高效连铸技术的研究进展

高效连铸技术的研究进展

近年来，我国连铸技术快速发展，2001年连铸比达到90%以上。但目前普遍存在生产效率低、原料及能量消费大、浇铸钢种少且质量水平低等问题,难以形成“炼钢—连铸—轧制“三位一体的连续配套生产模式。较之常规连铸技术,高效连铸技术具有更高的浇注速度、高的连铸机作业率、高连浇率、高的质量水平及高的出坯温度。其核心是高拉速,其目的是提高连铸机和整个配套流程的生产效率及铸坯质量。实现连铸的高效化是一项系统工程,应充分研究和利用对钢液连续铸造过程中的流动、传热、应变及溶质偏析现象的规律,对工艺技术进行不断创新以获得较好的经济效益。1高效连铸钢液流动模式和铸流特性的优化设计高效连铸技术对于钢液的浇注温度、洁净度及流动稳定性等方面的要求严格,因此有必要通过数学模拟和物理模拟来对中间包内钢液的流动特性和温度分布进行深入研究,并广泛应用中间包冶金技术,优化中间包的结构参数以获得良好的流动模式和铸流特性。众多研究及实践均表明:(1)在连铸高效化改造中应采用大容量、高寿命、深型中间包,且包型可通过流动模型仿真计算来进行优化设计;(2)通过控流及过滤设备(包括坝、堰、导流板和过滤器)的优化组合应用,可以有效地控制钢液的流动方向、流动模式和停留时间,更有利于夹杂物的上浮分离和过滤;(3)采用如螺旋喂丝技术等各种精炼方法可以对钢液的成分和温度进行准确调节;(4)采用等离子中间包加热技术,添加既能起保温作用又能起成分微调作用的覆盖剂,实现多炉连浇和低过热度高速浇注;(5)中间包热周转技术可降低热损失、稳定浇铸温度,有利于高效连铸的顺行;(6)中间包内衬材质的改进,可大幅度地提高中间包的使用寿命。2结晶器的传热及变形控制结晶器的内腔结构尺寸、钢液流动模式及其传热能力大小是影响连铸坯质量和连铸顺行的重要因素,近年来研究人员应用三维流动传热耦合数学模型及水力学模型对其进行了仿真及实测研究[9,10,11,12,13,14,15,16],并获得了适用于高效连铸结晶器的研究成果及实用新技术:(1)结晶器液面的波动及保护渣熔化的性能不良会导致结晶器各壁面的热流密度不一致,对铸坯的质量有不利影响。可采用基于人工神经网络模型等的专家系统对结晶器液面位置进行自动化精确控制以使结晶器液面位置的波动值控制在很小的范围(一般可控制在±3mm的范围内,最好为±1mm)。采用电磁制动技术来对结晶器中的钢液流动行为进行控制以抑制由于伸入式水口射流所引起的回旋流及抑制钢流的冲击深度,促进夹杂上浮和使结晶器中的坯壳厚度均匀,减少漏钢等事故。同时应选择传热性能和润滑性能较好且均匀的保护渣以及适宜的伸入式水口类型,从而提高铸坯质量。高效连铸保护渣的关键是在高拉速下,保护渣膜的润滑要均匀,对坯壳的传热要均匀。为此,保护渣的熔化速度要与高拉速相适应,比传统低速连铸要快。另外,由于正常拉速范围加大,而保护渣随温度的变化其主要物理化学性质如熔点、粘度、吸收夹杂等能力的变化要小。(2)为确保高拉速条件下结晶器出口处铸坯具有足够厚度的凝固壳(防止漏钢事故),结晶器铜管长度应适当增加,并缩小水缝宽度、增加进水压力和流速及恒压供水,应用导热性能优良的材质等手段来提高结晶器的传热性能。另外还可采用拉漏预报技术来对粘结性拉漏事故进行预报,在出结晶器时采用有效的铸坯支撑和强化冷却技术来提高凝固壳强度和提高冷却均匀性,减少漏钢机率及抑制铸坯缺陷的形成。高效连铸下,结晶器的长度由传统的700~800mm增加到850~1000mm。