连铸教材

8. 连铸机

8.1 CONCAST——SBQ连铸的领先者

Concast 提供的连续铸钢设备比业界中任何别的公司都多。50多年来，Concast公司通过致力于连续铸钢的钢凝固工艺，向用户提供服务。

今天，采用Conc ast公司的设备已经成为电弧炉、二次冶炼设备和连铸的工业性能基准。

Concast公司致力于炼钢过程的开发，不管这种炼钢过程是使用废钢还是用铁矿石。我们为长材产品部门的用户专门研究和开发冶炼、精炼和连铸工艺和技术，这是一个本公司竞争者都不能涉足的工作。

8.2 中间罐设计

CONCAST中间罐设计有助于清除杂质，保证钢水流量稳定，并能使铸流之间的温度场均匀化。

通过模拟钢水流，可以优化中间罐的大小与形状以及挡板和挡墙的设计。

中间罐设计成能提供足够长的钢水停留时间（平均10分钟），这有助于清除杂质，使杂质有时间漂浮在表面，并被覆盖的粉末所吸收。

设计中间罐时考虑到了挡板、挡墙或紊流抑制剂，以使钢水流动分配最佳化，在钢水到达中间罐水口前消除冲击流产生的紊流。这种设计有助于对结晶器钢水液面进行更好的控制，并使所有铸流中的钢水入口温度均匀化。

根据钢种、浇注时间和主要操作条件，针对各个工程项目选择分隔墙或紊流抑制剂的设计。

中间罐设计模型

8.3 浸没式浇铸技术

提供Conc ast 塞棒控制系统，用于浸没式浇铸。

Concast塞棒控制的特点：

- 塞棒位置极其精确，控制迅速。

- 电机械系统可靠，维护需求低。

- 铸流启动顺序完成自动化。

使用Conc ast塞棒系统，使得对结晶器内钢水液面控制极佳，这对于有效润滑和实现良好表面质量极其重要。

用耐火材料管子进行浸没式浇铸，将钢水倒进结晶器中。耐火材料管子能防止钢水流与环境（氧气和氮气）接触，并防止重新氧化造成杂质的形成。

在进行浸没式浇铸时，使用两种类型的耐火材料罩：

- 浸没式入口水口（SEN）

- 浸没式入口长水口（SES）

采用SEN，防止钢流再次氧化的效果更好，因为喷嘴实际上布置做在中间罐的底部。

采用SES，能通过陶瓷密封防止空气渗透进水口和中间罐喷嘴之间的联轴器。总存在某种再氧化的危险，因为如果SES被移动，则密封可能损坏。

选择这些系统中的哪一个，取决于钢的清洁度要求以及现场操作条件。

筒型结晶器是预装配的可快速移动的装置。自对中设计以及冷却水入口的自密封接头能保证对准最佳和安全操作。

在更换某一段或开展维护工作时，可以快速更换结晶器组件（在5到10分钟内），这使得停工时间最短，机器利用率和生产率最大化。

水套是一种精确机加工部件，它能保证排热和铸坯外壳增大均匀。结晶器管支架系统上端使用键形夹，在受热的情况下这些键形夹能沿纵轴自由膨胀。

筒式结晶器设计能容纳用于浇铸断面范围内的共用结晶器电磁搅拌器。在更换断面期间，无需拆除或重新安装电磁搅拌器。这样就降低了设备损坏的危险，并排除了污物进入水系统的危险。

8.4.1 CONVEX结晶器管

CONCAST已经开发了一种称为CONVEX的高速连铸技术，并申请了这种技术的专利。

1991年在德国的THYSSEN OBERHAUSEN对此技术进行了第一次试运转，从此以后此技术实现了工业化操作。

之后CONVEX技术被应用于世界各地的许多装置上，用于生产特种型材（SBQ）产品。

现在有几家制钢厂（包括德国的SAARSTAHL，意大利的LUCCHINI Group和瑞士的VON MOOS）完全采用CONVEX技术，铸造汽车工业中使用的SBQ等级的钢坯。

