国内外大方坯连铸机新技术发展综述

关键词：大方坯连铸机；中间包；结晶器；电磁搅拌；动态轻压下；自主集成创新

中图分类号：TF777．2 文献标识码：A 文章编号：1006—9356(2008)04—0001—06

方坯连铸因其断面特征主要用于线、棒、管、型材等长材的生产，其中铸坯断面尺寸大于220 mm×220 mm的为大方坯。由于大方坯连铸机在浇注优质特种钢和不锈钢时，可在降低浇注速度、减少铸坯非金属夹杂和中心疏松、提高铸坯质量的前提下，不降低生产能力，并在产品质量和经济合理性方面具有一定的优势，从而逐步取代模铸成为优质特种钢的主要铸造工艺。近10年来，连铸技术取得了长足的进步，世界各地新上了上百台各种形式的大方坯连铸机，采用了多种新技术。本文在对其进行简介的同时，为提高国内大方坯连铸机设备的国产化率和国内自主集成创新能力，还提出了一些建议。

1 国内外连铸机相关信息及设备选型

1．1国内外连铸机基本参数

从近年建设的国内外大方坯连铸机相关信息(表l、表2)得知，大方坯连铸机主要产品是对裂纹敏感的硬线钢、轴承钢、弹簧钢、大断面重轨钢、中高合金钢等，断面最大为360mm×450 mm，连铸机半径为10～15m。

1．2大方坯连铸机设备选型

大方坯铸机型式一般有直弧型和全弧型。直弧型在大型夹杂物的去除和分布方面优于全弧型，但其存在铸坯两次变形，而全弧形只需一次变形。因此，全弧型铸坯的内部裂纹产生倾向要小，直弧型连铸机布置相对投资较高，建设投资也相对较大。近年建成的大方坯连铸机基本都采用全弧型。

同时，在选择大方坯铸坯断面时要考虑宽厚比和压缩比等因素。国内外研究表明，宽厚比为1．2～1．5的铸坯中心偏析、疏松等情况最好，质量最佳；为得到优良的力学性能，铸坯在随后进一步轧制过程中，通常应保证足够的压缩比。

另外，大方坯连铸机半径的选择也很关键，一般连铸机半径的理论计算有经验法和矫直凝固理论计算法。然而，在实际选型时除考虑理论计算外，还需综合考虑项目投资情况和连铸机后续产品的开发能力。一般，连铸机半径越大则项目投资越大，但从后续产品的开发来看，连铸机半径越大，开发高端产品的能力越强，因此选择合适的连铸机半径还需综合考虑以上因素。

