电炉炼钢工艺概论-6

1.2.2 连铸坯规格（方、板、圆）分类

目前连铸工艺已经差不多全面取代模铸工艺，成为占支配地位的钢水铸造工艺，连铸生产技术也有了长足进步，形成了多种机型和多种断面浇铸的连铸工业。

连铸机按铸坯断面的大小和形状可以分为板坯、大方坯、小方坯、方-板坯复合式连铸机、圆坯、薄板坯、带坯和异型坯连铸机等。各种机型所能浇注的铸坯断面尺寸列于表1.2。

表1.2各种机型浇注的铸坯断面（mm×mm）

目前世界上连铸机生产主要是以板坯和方坯为主，而在无缝钢管生产中则主要采用圆坯。

1.2.2.1 小方坯连铸机的结构特征

小方坯一般指断面尺寸为55×55~160×160mm的方坯，国内生产的主要是120×120~150×150mm小方坯。小于90×90mm的小方坯拉速快，浇铸难度高，拉漏率高，已很少生产。小方坯连铸机主要用以生产钢筋、盘条、小型型钢、扁钢等。近年来由于采用保护浇铸以及炉外精炼处理技术，提高了钢水质量，也可以生产优质钢及低合金钢。中小型钢厂采用转炉或电炉-小方坯连铸-一火成材轧制工艺，取得了最佳的经济效果，进一步促进了小方坯连铸技术的发展。国内小方坯连铸机的主要是按照开发连铸机的国家和公司来分，主要机型见表1.3。

20世纪80年代初引进的德马克机型，后经消化移植后国内也能制造，这期间新建的小方坯连铸机主要是德马克机型，80年代末又引进了罗可普机型，经消化移植国内也能生产，并且90-年代初新建的小方坯连铸机多采用该机型，其他机型多为买进的二手设备。

表1.3 国内小方坯主要型号

经过二十多年的不断探索，我国在引进上述机型的同时，对它们进行了全面的消化和改进，而且充分吸收了国外的先进技术，集各家之长，设计出适合我国特点的先进小方坯连铸机，即设计院的改进型，不但满足国内小方坯连铸机的需要，而且还出口第三世界国家。

小方坯连铸机的主要特征如下：

小方坯的铸坯断面小，热容量比较小，所以比大方坯、板坯连铸设备工作条件要好，小方坯浇铸过程中，坯壳有自支撑作用，铸坯没有鼓肚现象，例如采用刚性引锭杆的罗可普连铸机型，二冷区导向段设计非常简单，实践表明，其连铸坯质量完全满足标准要求。小方坯的结构特征如下：

1）钢包支撑

钢包支撑主要有以下两种：

⑴ 对于转炉或电炉连浇炉数多，多采用钢包回转台，有利于快速更换钢包，保证多炉连浇，现增设钢包升降和称量装置，有利于长水口安装和显示钢包中钢水量。

⑵ 对于电炉连浇炉数少时，也可采用钢包更换座架，钢包座架结构简单，重量轻，投资少。

2）中间包及中间包车

中间包车采用升降装置，以便于安装侵入式水口，为适应钢水温度的波动及控制拉速，中间包钢流多采用塞棒控制。

3）结晶器及振动机构

采用管式结晶器，结晶器下加足辊或多级结晶器，并将单足辊改为双足辊，以减少连铸坯的菱变，结晶器冷却水缝改为5mm，以增加水的流速到6m/s以上，水套壁加厚以增强刚性。加大铜管的倒锥度，缩小铜管圆角半径，以减少角部裂纹。120×120~150×150mm小方坯铜管倒锥度为0.6~0.8%/m；120×120mm小方坯铜管圆角半径为4~6mm，150×150mm小方坯铜管圆角半径为6~8mm，振动机构改为振幅可调，采用高振频，并继续研究正弦振动、正弦振动等各种优化的振动方式。结晶器液面采用铯137对液面进行自动控制。结晶器材质采用磷脱氧铜，内壁镀铬、镍等材料，提纲结晶器寿命。

4）二冷区

设计院改进型的小方坯连铸机二冷区分为二冷活动段和二冷固定Ⅰ、Ⅱ段，在浇铸时，二冷活动段为可移开式，即开浇后，弧形导向托板由气缸移开，避免漏钢烧损，便于维护检修，提高作业率。为简化后部布置，将结晶器进出水管，二冷给水管都移到内弧，并且二冷区分段供水，喷嘴纵向排列，冷却均匀，调节方便，维护简单。

