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文档简介
1、008 板坯连铸技术开展前景Toshihiko Emi江苏沙钢钢铁研究所 (IRIS, JP/SS)中国江苏省张家港市锦丰镇, 215625 摘要:随着综合性生产车间生产线连铸机流数、碱性氧气转炉和热轧 机的最小化, 投资和修理费用也降至最小, 板坯连铸机的生产力需要提升。 在不削弱铸坯质量的前提下,通过最大化结晶器通钢量和拉速,硬件和软 件方面都有了专门大的进展以增加生产力。在过去的几十年中取得了明显 的进展,有些觉察普遍有效,而另一些仅对特定条件下有效。对技术进展 进行评判测试显示出,核心技术差不多与试验的时刻和过程相违抗。本文 在此根底上讲明了板坯连铸技术的进展前景。关键词:连铸机生产力
2、,拉速,夹杂物,裂纹,偏析,中间包,电磁 流场操纵在过去的三十年间, 连铸生产工艺差不多成熟, 与之相连的炼钢厂从 B OF/EAF 到 HRM 的显现能够提升生产力和铸坯质量。在许多改良中,一些 通过时刻的考查幸存了下来,而另一些随着外围技术的改良而进行了修改, 这些都使工艺得到了增强。本文简要的描述了值得改良和欠缺的地点,同 时描画了以后进展的前景。1 生产力的进展一个带有 2座 300t BOF 转炉和精炼炉,以及两架串列布置的热轧机组 的工厂,每年能够生产 9 百万吨的热轧卷。如果每台连铸机差不多上两流 的话,那么整个连铸机需要浇铸同样数量的钢水,才能够使投资和修理费 用最低。测量技术
3、差不多使用以提升结晶器的通钢量和拉速,当两流板坯 连铸机平均拉速为2.4m/min,最大速度可达2.6m/min,能够增加生产力到 4.5百万吨,。1.1 增加结晶器的通钢量从历史观点来讲,结晶器的通钢量通过最小化连铸机修理时刻差不多 有所提升,最小化连铸机修理时刻采取的措施有: 1从结晶器上部装入 引锭杆;2多浇次连续浇铸;3最大化中间包;4钢水流线型进入 中间包。当流线型困难时,能够分不使用 5铸坯动态调宽和 6变换 钢种等级。结晶器中不管是自动调宽依旧等级变换,在不停浇的情形下, 钢种都在中间包中进行和 /或电磁制动以最小化结晶器中熔池中混合的钢 水。耐火材料的进展也增加了结晶器的通钢量
4、,这要紧表现在 7大的热 周期的中间包,8枯燥、振动形成的 MgO 与葡萄糖粘结剂形成的小中间 包的工作内衬, 9内衬区,采纳不同结构的氧化铝 -石墨浸入式水口 SE N以减少堵塞。停浇操作也降至最小,采纳手段为10快换浸入式水口 和 11快换中包 1。此外, 1 2开发了耐用的连铸机零件,例如在结晶器内壁涂上Ni/Cr合金以优化冷却水通道,液压振动系统,牢固的小直径别离式支撑辊,扇 形段结构采纳合金,气雾喷嘴能够在不堵塞喷嘴的情形下实现弱冷和平均 冷却,这些都最大化了结晶器的通钢量,这些技术的进展为当代板坯连铸 的成功铺平了道路 2 。1.2 提升拉速 以增加生产力为目的的高拉速连铸遇到了专
5、门多困难,尽管经推测的 实际坯壳厚度能够在不漏钢的情形下使拉速到达 8m/min。对传动板坯连铸 机配置 3,一个明显的困难是:高拉速连铸机需要的冶金长度较长,这导 致投资增加,同时,外表缺陷,非金属夹杂物甚至漏钢都会随拉速的增加 而增加。然而,大局部的困难依旧被克服了,在尽可能减少投资和修理费 用的情形下提升了拉速,而不是增加了流数,在先进的连铸机上采纳的措 施如下:最严峻的困难是结晶器下方铸坯坯壳的漏钢,漏钢的缘故被证实是结 晶器和坯壳的局部粘结。由于坯壳外表显现拉力,随后坯壳朝连铸拉速45C 方向这是剪切力最大的方向产生撕裂造成的,撕裂没有愈合就扩展了, 液态钢水从结晶器出口处流出。这种