2现代大方坯连铸机采用的新技术

为提高生产率、降低能耗，保证铸坯的内在和表面质量以及生产无缺陷方坯，使铸机能适应各种产品的质量要求，近年新建连铸机采用了多种新技术以达到相应目标，见表3。

2．1采用的关键技术

2．1．1中间包相关设计特点

中间包在连铸中主要起分流、连浇、减缓钢包中钢水对结晶器的冲击等作用。传统中间包容量按钢包容量20％～40％设计，但国外的设计原则多考虑钢水在其中驻留时间，一般在10 rain以上。随结晶器电磁搅拌、电磁制动、高拉速等新技术的应用，中间包容量亦相应增加，确保工作液位在1 000 mm以上，防止产生“涡流”(以150 t中间包为例，其推荐技术参数为：钢包容量150 t，浇注速度o．60～0．75 m／rain，4流，中间包容35 t，工作液位1 000 mm，溢出液位1 050 mm，钢水停留10～14 min)。同时，为充分发挥中间包的冶金作用，促进夹杂物上浮，减少带入结晶器中的大型夹杂物，新建连铸机常采用中间包钢流控制技术：①中间包流场控制技术。典型的中间包设计结构为△／T型，根据水模型计算，配备适当的渣堰和渣墙，以得到最合理的流场，确保钢水有足够的滞留时间及钢水中夹杂物有足够的上浮时间，提高钢水纯净度和均匀钢水温度。现代中间包设计要保证钢水在包内停留10min以上，流间距也较宽，如6流中间包流间距为1 500 mm，4流的可达2 000、2 200、2000 mm；设计时要通过3D水模计算，一般要求同一包钢水的前后温差小于7℃；消除流动死区，保证冷热端的温差小于6℃；同侧两流间的温差约2．6℃，钢水平均停留时间10～14 min，工作液位大于900 mm。另外，设计中要注意长水口位置要与中间包包沿离开一定距离，以避免该位置出现结钢壳的现象；针对长时间的CAST连浇，建议采用镁质喷涂耐火材料的工作层，厚度约30 mm；并考虑加固中间包坐包支撑位置的设计，以避免后期中间包出现下挠的现象。②中间包钢水流量控制技术，一般分为塞棒控制和滑动水口控制，前者对钢水质量变化适应能力强，可降低浇注温度、改善低倍组织和满足生产优质钢的要求。但因塞棒长时问浸泡在高温钢水中而具有断裂的危险性，则一些钢厂采用塞棒和滑动水口组合控制模式。塞棒控制系统一般有电机控制和液压控制，其中部分国外供应商采用直流电机控制，塞棒为整体式，工作部位耐火材料中ω(MgO)=75％～85％，认为这样比液压控制更稳定可靠。也有部分外商采用液压方式，由塞杆机构、带位置传感器的液压缸及惰性气体配管和控制箱组成，可通过手动或液压缸自动进行操作，塞杆采用氩气冷却并同时清洁水口，以协助钢水流动及防止结瘤，更换中间罐时液压缸可悬挂在中间罐车上；同时，为防止塞杆关不住水口，在中间罐底部设有带液压驱动的事故闸板装置，可快速安全中断铸流，塞杆机构和液压缸的装卸操作简便。

另外，与中间包相关的新技术还有中问包小车设计。其传统形式有悬挂式、轨道式、半悬挂式、悬臂式等。从连铸机发展趋势来看，为进一步提高连浇炉数和生产率，多采用快速更换中间包技术。如国外部分供应商设计2辆半悬挂式中间包小车，也有的采用2台中间包小车放在地面高架组合的走形轨道上。小车都具有电动走行、液压升降及对中、中间罐称重的装置，能介及信号管线高架传送拖链、安全操作的防溅板、高低轨道的半门形钢结构车；在车架底部设有结晶器烟尘罩和部分排烟管道，并具有称重、对中等传统功能。

2．1．2电磁搅拌技术

对于大方坯来说，电磁搅拌的选用有结晶器电磁搅拌(M—EMS)、流电磁搅拌(S—EMS)和末端电磁搅拌(F—EMS)，如何组合使用还与轻压下(Soft Reduction)选用有关系。其中，采用结晶器电磁搅拌可显著改善大方坯表面和皮下的质量，减少夹杂和针孔，提高铸坯内部质量，扩大等轴晶带，减少树枝晶搭桥，改善中心疏松和中心偏析，因此M—EMS一般是大方坯连铸机的必选配置。

国外有关流电磁搅拌研究的结论不太一致。有的认为，在使用不当的情况下会产生白带，且对铸坯内部质量无明显改善效果，特别是对高碳钢中心偏析的作用很小，不推荐采用；也有部分学者认为，使用靠近凝固末端的铸流电磁搅拌，此时电磁搅拌约在距结晶器弯液面10 m以后位置，仍较靠近铸坯凝固末端，能更全面改善缩孔、偏析等。