罗可普型小方坯连铸机采用刚性引锭杆，使连铸机的支撑导向系统大大简化，没有二冷辊道，设备简单可靠生产率高，尤其在漏钢情况下，只需在二冷室放进隔板，对漏钢流进行单独处理，引锭杆单独送入恢复浇铸，不影响其他各流。

5）引锭杆型式

引锭杆有链式引锭杆和刚性引锭杆两种形式，采用刚性引锭杆比较受到生产厂家欢迎。

6）拉矫机

拉矫机采用固定机架，下辊传动，简化了需要升降的上辊机构，底座加强，检修时只需要拆卸辊子，不必移动机架，压下气缸安装在下部便于防护冷却，采用五辊拉矫机，该拉矫机具有结构紧凑，设备可靠，操作方便，拉坯和矫直控制灵活等优点。

7）连铸坯切割

连铸坯切割有剪切机也有火焰切割，对于小方坯以剪切机为主，为了提高剪切能力，现将剪切力加大到400～500t。电动机械剪显得设备庞大，为降低设备重量多采用45^○液压剪，改善剪口连铸坯质量。

8）辊道

辊道采用分组链条集中传动，减少设备维修和更换时间。

9）翻钢及冷床

采用翻钢推钢机，可将连铸坯翻转90^○推钢，这样连铸坯并在一起不至于顶弯，由分散冷床改为集中冷床，冷却效率高，连铸坯一面前进、一面翻钢，保证了平直度，特别适合运送冷却小断面长铸坯。

1.2.2.2 大方坯连铸机的结构特征

浇注铸坯断面尺寸为160×160~200×200mm称为方坯，连铸机弧形半径R为6～8m，浇注铸坯断面尺寸大于200×200mm的为大方坯，连铸机弧形半径R为大于8m，高宽比小于2.5的矩形坯连铸机，一般也纳入方坯连铸机的范畴，国内生产的主要是250×250～450×450mm以及240×280～400×560mm大方坯。

选择大断面铸坯可使浇注稳定并能提高铸坯质量，有利于扩大钢种，并易于大型转炉、电弧炉相配合。大方坯主要用以轧制高强度线材、条钢、棒材、扁钢、无缝钢管坯等，其钢种主要是中、高碳钢和合金钢。大方坯连铸机由于浇铸过程中坯壳内钢水静压力的作用，会使铸坯产生鼓肚现象。为此，在设计上，结晶器出口及二次冷却导向段的上部区域，必须对铸坯有一个良好的支撑，对于断面不太大的铸坯（一般在220×220mm以内），可采用增加足辊的数量来解决支撑问题，当铸坯断面更大时，二次冷却导向段的上部就需采用像板坯连铸机一样的密排棍来支撑大方坯的四个面，以防止铸坯产生鼓肚。对于大方坯连铸机还需要注意防止液芯矫直产生内部裂纹和减少铸坯内部夹杂物。

大方坯连铸机设备的主要特征为：

1）大方坯连铸机应选择弧形半径大于8～10m，并采用多点矫直，以防止铸坯表面及内部裂纹。大方坯连铸机主要浇铸优质钢和合金钢，对内部质量要求严格，为满足对钢材延伸率、冲击值等机械性能要求，铸机轧制必须有足够的压缩比，例如棒材最小压缩比为10以上。因此，连铸优质钢、合金钢的技术路线是大方坯二火成材，大方坯二火成材虽然较小方坯一火成材多消耗一部分能源，钢材收得率约低1％，但是采用大断面带来夹杂物减少，大压缩比使得钢材致密度增加，内部缺陷消除，铸坯质量得到保证，特别是合金钢更有加大铸坯断面的趋势。

2）为快速更换钢包，采用钢包回转台，并带有升降和称量装置。

3）采用大容量中间包并加适量挡渣墙，大包与中间包间采用氩气密封的长水口，中间包与结晶器之间采用多孔浸入式水口加保护渣，防止钢水的二次氧化，有利于夹杂物上浮。

4）浇铸220×220mm以下方坯仍然可以采用管状结晶器，浇铸大方坯采用组合式结晶器，结晶器液面自动控制。

5）为减少大方坯鼓肚，铸坯导向系统要有很强的稳定性和刚性。在结晶器下部安装多组足辊，直至达到铸坯断面自支撑状态，二冷区下部安装导向装置。为减少发达柱状晶产生增加等轴晶比例，防止铸坯内部裂纹，二冷区采用弱冷，比水量0.8～1.0L/kg钢，特别是合金钢的比水量要更低，一般为0.2～0.8L/kg钢，最好采用气－水喷嘴冷却，不同断面，不同钢种应根据拉速对二冷水自动控制。

