这几天频上热搜的屠呦呦,大家一定都不陌生。作为我国获诺贝尔医学奖第一人,她的青蒿素挽救了无数人的性命。近几年出现的青蒿素抗药性难题,经过多年努力,屠呦呦和她的团队也取得了新突破。

随着市场竞争的日趋激烈,产品的质量已经成为占有市场的主要砝码,连铸坯作为炼钢厂的终端产品,其质量直接影响着轧材单位的产量和轧材质量,据统计炼钢厂连铸坯质量缺陷中约70%为连铸坯裂纹,连铸坯裂纹成为影响连铸坯产量和质量的重要缺陷之一,下面将对铸坯在凝固过程中裂纹的形成做简要分析:

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当问题出现的时候,勇于打破传统,跳出舒适区,才能够挖掘新的可能性。

一、铸坯凝固过程的形成

连铸拉坯速度是反映连铸机技术装备及工艺设计水平的重要指标之一。近日,中冶南方连铸在阳春新钢铁3#铸机上进行了高拉速试验,成功地将断面为155mm×155mm的小方坯拉速从4.0m/min推进到5.0m/min!整个试验过程生产正常,铸机状态稳定,铸坯质量良好。此次试验实现的拉速达全国之最,在国内小方坯铸机发展史上具有“里程碑”式重要意义。

在钢铸过程中,结晶器振动系统是必不可少的一环,它的效率直接影响着产出的钢坯质量。传统的结晶器振动系统弊端明显可以有突破么?来看看皮尔磁的解决方案。

铸坯在连铸机内的凝固可看成是一个液相穴很长的钢锭,而凝固是沿液相穴的固液界面在液固相温度区间把液体转变为固体把潜热释放出来的过程。在固液界面间刚凝固的晶体强度和塑性都非常小,当作用于凝固壳的热应力、鼓肚力、矫直力、摩擦力、机械力等外力超过所允许的外力值时,在固液界面就产生裂纹,这就形成了铸坯内部裂纹。而已凝固的坯壳在二冷区接受强制冷却,由于铸坯线收缩,温度的不均匀性,坯壳鼓肚、导向段对弧形不准,固相变引起质点如在晶界的沉淀等,容易使外壳受到外力和热负荷间歇式的突变,从而产生裂纹就是表面裂纹。

方坯高效连铸是一项综合技术集成工程,其核心技术包含了中冶连铸多项专利技术诀窍。结晶器技术方面,采用了“梅花型结晶器”铜管内腔及“水槽冷却”铜管外形专利技术设计;结晶器振动方面,中冶连铸开发了“高拉速方坯连铸振动装置”,具有高频振动平稳,运行可靠,共振点少等特征;二次冷却的设计模式也是高拉速连铸核心环节,通过对方坯快速冷却凝固机理的研究,中冶连铸开发了“高压全水高效二冷工艺”技术。除此之外,中冶连铸从保证高拉速实施的多方面进行定量标准化,提出一整套设计、施工标准和生产管理规范,从而确保了工业生产的高效、稳定。

什么是连铸机?

二、连铸坯裂纹形态和影响因素

方坯高效连铸技术不仅能够大幅度提高生产效率,为企业带来更加丰厚的利润,而且在节能、降耗、环保、节约投资方面也具有竞争优势,同时为连铸直轧、无头轧制的实现创造条件。该项成果充分体现了中冶南方连铸“连铸国家队”的实力,同时提前完成了集团公司重点研发项目“方坯无头轧制连铸关键技术”第一阶段的任务。

高温钢水连续不断地浇注到一个或一组水冷铜制结晶器内,钢水沿结晶器周边逐渐凝固成坯壳,待钢液面上升到一定高度,坯壳凝固到一定厚度后拉矫机将坯拉出,并经二次冷却区喷水冷却使铸坯完全凝固,由切割装置根据轧钢要求切成定尺。这种使高温钢水直接浇注成钢坯的工艺过程称为连铸。