所有这些工厂都采用了非调质工艺，在轧制之前无需对钢坯进行检验或磨光。

CONVEX技术设计能够满足以下要求：

- 改善传热

- 在结晶器周围及沿着结晶器均匀分配热传递。

与其他结晶器设计技术相比，这种技术热效率高，使得其浇注速度显著提高，可靠性和钢坯质量也有所改善。

钢水在老式的方形结晶器中凝固时，会导致不均匀冷却以及拐角处形成气隙，而CONVEX 结晶器能通过逐渐改变交叉形状（crossshape），补偿拐角处的收缩。

这样，沿着钢坯周长和沿着结晶器铜管全部长度方向能始终保持均匀接触。这种效果的一个概念示例见下图。

（图）

Conventional technology: 常规技术 Convex technology: Convex 技术

其结果凝固壳厚度均匀，从而降低了形状缺陷和产生裂纹的可能性。

根据浇铸的钢种，优化结晶器的几何形状（长度，锥度，CONVEX 形状和转角半径）。 Concast 积累了用于各种SBQ 钢（包括不锈钢）的CONVEX 结晶器铜的设计方面的广泛经验。

8.5 结晶器钢水液面控制

结晶器钢水液面控制系统的功能是测量结晶器上部中的实际钢液面，并将此数据传送至塞棒的控制PLC ，最终在技术许可的范围内，使结晶器内的钢液面保持不变和稳定，从而保证浇铸产品的表面质量。

（图） Measuring Range 测量范围

Source 来源

Mould 结晶器 Det ector 检测器

Signal processing unit 信号处理装置 to level cont rolling PLC 去液面控制PL C

在一个以铅为保护衬里的钢罩中安装放射源Co60。 此放射源以稳定速率放射出γ粒子，γ放射出的粒子穿过保护罩中的一个窄缝以及结晶器，射向安装在结晶器另一侧的检测器。

检测器接收的与γ粒子数成比例的信号通过屏蔽电缆送到液面控制处理器。 常

规技术

Convex 技术

测量范围

放射源 结晶器 检测器

信号处

理装置 到液面控制PLC

放射源本身的辐射强度极低，可以不考虑。

这种辐射测量的传感器装置用于所有操作活动（自动启动、防止溢流和破裂，检测等），是一种相当的可靠系统，安装于结晶器区域内部和耐火材料覆盖层以下位置。世界范围内大多数连铸机都使用这种系统。

8.6 底辊（FOOT ROLLERS）

结晶器上安装了底辊，以防止钢坯鼓出，并使铸流保持在中心位置。这种配置改善了结晶器的性能以及结晶器铜管和外壳之间的均匀接触，降低了结晶器铜管的磨损。

建议在底辊之后另设一个支撑铸流的支撑段。此支撑段在第2段的下面，精确地调整至底辊处。

8.7 振荡器

8.7.1 液压结晶器振荡

结晶器振荡有许多特征。它用于防止铸流粘结晶器，并保证良好传热。另外，它也被用于防止或处理固态外壳的开裂。要满足达到所有这些功能的要求，同时要保证形成的振荡划痕浅，并且无缺陷。

液压振荡与标准电动机械振荡相比有某些优势。采用液压振荡，可以在连铸期间改变振荡行程的长度和振荡曲线形状。这就提高了振荡系统的灵活性，并可以根据钢种对振荡参数进行连续优化。

利用液压振荡时可以使用非正弦振荡曲线。 使用非正弦振荡曲线，是为了延长铸流的恢复时间，或在钢坯撕裂阶段减少结晶器向上拉。 标准正弦振荡曲线和非正弦曲线的示例见下图。

（图）

Hydraulic osc illation single sinus c urve si

mulation w ith:液压振荡单下凹曲线模拟 Graph w idth is 1 sec. 图形宽度为1秒 Standard Sinusoidal Osc illation Curve 标准正弦振荡曲线 Nonsinusoidal Osc illation Curve 非正弦振荡曲线

8.7.2 可伸缩振荡

当某一个支撑段需要布置在结晶器下时，使用可伸缩振荡台迅速地更换筒式结晶器断面。 液压振荡单正弦曲线模拟：

图形宽度为1秒 标准正弦振荡曲线

液压振荡单正弦曲线模拟：

图形宽度为1秒

非正弦振荡曲线

用可伸缩振荡器在连铸机顶部进行的、旨在更换所有规格的操作：

- 缩回振荡器（见下图）——此时高架起重机可以直接接近支撑段。

- 提起支撑段，并更换之。

- 对于新断面，更换新筒。

- 将振荡器移动至连铸位置。

在提升时，结晶器外罩和结晶器搅拌器都无需拆开。所有辅助系统（冷却水，电）都保持连接。

采用常用的振荡装置（不可伸缩）时，包括搅拌器在内的结晶器外罩必须拆除，以接近支撑段。

在这种情况下，要从振荡台上拆除这一部分（见下图中最右的铸流）。

由于要求的起重机移动和电气连接/切断次数增多，操作时间明显延长。

8.8 电磁搅拌

采用电磁搅拌，以改进铸流质量。

采用能使钢水旋转的旋转电磁场，以实现上述目的。

8.8.1 结晶器电磁搅拌器

采用结晶器搅拌器（M-EMS），对各种SBQ钢和普通钢都有好处。用塞棒和浸没式入口长水口/浸没式入口水口来浇铸SBQ钢，使用结晶器搅拌器的金相效果包括：- 液面以下非金属杂质减少。

