模铸在大钢锭及特殊钢生产方面的比较优势

1前言
众所周知，钢的浇铸有模铸、连铸（20世纪五十年代发展起来的浇注方法）、压力浇注、真空浇注等。

对钢铁企业而言，普遍采用的是模铸和连铸。

模铸法生产钢锭已有一百多年的历史，目前在钢铁生产中仍占有一席之地。

不可否认，在钢铁工业大生产中，连铸并非是万能的。

连铸技术的关键在于：①考虑生产的连续性。

连铸对其生产的钢种要求具有一定的可浇性，同时要有一定的规模，否则便失去了连铸的意义；
②提高生产能力。

即增加注流数、增加断面面积和增加拉速，其中最关键的还是增加拉速。

但是，连铸与钢的热容、热膨胀、热传导及相变等因素密切相关，而钢的这些性质因钢种而异，故目前连铸的钢种、断面尺寸和形状等受到一定限制，尤其在所浇钢种频繁变换的情况下，连铸生产更是难以适应。

对于模铸，尽管其总产能规模在减小，并且有
逐年被连铸取代的趋势。

但对于小批量生产、特殊钢生产、大型厚材或特厚板（200～400mm）以及大型圆材生产，包括一些低合金钢和特殊用途的钢种（其中也含有高碳钢），模铸依然不逊色于连铸[1]。

在我国的钢铁企业，常规钢种的模铸产量在减少，新建钢厂一般也不再投产模铸生产线，但在特钢厂（如中国河北钢铁集团舞阳钢铁有限责任公司，简称舞钢）、小型钢厂以及重型机械厂（如中国一重、中国二重等），尤其是特钢厂，模铸生产仍占有重要地位。

2模铸生产的国内外现状
2003年，世界上采用模铸方式生产的钢材所占的比例已降到11.2％（图1[2]），同年，美国模铸粗钢产量约为250万公吨，中国模铸粗钢产量约为1780万公吨，而同期世界模铸粗钢产量为10.87亿公吨[2]。

模铸在大钢锭及特殊钢生产方面的比较优势
杜亚伟，文光华，唐萍
（重庆大学材料科学与工程学院，重庆400044）
摘要：本文介绍了模铸生产的国内外现状，通过从不同角度对比分析模铸与连铸生产过程，突出了模铸在特殊钢及大型钢锭生产方面的优势，从而说明模铸存在的必要性及意义。

关键词：模铸；连铸；大钢锭；特殊钢；对比分析
The Comparative Advantages of Ingot Casting Production During the Special Steels and Large Steel Ingot Production
Du Yawei,Wen Guanghua,Tang ping
(School of Materials Science and Engineering,Chongqing University,Chongqing400044,China)
Abstract:The thesis presents the status of ingot casting production at home and abroad,and outstands the advantages of ingot casting during the special steels and large steel ingot production by comparatively analyzing the process of ingot casting and continuous casting production at different aspects,thereby the necessity and significance of ingot casting are illustrated.
Key words:ingot casting；continuous casting；large steel；specialsteels；comparative analysis
近年来，随着钢铁工业的不断发展，世界连铸钢的比例也在不断攀升，截至2007年，全世界连铸比高于97％的国家有25个，其中高于99％的有15
个（100％的有7个）[3]。

中国是世界上开发和应用连铸技术较早的国家之一，其情况更为显著：根据国际钢铁协会（IISI ）公布的数据显示，2006年，我国粗钢产量为4.188
亿吨，同比增长17.7％，连铸比达到98.57％，高于世界平均水平
[3]
；另据有关部门的统计数据显示，
2008年1～6月，我国共生产连铸坯达到11959.57
万吨，连铸比为95.87％。

其中重点统计生产连铸坯10114.57万吨，占总产量的84.57％。

而2007年同期的连铸比为96.07％，比2008年上半年高出0.2个百分点。

但是，由于我国现代钢铁工业起步较晚，尤其是特殊钢连铸发展缓慢，连铸坯的质量水平、电磁连铸技术、薄带坯连铸研究与开发、新型连铸设备的开发等方面与工业发达国家仍存在较大差距[4]。

模铸生产从某种意义上讲，作为连铸的扩展与补充则依然在钢铁工业大生产中焕发生机。

以下针对七个典型（特殊）钢种列举了有关模铸钢生产的部分国内外企业名录。

（1）硬线钢。

世界上最大的线材生产公司印度Usha Martin 公司。

中国宝钢生产的以SISG3502、SISG3506中的SWRH72A ～SWRH82B 、SWRS72A ～SWRS82B 为代表的高碳硬线钢，其钢锭下注工艺与现役的300T 转炉生产节奏紧密匹配。

