宽厚板坯连铸技术和宽厚板生产

宽厚板坯连铸技术和宽厚板生产北京首钢机电有限公司钱振伦摘要：文章叙述了我国近几年宽厚板坯连铸技术和宽厚板轧制生产的最新发展，重点评析了我国新建的宽厚板坯连铸机和宽厚板轧机所具有的当代世界的最新技术，介绍它们的设备特点、工艺过程和控制方案。提出了关于宽厚板坯连铸装备和工艺技术自主研发和生产高等级宽厚板的几点思考。关键字：宽厚板；板坯连铸；轧机；宽厚板钢材生产技术的新发展在整个“十一.五”期间，我国建设了十四套宽度在4100mm以上的宽厚板机，增加产能2400多万t。满足大型海洋工程和造船业，大型桥梁，大口径石油、天燃气输送管线大型压力容器和^罐，重型建筑结构(特别是高层、防火、耐侯、大跨度和非对称的空间结构用途),大型水利电力，核能和机械工程的技术进步和旺盛需求，极大地拉动了高等级宽厚板生产的发展。高强度宽厚板不仅要求具有高的强度等级，要求高的纯净度,高的韧性和抗疲劳特性;良好的厚度公差、板形、表面质量和性能的均匀性，还要求具有良好的焊接和加工性能及其它特殊性能.高强度宽厚板是典型的高技术含量和高附加值产品，它的自主供应和满足极端需求的能力，是国家工业发展战略和安全的综合能力的体现。宽厚板轧机生产的产品的厚度在5-150(200)mm,宽度在3800-4800(5300)mm.我国新建的这十余套宽厚板轧机，大多由SMS-Siemag和SIEMENS-VAI承担技术总负责，具有当代最先进的机电液一体化配置，有效的板形和厚度公差控制，最优化的工艺和自动化技术；特别是SIEMENS-VAI的Mulpic多重目标分级冷却技术，SMS-Siemag的加速冷却和直接淬火技术，不仅解决快速冷却，获得精确的微观结构；它们与适当的工艺模型和控制系统配置成为精确的冶金工具，是现今宽厚板轧机升级投资最积极的领域。高强度宽厚板钢材的屈服强度在345MPa以上，用于重大钢结构的则有Q390、Q420和Q460,例如2008年奥运会主体工程一国家体育场（鸟巢结构）大量使用了我国舞阳钢厂生产的厚度为110mm的Q460E-Z35钢板；为了提高安全性和整体性能，减轻自重，减少焊接量，造船和海洋平台则多用D36和E36以上的宽幅厚板;1220mm以上的大口径石油和天燃气输送管线多用X70级或以上，甚至X100和X120等级的抗硫化氢腐蚀的宽厚板；这些用途的宽厚板往往还单独或综合要求具有良好的低温冲击性能，抗焊接热影响和裂纹敏感特性，或者试件断面收缩率达到25%或35%以上的抗层状撕裂的性能.表12010年末前我国新建投产的宽厚板轧机企业名称轧机宽度mm设计产能万t/Y技术来原投产年月宝钢5000180SMS-Siemag2004.12首钢秦板4300180SMS-Siemag2006.10沙钢1#5000180SIEMENS-VAI2007舞阳2#4100180SIEMENS-VAI2007.2包钢4100140SMS-Siemag2007.10宝钢罗泾4200160SMS-Siemag2008.2鞍钢鲅鱼圈5500200SMS-Siemag2008.8莱钢4300180SIEMENS-VAI2009.1武钢鄂城4300120/(160)SIEMENS-VAI2009.4营口五矿4800200SMS-Siemag2009.9沙钢2#5000180SIEMENS-VAI2009.9重钢4100130中冶赛迪/二重2009.9济钢4300180SIEMENS-VAI2010.4湘钢5000200SIEMENS-VAI2010.9兴澄特钢4300165DANIELI2010低合金、高强度的宽厚板的生产和技术进步是国际钢铁业发展热点.近几年在我国周边建成或正在建设的5m和5.5m的宽厚板轧机有：俄罗斯的MMK和OMK集团，韩国的浦项、现代制钢、东国制钢集团公司，印度的Essar、Jindal钢铁公司和泰国的Canadoil钢铁公司。另外我国宝钢集团宁波钢厂，河北文丰钢厂正筹建4.3m宽厚板轧机。高纯洁，无缺陷板坯是生产高品质宽厚板的前提高品质宽厚板生产是基于炼钢一连铸一轧机一精整（热处理）全流程的高效，准确的工艺衔接和管理技术。除了舞阳钢厂全部和宝钢部分采用电炉炼钢，部分采用模铸之外，我国其它宽厚板生产企业均采用长流程的生产工艺。长流程工艺生产宽厚连铸板坯由铁水预处理一转炉炼钢一炉外精炼一连续铸钢四部分组成。板坯的质量是指合格钢板所能接受的缺陷程度，是对铸坯的纯净度，表面缺陷和内部缺陷的评价。铸坯的纯净度，夹杂物颗粒的大小、数量和分布，取决于钢水进入结晶器前的冶炼处理过程和浇铸过程的工艺控制；铸坯的表面缺陷，裂纹、夹渣和气孔，主要取决于钢水在结晶器内凝固和坯壳形成的过程，与结晶器液面控制和流场设计，结晶器振动及保护渣等因素有关；铸坯的内部缺陷，疏松、缩孔和内部裂纹，主要取决于铸坯在导向区内的二次冷却和支撑，防止铸坯鼓肚和实施凝固过程的压下。