6）采用电磁搅拌技术增加铸坯等轴晶率和减少中心偏析，对中高碳钢特别是合金钢方坯已成为提高铸坯质量十分重要的技术措施。

7）大方坯拉矫装置采用刚性框架结构，有防辐射装置和强化的冷却系统。采用多点矫直有利于防止内部裂纹，合金钢铸坯其变形能力比碳素钢大，因此合金钢方坯连铸机应具有较大的拉坯力和矫直力。

8）方坯边长小于200mm采用剪切机切割，方坯边长大于200mm采用火焰切割。

9）连铸某些合金钢方坯，在冷却过程中，由于产生相变应力和热应力而容易发生裂纹，因此在浇铸这类钢时，必须将温度在800℃以上热坯装入缓冷坑内缓冷24h以上效果较好。

1.2.2.3 板坯连铸机的结构特征

随着连铸技术的不断发展，板坯连铸为适应大规模、大型化生产，特别时为热送和直接轧制需要，必须生产高温、无缺陷铸坯，板坯连铸设备结构日趋复杂和完善，它与炉外精炼相结合，可以满足生产优质连铸坯要求。

板坯连铸机的工艺特征如下：

为了对钢水质量进行控制，避免铸坯内部和表面缺陷，板坯连铸机的生产钢水均采用炉外精炼，以便获得纯净度高的钢，弧形板坯连铸机R=10～12.5m，静压头比较大，为防止铸坯鼓肚而产生中心裂纹和偏析，对铸坯夹持采用密排辊列和多节辊，支撑设备要有足够的强度和刚度，现代板坯连铸机采用高拉速，增加了连铸机的冶金长度，为防止连铸坯产生中心裂纹，采用多点矫直技术或压缩浇铸，提高铸坯内部质量。

板坯连铸机为适应热连轧的需要，结晶器可在线调宽，为减少漏钢，采用结晶器液面自动控制和结晶器漏钢预报设备等，连铸机各大部件整体更换，离线检修对中，提高作业率。由于连铸设备的大型化，工艺的连续化和生产的高速化，对自动化的要求非常高，因此，近年来投产的大型板坯连铸设备，不仅配备了计算机过程控制系统和质量判断系统，而且在电气控制系统和仪表检测系统中液广泛使用了大规模集成电路和计算机技术。

板坯连铸机的设备结构特征如下：

1）钢包回转台

钢包回转台结构分单臂和双臂回转台两种，双臂回转台结构简单，维修方便，制造成本低，在板坯连铸上应用比较广泛。现代板坯连铸机都采用封闭系统浇铸，为此钢包和中间包之间采用长水口装置，所以要求回转台具有使钢包升降的功能，钢包底座设有称量装置，可以随时显示钢水量及根据称量确定钢包浇铸结束，为使钢包保温，减少钢水散热，防止热钢包对厂房柱子及横梁的危害，对大包加设保温盖装置。

2）中间包和中间包车

采用大容量中间包及中间包内设挡渣墙和坝，中间包和结晶器之间采用浸入式水口保护浇注。设置塞棒机构，用于浇注开始和结束时，开闭水口以实现顺利浇钢，浇钢过程中用滑动水口控制钢流。中间包应能升降和横向微调，以便安装浸入式水口和水口对准结晶器。

3）结晶器和振动机构

在浇铸过程中可以快速调整结晶器宽度，提高多炉连浇率。大板坯连铸机向热连轧机供应坯料，要求连铸机按不同批量和规格供应热坯料，所以结晶器要调宽。调宽结晶器可以在两炉之间或一炉钢浇注过程中进行。

拥有结晶器液面自动检测和控制系统，以确保液面稳定，进而保证铸坯质量，液面控制的形式为涡流式或电磁式。

板坯连铸配备的拉漏预报装置，分为两种方式，即计算机模型方式和热电偶方式，计算机模型方式是根据浇注钢种、铸坯尺寸、浇注温度、浇注速度、结晶器冷却水流速、进出水温差、保护渣性能、设备参数等一系列有关参数，在大量分析计算基础上，归纳出产生拉漏的数学模型，在浇注时把上述许多参数输入计算机，根据计算结果作出判断，这种方式属于宏观地预报方式；热电偶方式时通过测定结晶器铜板上许多点地温度，根据测定结果来判定是否可能发生拉漏，据此进行拉漏预报，将上述两种预报方式结合起来使用，可保证判断地准确性。

