连续铸钢技术的发展探究

穆智慧

摘要：连铸技术按生产应用程度可分为生产应用技术、在开发技术和应用基础研究几部分，双辊薄带连铸技术是全新的连铸主导技术。叙述了连续铸钢技术的发展状况和趋势，找出了目前我国在连铸技术工程化方面存在的差距，坚信连铸技术会向着进一步高效率、节能和近终形方向发展。

关键词：连续铸钢；发展状况；发展趋势

连续铸钢技术的开发与应用是钢铁生产中继氧气转炉之后又一次重大的技术革命。大型化、连续化和自动化是现代工业生产技术的总体发展趋势。早在19世纪中叶，英国发明家、鼓风炼钢发明者H.Bessemer提出了双辊法连续铸钢的专利。差不多经过一个世纪的努力， 连续铸钢才于本世纪50年代初用于工业生产。自连续铸钢工业化以后的40多年来， 由于其与模铸相比具有节约能源、降低消耗、节省投资、生产成本较低、钢的质量较好以及劳动生产率较高等优点而在钢铁生产中迅速得到推广应用。到1940年， 世界连续铸钢产量达到5.1亿吨， 连铸比超过70%，不少工业发达国家的连铸比已接近或达到100%， 采用全连铸的工厂更为普遍。

我国自1958年重钢三厂第一台工业规模的连铸机投产以来， 经过近40年的努力， 全国连铸机总量已达247台，总生产能力5294万吨， 1995年的连铸坯产量达到4377万吨， 居世界第三， 连铸比也达到46.9%。预期“ 九五”末期， 我国连铸比可望达到80%。

连铸技术的发展历程， 钢铁工业发展迅猛，生产面貌焕然一新，钢铁产量迅速增长，产品品质大幅提升，生产效率显著提高，生产成本明显降低， 环境污染得到有效控制。究其本质因素， 核心推动力来自钢铁行业的技术进步，即： 以氧气转炉炼钢、炉外精炼、连续铸钢、连轧与控轧控冷为核心的4项技术革新带动的钢铁生产流程的技术进步。作为4项重大技术革新之一的连铸技术彻底改变了炼钢生产的流程和物流控制，使得单元化、间隙式炼钢生产模式转变为连续化、大型化、专业化、优质化、高效生产模式，同时推动了冶炼、精炼和轧制工序的技术革新。

一、连铸在我国的发展历程

连铸在我国的发展经历了曲折的发展过程，大致可以分为研究开发、缓慢发展、规模建设、跨越发展四个阶段。

1.1 研究开发阶段（1954-1967年）

原冶金部钢铁研究总院、上海交大、重庆钢铁厂等单位开始了连铸的试验研究，研究与实验内容包括：连铸结晶器振动、二冷、拉矫机、直流变速、液压切割等关键设备；机型设计包括： 水平、倾斜、弧形、立弯、立直等； 铸坯断面包括：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年重钢三厂弧形板坯连铸机投产， 比号称世界第一台弧形连铸机的德国迪林根钢厂弧形铸机还早一个星期。可以肯定20世纪60 年代初期与中期我国连铸技术的研发与生产取得了与世界同步的成绩。

1.2 缓慢发展阶段

即文革阶段。连铸技术的完善与发展在我国处于停滞状态，直至1980年我国连铸比稍见增长，1982年全国连铸比为：7.6%，连铸坯产量275万吨。此外，我国平炉慢节奏生产客观上阻碍了连铸的发展，15 年的徘徊不前，使我国连铸生产大大地落后于欧、日等发达国家，连铸比仅为与日本连铸比的十几分之一。

1.3 规模建设阶段（1983-1989年）

1983 年全国炼钢工作会议上，原冶金部钢铁司明确提出加快发展连铸技术和连铸生产的任务。组织了对西马克—康卡斯特引进的板坯连铸机的消化吸收和对上钢一厂国产板坯连铸机的联合攻关工作，1985年，武钢二炼钢成为我国第一个全连铸炼钢厂。1988年原冶金工业部召开了第一次全国连铸工作会议，总结了三十年来连铸发展的经验和教训，第一次提出了“以连铸为中心，炼钢为基础，设备为保证”的连铸生产技术方针。1988年和1989年，在连铸机建设速度增加的同时，连铸比年增长达到1.6个百分点， 年增铸坯超过110万吨。增强了全行业加快发展连铸的信心。