宽厚板坯连铸是高品质宽厚板生产流程里至关重要的前提，新建设的当代最先进的板坯连铸机的技术进步主要体现在工艺装备的日益优化，机电液和工艺介质的一体化装备技术更加成熟，无缺陷铸坯的生产技术先进实用，自动化系统和工艺控制水平不断更新和完善，满足生产实际需要的智能操作软件的开发和应用效果显著。新设计的板坯连铸结晶器都采用了紧凑式设计，刚性好，可实现快速更换，水系统自动对接；在功能上充分完善均匀的坯壳的形成，保证铸坯良好的内在和表面质量；把结晶器液面动态控制在最佳的状态，自动浇铸，确保连铸机高效运行；有效地防止坯壳粘结或漏钢的发生；液压振动可在浇铸过程中动态控制振幅，振频，波形和它们的偏斜率，有良好的导向精度，调节非正弦因数，可优化负滑脱时间使铸坯振痕变浅，防止表面裂纹产生，保证铸坯的表面质量。为了有效地消除板坯的中心疏松和凝固过程铸坯中心产生的裂纹，引进技术建设的板坯连铸机都采用了动态收缩辊缝——铸坯凝固末端的软压下技术，在拉坯过程中根据铸坯液相穴的位置的变化，动态地调整辊缝和辊列的锥度，使凝固末端铸坯经过机械压缩获得2%左右的软压下。铸坯在二次冷却区进行均匀的强制冷却，使之得到最佳的冷却速率，保证铸坯的质量；动态控制的冷却系统，由计算机计算的温度分布的热跟踪模型，确定冷却的强度和分布，配置冷却的策略。具有动态软压下功能的板坯连铸机都采用液压夹紧扇形段，远程调整辊缝和具有足够精度和刚度的设备条件，成熟和可靠的工艺软件包的支持。液压远程调整辊缝的铸坯导向系统极大地支持了连铸生产和操作的灵活性。连铸坯质量在线实时评价系统和自动化集成体系，使得连铸坯的质量管理从传统的废品率控制转变为以控制工艺参数为主的无缺陷铸坯生产；实现优化工艺过程，优化操作，最大限度提高无缺陷铸坯的比率，同时能把不合格和有缺陷的铸坯识别出来，不进入轧制；系统具备浇铸策略和过程计算功能。近几年来，连铸坯质量在线判定评价系统越来越成熟。连铸技术的国际主要承包公司都能提供各具特色的包括生产控制级（L3）在内的计算机自动化集成系统。SMS-Siemag公司的“X-契约”（X-Pact）自动化控制系统涵盖了炼钢一连铸一轧钢生产全过程，实现交钥匙工厂的任务，为用户“量身定做”；同时具备为用户人员操作和维护培训提供条件，符合该公司的“Plug&Work”,即插即用的理念。SIEMENS-VAI公司开发了适用于新建或改造连铸工厂的，集成了前述相关技术软件包的控制和解决方案，这个模块化设计的系统可使用户实现该公司Connect&Cast,“即连即铸”的设计思想。表2我国宽厚板轧机配套的主要连铸机的参数用户/配套轧机连铸坯规格(mm)机X流基本弧半径R(m)冶金长度(m)设计产能(t/年)投产年份技术来源宝钢/5m200/250/300X1300-23001X21031.172302005JSP宝钢/4.2m200/250X1500-23001X19.535.05491502007.11DANIELI首钢/4.3m200/250/320X1500-24001X110.531.148142.72006.3SMS-Siemag300/350/400X1500-24001X111451102010.6SIEMENS-VAI沙钢1#/5m220/320X1800-27001X110.7526.131502005SIEMENS-VAI舞阳/4.1m200/250/300X1300-25001X110.535.981302006.11西重所包钢/4.1m200/250/300X1200-23001X19.539.355152.22007.7DANIELI莱钢/4.3m200/250/300X1500-25001X110361502007SIEMENS-VAI鞍钢/5.5m200/250/300X1500-23001X11036202.42008SIEMENS-VAI鄂钢/4.3m200/250/300X1500-23001X11036.82002009.7SIEMENS-VAI沙钢2#/5m220/250/320X1500-23001X110362002009.11SIEMENS-VAI湘钢/5m260/300X1200-23001X11036.51202009SIEMENS-VAI宽厚板坯连铸技术的重要发展为了适应150mm以上的特厚板材生产，国际上研发了厚度达400mm的超厚板坯连铸机。