連續(xù)鑄鋼技術的發(fā)展探究

穆智慧

摘要：連鑄技術按生產應用程度可分為生產應用技術、在開發(fā)技術和應用基礎研究幾部分，雙輥薄帶連鑄技術是全新的連鑄主導技術。敘述了連續(xù)鑄鋼技術的發(fā)展狀況和趨勢，找出了目前我國在連鑄技術工程化方面存在的差距，堅信連鑄技術會向著進一步高效率、節(jié)能和近終形方向發(fā)展。

關鍵詞：連續(xù)鑄鋼；發(fā)展狀況；發(fā)展趨勢

連續(xù)鑄鋼技術的開發(fā)與應用是鋼鐵生產中繼氧氣轉爐之后又一次重大的技術革命。大型化、連續(xù)化和自動化是現(xiàn)代工業(yè)生產技術的總體發(fā)展趨勢。早在19世紀中葉，英國發(fā)明家、鼓風煉鋼發(fā)明者H.Bessemer提出了雙輥法連續(xù)鑄鋼的專利。差不多經過一個世紀的努力， 連續(xù)鑄鋼才于本世紀50年代初用于工業(yè)生產。自連續(xù)鑄鋼工業(yè)化以后的40多年來， 由于其與模鑄相比具有節(jié)約能源、降低消耗、節(jié)省投資、生產成本較低、鋼的質量較好以及勞動生產率較高等優(yōu)點而在鋼鐵生產中迅速得到推廣應用。到1940年， 世界連續(xù)鑄鋼產量達到5.1億噸， 連鑄比超過70%，不少工業(yè)發(fā)達國家的連鑄比已接近或達到100%， 采用全連鑄的工廠更為普遍。

我國自1958年重鋼三廠第一臺工業(yè)規(guī)模的連鑄機投產以來， 經過近40年的努力， 全國連鑄機總量已達247臺，總生產能力5294萬噸， 1995年的連鑄坯產量達到4377萬噸， 居世界第三， 連鑄比也達到46.9%。預期“ 九五”末期， 我國連鑄比可望達到80%。

連鑄技術的發(fā)展歷程， 鋼鐵工業(yè)發(fā)展迅猛，生產面貌煥然一新，鋼鐵產量迅速增長，產品品質大幅提升，生產效率顯著提高，生產成本明顯降低， 環(huán)境污染得到有效控制。究其本質因素， 核心推動力來自鋼鐵行業(yè)的技術進步，即： 以氧氣轉爐煉鋼、爐外精煉、連續(xù)鑄鋼、連軋與控軋控冷為核心的4項技術革新帶動的鋼鐵生產流程的技術進步。作為4項重大技術革新之一的連鑄技術徹底改變了煉鋼生產的流程和物流控制，使得單元化、間隙式煉鋼生產模式轉變?yōu)檫B續(xù)化、大型化、專業(yè)化、優(yōu)質化、高效生產模式，同時推動了冶煉、精煉和軋制工序的技術革新。

一、連鑄在我國的發(fā)展歷程

連鑄在我國的發(fā)展經歷了曲折的發(fā)展過程，大致可以分為研究開發(fā)、緩慢發(fā)展、規(guī)模建設、跨越發(fā)展四個階段。

1.1 研究開發(fā)階段（1954-1967年）

原冶金部鋼鐵研究總院、上海交大、重慶鋼鐵廠等單位開始了連鑄的試驗研究，研究與實驗內容包括：連鑄結晶器振動、二冷、拉矯機、直流變速、液壓切割等關鍵設備；機型設計包括： 水平、傾斜、弧形、立彎、立直等； 鑄坯斷面包括：方坯（60mm×60mm-250mm×250mm）、矩形坯（130mm-180mm×160mm-280mm）、板坯（110mm-250 mm×55mm-2000mm）。值得一提的是1964年重鋼三廠弧形板坯連鑄機投產， 比號稱世界第一臺弧形連鑄機的德國迪林根鋼廠弧形鑄機還早一個星期。可以肯定20世紀60 年代初期與中期我國連鑄技術的研發(fā)與生產取得了與世界同步的成績。

1.2 緩慢發(fā)展階段

即文革階段。連鑄技術的完善與發(fā)展在我國處于停滯狀態(tài)，直至1980年我國連鑄比稍見增長，1982年全國連鑄比為：7.6%，連鑄坯產量275萬噸。此外，我國平爐慢節(jié)奏生產客觀上阻礙了連鑄的發(fā)展，15 年的徘徊不前，使我國連鑄生產大大地落后于歐、日等發(fā)達國家，連鑄比僅為與日本連鑄比的十幾分之一。