高频率小振幅结晶器振动机构，使保护渣均匀流入结晶器和坯壳之间，使振痕减轻，消除横裂纹，提高铸坯表面质量。结晶器及支撑辊可快速整体更换，处理漏钢事故或维护修理方便、迅速，缩短浇注准备时间。

4）二次冷却支撑导向装置

采用水冷却和气－水冷却兼备地铸坯冷却系统，即二冷区地上半部喷水强冷，二冷区地中段和下段用气－水雾化缓冷，水平段靠液芯回热，这样既可防止和减少铸坯表面裂纹，生产高温铸坯，又比较经济。

板坯连铸高拉速时，为防止铸坯鼓肚和漏钢，加强了铸坯出结晶器地冷却强度和改善铸坯支撑。铸坯支撑装置有辊子支撑、冷却板和冷却格栅等三种。在直结晶器弧形板坯连铸机上，由于弯曲容易引起表面及内部裂纹，宜分散弯曲应力，在支撑导向段采用小辊距密排辊布置。

夹送辊传动系统，传动辊采用分散布置，采用小辊距地分节辊，以提高辊子地刚性，铸坯导向段与夹送辊分段更换。

5）拉矫装置

高速浇铸采用液芯矫直，往往由于矫直变形引起内裂，为防止这种情况，采用多点矫直，所以板坯连铸机都采用多点拉矫机。

6）上装引锭杆

由于不等铸坯尾部拉出扇形段，就可以把引锭杆从结晶器上口装入，所以缩短了准备时间，提高了连铸机作业率。上装引锭杆地结构型式有引锭杆卷取桁架式、引锭杆卷取导向式等，其中引锭杆卷取桁架式为引锭杆卷取存放桁架上后，靠倾斜移动装在引锭杆车上来存放，以备再次装入，在引锭杆头部地链节上装有辊缝检测器，引锭杆在通过结晶器、扇形段及水平的拉坯过程中，检测器通过对辊缝数值进行检测，为辊缝调整和连铸提供可靠的数据。

7）火焰切割设备

目前大型板坯连铸机都采用火焰切割，一些中、小断面连铸坯也用的不少，切割设备具有防热、防尘措施，能在强烈辐射热和尘埃等恶劣工况条件下长期正常运转，可实现自动定尺和最佳尺寸的自动切割。要求切割枪效能高，切割速度快，断面质量好，切缝小，工作稳定、可靠，抗回火能力强。

8）去毛刺装置

火焰切割时，在切割部位粘着许多切割残渣，呈毛刺状，去毛刺装置可以把毛刺去除，以防划伤辊道和轧辊，保证钢材质量。目前毛刺的去除方法有刀具刮除、锤头打掉以及火焰去除等，以刀具刮除和锤头打掉方式居多。

9）板坯连铸自动控制和自动检测

钢水包和中间包钢水重量采用电子称测量，并通过大屏幕显示，结晶器钢水液面需自动控制，结晶器液面变化台剧烈，会形成坯壳应力，使横裂纹增加，液面波动大，还造成保护渣流入结晶器和坯壳之间不均一，并容易将结晶器上部的保护渣卷入铸坯内，形成夹杂和造成漏钢，结晶器装备了液面自动控制器，改善铸坯质量的效果非常显著。

铸坯表面温度测量通常采用非接触式辐射高温计，温度计的安装位置在结晶器出口，因为铸坯刚离开结晶器，此时表面氧化铁皮尚未形成，如选择在矫直段，可利用机械方法先去除氧化铁皮再测温。

二次冷却水的控制也式保证铸坯质量的重要环节，如二冷水调节质量不佳，将会引起铸坯偏析和表面裂纹，以及严重的内裂。二冷水有静态和动态两种控制方式，静态控制是根据拉速控制冷却水量，动态控制是根据冷却水的热交换和热传导计算的理论模型来控制。

辊缝检测设备有三种：无线传送辊缝测量值；有线传送辊缝测量值；辊缝数据存储再磁盘内，待引锭杆脱离铸机后，再取出磁盘读出每对辊子的间距。

电磁搅拌也是保证铸坯质量的重要措施，对合金钢板坯连铸和硅钢连铸等均应采用电磁搅拌装置。

1.2.2.4 圆坯连铸机的结构特征

随着连铸坯质量的提高，连铸不仅可以生产轧制板材、型材和线材的方坯、板坯，而且可以连铸除质量要求严格的圆坯，生产无缝钢管，使生产无缝钢管的工序简化，进一步节约能源，提高金属收得率，充分发挥连铸的优点。