末端电磁搅拌能进一步改善缩孔、偏析等内部质量，但因其位置一般在液相区域60 mm左右效果最佳，这一安装位置与拉矫机的位置会有冲突，故一般只能二选一。

国内外对大方坯连铸机重要设备配置进行充分的研究，一般认为轻压下远比末端电磁搅拌的使用效果要好，因此大方坯配置一般选用M—EMS SR的配置较多。

2．1．3结晶器及其液面检测

一般，大方坯连铸机结晶器按结构可分为整体式、套管式和组合式(板式)，其中以套管式和组合式(板式)为主，二者的优劣对比见表4。

从实际使用情况看，大方坯采用管式结晶器和板式结晶器在铸坯的质量方面没有差别，但从设备稳定性和维修方面考虑，国外设备供应商推荐用组合板式结晶器的居多。

结晶器液面采用自动检测和控制系统，控制精度高，能保持液面稳定，减少卷渣和内部夹杂。自动检测方式一般有放射源和涡流检测，也有同时采用两种检测系统的。放射源检测采用137Cs和60Co，后者的放射强度要强于前者，但137Cs一般为粉末状，易泄漏且半衰期长，对人体伤害要大于60Co，但二者使用效果差别不大。

与放射源检测相比，涡流检测与结晶器电磁搅拌互相干扰且价格较贵，需较大的操作空间，一般在板坯连铸上使用较多，在方坯上用得较少，故多数供应商在大方坯上推荐用带射线源及水冷闪烁计数器的液位检测装置，检测精度在测量范围的±(2％～3％)，并与塞杆机构联动，结晶器钢水液位波动控制在±3 mm。

对于双检测系统，部分研究认为放射源不能完全区分钢水和保护渣，对钢水面检测的精确度较涡流检测要差，故在开浇前期采用放射源检测液位上升状况，在液位到达涡流检测范围后切换至涡流检测以实现精确的液位控制，且双系统还可在其中一种检测故障时起到后备作用；但也有部分学者认为结晶器液位检测双系统意义不大，放射源检测与涡流检测交替使用及互为备用显得累赘及浪费。从实际使用情况来看，后者意见较为合理。

2．1．4结晶器振动技术

结晶器振动按机构可分为导轨式、四连杆式和四偏心轮式等，按振动源可分为机械式和液压式。由于液压振动能在浇注过程中在线调节振幅、振动频率和振动曲线，操作更加灵活，并能有效降低拉漏率、改善铸坯表面质量等，故目前大方坯普遍采用。

不同的供应商所采用的液压振动方式亦不同。如西马克德马格(SMSD)采用结构紧凑的双缸式结晶器液压振动系统，以解决结晶器的晃动；而SVAI则采用高刚性结构的框架配合单缸液压驱动，保证振动的同步性，液压振动通过框架、板簧支撑和导向结晶器，实现结晶器自动对中和冷却水自动连接。

一般，液压振动装置由于具有变频控制模式，在该模式下振幅可随铸速的变化而提高，振频则随铸速的变化而降低。可在稳定的结晶器振动区域内保持一个低的且相对稳定的铸坯负滑脱时间，以达到控制铸坯振痕深度的目的。在实际生产中，根据浇铸钢种、铸坯规格来选择结晶器振动方式，振动控制装置根据浇铸速度和振动方式使振动以自动方式进行，由控制装置给出振幅、波形和非正弦振动系数。通过改变非正弦系数来改变振动波形。

2．1．5保护浇注技术

大方坯连铸一般用于生产优质特种钢，须采用全程无氧化浇注，防止或减少二次氧化。主要技术手段有：钢包和中间包上加盖；钢包至中间包用保护套管和氩气密封；中间包至结晶器用浸人式水口加保护渣保护浇注；中间包开浇前吹氩气形成防氧化气氛等。

2．1．6二冷系统及其自动控制技术

一般，大方坯连铸机二冷支撑段采用足辊及活动段对内外弧和侧面四面支撑，以防鼓肚。固定段用内外弧支撑，通过基于铸流单元停留时间效应理论及铸坯表面温度测量的动态二冷模型来自动控制，通过时间效应计算设计出最佳的辊间距(喷嘴间距)排列，以有效支撑铸坯，实现铸坯均匀平滑冷却，防止应变。

