特钢连铸技术和生产的现状及发展

特钢连铸技术和生产的现状及发展干勇王忠英（钢铁研究总院）ｆ连铸技术国家工程研究中心）摘要：本文通过对国外特钢连铸技术和国内特钢连铸生产及主要产品质量的分析对我国特钢连铸技术的发展进行了探讨。

关键词：特殊钢。

连铸现式发展ｘ随着现代工业的发展，对钢铁材料的质量提出了更高的要求。

高质量钢的主要特点是表现在，ｉ个方面：（１）高洁净度，根据钢种的不『司，通过对原材料的控制、冶炼工艺的优化和保护浇铸措施的实施，使钢中残余元素、气体含量及夹杂物组成及分布符合特定的要求；（２）均匀的化学成分及组织，通过连铸工艺和加工热处理工艺的优化减轻由于凝固造成的宏观成分偏析和微观组织偏析；（３）细小的晶粒度，通过全流程的控制保证形成细小均匀的晶粒度。

由于连铸技术具有显著提高生产效率、成材率及产品质量等特点，自５０年代开始钢的连铸工业化以来，得到迅速的发展，目前世界大多数国家的连铸比达到或超过９０％。

我国自１９９６年钢产量超过日本，成为世界第一产钢大国以来，连铸比连年增加，到２００１年的连铸比达到８９．４％．丰目比与普钢连铸，我国特钢的连铸技术明显处于落后状态，２００１年特钢连铸比４３．５％。

下面通过对国内外特钢连铸技术的分析，对我国特钢连铸技术的发展进行探讨。

１国外特钢生产技术现状及进展表１是国外几家典型特钢企业的工艺流程及主要产品，从表１可见，除一些特殊用途的高合金钢、轴承钢和工模具钢等仍采用模铸工艺生产外，几乎所有大量生产的商用特殊钢都可以用连铸工艺来生产。

表１国外特殊钢生产典型工艺流程及主要品种１２０ｔＥＡＦＣＣ（２８０ｍｍ３７５ｒａｍ“可一ＬＦ．×）砰惜军聃ｑ“崭７０ｔＥＡＦＶＤＣＣＩ５５ｒａｍＩ５５ｍｍ毫≤氐一ＬＦ－一（ｏ）ｑａ聃一珥峙￥器８０ｔＥＡＦ８５ｔＡＯＤＣＣ１５０ｍｍ８００ｒａｍ２８０１６００ｒａｍ２００ｍｍ始丑鞯《一一（ｏ～×ｏｑ＝珊幂世１“Ｅ制一Ｋｒｅｆｅｌｄ一竺竺：：竺竺！坚二苎——甭疆■一一１００ｔＥＡＦ．１２０ｔＡＯＤ．ＣＣ（斟蜒轻蜊）Ｋ举器沣：ＥＢＴ：偏心底允渣…制．ＶＳＣ：真卒除渣，ＴＢＭ：铁水颓处』甲，ＳＫＦ．ＭＲ：ＳＫＦ的烈壳熔炼炉．ＦＷ：喂介ｆｎＦ特殊钢对钢材洁净度、成分和组织的均匀性和钢材的致密性都有严格的要求，而且由』．【幺类钢合金元素高，易偏析元素多，在连铸时易产生一ｈ心偏析、裂纹和缩孔等缺陷，因此为保汪最终成品的质量，一般都配有以下技术。

（１）保护浇注为保证铡水二次精炼的效果．钢包一中间包一结晶器的全程保护浇注模式已在仝世界各铡Ｊ＿ｒ泛应用。

其具体措施一般为钢包一中间包采用长水口浇注，中包加覆盖剂；ｑ，问包一结晶器采用浸入式长水口，并在滑动水口与浸入式水【Ｊ的接缝处吹氩或吹氮气保护，防止宅气进入；为降低中包内的氧浓度，在开浇前对中包充惰性气体排除窄气，并在中间包上端及包盖周围采川水冷结构，防ｊｊ：使用过程中由Ｔ热应力引起的变形，使空气进入中包，保证整个浇铸过程中，｝，包内的气氛鞔浓度小于０．１％；为防止钢包渣进入中包，采用电磁检测设备进行钢包留治操作：采用夫容量中包和优化ｑ，包内结构，延长钢液在ｑ，包内的停留时间，促使犬颗粒夹杂的上浮和排ｆ｝｛：采ｊＨ液血自动控制装置，稳定浇铸速度，防止浇铸过程卷渣或拉漏事故的发生：针对不川钢种，采用相应的结晶器保护渣，以吸附钢中央杂物和起到良好的润滑和均匀导热作用。