（2）轴承钢。

德国蒂森钢铁公司、以瑞典O-VAKO 公司为代表的“UHPEAF →LF →IC ”轴承钢生产工艺；日本山阳特殊钢厂、神户制钢等。

国内则有大连钢厂、长城特钢、抚顺特钢、北满
特钢、上钢五厂、莱芜特钢、锡钢、西宁三炼钢等。

（3）齿轮钢。

日本的山阳特殊钢厂；中国大同特殊钢公司及北满特钢等。

（4）不锈钢。

中国本钢特钢、抚顺钢厂、上钢五厂等；其中中国太钢三炼钢采用的是“立式”连铸机。

（5）重轨钢。

我国最早的重轨生产基地的鞍钢、我国重轨生产基地之一的攀钢以及包钢等。

（6）弹簧钢。

日本住友金属工业公司；中国长城
特钢、抚顺特钢等。

（7）石油用管线钢。

其生产路线中同样包含模铸生产工艺。

3两种浇注模式的对比分析
3.1凝固条件与凝固特点
对于连铸坯，其凝固相当于一个高、宽比特别大的钢锭的凝固[5]。

由于铸坯凝固时受到强烈的喷水强制冷却，所以，凝固时的温度梯度、
冷却强度都比缓冷条件下的钢锭大得多。

与钢锭的凝固条件相比，连铸结晶器的冷却强度大，铸坯的激冷层比钢锭的激冷层厚，晶粒更细，而且还可以得到没有侧枝的细柱状晶。

然而，两者的低倍结构仍没有本质的差别。

但是，正是由于连铸坯始终处于强制冷却的过程，所以柱状晶比较发达，尤其在铸坯凝固后期由于柱状树枝晶的搭接，等轴树枝晶不足或体积减少而形成了小钢锭的凝固结晶现象，容易形成凝固桥，在凝固桥下部有中心缩孔和疏松形成；这些小钢锭结构的形成加剧了
钢液中溶质元素C 、
Mn 、S 、P 的轴向偏析，致使铸坯在热加工时会产生脆性和断裂。

可见，
连铸坯的凝固特点决定了它必然产生中心偏析和缩孔等内部
缺陷。

另外，连铸坯凝固的断面一般较小，而且首先从侧面优先凝固，在内部有可能形成深达几十米的液相隙，容易造成因钢液填充不足而出现中心缩孔等缺陷；在液相隙内，钢液的自然对流微弱，这就严重地影响着铸坯壳的良好形成，以及铸坯结构、
成
模铸粗钢产量
（%模铸粗钢总产量）图1美国及世界模铸粗钢生产情况
分的均匀性和夹杂物的排除。

3.2钢液的吸气与二次氧化
就普通浇注过程而言，在注流长度l 、
氧分压一定的情况下，光滑圆柱形流股与空气接触时的吸气量，与流股和空气接触的比表面积（F ）成正比。