6、现象首次通过采纳比拟漏钢坯壳的形状和在结晶器铜板中植入3D排列的热电偶以观看结晶器相应的专门热流 情形观看到,该排列差不多加固,并能够通过启动报警来推测漏钢。当有 报警信号时,通过降低拉速,使结晶器中形成的裂纹愈合,随后再复原至 原先拉速。该系统1能够有效的防止粘结漏钢,差不多作为商业上的标 准设备在专门多连铸机上成功使用。当结晶器保护渣渗透入结晶器/坯壳界面时会形成不适宜的润滑,这也会导致粘结的产生。差不多做了许多工作 以2最优化不同连铸条件和钢种下的结晶器保护渣的熔化速率,软化点,粘度和结晶相。此外,3长结晶器900mm替代了短结晶器700mm以增加结 晶器出口处的坯壳强度,通过屡次对高温
7、时结晶器传热和坯壳强度的研究, 这差不多成为高拉速连铸机的一个通常选择。这是辅以4优化气雾喷嘴 冷却使之不受堵塞的阻碍,5提升结晶器下方铸坯支撑系统足辊和6在二次冷却区采纳小直径窄间隔距离的辊子以支撑铸坯,同时幸免鼓 肚。2铸坯质量的进展高生产力的操作通常采纳高拉速,这会增加铸坯的外表和内部缺陷。 缺陷产生的阻碍因素和缺陷差不多分类,并采取措施来幸免它们,分不如 下:2.1外表质量连铸板坯的外表缺陷差不多被分类,阻碍因素和幸免措施将在不处详 细讲明4。外表裂纹,大局部发生在二冷区的横裂纹,随温度,鼓肚和/或第二脆性区950 CvTv1050 C处的矫直应力而增加,第二脆性区是由 于丫晶界处产生
8、了不纯洁的析出物。为了幸免显现裂纹,二冷方式被设计 为1保持铸坯外表温度在出结晶器时尽可能的高,在结晶器下方温度降 低最小化,随后热量将铸坯重新加热到高处,接着直线降低,直到矫直点。 该二冷方式差不多相当程度的降低了外表裂纹,同时为热装和热轧保存了 热量。在专门少的情形,2在二冷区上部采纳强冷,以使铸坯外表转变为 a相,去除a晶粒内部形成的丫晶界处的夹杂物,随后被热量再加热并 缓冷。一个有味的例外是,高能输入焊接的横裂纹敏锐钢 AHSS 钢板不适 合上述提到的冷却方式 1。这种情形下,3在二冷区上部,铸坯外表 强冷,就像方式 2一样,然而使纳米级析出物形成以提升微观组织,进而 提升强度,使外表
9、不产生裂纹,在随后的二冷区采纳缓冷 5 。外表裂纹差不多大大降低,除了这些努力之外,采取措施还有 4小 直径可别离支撑辊以幸免鼓肚 5设置并保持辊隙像设计的一样平行以保 持凝固段组织 6强劲的路线支撑和根底 7气雾喷嘴,这能够弱冷和 平均冷却铸坯外表。通过 8连续矫直差不多使施加矫直应力的危害减少 到无害的水平。因此,在精心设计的现代连铸机上,在二次冷却区的外表裂纹大多是 由于磨损、辊子不圆和 /或辊子不旋转,辊隙不规那么,排列路线走样,喷嘴 堵塞造成的,这些都可归于修理的缺乏。然而,也有一些对裂纹敏锐的钢 种除外,这需要额外的单独采纳不同平常的冷却方式。更严峻的外表缺陷产生的更确切的地点是在
10、结晶器内,弯月面以下小 于 50mm 的地点,那个地点在高温时形成的坯壳专门薄且不平均。深的振 痕会导致角部裂纹、外表偏析、凹坑和横裂纹的形成。这差不多通过采纳 9高频率短行程的液压结晶器振动系统和非正弦模式以及 10正确选 择结晶器保护渣得到了解决或减少了缺陷了发生。SEN 浸入式水口由于堵塞、坯壳的间歇性膨胀和造成波动的不正当的 手动操作增加了热流造成了过度的和 /或不对称的钢水流入量。波动可诱导 不平稳,流淌的保护渣进入结晶器 /坯壳界面,弯月面处钢水溢出或钢水夹 带,这会形成渣条、凹坑、纵裂、坯壳重叠、角裂、横裂或夹渣。这些缺 陷通常随拉速的增加而增加。弯月面波动的被动操纵由 11优化