1.4 跨越发展阶段（1990年至今）

在实现全连铸生产和炼钢-炉外处理-连铸“三位一体”组合优化等技术目标的引领下，我国连铸取得了长足进步，连铸成为我国钢铁生产突破模铸生产“瓶颈”，加快淘汰平炉，促进高炉、转炉高效长寿，实现流程优化和跨越式发展的关键因素。1990年，我国连铸比为25.07%； 1993年后，我国连铸坯的年增长量超过产钢的年增长量；1996年我国连铸比首次突破50%；2001年连铸比达88.2%，首次超过了世界平均连铸比86.8%的水平。截至2007年底，我国现有铸机996台2906流，铸机产能达到5.0亿吨以上，连铸比稳定保持在95%以上。基本确立了我国在连铸生产第一大国的领先地位。与此同时，高效连铸技术的自主开发与薄板坯连铸连轧技术消化与创新也取得了可喜成绩。

二 现代连铸技术--高效连铸技术

高效连铸技术的内涵是： 以高拉速为核心， 以高质量、无缺陷铸坯生产为基础， 实现高连浇率、高作业率的系统生产技术。其核心技术包括： 高效结晶器技术、电磁连铸技术、振动优化技术、带液芯压下技术、二冷动态控制技术、连续弯曲与矫直技术等等。高效连铸的应用， 获得了铸机产能提高一倍以上， 品种覆盖几乎所有钢种的冶金效果。

2.1 高效结晶器技术

高效结晶器技术是当今连铸技术优化发展的核心技术之一。其目标是：提高结晶器内热流密度， 增加坯壳凝固厚度； 改善结晶器传热均匀性， 均匀凝固坯壳；均匀内壁与铸坯表面的摩擦， 提高结晶器铜板（管）的寿命。以方坯连铸连续锥度结晶器技术为例，通过优化结晶器铜管内腔锥度， 实现了强化初生凝壳在结晶器内边、角部位的传热， 均匀纵断面方向热流分布的目标。

2.2 电磁连铸技术

电磁技术在连铸工艺中有着广泛的应用， 概括地讲可以分为如下几个方面： ①电磁力学特性的利用， 如注流约束、电磁制动、电磁搅拌、电磁软接触等； ②电磁热特性的利用， 如中间包感应加热等； ③电磁物理特性的利用， 如电磁下渣检测、液面检测等。已被用于工业生产的电磁冶金技术主要是电磁制动和电磁搅拌技术。以电磁制动为例， 通过改变结晶器内的钢液流动， 进而改变结晶器的传热和铸坯内的溶质分布， 以改善连铸坯的凝固组织。与常规连铸相比， 电磁制动能够降低结晶器内钢液向下冲击的深度， 促进凝固前沿非金属夹杂物的上浮， 稳定弯月面的波动， 促进保护渣的均匀分布。电磁制动的作用包括： 当拉速处在高拉速的情况下， 其作用力可以让板坯外壳充分冷却， 使得漏钢概率降低； 当拉速变化时达到稳定拉速的作用， 从而达到抑制结晶器液位波动、减少钢水偏析、提高板坯质量的

作用。

2.3 结晶器振动优化技术

其核心是实现结晶器的非正弦振动， 通常指与正弦振动相对应、具有一定偏斜的波形。结晶器非正弦振动与正弦振动相比其具有如下特点： 结晶器上升时间长且速度平缓， 可减少初生坯壳所承受的拉伸应力； 结晶器下降时间短且速度快， 对初生坯壳施加了压应力， 有利于脱模； 负滑动时间明显减少， 可减少振痕深度， 提高铸坯表面质量。