若水口直径为d ,则比表面积为：
由式（1）可知，注流流股与空气接触的比表面积和水口的直径成反比。

水口直径增加，卷入流股的空气量减少；在水口直径一定时，注流长度增加，卷入空气的量增加。

而连铸使用的中间包水口比模铸钢包的水口要小，并且连铸工艺过程实际增大了相同体积钢液与周围介质的接触面积，故连铸钢水的二次氧化比模铸严重。

尤其在浇注过程中塞棒失控，钢流发散，致使钢液的表面积大为增加，钢液的二次氧化严重加剧。

3.3夹杂物
与模铸相比，连铸过程中夹杂物行为有以下两个突出的特点：
（1）来源复杂。

连铸钢液遭受污染的因素比模铸复杂：钢水除了经过钢包之外，还要与中间包、浸入式水口的耐火材料以及结晶器长时间接触，二次氧化机会多，钢水容易被沾污。

（2）上浮困难。

由于结晶器内钢液的强制对流运动，夹杂物被带到铸坯液相穴内，上浮、
分离条件比较困难。

尤其是小断面铸坯，夹杂上浮的条件更为恶劣，上浮更加困难。

就目前采用较多的弧形连铸机而言，无论浸入式水口的形状如何，大颗粒夹杂差不多都聚集于离内弧表面约1/4处。

并且注流在液相隙浸入深度越深，夹杂物聚集位置就越向铸坯中心移动，聚集的
范围也越宽，铸坯内弧侧夹杂物的聚集也越严重。

所以，铸坯内弧侧夹杂物的聚集，是弧形连铸机的一个重要特点，同时也是弧形连铸机铸坯质量的致命弱点。

对于钢锭浇注，由于冷却速度较慢，冷却条件一般为自然空冷。

在这个长时间的缓冷过程中，钢液中的夹杂物有充分的上浮时间，钢锭组织的连续性较好；并且，钢锭中的夹杂物多集中在头尾部分，
在热加工时可以切除。

相应地，连铸坯中的夹杂物在以后的热加工过程中不能去除，特别是大颗粒夹杂物对产品质量是一个严重的问题。

所以，较模铸而言，连铸坯的夹杂，特别是大型夹杂，便成了连铸坯质量的一个突出问题[5-9]。

3.4凝固过程中的应力和凝固后的组织状态
连铸坯从结晶器拉出时，边冷却边凝固运行，
在铸坯芯部形成一个很长的锥形液相隙。

这是一个沿液－固界面将钢液不断转变成固相钢的热加工过程。

这一过程中，铸坯与钢锭相比，除了受到与钢
锭相同的热应力、静压力、组织应力的作用之外，还要受拉坯时的拉力、
矫直力、铸坯运行过程中坯壳与结晶器壁间的动摩擦力作用。

因此，凝固过程中的铸坯坯壳所承受的作用力比钢锭大，而且复杂得多，铸坯的变形也比钢锭更为复杂。

同时，对同一钢种来说，连铸坯从高温（奥氏体状态）在较大的冷却速度下冷却下来，完全凝固后得到的是性能较硬、塑性及韧性较差的组织状态。

相应地，钢锭在缓冷过程中得到的组织性能较软、强度较低，但塑性、韧性较好。

凝固过程中各种应力的积累及冷却后得到的组织状态使连铸坯在随后的轧制过程中产生各种裂纹缺陷的倾向较钢锭更为严重[6-11]。

3.5压缩比———大型材（大钢锭）
钢材的性能往往取决于钢材内部的组织结构，而组织结构又取决于钢的化学成分和加工处理过程。

但在钢种成分确定后，钢材的总压缩比在很大程度上仍影响着成品钢材的性能，这些性能包括伸长率、抗拉强度、屈服强度等。

对连铸工艺特别是高速连铸的一个重要挑战是通过防止柱状晶间裂纹，使中心疏松和中心偏析最小来确保连铸坯内部的致密性。

然而，即使获得优良的连铸坯，仍需要进一步在一定的锻造比或压缩比下进行锻、轧以达到合乎性能和尺寸要求的成品钢材。

特别对合金钢方坯连铸，这一点尤为重要，必须根据连铸坯的致密性来考虑必要的压缩比[12]。

连铸圆坯轧管的生产中，经正常工艺轧制后的钢管，无论总压缩比大小，都能消除铸态组织，但压缩比过小时，钢管内部晶粒粗大。

实际生产表明：晶粒度同屈服强度、冲击功都有一定的内在联系，当
Á41S dl F V d l d
p p r r ===（1）
晶粒粗大时，往往伴随着屈服强度低、冲击功低[13]。

无独有偶，在模铸生产受压缩比限制的厚板钢方面，08奥运“鸟巢”用Q460E/Z35厚板（这种钢板主要应用于高层建筑、超高层建筑、大跨度体育场馆以及输变电高塔等受力复杂、可靠性要求高的大型建筑工程。

）则是一个典型的例子：
舞钢针对08奥运“鸟巢”用Q460E/Z35厚板（厚度在100～110mm之间）的特性和特殊性，在研发过程中，为保证一定的“压缩比”，供货钢板全部采用钢锭成材，并根据钢锭厚度增大后，凝固过程中容易产生偏析、疏松、气孔等冶金缺陷还专门开发了大钢锭无缺陷浇铸工艺。

舞钢通过采用合理的锭型设计、合适的浇铸温度和浇铸速度，保护浇铸等技术措施大幅度改善了大钢锭的内部质量，从而满足了受力复杂、可靠性要求高的“鸟巢”建筑工程所具备的优良性能（低屈强比、焊接性能好、塑性、韧性高、屈服强度波动范围小、具有抗层状撕裂能力）的建筑钢结构用厚板的质量要求。

以上事实表明连铸坯往往因压缩比受限，造成钢材的屈服强度、冲击功、晶粒度以及致密度（这涉及到钢材的中心偏析、中心疏松等缺陷）等质量指标低于标准或供货要求。

特别地，在大型厚材或特厚板（200～400mm）以及大型圆材生产中，压缩比更是衡量钢材质量的一项重要指标。

连铸与模铸相比，虽然有工艺流程短、系统节能、成才率高等优点，但终因压缩比受限而不能满足大型材生产对致密度的要求[14]。

与连铸相比，模铸在大型材生产领域具有独特的优势：
受益于全球制造业转移，行业发展迅速，大型铸锻件产量从2000年至今的复合增长率达到20％，消费量复合增长率为21％。