11、 SEN 浸 入式水口的出口角度和结晶器保护渣性能,这都取决于通钢量、结晶器尺 寸和钢种。结晶器保护渣性能应满足:a熔化速率能保持液态结晶器爱 护渣厚度足够覆盖弯月面处振幅驻波到达的液态钢水,同时足够平均结晶 器/坯壳界面处的液渣层;b粘度和界面张力足够高以防止夹带的渣进入 结晶器中的钢水中,但液渣要多于进入边界的渣子;c渣膜里的结晶相沿结晶器壁提供了微观气隙来缓冷,从而在坯壳侧保持液态;d吸取夹 杂物并上浮至弯月面;e保护渣外表处具有良好的绝缘能力,以防止弯 月面处过冷。对不同钢种和不同拉速,找到同时满足a至e的一种保护渣是困 难的。尽管有许多体会和模型,结晶器振动的相互作用和保护渣的流入行
12、 为仍旧需要澄清。因此,在或多或少试验和错误的根底上,差不多开发了 特定应用的连铸保护渣。在那个地点,作进一步的深入研究是绝对有必要 的。结晶器中,不适当的结晶器锥度造成纵裂,但 12结晶器锥度随拉 速和钢种的操纵差不多到位,长期以来降低了裂纹的发生率。包晶钢由于凝固过程存在L+ Sy的转变而显示出了专门的体积收 缩,该转变产生了细小的皱纹,甚至生长出了不平均的坯壳,因此结晶器 和保护渣界面存在不平均的热流,在大于 1.6m/min 的高拉速情形下导致了 外表质量缺陷,通常为短的纵裂、凹坑和横向裂纹。这些缺陷并不是在所 有的铸坯上都有,而是在拉速降低时存在。优化连铸工艺参数,专门是 1 3正确
13、选择结晶器保护渣,抑制弯月面处的波动,在浇铸包晶钢板坯,拉 速为 2.2m/min 时,都能有效的降低缺陷。为了在更高的速度浇铸,还需要 做更多的研究,否那么,综合钢铁厂连铸机的生产力可不能增加,因为那儿 的产品组合包含了专门大一局部的包晶钢钢种。组合使用上述提到的113被动措施,再加上严格的连铸机操作和修理,差不多实现了热装和 热送铸坯。排除外表清理能够节约能源,增加产品收得率和保持顺行。然 而,对更先进的主动操纵,我们不得不等待进展 14结晶器中电磁变化 操纵通钢量,这将在第 3.2 章节进行描述标号错误,没有第 3章节,请注 意!。2.2 内部质量 在内部缺陷中,过去经常遇到的皮下裂纹,
14、角部裂纹,中间裂纹 和中心裂纹差不多大大降低,这是由于在高拉速时,在连铸机设计和标准 化方面采纳了上述提到的进展。仍未解决或局部解决的是宏观夹杂物外生 源和大型内生夹杂物以下统称为宏观夹杂 ,在最初的坯壳中存在氩气泡 夹带,靠近铸坯厚度中心处存在溶质偏析点 /带。221宏观夹杂和氩气泡随着对质量要求的进一步提升,宏观夹杂的临界大小也在降低。目前, 在日本,75%以上的碳钢要通过有效的LF和/或 RH以满足质量要求。在如 此的气氛下,宏观夹杂大多发生在钢水从钢包转移到中间包和中间包转移 到结晶器的过程中,专门是在非稳固状态,要紧来源是空气的二次氧化, 钢包覆盖剂和SEN浸入式水口材料的脱落。因此
15、,减少宏观夹杂的措施第 一要在中间包,其次要在结晶器中采取。在中间包中1,措施有:1最小化钢包覆盖剂进入中间包;2通过长水口和保护套管保护钢水到中间 包中;3采纳氩气或中间包覆盖剂覆盖中包熔池,覆盖剂为低活度的二 氧化硅,最低含量的氧化铁+锰氧化物通常小于3% ; 4使用大体积的 中间包,最多达80t,它有足够深的出口挡墙以确保较长的停留时刻,以便 夹杂物上浮,幸免漩涡的形成,同时幸免中包覆盖剂进入结晶器中。对1,措施还不够,它要求更好的设备,在空间和操作都可行的情周期,并】图1大型中间包80t与水冷的Ar气密封盖,开浇填充 1500mm原 文此处单位错误对一个小尺寸中间包可能会有例外,设备可