SMS-Siemag公司1998年为德国迪林根钢厂(Dillingen)5.5m轧机设计制造的230/250/300/350/400x1400-2200mm超厚板坯连铸机，是世界上现存的最厚的板坯连铸机。它是一台一机两流的立式连铸机，冶金长度为15.7m；铸坯完全凝固后，通过R=8m的顶弯辊和拉矫机，进入水平的出坯区；机组从浇铸平台往下垂直高度达28.12m;设计年产量140万t。去年委托SMS-Siemag公司对该机组进行改造，使之具有结晶器液压振动、凝固末端轻压下的先进功能，增加X-Pact自动化控制系统，以期改进铸坯内部质量和适应更多产品，改造将在2010投产。SMS-Siemag目前正在为俄罗斯MMK冶金联合企业的5.5m轧机制造另一台同样的超厚板坯连铸机为之配套。新日铁一台245-400x900-2360mm超厚板坯立式连铸机，冶金长度为9.1m,可小批量生产超厚钢板。SIEMENS-VAI公司在2008年7月成功的把奥钢联林茨钢厂板坯厚度为285mm的5号连铸机改造为355x1650mm的基础上，为该厂新建一台225/285/355x740-2200mm宽厚板坯连铸机，这是一台直弧型连铸机，弧形半径为10m，冶金长度约为35m，设计产能140万t/年，将于2010年9月投产。SIEMENS-VAI公司正在为韩国浦项的5.5m轧机配套设计制造一套250/300/350/400x1600-2200mm的超厚板坯直弧型连铸机，弧形半径为16m，冶金长度为23.9m，设计产能136万t/年，计划于2010年2月投产。首钢在2008年引进SIEMENS-VAI公司技术，正在建设一台当代世界规格最大，技术水平最高，最现代化的超厚板直弧型坯连铸机。铸坯为250/300/350/400x1500-2400mm，冶金长度约为45m，基本弧半径11m，年产能力110万t,将在2010年6月投产。该套连铸机集中了SIEMENS-VAI最新的板坯连铸技术的发展成果，采用了宽厚板坯连铸过程优化的综合解决方案。铸坯导向和二冷区由1个垂直段、1个弯曲段、6个弧形段、2个矫直段和9个水平段组成。与常规板坯连铸机不同，它增了一个垂直段，使得垂直段的长度达到3571mm。在这套连铸机上还配置了SIMETAL3DSprays和Dry-StarRoller两项最新技术成果。SIMETAL3DSprays系统，是SIEMENS-VAI公司开发的液压驱动的三维二冷水动态配置系统，布置在弧形段和矫直段，可在垂直平面上线性调整二冷喷嘴的位置，使其与铸坯的宽度相适应，防止二冷段内铸坯边部的过冷却和边部裂纹发生；与SIMETALDynacs动态二冷模型联接，在线决定铸流的温度分布，使得整个宽度方向铸坯截面达到温度均匀。Dry-StarRoller，是一种园周内冷却铸坯导向辊，使用于弯曲段以下的所有扇形段，辊面下120°布置的三路互不干涉的冷却水套，最大限度地改善了表面冷却效果，降低了喷淋热效应的疲劳破坏，增强软压下效果，适合于裂纹敏感的钢种。宽厚板坯连铸装备的技术进步与宽厚板生产生产宽厚板的轧制坯料除了要求合格的成分，内在和表面质量；它的厚度、宽度、长度将直接决定轧制产品的规格和力学性能，影响轧机的生产率，坯料的成材率等技术经济指标。一般认为采用连铸坯轧制，铸坯的厚度与钢板成品厚度应有3倍或以上的压缩比（模铸扁钢锭则要求6倍以上的压缩比）；连铸坯的宽度应尽量大，便于横轧工艺的实施。我国目前建设投产的用于宽厚板生产的宽厚板坯连铸机都不同程度的具有前沿技术特征，很高的装备水平，配置了高水平的工艺模型和控制软件，完全具有生产高品质的无缺陷连铸坯的条件。但是生产的连铸坯规格厚度大多＜300mm，轧制厚度＞80mm的高物理性能和等级的宽厚板材，工艺条件受到限制。宝钢和舞阳钢厂具有电炉冶炼和模铸生产宽厚板的条件，采用传统模铸工艺生产的扁锭，仍然具有高纯净钢和组织生产单件小批量，特殊用途钢材的灵活性。宝钢5m轧机二期工程粗轧机投产后，能采用1000mm厚的钢锭，轧制400mm的特厚钢板。最近舞阳钢厂经过多轮次试验，以连铸坯替代模铸扁锭轧制厚度130-150mm的钢板，成材率比模铸提高15%，达到88%以上；用连铸坯轧制可大大降低加热能耗和费用，以300mm厚连铸坯为例，其轧制前加热时间是4-5小时；而模铸生产对应的扁锭加热时间需要10多小时。西安重型机械研究所为舞阳钢厂设计的200/250/300x1300-2500mm是为该厂引进技术建造的4.1m厚板轧机配套工程。这套连铸机的机械设备和二级自动化设计具备动态轻压下功能（二级自动化系统委托SIEMENS-VAI设计），如在相关的工艺模型的支持下可实现凝固末端软压下，应该说该套连铸机是迄今我国自主集成的装机技术水平和效果较好的宽厚板坯连