连铸技术国家工程研究中心的连续锥度结晶器有一种规格的长度为812mm。Danieli公司的Danam-1结晶器,铜管壁厚为11mm、冷却水压为1.2MPa、水缝流速大于10m/s、结晶器材质为Cu-Cr-Zr合金。近年来,国内外已开发出结晶器出口对铸坯的有效支撑和强化冷却技术,成功应用了多级组合结晶器、高速水膜辅加结晶器等技术,可有效提高拉速。(3)铸坯的凝固收缩会导致结晶器壁面与凝固壳之间气隙的形成,且气隙热阻在结晶器总传热热阻中占较大的比例,要正确计算铸坯与结晶器之间的热流就必须对气隙的形成和分布进行准确的判断。在高拉速连铸时,气隙的消除或大幅度减弱是保证结晶器有优良传热效果的关键。可针对不同的钢种(或钢种大类),采用结晶器内钢液的流动及传热-坯壳的传热与应变分析,以及与结晶器本身的传热和应变分析两者相结合的(或完全耦合的)解析方法来研究结晶器弯月面以下不同距离处气隙的形成趋势,并根据气隙的预测值采用连续变化锥度铜管(如抛物线曲线锥度铜管)或多锥度铜管来使结晶器内腔几何形状变化趋势尽量与铸坯的凝固收缩变化趋势保持一致,从而使得铸坯与结晶器壁面始终接触良好,抑制气隙的产生以加强传热的效果及均匀稳定性。(4)高效连铸结晶器应采用适当的振动装置以提高振动的平稳性、确保脱膜的顺利进行以及抑制铸坯表面振痕的形成,较为有效的振动方式是高频率低振幅。可采用控制精度高、调整灵活度高、维修简单、根据需要可任意改变波形、容易控制负滑脱等的液压伺服振动技术和半板簧、全板簧振动结构来提高仿弧精度、避免偏振晃动及改善铸坯与结晶器壁间的润滑与脱膜。(5)结晶器铜管的冷却可采用对水质要求不高且操作灵活的喷淋冷却方式。该冷却方式可根据对结晶器热流分布的要求而对喷淋水的分配进行调节,可有效改善水缝冷却方式由于结晶器的变形或气隙的形成而造成的冷却不均匀现象,从而使结晶器中的钢液得到均匀的冷却,提高结晶器寿命。(6)高拉速下结晶器中钢液流动及浸入式水口的设计及仿真。高拉速下,铸流流量增加,使水口的内径及侧孔尺寸等与常规连铸有所不同。铸流的冲击深度和结晶器内钢液的流动、夹杂物的上浮模式等也发生了变化。铸流的冲击深度更深,夹杂物的上浮时间更短。因此,对高拉速下结晶器中钢液流动及浸入式水口的设计,应专门进行数学仿真及物理模拟研究。3连铸冷却的优化高拉速条件下铸坯拉出结晶器后的表面温度必然有所升高,在二冷区的冷却强度和比水量势必要大幅度地增加,以加速铸坯中液芯的凝固。针对高拉速连铸对二次冷却系统的要求,采用以下5项技术措施:(1)适当延长二次冷却喷淋段长度,实施高强度高密度冷却。一般来说,高拉速下二冷喷淋区铸坯的表面温度要比传统低速连铸低。但过低将使断面温差增大,容易产生内裂。因此适当增加喷淋段长度,使其与铸坯表面温度、凝固的冶金长度等有机地配合。(2)改善喷淋水质量,避免发生喷嘴堵塞事故。提高喷淋水压力并恒压供水,增加喷淋冷却的强度。使铸坯得到良好地、均匀地冷却。对喷淋水应过滤,去除水中的颗粒物和悬浮物。(3)在高拉速下,铸机正常生产的拉速变化较大。为此,应采用适用压力范围大(其最大压力与最小压力下流量的比值大)且雾化性能好的喷嘴。(4)应用基于目标温度曲线、以拉坯速度为输入变量的连铸二次冷却动态控制数学模型对不同浇注条件下的二次冷却水量进行准确的在线自动控制,同时采用脉冲调节方式对供水系统调节阀门进行平稳控制,提高二次冷却水的控制精度。连铸高效化以后,更需要二冷水的自动控制和动态控制,特别对板坯连铸更是如此。(5)连铸高效化后,铸坯更容易产生鼓肚现象。