16、能有些成效,但只要有可 能,举荐使用较大些的中间包。在开浇和停浇以及连浇中,二次氧化和夹 带导致钢水中的宏观夹杂进入结晶器中。在开始浇铸板坯时减少宏观夹杂 长期以来一直采纳5延长开浇填充时刻6,它不同于传统的开浇填充, 因为它能够在开浇“ 10min前使热周期中间包保持熔池深度在 1500mm, 这可能是由于通过滑动板吹氩气,幸免了中包水口钢水的冻结。顺便提及,6热周期中间包差不多仅用一个中间包就连续浇铸了一个月,见图 2和 图3所示。结果显示,大幅度减少了宏观夹杂和耐火材料的本钱,自 19 89年以来,中间包修复工作专门少预热。5min浇铸板坏比復®嵩左云三老*g-:-1C min
17、S minij :;?E<e;2图3通过10mln内扩大开始填充范畴1500mm,板坯上部宏观夹杂降 低了在中间包中,陶瓷过滤器、电磁搅拌、钢水真空转移、通过多孔砖吹 氩、使用AC或DC等离子枪或变频感应加热等措施都被采纳1。只是, 考虑本钱/空间以及操作,前三者慢慢消逝了。当每炉浇铸时刻过长时仍使 用加热器。事实上,在小方坯/大方坯连铸机上使用变频加热器,它们使用 小尺寸的中间包;在板坯连铸机上使用等离子枪,它使用大尺寸中间包。 关于后者,中间包的快速转向治理和高速率浇铸相结合,使得中间包中保 持较高温度,如此加热装置变得不是必须的。中间包使用氩气看起来仅局 限于等离子枪冲击的热点和中
18、间包的大局部钢水之间的传热。钢水和SEN浸入式水口的传热从中间包连续到结晶器,传热速率由中 间包中液态钢水熔池的头部、塞棒或滑门操纵,后者对大尺寸中间包更常 用一些。连铸过程中,铝脱氧钢随 Al含量的增加,SEN浸入式水口发生堵 塞是一个困扰已久的咨询题,它会降低生产力,并损害铸坯质量。堵塞的 机理目前差不多差不多清晰,然而目前还没有专门成功的方法能够幸免该 现象,例如,a使用厚的耐火材料内衬以幸免周围氧气经由 SEN浸入式 水口的氧化铝石墨壁上 CO和SlO的渗透,当钢水中的Al与氧化物接触时; b采纳光滑致密的氧化铝套管或稳固的石灰氧化锆涂在SEN浸入式水口的内壁,以降低钢水中Al的粘性;
19、c钻孔外形为逐步减少氧化铝夹杂传 至内壁提供了时机;d对相似情形,钢水入口流量产生了漩涡,所有这 些都没有获得普遍的成功。有些有效的手段差不多成为传统被使用,如7钢水中参加Ca,以使 粘性氧化铝转变为液态的钙铝酸盐;8从中包水口或SEN浸入式水口吹 氩,以使通过氩气的吹入抑制空气进入内壁;9使用大直径孔,以预备 堵塞时快换。事实上,条款7在结晶器中引入了钙铝酸盐,条款8 提供良好的氩气泡,与氧化铝夹杂物结合,夹带并形成带状物;条款9那么完全是一个被动的措施。能够解决该咨询题的普遍有效的措施还没有发 觉。中间包中采取的措施并没有完全排除钢水中的宏观夹杂进入结晶器此外,SEN浸入式水口也有脱落,这
20、增加了水口的堵塞和进入结晶器的钙 铝酸盐夹杂物含量。因此差不多对结晶器采取了措施,包括10选择垂直弯曲/渐进弯曲类型的机器设计,其中结晶器区域和二次冷却区的顶端部 分的垂直区域大约有3m,这有利于夹杂物上浮。关于连铸钢种的需求,该 设计的优势差不多在20世纪70年代末被成认,并在日本取代了许多典型 的板坯连铸机,同时,近30年前也在世界上日益得到了普及。弯月面处波动和出SEN浸入式水口进入坯壳熔池的钢流渗透深度减至 最小,采取措施包括11按照通钢量和结晶器尺寸,优化出钢口角度和 S12结晶器中0.5出/$能够使夹杂物离开凝固坯壳,并上升至结晶器钢水的流尚q最大|保护渣中q MESS,EMLA,