- 碳偏析和孔隙度降低。

- 等轴区域增大。

对于敞口式浇铸，采用结晶器电磁搅拌器的好处为：

- 液面以下非金属杂质减少。

- 形成的表面针孔减少。

- 等轴区域增大。

（图）

Equiaxed zone 等轴区

Equiazed zone w idth 等轴区宽度 Tundish superheat 中间罐过热

（图）

采用浸没浇铸时，电磁搅拌器必须位于结晶器的中下部，以防止夹带结晶器粉末，以及浸没式入口水口/浸没式入口长水口因搅拌作用而受到侵蚀。

可以很方便地在对面将搅拌器靠近弯月面作敞口式浇铸。 这样钢坯表面就能收到最明显的效果。Concast 筒式结晶器的设计，对于这两种相反的必要条件，都提供了成本少、效益高的解决方案。结晶器电磁搅拌器很容易从浇注平台快速地从低位移至高位。

8.8.2 末端电磁搅拌器

结晶器电磁搅拌器造成的碳偏析的减少不足以满足高碳钢应用的最为严格的要求。 当生产计划中有这种要求的钢时，建议在连铸机中采用一个末端搅拌器（F-EMS ），对结晶器电磁搅拌器的作用进行补充。

末端电磁搅拌器只能用于以下SBQ 级钢：

- 用于生产线材，如PC 线和轮胎线（tyre c ord ）（中心偏析减少）的高碳钢。 - 轴承钢（中心偏析减少）

- 高合金含量的中碳钢（中心质量改善）

高碳钢线材（方坯连铸生产路径）的大多数合格生产商的经验证明，末端电磁搅拌器配合硬冷却，可以进一步减少中心偏析。

以下两图显示了采用不同技术所能达到的偏析控制的范围。

以下图表显示了在钢坯上测量的偏析指数S.I.=C/C0（参考：Convex 连铸机，钢坯），用等轴区

等轴区宽度

中间罐过热

连铸技术对偏析指数的影响

（图）

Effect of Casting Technology on Segregation Index

连铸技术对析出指数的影响 segregation index C/C0 析出指数C/C0

（图）

以下图表表示用连铸坯（参考：Convex 连铸机）轧制的高碳钢线材（直径11mm ）的平均偏析程度。

显示的指数是AFNOR 标准NFA 04-114规定的线材额定值，水平轴显示渗碳铁网络的额定值（A=无，B=痕量），垂直轴显示中心偏析点强度（2=辉度对比偏析）。

（图）

Hard cooling 硬冷却

MEMS and hard c ooling MEMS 和硬冷却

M+F EMS and hard cooling M+F EMS 和硬冷却

8.9 二次冷却

在结晶器除去铸流的热量大约为20%。 铸流从结晶器流出后，进入二次冷却室。 在这里进一步除去30-40%的热量。二次循环冷却系统被分成若干个段。根据浇铸速度、钢种成分和剖面尺寸，每一段的水流将发生变化。

铸流在结晶器出口处通过喷水环管。

在这里进行相当高强度的冷却，以防止破裂和变形（如形成偏菱形）。目的是促进铸坯外析出指数C /C 0

硬冷却

M+F EMS 和硬冷却

MEMS 和硬冷却

外壳会再热，从而造成内部裂纹。

因此要对冷却参数进行优化，以防止过度重热及钢坯内部开裂。

Concast 使用计算凝固和冷却程序，以保证对各种钢的冷却参数进行优化。 结构钢的典型冷却曲线的一个示例显示如下：

（图）

Example of medium c ooling tec hnology (f or referenc e only)