连铸坯裂纹形态分为表面裂纹和内部裂纹,表面裂纹有纵向、横向角部裂纹、表面横裂和纵裂、网状裂纹和凹陷等,内部裂纹有中间、中心和矫直裂纹等。

一、技术概况

结晶器振动装置是连铸生产的核心,结晶器振动装置的作用是使结晶器做周期性振动,以防止初生坯壳与结晶器壁产生黏结而被拉破,振动曲线一般按正弦规律变化,以减少冲击,其振幅和频率应与拉速紧密配合,以保证铸坯的质量和产量。

连铸坯裂纹的影响因素:

连铸拉坯速度是反映连铸机技术装备及工艺设计水平的重要指标之一,随着连铸技术的发展,该项指标也在不断提高。拉速的提高不仅仅局限于降低一次投资,还可以大幅度提高单流生产能力、减少生产消耗和劳动定员、提升自动控制水平,经济效益十分巨大。

传统结晶器振动系统存在弊端

连铸坯表面裂纹主要决定于钢水在结晶器的凝固过程,它是受结晶器传热、振动、润滑、钢水流动和液面稳定性所制约的,铸坯内部裂纹主要决定于二冷区凝固冷却过程和铸坯支撑系统的对弧准确性。铸坯凝固过程坯壳形成裂纹,从工艺设备和钢凝固特性来考虑影响裂纹形成的因素可分为:

中冶南方连铸长期致力于连铸高效化技术的开发,该技术在阳春新钢铁三台五流方坯连铸机上应用后,铸机生产拉速稳定在4.2m/min左右,月漏钢不超过1次,铸坯质量良好,主要用于高端建筑螺纹钢,实现了高品质、高拉速的连续生产。经过改造后,阳春新钢铁年产量增加了20%,钢材主要用于大型桥梁、核电站建设及高端民用建筑等国家重点工程。

目前国内常见的结晶器振动系统有机械式正弦振动系统和液压或电动非正弦振动系统两种。

1、连铸机设备状态方面有:

目前,该技术申请专利22项,其中发明专利10项,发表论文7篇,申请软件著作权1项。

机械式正弦振动技术其动力源有电机减速机构成,其振动曲线单一,振幅、频率调节困难,限制了钢坯质量的进一步提升;液压或电动非正弦振动系统虽然解决了正弦振动系统的一系列问题但目前国内技术仍不成熟,存在使用寿命短,设备能耗高,系统有功功率低等各种问题。

1)结晶器冷却不均匀

二、主要科技成果

研制出一种操作性能强,使用寿命长,设备能耗低的振动伺服系统,是成为业内人士亟需解决的问题。

2)结晶器角部形状不当。

1:高效冷却结晶器

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3)结晶器锥度不合适。

传统的小方坯结晶器采用水缝冷却,这种冷却模式具有水缝均匀性难于保证、角部二维传热导致坯壳角部过冷等缺陷,限制了拉速的进一步提升,易导致表面裂纹、脱方,甚至漏钢事故。

4)结晶器振动不良。

中冶南方连铸对方坯结晶器冷却进行了大量的数值模拟和生产实际检测,如通过在铜管上安装热电偶,获取实际传热数据,验证计算模型,指导工艺设备设计。以此为基础开发出:

5)二冷水分布不均匀(如喷淋管变形、喷嘴堵塞等)。

具有更高换热效率、铜管-坯壳贴合特性更好的高效冷却结晶器铜管:“梅花形铜管”,它具有特殊三维立体腔型与锥度。

6)支承辊对弧不准和变形。

强制均匀冷却结晶器,取消了水缝冷却模式、增加了铜管冷却面积、增强了角部与面部的冷却均匀性。

2、工艺参数控制方面有:

铜管测温热电偶和测温数据

1)化学成份控制不良。

梅花形内腔和强制冷却铜管

2)钢水过热度高。

2高精度振动装置

3)结晶器液面波动太大。

随着拉速的提高,结晶器振动的振幅和频率均需要增加,从而导致振动的速度与加速度均提升,大大增加了振动的冲击载荷。常规振动具有固有共振频率低、结构刚性差,耐冲击能力弱、稳定性不足,偏摆量大、仿弧进度不高、振动波形与参数精度不够等问题,难于满足高拉速连铸所需的大振幅、超高频率振动需求。