21、或者13减缓SEN浸入式水口出口钢流,使IIf较薄铸hr深度进入熔池,以利于夹杂物上浮至结晶器保护渣中坯中的穿透C-MOld , EMLS。典型的示意图见图4和图57,8。n一 n 一丨EN浸入式水口的插入深度,得到一些主动的成效。这些被动的措施在降低 宏观夹杂方面有限。相反的十动的措施差不多开发,如川成松功侧O=Krrm结晶器中的不同电磁搅拌心L s屮仙过迹陲F底邮图5结晶器中的不同电磁制动、JT R - 1 RI I优化操作条件下,;二者在抑制弯月面处波动都显示出了一定的优点, 降低波动与外表缺优化操S 0.5图6得到降低0.0陷系见图6和图7。制板和骨线t中碳结晶器匚用磁搅拌后,浇铸LC
22、AK板坯皮下大型氧化铝夹杂EMS XEMS幵图7结晶器中使用电磁搅拌后,浇铸 MC-HSLA板坯产生的纵裂得到降低一样来讲,搅拌在去除皮下宏观夹杂和氩气泡更有效,因为金属流冲 刷靠近弯月面的凝固前沿,这在今后能够操纵,因此,带钢种类对浇铸铸 坯外表的要求更期望长条状缺陷减少。搅拌也使结晶器中的过热散失平均, 增加熔池末端等轴晶的形成,在一定程度上有利于降低中心偏析。浇铸洁净敏锐钢种时,制动更适合用来降低高通钢量时的宏观夹杂。 此外,制动的优点在于增加弯月面处钢水温度,大约 5C,这是由于电磁能 的输入。该增加有利于减薄结晶器壁处凝固钩的坯壳,减少钩子处宏观夹 杂和Ar气泡的捕捉,减轻振痕深度和
23、结晶器/坯壳边界处保护渣的流入,从 而减少角部裂纹、纵裂和凹坑。222中心偏析詩-龙4过去,采纳铸坯电磁搅拌EMS和凝固末端电磁搅拌,尝试驱 左、拉I. 12 - I. Irinin散熔池末端形成的等溶质偏析点-的措施,是距通常呈锥形减少,辱收缩。压:由晶间的溶质富如果没有溶质偏析带在铸坯凝固末端通过一对辊子 J f由于凝固和铸坯凝固末端温度的降低造成了过度 多进行了研究, 度处形成等轴 如此可不能吸取溶质蠶集的树枝晶间液彳束时压下量可能会增加F量的优化差不'液体分布更加0平均。以减少板坯中心厚度处的可辨不 目前,降低偏析点和偏析带的最有效 :实行轻压下扇形段处的辊子间图8显示了压下量
24、大约为0.75m晶,压下量在凝固末端正好完成, 体进入凝固末端,从而等轴晶间的0.51,01.5压卜址t mu H)图8优化凝固末端轻压下以减少板坯的中心偏析章节2和3的表达来自于自己的体会,但最近欧洲的趋势 9,10与之相 似。4传感,建模与过程操纵、性能及生产在连续铸造中,所设计的单元过程与铸坯质量紧密有关。增加的生产 力受工艺和质量的阻碍。因此,关于提升生产力来讲,工艺的综合操纵是 至关重要的。关于阻碍生产力和质量的单元过程、关键参数应在构建任何 操纵结构前充分了解。传感器的进展关于监控阻碍生产力和质量的参数, 建立模型来重现生产过程是操纵系统的重要先决条件。关于钢包渣进入中间包中,许多
25、执行设备,例如挡渣球、飞镖,带有 气体注入的蝴蝶阀和简单的挤压操作,都进行了测试,然而成效有限。钢 包渣的流出由光学或声学传感器进行操纵也未获成功,这是由它自身固有 的缺点决定的。电磁传感器一直还算有用,但缺乏以排除夹带,因为当它 侦测到有夹带行为时差不多晚了。对后期浇铸过程的保护渣和钢水行为进 行建模仍显缺乏,推测夹带开始的时刻还不够准确。关于要求专门严格的钢种,唯独的实际操作手段是在钢包中保存相当 数量的金属,上面是钢包渣,并把这些金属返回到上游,但这会牺牲生产 力并增加本钱。基于良好的建模和传感器,需要开发更加智能化的操纵, 以幸免渣随钢水流下、中间包中由于钢包渣的夹带产生的二次氧化等难