通过这些措施的采用，可避免钢液的－次氧化．有效地减少连铸坯中的夹杂物。

ｆ２）增大连铸坯断面巾｝』铸坯的部分低倍缺陷可以通过一定的｛Ｉｉ缩比得以减轻或消除，而且一定的匿缩比也是稳定最终钢材性能的必要措施，如为保证气孔焊合一股要求压缩比为４以上，为得到稳定的机械性能，要求压缩比为７～１２，因此，特钢连铸的发展方向是根据所产钢材种类和规格的不同，采用人弧形半径的大断面铸机，其原吲一是继续发挥原有秒Ｊ轧机的作用，二是通过大压缩比改薄轧材的组织。

表２是日本大间知多厂对不同钢材的Ｊ＆缩比要求。

表２日本大同知多厂对不同钢材的压缩比要求钢种压缩比优质碳素结构钳ｆ低、中碳制）≥１０台金结构钢ｆ禽凶轮钢）≥１２碳索和合金ｒ具Ｎ（Ｏ８％）≥１５１Ｆ滚动体Ⅲ轴康锊Ｊ≥１５滚动体用轴承钢≥５０但随着高洁净钢生产技术的发展和连铸技术的改进，使钢【｝】有害杂质和夹杂物总量显著降低，电磁搅拌和液相穴压Ｆ技术的采用有效地减轻了中心偏析．这些都为减小铸坯断面、采用火成材创造了条件。

ｆ３１低过热度浇铸及配套技术由于高碳钢在凝固时体积收缩较大，如果钢水过热度太高，则铸坯内柱状晶发达，在热应力综合作用下，易产生中心蔬松、缩孔和内裂，而采用较低豹过热度浇铸钢液除使铸坯中心消除过热后完全凝固，缩短柱状晶区长度、发展等轴晶区，使坯芯成分均匀，避免中心偏析、疏松和裂纹等低倍缺陷的发展外，还具有提高生产率和钢水收得率的作用，凶此低过热度浇铸已越柬越引起人们的关注。

低过热度浇铸技术开发的首要关键是准确控制连铸过程中包钢水温度稳定，在此基础上再考虑降低过热度的措施。

如日本大『岍Ｊ知多厂为保证其中包钢水温度稳定，在其新建连铸机上增设中包感应加热装置，其新旧铸机情况见表３所示。

表３大同特钢知多厂连铸机参数目前通过炉外精炼可将钢液温度控制在很窄的范围内，再加上中包保温技术的采用和钢中央杂物控制技术的采用，为低温低速浇铸创造了条件。

研究表明，控制中包钢液温度稳定最有效的手段是采用等离子加热装置向中包补充稳定、可靠的中性热能。

此外，降低钢液过热度还町考虑采用水冷水口或在钢液弯月面用圆锥形无耗冷凝器进行辅助冷却。

尽管低温低速浇铸可在一定程度上改善铸坯的偏析．但此工艺在大生产操作中很难控制，考虑到上述主要低倍缺陷ｆ疏松、偏析）都是在铸坯的液相穴的糊状区形成，因此采用低温浇铸与电磁搅拌相结合的办法，通过控制液芯金属的流动，扩大等轴晶区来减轻偏析。

ｆ４）电磁搅拌技术近年来，为改善连铸坯质量，电磁搅拌技术（ＥＭＳ）已被广泛应用．其工艺已由单～式的搅拌Ｊ‘艺发展成组合式搅拌工艺，其作用已由减轻中碳钢和高碳钢方坯的中心偏析，发展为进一步诱发等轴晶。

对轴承钢而言，为获得良好的表面、皮Ｆ、凝固结构、中心疏松和中心偏析质量，须采用组合式ｉ段电磁搅拌工艺，安装在结晶器的搅拌器（Ｍ．ＥＭＳ）用于消除过热，促进等轴晶凝固；安装在二冷区的搅拌器（ｓ．ＥＭｓ）用于改善晶粒尺寸：安装在凝固末端的搅拌器（Ｆ·ＥＭＳ）可减轻偏析的最终等级，特别是采用凝固末段的电磁搅拌可以阻止粘稠钢液在等轴晶区域内移动，使铸坯的中心偏析得以分散．中心疏松得以改善，现在山阳、神户、大同等公司都采用多级电磁搅拌。

（５）合理的冷却制度二冷配水制度对铸坯表面和内在质量均有很大的影响，合适的配水量可抑制铸坯内部柱状晶迅速生长，避免产生严重的中心疏松。

同时由于钢液在其液相线以下，有一个塑性骤减区，对于高碳钢，此区域在７００．９００。

Ｃ之间，在此温度范围内，即使铸坯受到很小应力也会导致裂纹的产生，并沿晶界（柱状晶）扩展，因此，正确控制二冷段的冷却强度和喷淋水的均匀性，保护铸坯出二冷室到拉矫机前的表面温度在９００。