2.4 带液芯压下技术

带液芯压下是融浇注凝固与塑性变形、连铸与轧制一体的新工艺技术。具体形式有辊式轻压下技术和锻压式轻压下技术，带液芯压下的主要作用概括为如下四方面： 在连铸坯的凝固末端进行适量压下， 以减小铸坯中心宏观偏析及疏松， 改善铸坯质量； 在结晶器下方进行压下， 以扩大结晶器容积， 利于稳定薄板坯连铸结晶器内钢液面， 促进钢中夹杂的上浮； 提高薄板坯连铸保护渣的润滑效果，改善铸坯表面质量； 可以灵活地改变铸坯厚度， 增加产品规格范围， 使生产组织具有更大的灵活性。

三、关键生产应用技术

3.1 结晶器液面控制和自动浇铸

应用放射线、电磁涡流等传感器监测液面以及带有控流塞棒或滑板的结晶器液面控制与自动浇铸系统已经成为连铸机的基本配置。它已成为稳定工艺、保证铸坯表面质量、提高劳动生产率的重要措施。

3.2 铸坯矫直

过去的弧形连铸机普遍采用单点矫直方式，全部的矫直变形都集中在矫直点处。由于刚刚凝固的坯壳塑性很差，容易形成矫直裂纹，所以“全凝矫直”或“矫直前全凝”几乎成为定律。但是浇铸速度的大幅度提高使铸坯液心变得很长，人们不得不突破这一定律，寻求其它避免矫直裂纹的方法。多点矫直和连续矫直方式将矫直变形分配在几个矫直点上或整个矫直区域内，使矫直过程中发生了回复和松弛，从而保证不产生矫直裂纹。该技术在连铸机的设计和实际生产中都取得了良好的效果。

3.3 二次冷却控制

连铸坯壳从结晶器中拉出时，其内部还有很多液心，需要进行喷水冷却，谓之二次冷却。二次冷却具有保证生产顺行、提高生产率、控制铸坯质量、保护设备等重要作用。冷却介质可用水或汽水。现代连铸机按不同断面钢种设有多套冷却制度，在浇铸过程中分回路自动在线调控水量。在线调控水量的方法可采用静态水表法和二冷动态控制法。

3.4 电磁搅拌

电磁搅拌（EMS） 是利用感应电动机原理使导电融体流动的方法和设备。这种流动发生在铸坯液芯里会有多方面的作用：其一是均匀液芯内钢水的温度；其二是将凝固枝晶带入铸坯心部，使其成为等轴晶的凝固核心；其三是冲洗凝固前沿的富集溶质，最终在这一区域形成白亮带。所以电磁搅拌的冶金效果是扩大等轴晶区、减少中心偏析和皮下缺陷。

3.5 粘结漏钢预报

凝固坯壳粘结在结晶器壁上时结晶器铜板的温度场会反映出特定的变化模式。因此，用布置在铜板上的热电偶测量这种变化模式就可以预报粘结漏钢的发生。但实际生产中情况非常复杂，连铸机的产量和压力都较大。漏钢预报系统的设置需要与特定的铸机及操作状况相适应。目前我国进口的大型板坯连铸机都装备有这种系统。

3.6 凝固末端轻压下及液芯压下

凝固末端轻压下是指在铸坯即将完全凝固时用外压力使之变形的工艺。板坯连铸机中轻压下可由原有辊列实现，方坯连铸机中由拉矫机或专用机架完成。凝固末端轻压下可以改善中心疏松或缩孔、减轻中心偏析。文献常常回避凝固末端轻压下的副作用，多认为其有利，实际上刚刚凝固的坯壳塑性很差，轻压下时又很难保证每一点三向压应力的状态，任一方向有拉应力都可能使铸坯产生裂纹。

四、结语

我国特钢企业走过了漫长而艰苦的道路。在此历程中，特钢企业为我国“ 四个现代化”、为国防和尖端产业提供了重要的材料，作出了重大贡献。冶金部“ 九五” 国家重点科技攻关计划明确了特钢的发展要以市场为导向，以生产高质量产品为目标，以国际先进成熟的工艺装备为样板进行高起点技改。集中资金完整改造几个特钢企业，形成20万t高质量钢的特殊钢企业。坚持以科技进步为依托，可以相信，通过不懈的努力，一定可以尽快使中国这样一个特钢大国跃变为特钢强国。

参考文献

[1]蔡开科，程士富.连续铸钢原理与工艺[M].北京：冶金工业出版社，1994