26、题。 正如前面所述,在本钱和空间都许可的前提下,结合电磁感应器就像AMEPA和电磁流量操纵驱动器可能是一个解决方案。对结晶器弯月面,电磁液位传感器结合 SEN浸入式水口通钢量操纵, 浇铸速率和鼓肚差不多成为一个抑制波动的有用的二级工具。电磁流量操 纵中,弯月面处进行动态流量分析能够将电磁场分析 Maxwell方程和流 体流淌分析Navier-Stokes方程与当时的操纵意见观看员,采纳的/从 调度-H 处获得的简单非线性自适应相结合并给出解决方案11。近期弯月面处电磁金属流速传感器的进展差不多能够在原处/实时确实定流速以验证流量分析和阻碍流淌的因素。当流体 /热通量与各种外表缺陷 的关系都定量
27、的明确后,使用电磁手段对流体和缺陷进行动态操纵就变得 有可能。这种操纵差不多在轻压下系统中,利用模型和监测过程的参数进 行操纵使用。模型推测的凝固末端的位置正好让辊子在那儿执行各种连铸 过程的工艺参数并进行压下。过程操纵由传感和模型已扩展至质量操纵。 单元过程操纵已开始对三级进行整合,使生产总量进行操纵成为可能。5结论传统板坯的连铸差不多专门成熟,在本钱和市场的驱动下,向更高生 产力和提升质量上进展。结晶器通钢量和拉速有待改善以提升生产力,同 时,宏观夹杂和溶质偏析需要最小化以保证质量,如此的要求在今后还要 连续下去。为了满足要求,金属传输系统需要 1进展设备,以停止钢包渣进入 中间包,这能够
28、由电磁传感器和流量操纵组合实现; 2通过长水口或套 管传递金属,向中间包中通入氩气; 3采纳热周期,结构简单的大型中 间包80t,没有其它设备,但向底部出口倾斜,以确保有足够的熔池深度 >1.5m; 4采纳氩气密封盖或覆盖适宜成分的中包覆盖剂以隔离中间 包中的钢水;5钢水开始填充后,采纳合理的保持时刻10min。当 采纳上述措施后,钢水从中间包进入结晶器中, SEN 浸入式水口的堵塞能 够使用大孔径的 SEN 浸入式水口得到充分减少,而且它能够在浇铸过程中 进行即时改变。在过去的几十年中,这些措施已得到应用,然而,由于操作上的困难, 措施使用的还不完整。只是,在工业生产轴承钢中采纳的中间
29、包,采纳全 氩封,再加上钢包中残留的金属,这能够幸免渣漩涡,在过去的二十年间 差不多实现了,由于二次氧化和炉渣乳化产生的宏观夹杂实际上差不多不 存在了。对结晶器来讲,采纳适宜的结晶器保护渣和SEN浸入式水口,优化电磁钢水操纵,结合先进的结晶器设计及液压振动是最终的解决方案。优化 需要更好的传感器来监控钢水流淌,分清初始凝固和外表缺陷的关系并建 模,采纳模型并结合当时的操纵意见进行综合操纵。本文还有更多的研究 工作要做。在二冷区,设备、建模和操纵都需要正确的进展,以排除更多 难题。然而,在较高拉速时,较好的模型和凝固末端轻压下操纵需要更好 的进展以适应高速连铸。传统板坯连铸在生产力方面操作其它类
30、型,通过全面采纳 TMCP-AcC 工艺并集合较高的压下量,还能够生产更多先进钢种,专门是在钢板领域 更是如此。能够预见,拉速和铸坯质量仍是今后的先进方向。参考文献1 Sahai, Y. and Emi, T., Tundish Technology for Clean Steel Produc tion, World Scientific Publ., Singapore., 20212 The Making, Shaping and Treating of Steel, 11th ed., Casting Vol ume, Cramb, A. ed., AISE Steel Foundat
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