1.3 規(guī)模建設階段（1983-1989年）

1983 年全國煉鋼工作會議上，原冶金部鋼鐵司明確提出加快發(fā)展連鑄技術和連鑄生產的任務。組織了對西馬克—康卡斯特引進的板坯連鑄機的消化吸收和對上鋼一廠國產板坯連鑄機的聯(lián)合攻關工作，1985年，武鋼二煉鋼成為我國第一個全連鑄煉鋼廠。1988年原冶金工業(yè)部召開了第一次全國連鑄工作會議，總結了三十年來連鑄發(fā)展的經驗和教訓，第一次提出了“以連鑄為中心，煉鋼為基礎，設備為保證”的連鑄生產技術方針。1988年和1989年，在連鑄機建設速度增加的同時，連鑄比年增長達到1.6個百分點， 年增鑄坯超過110萬噸。增強了全行業(yè)加快發(fā)展連鑄的信心。

1.4 跨越發(fā)展階段（1990年至今）

在實現(xiàn)全連鑄生產和煉鋼-爐外處理-連鑄“三位一體”組合優(yōu)化等技術目標的引領下，我國連鑄取得了長足進步，連鑄成為我國鋼鐵生產突破模鑄生產“瓶頸”，加快淘汰平爐，促進高爐、轉爐高效長壽，實現(xiàn)流程優(yōu)化和跨越式發(fā)展的關鍵因素。1990年，我國連鑄比為25.07%； 1993年后，我國連鑄坯的年增長量超過產鋼的年增長量；1996年我國連鑄比首次突破50%；2001年連鑄比達88.2%，首次超過了世界平均連鑄比86.8%的水平。截至2007年底，我國現(xiàn)有鑄機996臺2906流，鑄機產能達到5.0億噸以上，連鑄比穩(wěn)定保持在95%以上?；敬_立了我國在連鑄生產第一大國的領先地位。與此同時，高效連鑄技術的自主開發(fā)與薄板坯連鑄連軋技術消化與創(chuàng)新也取得了可喜成績。

二 現(xiàn)代連鑄技術--高效連鑄技術

高效連鑄技術的內涵是： 以高拉速為核心， 以高質量、無缺陷鑄坯生產為基礎， 實現(xiàn)高連澆率、高作業(yè)率的系統(tǒng)生產技術。其核心技術包括： 高效結晶器技術、電磁連鑄技術、振動優(yōu)化技術、帶液芯壓下技術、二冷動態(tài)控制技術、連續(xù)彎曲與矯直技術等等。高效連鑄的應用， 獲得了鑄機產能提高一倍以上， 品種覆蓋幾乎所有鋼種的冶金效果。

2.1 高效結晶器技術

高效結晶器技術是當今連鑄技術優(yōu)化發(fā)展的核心技術之一。其目標是：提高結晶器內熱流密度， 增加坯殼凝固厚度； 改善結晶器傳熱均勻性， 均勻凝固坯殼；均勻內壁與鑄坯表面的摩擦， 提高結晶器銅板（管）的壽命。以方坯連鑄連續(xù)錐度結晶器技術為例，通過優(yōu)化結晶器銅管內腔錐度， 實現(xiàn)了強化初生凝殼在結晶器內邊、角部位的傳熱， 均勻縱斷面方向熱流分布的目標。

2.2 電磁連鑄技術

電磁技術在連鑄工藝中有著廣泛的應用， 概括地講可以分為如下幾個方面： ①電磁力學特性的利用， 如注流約束、電磁制動、電磁攪拌、電磁軟接觸等； ②電磁熱特性的利用， 如中間包感應加熱等； ③電磁物理特性的利用， 如電磁下渣檢測、液面檢測等。已被用于工業(yè)生產的電磁冶金技術主要是電磁制動和電磁攪拌技術。以電磁制動為例， 通過改變結晶器內的鋼液流動， 進而改變結晶器的傳熱和鑄坯內的溶質分布， 以改善連鑄坯的凝固組織。與常規(guī)連鑄相比， 電磁制動能夠降低結晶器內鋼液向下沖擊的深度， 促進凝固前沿非金屬夾雜物的上浮， 穩(wěn)定彎月面的波動， 促進保護渣的均勻分布。電磁制動的作用包括： 當拉速處在高拉速的情況下， 其作用力可以讓板坯外殼充分冷卻， 使得漏鋼概率降低； 當拉速變化時達到穩(wěn)定拉速的作用， 從而達到抑制結晶器液位波動、減少鋼水偏析、提高板坯質量的

作用。

2.3 結晶器振動優(yōu)化技術

其核心是實現(xiàn)結晶器的非正弦振動， 通常指與正弦振動相對應、具有一定偏斜的波形。結晶器非正弦振動與正弦振動相比其具有如下特點： 結晶器上升時間長且速度平緩， 可減少初生坯殼所承受的拉伸應力； 結晶器下降時間短且速度快， 對初生坯殼施加了壓應力， 有利于脫模； 負滑動時間明顯減少， 可減少振痕深度， 提高鑄坯表面質量。