4)保护渣性能不良。

中冶南方连铸开发的新型高拉速结晶器振动装置,采用箱体式全板簧导向结构,荷载重心更靠近导向支撑中心,导向精度及稳定性高、刚性好、抗冲击载荷强、固有共振频率高。振动装置配制液压缸和电动钢两种驱动形式,驱动能力强、曲线拟合好、使用寿命长、振幅精度高且在线可调。该振动装置的固有共振频率超过350次/分钟,可以满足连铸拉速6.5m/min的工况需求。

5)水口扩径。

高精度振动装置和模拟计算

6)二次冷却水分配不良,铸坯表面温度回升过大。

3 高压二次冷却系统

7)铸坯带液芯矫直。

随着连铸拉速的提高,铸坯在单位时间内传出的热量增加,铸坯表面直接冷却蒸气膜加厚,二次冷却需要更大的冷却强度、更大的打击力和更长的冷却长度,而常规二冷水喷嘴工作压力低、颗粒小,打击力不足以消除蒸汽膜,限制了二次冷却的传热效果。

8)铸坯在脆性区矫直。

中冶南方连铸开发出高压强冷二次冷却系统,可以满足方坯连铸6.5m/min拉速工况需求。该系统具有喷嘴工作压力高、喷嘴覆盖面积广,打击力大、二冷各区表面温度梯度过渡均衡、喷淋集管对中精度高、铸坯空冷回温小,拉矫温度高等特点。

3、钢的凝固特性方面有:

二次冷却区长度对铸坯表面回温的影响

1)凝固冷却过程的相变。

4 相关配套技术

2)铸坯凝固结构(柱状晶与等轴晶的比例)。

为了实现铸机的高拉速,相关配套技术也是至关重要的,如结晶器液面检测自动控制技术、二冷区铸坯精确导向技术、精确拉矫技术、高拉速保护渣及其自动加入技术、高拉速电磁搅拌技术等。

3)凝固壳高温力学行为。

5高效连铸全方位标准化管理理念

4)凝固过程的偏析。

高效连铸技术是一项系统工程,中冶南方连铸在大量的现场调研及试验跟踪基础上,结合长期以来的丰富工程技术经验,提出以高效化核心技术为主导,设计、制造、生产全方位标准化管理的高效连铸理念。

高拉速连铸技术实施

三、推广应用情况

中冶南方连铸公司攻克了浇铸工艺理论、高精度连铸装备等环节的关键核心技术,实现了方坯连铸拉速4.0m/min、4.5m/min、5.0m/min等阶段性目标,使阳春新钢铁年产量提高20%,得到了市场的广泛认可,并先后获得德信印尼8流方坯连铸、柳钢防城港3×10流方坯连铸、津西2×8流矩形坯连铸等多台高拉速高效连铸项目合同。

四、经济和社会效益

高拉速方坯连铸技术不仅节约了一次投资,提高了单流产能和劳动生产率,而且还降低了生产成本、能耗和废弃物等的排放,符合国家节能减排和高质量发展的工业发展方向与要求,具有良好的经济效益和社会效益。

我国当前市场上,150t钢包出钢量的炼钢车间已经非常普遍,且冶炼周期越来越短,随之建设了一批10流或12流常规小方坯连铸机与之匹配,200t以上的转炉车间尚无法建设更多流数小方坯连铸机与之进行一对一匹配,因此开发高拉速方坯连铸技术,提高单流连铸产能,减少连铸流数,是市场的迫切需要。

此外,方坯高拉速连铸技术也是实现棒线材直接轧制工艺的基础,企业采用这些新技术后,在节能降耗,降低生产成本等方面有很大潜力。

中冶南方连铸将再接再厉,持续推进小方坯高拉速连铸技术,不久的将来进一步将方坯连铸的拉速提高到6.5m/min,以最终实现方坯无头轧制的技术突破。

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