无缝钢管用圆坯生产方法有旋转连铸法和普通连铸法。旋转连铸法使离心浇铸和连续浇铸相结合的方法，连铸机为立式，利用结晶器振动并与铸坯同步旋转产生离心力，对结晶器中钢液产生影响，以达到改善铸坯质量的目的，旋转连铸法生产的圆坯，表面及内部质量及佳，比轧制圆坯质量有过之无不及，但是该方法设备比普通连铸法复杂，其投资、维护费用高等原因未能得到广泛推广。连铸圆坯既可以在立式连铸机上生产，又可以在弧形连铸机上生产，还可以在水平连铸机上生产，弧形圆坯连铸机仍是当前生产圆坯最主要机型。

连铸方坯、板坯时，因其棱角冷却快而先行凝固，能形成坚固的结构，连铸圆坯与方坯、板坯相比，凝固相同的金属散热量小，使圆坯凝固壳过早而不规则脱离结晶器壁，产生气隙，使得坯壳冷却不均匀，厚薄不一，成为浇铸圆坯面临的主要困难。而连铸圆坯直接穿管要求圆坯无表面、内部裂纹，并且要防止大颗粒夹杂造成钢管内外表面缺陷。为此，圆坯连铸机      结构必须满足圆坯质量要求。

弧形圆坯连铸机的主要特征有：

1）提供纯净钢水使保证铸坯质量的关键之一。应用无渣出钢技术，严禁钢渣进入钢包，控制钢中含铝量在适当范围之间，采用真空处理或吹氩搅拌纯净钢水，加硅钙丝进行钙处理钢水来脱氧、脱硫并改变夹杂物形态及促进其上浮到渣中，以保证良好的脱氧和夹杂物去除，控制中间包钢水含氧量为极低，并降低钢中硫含量达到要求水平以下，越低越好。

2）采用大容量中间包，深液面并设挡渣墙，优化中间包流场，中间包水口吹氩气保护，采用不含非稳定氧化物的耐火材料，优化中间包覆盖剂等措施，来降低钢中夹杂物。

3）大包至中间包间采用长水口并用保护渣覆盖液面，浇注时采用氩气密封，中间包至结晶器采用浸入式水口加保护渣，防止钢水的二次氧化，减少钢中夹杂物，选用粘度、熔点、速溶性、成分适宜的保护渣，使结晶器内壁和凝固壳之间起到良好润滑和传热，铸坯在结晶器内均匀冷却，防止产生裂纹。

4）为减少大型夹杂物，增加冶金长度，防止铸坯矫直时产生内部和表面裂纹，铸坯的主曲率半径随连铸圆坯直径加大而加大，浇注直径200mm以下圆坯可以取R为8.0～10.0m，而浇注直径200mm以上圆坯，铸机的主曲率半径应取12m以上。

5）当液面波动大时，保护渣卷入铸坯内形成夹杂，并易于形成表面裂纹，因此要实行结晶器钢液面自动控制，减少液面波动，从而减少表面缺陷。

结晶器倒锥度的选择十分重要，要求结晶器的倒锥度与铸坯凝固壳收缩相适应，其倒锥度值对应小断面为1％，大断面为1.2％，根据结晶器传热的测定，含碳量低的钢种，因冷却收缩明显而要求结晶器有较大的锥度，相反，对含碳量高的钢种则要求较小的锥度。

6）铸坯导向装置在结晶器出口设有足辊，为更好的支撑铸坯，使其不致变形，二冷区第一段四面都有导辊，足辊和每一段所有导辊为V字形辊，其余各段无侧导辊。

二冷区采用弱冷却，比水量为0.3～0.8L/kg钢，使铸坯均匀冷却表面温度平缓下降，矫直时控制表面温度在1000℃以上，这样使得铸坯激冷层厚度增加，柱状晶减少，中心等轴晶增加，可有效防止铸坯内部及表面裂纹。

7）为防止铸坯通过拉矫辊被压扁，通过采用最佳辊子孔型形状，可以使各种尺寸铸坯通过拉矫机时，压痕小于1mm。

8）圆坯切割为防止断面剪切变形，采用火焰切割装置。

9）采用步进式冷床，使铸坯均匀冷却，提高圆坯的平直度，对于一些特殊钢种，要求对铸坯冷却速度进行控制时，采用缓冷措施。