大方坯连铸机通常采用水喷嘴 气雾喷嘴组合，即在结晶器出口处使用水喷嘴，扇形段使用实心锥形水喷嘴或气雾喷嘴。随连铸技术的发展，大方坯(圆坯、矩形坯、异形坯、小板坯)连铸机，尤其是高性能的合金钢连铸机，则趋于采用全气雾喷嘴。其原因是，气雾喷嘴调节范围宽易调节，冷却强度大且均匀，很少堵塞，使铸坯表面温度波动范围小，回温幅度最低，可保证铸坯温变应力最小，避免产生热应力裂纹，特别是对裂纹敏感性强的高级冷镦钢和中低碳合金钢的冷却更为有利。不同区域采用不同的回路控制水量，以实现平滑的冷却强度变化，推荐大方坯冷却水压力600 kPa，压缩空气压力200 kPa，冷却强度平均为0．1～0．2 kg，最大为0．4 kg。

2．1．7轻压下技术

传统的大方坯连铸一般铸坯内部存在较严重的中心偏析和中心疏松等缺陷，高碳当量钢种铸坯受成分和大方坯凝固特性的影响，则中心偏析和中心疏松缺陷更为严重。而轻压下技术被认为是消除中心偏析、减少内裂纹的最佳方法，它是指在连铸机铸坯凝固末端对铸坯施加外力，补偿凝固收缩且破碎已形成的“晶桥”，使得铸坯内钢水可自由流动，以最大程度地减少中心偏析和疏松。

近年轻压下技术发展迅速，从2003年攀钢在280 mm×380 mm、280 mm×325 mm大方坯上采用至今，国内外投产或即将投产的动态轻压下铸机已超过50台、70多流，但其核心技术一直被VAI、SMS以及DANIEu等跨国集团所垄断。

按压下控制方式，还有静态轻压下和动态轻压下，目前国际上对轻压下的研究主要是动态轻压下。大方坯连铸机上有实绩的企业有：①西门子奥钢联(SVAI)。攀钢引进的奥钢联DynaGap是第1台在大方坯上采用的轻压下技术，它根据浇铸速度、钢种成分、钢水过热度、二冷水配置、铸坯断面规格等参数持续调节轻压下区域和压下量，使铸坯中心疏松降到1．0级以下，碳偏析指数从1．08降到1．03，2．0级疏松比例从10．53％降至零，1．5级疏松比例从63．16％降至20％，1．0级疏松比例从10．53％降至56％，0．5级疏松比例从15．79％降至24％，使用效果非常明显。②达涅利(DANIELI)公司研究认为，在液相凝固末端存在一个闭合的液体锥形体，在收缩辊和轿直装置之间通过设置伺服比例控制一个特定的压下还原量，可减少大方坯的中心疏松和碳偏析。经SR处理的大方坯表面质量可达到侧面±0．7％，正面凸凹量小于1．0％和1．25％。

总之，动态轻压下技术可自动跟踪液芯的位置实施动态轻压下，能有效改善中心疏松和中心偏析和提高铸坯内部质量。国外研究表明，对于部分含铝钢种易产生表面及皮下裂纹，因为二冷段末期铸坯坯壳温度基本在1 300～1 400℃，经强水量急剧冷却后坯壳温度基本达到700～800℃，其问硫化物、氮化物(ALN)等易集中析出，且坯壳收缩导致的变形应力及温度陡变引起的热应力，会使表面及中心内部产生裂纹，建议这些钢种不考虑热轻压下技术。

2．1．8拉矫技术

由于高拉速的实现，铸流冶金长度增加，通常的单点矫直使带液芯的铸坯承受很大的应变，并在固一液相区易产生矫直裂纹而形成内部缺陷。对此，目前国外提出了带液芯的多点或连续矫直技术，减小变形率，有效提高铸坯内部质量，尤其有利于生产易脆裂的钢种。