对于(薄)板坯连铸,应采用密排辊列布置或多支点分节辊技术以抑制铸坯鼓肚现象的产生。4拉矫机的工作环境高拉速浇注铸坯具有较长的液相穴深度,在矫直点处铸坯芯部钢液尚未完全凝固,故引起带液芯矫直的问题。此时,若仍然采用简单的单点矫直则势必会使得铸坯内部承受较大的应力应变作用,而引起凝固前沿固液相界面处矫直裂纹的产生,影响铸坯的内部质量。为使矫直区域内铸坯内部的应力应变低于许用范围,可采用曲率半径逐渐减小的连续矫直技术,将集中于一点的矫直变形分散到若干个矫直点上,以确保每一个矫直点上的应变率均处于允许范围之内,带液芯铸坯在连续矫直区域内具有恒定的弯曲力矩及应变率且完全不受剪力作用,因此可以获得无矫直缺陷的铸坯,实现高拉速连铸条件下的无损矫直。由于高拉速连铸铸坯到达矫直区时具有较高的表面温度,故造成拉矫机的工作环境温度有较大程度的升高,因此有必要对拉矫机实施强化冷却以及将电动机安置于高温区外,使拉矫机适应高速连铸的环境条件。剪切设备应采用能充分利用煤气资源、设备故障率低及维修费用低的快速窄缝火焰切割机。以提高设备的可靠性和降低金属的切割消耗。5连铸的技术措施结晶器在连铸过程中对钢液凝固坯壳的形成起着十分重要的作用,在连铸高效化改造中结晶器的相关设计是核心部分。(1)从转炉炼钢、二次精炼及中间包冶金几个方面入手,提高浇注钢液的质量。这是连铸顺行的基础。(2)采用稳定的低过热度浇注技术。使进入结晶器的钢液温度恒定在液相线温度附近(高6~10℃),增加连铸坯凝固组织中等轴晶区所占的比例,改善中心偏析和中心疏松状况。同时,低过热度浇注对于降低出钢温度、提高耐火材料寿命、减少拉漏事故、稳定和提高拉坯速度以及抑制裂纹生成都是十分有利的。由比利时冶金研究中心和南非阿尔贝德厂共同研发的低过热度浇铸技术,采用了一种中空水冷喷射水口来控制钢液的过热度,同时在结晶器下口实行强烈水幕冷却。低过热度浇铸,可提高拉速,明显降低偏析,对开发高碳、高合金钢的高效连铸有重要意义。(3)采用复合电磁搅拌技术,包括结晶器中的电磁搅拌(MEMS)、二次冷却区的电磁搅拌(SEMS)和凝固末端的电磁搅拌(FEMS),可有效控制连铸过程中液相的流动状态、促进夹杂物去除、改善凝固组织、加快凝固末期的凝固速度以及降低枝晶间残余钢液的渗透能力,减少宏观偏析。(4)在铸坯中固相体积分数为0.4~0.8的区域内,采用静态或动态轻压下技术可有效地减少中心缩孔和成分偏析,改善连铸坯的质量。(5)高效连铸及其前后工序的柔性配合和物流管制技术。连铸高效化不但对连铸本身这一单元工序的技术和物流管制有更高的要求,而且还涉及到整个炼钢工序及轧钢工序各生产单元之间的匹配和衔接问题。因此,高效连铸对整个炼钢和轧制过程都提出了很高的要求。为此,要解析铁水预处理、转炉炼钢、二次精炼、连铸过程、铸坯热送、加热及轧制等工序过程的时间、温度和物质流量等因素,进行详细的物流分析和动态仿真;研究连铸高效化后生产组织和调度方案,并进行优化;建立炼钢-连铸-轧钢过程的生产调度管理系统,实现生产模式的最优化。(6)提高作业率的其它措施。除上面讨论的技术措施外,可通过控制漏钢,通过结晶器在线调宽、异钢种连浇等技术,组成一个连浇过程;快速更换浸入式水口,来提高连浇率,从而可提高作业率。缩短连铸的准备时间,快速更换扇形段,可采用上装引锭杆等方法来减少作业时间。6高效化技术应用技术主导地位连铸高效化是提高铸机的生产率、改善铸坯质量以及降低生产成本而获得较高经济效益的途径,是现代钢铁企业优化结构、技术进步和提高市场