2.4 帶液芯壓下技術

帶液芯壓下是融澆注凝固與塑性變形、連鑄與軋制一體的新工藝技術。具體形式有輥式輕壓下技術和鍛壓式輕壓下技術，帶液芯壓下的主要作用概括為如下四方面： 在連鑄坯的凝固末端進行適量壓下， 以減小鑄坯中心宏觀偏析及疏松， 改善鑄坯質量； 在結晶器下方進行壓下， 以擴大結晶器容積， 利于穩(wěn)定薄板坯連鑄結晶器內鋼液面， 促進鋼中夾雜的上浮； 提高薄板坯連鑄保護渣的潤滑效果，改善鑄坯表面質量； 可以靈活地改變鑄坯厚度， 增加產品規(guī)格范圍， 使生產組織具有更大的靈活性。

三、關鍵生產應用技術

3.1 結晶器液面控制和自動澆鑄

應用放射線、電磁渦流等傳感器監(jiān)測液面以及帶有控流塞棒或滑板的結晶器液面控制與自動澆鑄系統(tǒng)已經成為連鑄機的基本配置。它已成為穩(wěn)定工藝、保證鑄坯表面質量、提高勞動生產率的重要措施。

3.2 鑄坯矯直

過去的弧形連鑄機普遍采用單點矯直方式，全部的矯直變形都集中在矯直點處。由于剛剛凝固的坯殼塑性很差，容易形成矯直裂紋，所以“全凝矯直”或“矯直前全凝”幾乎成為定律。但是澆鑄速度的大幅度提高使鑄坯液心變得很長，人們不得不突破這一定律，尋求其它避免矯直裂紋的方法。多點矯直和連續(xù)矯直方式將矯直變形分配在幾個矯直點上或整個矯直區(qū)域內，使矯直過程中發(fā)生了回復和松弛，從而保證不產生矯直裂紋。該技術在連鑄機的設計和實際生產中都取得了良好的效果。

3.3 二次冷卻控制

連鑄坯殼從結晶器中拉出時，其內部還有很多液心，需要進行噴水冷卻，謂之二次冷卻。二次冷卻具有保證生產順行、提高生產率、控制鑄坯質量、保護設備等重要作用。冷卻介質可用水或汽水。現(xiàn)代連鑄機按不同斷面鋼種設有多套冷卻制度，在澆鑄過程中分回路自動在線調控水量。在線調控水量的方法可采用靜態(tài)水表法和二冷動態(tài)控制法。

3.4 電磁攪拌

電磁攪拌（EMS） 是利用感應電動機原理使導電融體流動的方法和設備。這種流動發(fā)生在鑄坯液芯里會有多方面的作用：其一是均勻液芯內鋼水的溫度；其二是將凝固枝晶帶入鑄坯心部，使其成為等軸晶的凝固核心；其三是沖洗凝固前沿的富集溶質，最終在這一區(qū)域形成白亮帶。所以電磁攪拌的冶金效果是擴大等軸晶區(qū)、減少中心偏析和皮下缺陷。

3.5 粘結漏鋼預報

凝固坯殼粘結在結晶器壁上時結晶器銅板的溫度場會反映出特定的變化模式。因此，用布置在銅板上的熱電偶測量這種變化模式就可以預報粘結漏鋼的發(fā)生。但實際生產中情況非常復雜，連鑄機的產量和壓力都較大。漏鋼預報系統(tǒng)的設置需要與特定的鑄機及操作狀況相適應。目前我國進口的大型板坯連鑄機都裝備有這種系統(tǒng)。

3.6 凝固末端輕壓下及液芯壓下

凝固末端輕壓下是指在鑄坯即將完全凝固時用外壓力使之變形的工藝。板坯連鑄機中輕壓下可由原有輥列實現(xiàn)，方坯連鑄機中由拉矯機或專用機架完成。凝固末端輕壓下可以改善中心疏松或縮孔、減輕中心偏析。文獻常?；乇苣棠┒溯p壓下的副作用，多認為其有利，實際上剛剛凝固的坯殼塑性很差，輕壓下時又很難保證每一點三向壓應力的狀態(tài)，任一方向有拉應力都可能使鑄坯產生裂紋。

四、結語

我國特鋼企業(yè)走過了漫長而艱苦的道路。在此歷程中，特鋼企業(yè)為我國“ 四個現(xiàn)代化”、為國防和尖端產業(yè)提供了重要的材料，作出了重大貢獻。冶金部“ 九五” 國家重點科技攻關計劃明確了特鋼的發(fā)展要以市場為導向，以生產高質量產品為目標，以國際先進成熟的工藝裝備為樣板進行高起點技改。集中資金完整改造幾個特鋼企業(yè)，形成20萬t高質量鋼的特殊鋼企業(yè)。堅持以科技進步為依托，可以相信，通過不懈的努力，一定可以盡快使中國這樣一個特鋼大國躍變?yōu)樘劁搹妵?/p>

參考文獻

[1]蔡開科，程士富.連續(xù)鑄鋼原理與工藝[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1994