Ｃ以上，可以有效防止铸坯内部裂纹的产生。

在其它条件（如过热度、拉速）一定的情况下，对高碳钢连铸二次配水有两种观点：一种是采用弱冷却抑制柱状晶生长，比水量０．３．０．７Ｌ／ｋｇ，对铸坯形成的中心疏松、偏析采用ＥＭＳ或轻压下来解决：二是采用高压水冷却（比水量可达２－３Ｌ／ｋｇ）促进柱状晶生长以减轻铸坯中心缺陷。

对高碳钢（ｃ＝ｏ．８％）采用强冷后轧制的中１Ｉｍｍ线材上，由渗碳体所表示的碳偏析几乎消除。

目前广泛采用的二冷还是以弱冷为主，对于小方坯连铸高碳钢，通过采用比水量为０．４－０．５Ｌ／ｋｇ＋Ｆ－ＥＭＳ，同样可获得内部组织致密，中心疏松、偏析小铸坯的铸坯，其关键在于二冷水的合理分配。

（６）液相穴压下技术为解决高碳钢连铸坯凝固过程中，由于导辊之间铸坯产生鼓肚引起的坯壳内容积变化和补偿凝固收缩，导致因残留钢液的宏观流动引起的中心偏析，对液相穴附近进行压下处理，具体方法一般有以下四种：①轻压下近几年，为解决轴承钢连铸坯中心偏析等问题，日本、意大利和韩国等的有关厂家采用“轻压下”技术，用于补偿铸坯最后凝固时的收缩，防止浓化钢液的流动，避免中心偏析和中心疏松的发生。

最合适的压下量是液相穴内残留钢液处于被挤出而又没被挤出的』艋界状态。

严格地说，针对不同的钢种和浇铸条件控制最佳压下量是很困难的，必须通过大量的试验来确定。

采用分段小直径辊在扇形段对铸坯进行轻压下还比较容易控制合适的压下量。

法国Ｓｏｌｌａｃ公司大方坯连铸拉速为０．７０．１．１０ｍ／ｍｉｎ时，在４ｍ长区域内压下量在Ｏ－１２ｒａｍ之间调节，铸坯中心碳偏析指数南１．１５．１．３０降到１．１．１．２。

②大直径辊强压下与普通轻压下相比，大直径辊强压下可充分保证铸坯内部变形量，而且凝固界面的畸变也较小。

当采用大直径辊压下时，以较小的压下量就能改善中心偏析，另外，由于在等轴晶区内压下，有助于减轻铸坯内裂纹。

③连续锻压连续锻压法是利用装有异形锻头的锻压装置对液相穴端进行连续锻压，使凝固末端的固液共存层压台在一起，可有效地使浓缩的钢水和破碎的晶粒向上游方向移动，同时大压下变形还可以防止铸坯内裂。

日本川崎在凝固末段对铸坯进行大压下量锻造，即靠往复式锥形铁砧，逆４浇铸方向排出钢液中心的浓缩钢液。

应用连锻工艺，不仅能完全消除中心偏析，而且能根据质量要求选择在产品中心部位元素的最佳浓度及降低中心部位的Ｐ、Ｓ浓度，所得到ＳＵＪ２材的滚动接触疲劳寿命是常规锻造棒材的２倍。

④热应力压下所谓的热应力压下技术也被称之为二冷强冷技术，其基本原理是是在接近凝固末段的位置，对铸坯表面进行高强度冷却，致使凝固坯壳向内收缩，产生与机械应力压力相同的效果。

但该技术主要适用于小方坯连铸。

２国内特钢连铸技术现状我国特殊钢连铸的起步是从上世纪八十年代，太钢引进不锈钢板坯及陕钢、大冶和长城引进合金小方坯连铸机开始的，但当时由于电炉容量小、精炼设备差、钢水洁净度低、铸坯断面小等原凶，并未取得迅速发展，到了九十年末，各主要特钢厂先后自建或从国外引进大电炉和合金连铸机，推动了特钢连铸的技术的发展。

２．１国内特钢企业工艺流程及连铸装备目前，国内主要特钢厂除本特、大连、首特外，其它各厂均已建或正在建合金钢连铸设备，具体情况如表４所示。

其中兴澄、抚顺、上五、西宁、贵阳等都是从国外引进的合金钢连铸机，这些连铸机均配有钢包和中包称重系统，保护浇铸、液面自动控制、结晶器电磁搅拌和二冷自动配水等装置和系统，个别铸机还装有末段电磁搅拌。

从国内外主要特钢厂工艺流程和连铸装备比较可知，国内主要特钢厂的连铸设备已基本具备合金钢连铸的条件，为我国全面开展特殊钢连铸工作提供了坚实的设备保障，但与国外特钢流程相比，还有一些不足，具体如下：ｆ１）国外特钢厂粗钢供应均采用大电炉或高炉一转炉流程，而国内特钢厂经过改造后均采用大电炉提供粗钢，与转炉粗钢相比，钢中残余元素高、成本竞争优势弱。