用。 1 3 5 加速冷却 所谓加速冷却，是将热轧后的厚钢板，立即进行水冷，通过控制相变组织来 提高产品机械性能的控制冷却方法。过去用大容量的水冷却厚板时，要精确地控 制钢板的整体温度是很困难的，日本神户钢铁公司借助新开发的加速冷却方法， 确立了高精度、均匀地控制水冷过程中的钢板温度的技术，成功地把加速冷却工 艺( k o b cs t e e lc o n t r o l l e dr o l l i n ga n da c c e l e r a t e dc o o l i n gp r o c e s s ，简称k c l 工 艺) 推向了实用化阶段。现今的加速冷却已成为船板、管板和其它低合金高强度 内蒙古科技大学硕士学位论文 钢板、低脆变温度和良好的焊接性能钢板现代化大生产必要的加工工艺a 各种冷却方式都有其各自的优点和缺点，见表1 2 。采用哪种冷却方式应根 据具体工艺环境和限定条件确定【j “。 国内外使用资料表明，近些年来，中厚板轧机轧后在线加速冷却方式大多数 采用柱状层流冷却和水幕冷却方式，同时国内外也有采用喷雾冷却( 水一气喷 雾) 、高密度管层流冷却和直接淬火冷却方式。 表1 2 几种冷却方式的特点 t a b l e1 2c h a r a c t e r i s t i co f s o m ec o o l i t 1 9s t y l e s 冷却方式优点 缺点 适用范围 压力喷射 水流连续，没有间断现象；呈紊 比冷却特性根低；冷却效率不高；永清耗量适用于一般冷却使用在实验室 漉状志喷到悄扳裹面；可喷射大，水的飞滠严熏，冷却不均匀l 对水质的 和工厂得到了广泛的应用 冷却 到需要冷却的部位：带钢上下要求较高喷嘴容易堵塞水的利用率较低 表面挣却差尉显著：穿透性好。 适用于水汽膜较厚的环境。 比冷却特性较高；水流保持层冷却区距离长；集管之间有一定的鼯离，迭要求强；峄时，如热轧板出口处。 层流冷却 流状态，可获得根强的冷却能 不到横向冷却均匀 对水质的要求较高，喷 力。上下表面、搴5 l 向冷却均匀嘴容易堵塞：设鲁庞杂，维护量较大且难维 护。 比冷却特性最高：水流保持层带钢上下表面，整个挣却区冷却不均 可调不仅应用于板带锶输出辐递上 水幕冷却 流状志，冷却德度快，冷却区节的冷却速度范围较小 的冷却也有用在连轧机机架间 距离短。对承质的要求不高 的冷却，有的正在研究应用在棒 翕堆护 材厦连铸坯的冷却上。 冷却速度通常为1 2 - 3 0 i s 有时高选 用加压的空气使水漉成雾状需要供风和供水两套系统，设鲁的线路复杂适用于从空冷到强承冷极宽的 雾化冷却 来冷却钢板冷却均匀冷却 嗓音较大t 对空气和水要求严格：车问的雾冷却能力范围尤其适用连锌的 速度调节范固太，可实现单独汽较大，设鲁容易受腐蚀二次冷却。 风冷，弱承抟和强水冷。 水为破斯式形成液滴群冲击 需要较高的压力。谭节狰却能力范围小，对 喷淋冷却 被冷却的钢板比高压净却喷水质的要求较高。 嘴冷却均匀，冷却能力较强。 板湍流冷 轧制后的钢板直接进入水中冷却速度的调节范围小，水量较大。 进行淬火或快速冷却，冷却速 却 度可达到3 0 0 s 。 水气赜 可对板材的较冷边郝进行补冷却不均，易产生麓曲。