多点弯曲矫直是指在弯曲和矫直区分别采取不同的半径，各辊子沿不同的半径排列布置，并在弯曲点或矫直点曲率有一个突变点。连续弯曲矫直是指弯曲区和矫直区的辊子分别沿一条给定的连续弯曲和连续矫直曲线布置。从理论上讲，连续弯曲矫直辊列比多点弯曲矫直辊列，能显著减少铸坯产生裂纹的几率。

目前，国外典型连续矫直新技术有：①(20ncast技术。该技术是诸多方法中较为理想的一种。整个矫直区域的应变率保持恒定，不产生应变峰值，且应变率很低。另外，同其它方法不同，此种带液芯的连续矫直在矫直区内没有剪力。这是整个矫直区长度上弯曲力矩恒定所致，故可得到无内裂、无表面横裂等缺陷的铸坯，实现高拉速下的无损伤矫直。②VAI技术。采用五辊拉坯矫直机，应用渐进矫直(又称“连续”矫直)技术。它将过渡点设在2个拉矫辊之间，由于在过渡点上没有辊的支撑，因此矫直变形不是集中在一点，而是渐近矫直的过程。

2．2几个关键技术

20世纪90年代中期，德国、奥地利、日本、意大利等国相继在连铸技术领域推出了多项新技术。以日本住友重机和西马克(SMS)为代表推出了结晶器液压振动技术；以奥钢联(VAI)、西马克德马格公司(SMSD)为代表先后推出了动态二冷水和液压动态轻压下技术；各公司结合以上技术和电磁搅拌进行综合控制铸坯质量的工艺模型和自动化技术。这些新技术代表了现代大方坯连铸机的发展趋势，也是国内设备设计制造单位极为薄弱的环节。国内设计制造单位还没有完全掌握这些关键技术，因此还不完全具备对大方坯连铸工艺进行总负责的能力，也就无法形成完整的国内自主集成能力。

3 设备国产化及国内自主集成的思考

近年国内在大方坯连铸机国产化上取得很大成绩，国内自主集成建设了如攀钢360 mm×450 mm、鞍钢280 mm×380 mm、319 mm×420 mm等多台大方坯连铸机，甚至连结晶器及振动、电磁搅拌、二冷系统、轻压下等关键技术都进行了国产化。但调查却发现，国内设计制造单位在关键技术上还停留在复制和消化上，尚未形成系统的独有技术；部分国内自主集成建设的大方坯连铸机，在铸坯质量、设备故障率、产品提升等方面仍存在亟待改进之处。从其建设经验看，要实现铸机国内自主集成创新和主要设备国产化的目标，尚需改进和提高：①建成完善的生产、研究、设计、制造的自主集成创新平台，特别要重视对工艺技术的自主集成研究。由于历史的原因，目前国内大多数研究、设计和制造单位往往是各自独立的机构，研究成果不能有效转化为工程技术，生产经验无法为研究和设计提供有效借鉴。而国外如VAI等一些工程公司，则是生产、研究、设计、制造齐全，相互间联系紧密，起到有效支撑和推进作用。目前，国内少数生产单位已建成完整的研究、设计、制造机构，但其间尚缺乏有效支撑，特别是在连铸机工艺技术方面的自主集成较为薄弱。②重视连铸机建设的后期服务和改进，保证国内自主集成建设的每一台都是“样板”，逐步增强建设单位对国内自主集成创新的信心。国~l-)t．家供应商对其设计制造的项目都十分重视，包括后续服务和技术改进都做得较完善，且在每一个地区都会刻意打造出一个技术先进和成熟的“样板厂”供参考和选择，有非常好的宣传效果。目前，国内在这一点上做得较欠缺，项目考核期一过就不再关注，而第1台自主集成建设的连铸机存在的不足之处未得到及时改进，从而间接影响了后续者的信心。③善于借鉴、学习、消化国外先进技术，发挥“后发优势”，同时要加强连铸机新技术的前瞻性研究，特别是基础理论的研究，在连铸机关键技术上形成系统的独有技术。