由于供求缺口的存在，我国每年进口大型铸锻件的数量呈持续增长态势，2000年至今进口量的复合增长率为25.6％。

在当前国内对大型铸锻件需求旺盛的环境下，我国的大型铸锻件企业却因制造能力和技术上的差距，使国内高端大型铸锻件市场和技术被国外巨头垄断，尤其是在关系国民经济发展和国防安全的核电大型铸锻件上，国外更是实行技术封锁。

2007年，中国对30万千瓦以上机组的汽轮机、电机的低压转子需求约在210根左右，但去年一重受生产能力所限，只提供了8根，而二重和上重加起来也不到8根，其余的只能靠进口解决。

上述事实表明，模铸大型铸锻件的质量及国产化问题十分严峻。

针对这一形势，国内一些企业也在着手启动大钢锭项目，这些企业包括一重、上重、马钢等。

3.6可浇注钢种
近20多年来，随着传统连铸技术的发展和新的连铸技术的不断开发以及生产过程机械化、自动化程度的提高，连铸钢种在不断扩大。

目前几乎所有的钢种都可用连铸生产。

连铸的钢种已扩大到包括超纯净度钢（IF钢）、高牌号硅钢、不锈钢、Z向钢、管线钢、重轨、硬线、工具钢以及合金钢等500多个。

总体来看，镇静钢连铸已经成熟。

而沸腾钢连铸时，由于结晶器内产生沸腾而不易控制，许多国家开发了沸腾钢的代用品种，如美国的铝班德（Riband）钢,日本的准沸腾钢，德国的低碳铝镇静钢等。

但从目前的情况看，连铸尚不能完全代替模铸生产，其原因在于有些钢种或钢材的特性还无法适应连铸的方式，或采用连铸时难以保证钢的质量，这些钢种或钢材包括：
（1）沸腾钢、热敏感性很强的高速钢；
（2）高碳铬轴承钢；
（3）一些棒材和盘条；
（4）一些小批量产品以及新钢种开发阶段的试制性产品；
（5）一些必须经锻造的大型锻造件，如核电机组大型铸锻件、水电用涡轮机转子、万吨船只的主轴、一些机械底盘等；
（6）一些大规格的轧制产品，如受压缩比限制的厚壁无缝钢管、前已述及的“鸟巢”用厚板钢等。

4结语
与连铸相比，因生产领域不同，模铸具有生命力的一面主要体现在：
（1）生产钢种的多样性与灵活性。

（2）高附加值特殊钢及大钢锭生产领域。

目前，在连铸工艺快速发展的同时，模铸工艺
3.3耐热混凝土的检验项目和技术要求（见表2，摘自钢筋混凝土工程施工验收规范）
4试验结果的分析
4.1混凝土配合比
混凝土配合比，我们采用泵送混凝土施工，和易性良好。

因为混凝土的标号为C25，所以采用32.5级的矿渣硅酸盐水泥，高温残余强度为33.9MPa 占1100C 的93.9%满足规范要求。

4.2粗骨料的最终选择
粗骨料选用了安山岩和花岗岩粒度为5～31.5mm 碎石，同时做了对比试验均满足了设计和规范要求。

因安山岩的采购成本比花岗岩高，最终选用了花岗岩。

仅骨料一项就为新建锅炉基础节约了材料费5万元，同时为了骨料的统一性和质量第
一的原则，本工程均采用花岗岩，级配取5～
31.5mm 。

5结论
锅炉基础工程通过试验，采用32.5级矿渣硅酸
盐水泥，水泥用量控制在406kg/m 3，河砂、粗骨料为花岗岩碎石、泵送混凝土高效减水率，使用温度小于700℃，因此满足规范设计对混凝土强度的技术要求；合理选择耐热混凝土的骨料是保证混凝土在高温环境下满足技术要求的重要因素之一，也是节约成本、方便施工的关键。

参考文献
[1]江正荣.建筑施工工程师手册第二版，中国建筑工业出版社[2]现行建筑施工规范大全.中国建筑工业出版社
（上接第２７页）
也引入了一些如真空无氧化保护浇注等先进技术，使模铸工艺在一定范围内表现出它的生机和活力，说明在上述领域模铸仍有其存在与发展的空间和意义，进而也可窥见模铸生产在钢铁工业中的客观价值所在。

参考文献
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