适用于极厚板或低抗拉强度( 低 雾法快速 偿，节省冲矫成本于6 0 0 m p a ) ，含有铁素体及珠光 付贝氏体显微组织的钢板 冷却 1 2 内蒙古科技大学硕士学位论文 冷却方式 优点缺点适用范围 冷却速度快，冷却能力范围 适用钢种有限；挣却不均。钢板变形量大部适用于高抗拉强度( 高于 直接淬火 大t 薅加少量台壹元素就可咀分在l o r a m 以下，宽幅铜板也在，o 咖以下6 0 0 m p a ) ，舍有皿氏体加马氏体 达鳓葡样钓强度；降低碳当 显瓣组蜉静锕橱。 量，改善可焊性能；确保铺板 低温韧性 国外控冷技术1 5 】发展很早，6 0 年代以前使用由喷嘴喷射的高压水冷却，以 后又发展为柱状层流冷却系统和水幕冷却系统。日本典型的板材加速冷却设备见 表1 3 ，欧洲的列于表1 4 。 表1 3日本典型的板材加速冷却设备 公司新日铁八幡 新日铁君津日本钢管公川i 崎钢铁公 住友金属公神户钢铁公 司福山厂司水岛厂司鹿岛厂司加古川厂 设备名称连续在线冷连续在线冷在线加速冷 万能加速冷动态加速冷控轧加速冷 却 却却却 却却 尺寸，m 4 ，8 x 1 5 54 7 1 9 84 5 x 4 45 3 5 x 4 04 7 x 2 74 7 x 4 4 上喷嘴水幕 喷射u 形管水管水幕u 形管 下喷嘴 喷射喷射喷射喷嘴 喷射喷射 边部遮板 上部和下部上部上部 上部上部 与精轧机的 7 9 82 61 92 55 3 距离，m 位置热平整机后 热平整机后热平整机前热平整机后热平整机前热平整机前 前 表1 4 欧洲典型板材加速冷却设备 设备名称曼内斯曼式加 万能间断冷却加速冷却工艺集中冷却工艺可调冷却工艺 速冷却系统 尺寸，1 1 15 x 1 22 8 1 24 7 2 63 6 x 3 0 上喷嘴水幕水管 水幕u 形管 喷射 下喷嘴水幕水管水幕 水管 喷射 边部遮板下部上部和下部 与精轧机的距 1 6 61 21 4 3 离，m 位置 热平整机前 热平整机前热平整机前热平整机前热平整机前 表1 3 和1 4 列出了各种冷却工艺设备，这些设各的冷却方式概括起来主要 1 3 内蒙古科技大学硕士学位论文 是层流冷却及水幕冷却方式，除此以外，还有其他冷却方式的设备，如水气冷却、 直接淬火等。 1 4 1 层流冷却设备 图1 3 是层流冷却设备布置简图，层流冷却是以大量虹吸管从水箱中吸出冷 却水，在无压力情况下流向带钢，使大流量的低压水与带钢平稳接触，冷却水不 反溅，并紧贴在带钢表面上按定方向做宏观运动，因它具有某些层流特点，所 以称为层流冷却方式。由于虹吸管的数量很多，排列又很密，带钢表面上的水层 时刻可以更新，并且，沿输出辊道每隔一段距离设景一定数量的侧喷头，将滞留 在带钢表面上的水冲掉，所以冷却效果很好。 7 0 年代，国内开始应用热轧带钢控制冷却技术。7 0 年代末武钢引进的 1 7 0 0 r a m 热轧带钢机上部采用柱状层流冷却和下部喷水冷却的控制技术。宝钢的 热带钢轧机采用层流冷却控制系统。 日本钢管公司福山第二热轧厂于1 9 8 5 年对其管层流冷却系统进行了改造， 通过水位最佳化调整、喷水量的两段切换以及引进缝隙层流冷却系统装置，提高 了冷却效果，达到了节能和提高卷取温度精度的目的。 f if 丑 p i 槽轧苜机架f 。精轧末机架f d t 精轧铡温仪 c t 卷取测温仪f r 卷取夹送辊c l 卷取机 图1 3 层流冷