介质冷却技术示例（仅供参考）

介质冷却技术示例（仅供参考）

8.10 拉矫装置（CCS –CONCAST 连续矫直）

对于高速钢坯连铸机，在达到矫直点后，钢坯中仍有很多液体。 因此存在形成内部裂纹的可能性，必须在矫直期间，通过降低固体-液体界面的应变来消除这种可能性。

开裂趋势受几个因素的影响，这些因素包括初步凝固结构、偏析（主要受碳控制）和锰/硫比。

根据钢坯断面、钢种和浇铸速度，确定连铸机的半径和弯曲几何形状。

对矫直应变力极限的设计在任何时候都必须低于浇铸的大多数重要钢种的临界值。

（图）

Relationship between critical strain and steel Composition

临界应变和钢成分之间的关系 Critic al Strain % 临界张力 临界应变和钢成分之间的关系

临界张力%

Concast 公司多点弯曲连续矫直技术采用4个弯曲点，能从9.0米浇注半径过渡到平直的钢坯，从而能够最大限度降低固-液界面的内应变。

下图显示了轻压下量的拉矫模块设计。每个模块有一对辊子。每一模块有一个液压缸，从而能够控制上辊的位置和辊子的夹紧力。

主要功能

压力或行程控制压力控制

（图）

Princ ipal function: 主要功能

Pressure or stroke controlled: 压力或行程控制

Pressure controlled: 压力控制

Speed controlled: 速度控制

Torque controlled:转矩控制

速度控制转矩控制

8.11 连续矫直（CCS）

SHAGANG RENZHONG

S.3073 101

钢坯规格160 mm

第一半径9 m

第二半径16 m

弯曲段长度2180 mm

（图）

Acc umulated strain at sol-liq w ith CCM 采用连铸机技术的sol-liq 的累计张力

Strain [%] 张力[%]

Casting speed [m/min] 连铸速度[米/分]

4.7 连铸机保证值 4.7.1 钢水炉数及截面积

性能试验应在最多8炉钢水连续浇注中完成，钢种应符合4.1.7.1的规定。 性能试验所采用的浇注断面积尺寸为150×150毫米。 4.7.2 浇铸速度

以下浇铸速度可以得到保证（前提条件是使用正宗的CONCAST CONVEX ?结晶器）：

修改版A ：

连铸机的固-液介面的累计张力

张力[%]

连铸速度[米/分]

连铸速度[米/分]

张力[%] 固-液的应变率以及CCS 的表面

每炉钢水的启动和结束（最长持续时间为5分钟）时间应排除保证范围之外（即与中间罐注入钢水、铸流起始和中间罐倒空有关的过渡时间）。

4.7.4 尺寸公差

铸坯在翻转冷床上完成冷却之后，其形状应符合以下要求：

4.7.4.1 截面（边长）

边长的偏差不应超过额定尺寸的+ / - 1.5％.

4.7.2 菱形

菱形的定义如下，不应超过2.5％.

菱形＝2×（D1– D2）/（D1 + D2）

此处D1＝长对角线；D2＝短对角线。

4.7.4.3 铸坯长度

实际铸坯长度与设定切割长度的偏差不应超过+ / - 30毫米。

保证值测试只适用于当铸坯被拉矫机牵引中进行切割的铸坯。

4.7.4.4平直度

沿铸坯长度方向的直线偏差不应超过6毫米/米。

4.7.4.5扭曲

铸坯上的最大扭曲度不应超过0.8 °/ m。

4.7.5 表面质量

正常浇铸出的普碳钢和低合金钢铸坯，在不需要经过调质处理的条件下，就能适用于再加热、经过各种压下比的轧制，便可生产出符合要求的产品。

评价表面质量的检验方法应采用肉眼观察法，如有必要可先除去氧化皮。

按照每炉钢水每流连铸坯中取6根铸坯来进行取样和进行表面质量评估。

4.7.

5.1 表面裂纹

铸坯不能有深度超过0.8毫米的横向裂纹、纵向裂纹和网状裂纹。

4.7.

5.2 表面夹渣

铸坯表面不能有夹渣现象。

4.7.

5.3 重皮

采用自动化控制级控制操作时，铸坯上不能有影响精整工艺的重皮。去除重皮不需要调整铸坯表面质量。

4.7.6 内部裂纹

采用硫印法或宏观浸蚀法对铸坯样品的截面进行评估，然后与附件中的分类表进行比较。

样品的数量：每炉试验钢水每连铸流中取6个样品。

铸坯的内部裂纹按照严重程度可分为：

- 中间和皮下裂纹；

- 对角裂纹；

- 中心裂纹。