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铸锭

钢水经由盛钢桶注入钢锭模,冷凝成钢锭的工艺过程,也称模铸,是炼钢的最后一道工序。炼钢炉炼出的合格钢水,必须铸成一定断面形状和尺寸的钢锭或铸坯,才能经塑性加工得到各种用途的钢材。铸锭包括从炼钢炉出钢(或炉外精炼结束)到钢锭脱模送至初轧厂均热炉间的一系列工序,即浇注前准备、浇注、脱模、钢锭精整或热送等。

铸锭源于古代铸造技术。早在公元前五世纪(战国后期),中国已出现用金属模制作铁范,批量生产金属器具的技术。近代铸锭工艺则是以1856年贝塞麦(Beseemer)转炉炼钢法问世为起点。19世纪下半叶,转炉、平炉、电弧炉等主要炼钢方法先后成功,钢铁工业先是在西欧,而后在美国得到迅速发展。其间铸锭技术也得到同步发展。在美国90%以上的钢锭由上注法生产,而西欧则主要是下注。至第二次世界大战结束的70年间,铸锭技术不断革新和日趋完善,保证了铸锭能力与冶炼能力的同步增长,同时钢锭的质量也有明显提高。这一期间最长足的进步表现在两个方面:(1)钢锭及其铸锭设备不断大型化,操作机械化程度逐步提高。为适应大容量炼钢炉和大型、高速轧机的需要,盛钢桶容量已达300~350t,轧制板材的钢锭单重已增至40~50t,型材用钢锭也达10t以上。与之相配套的铸锭车、起重设备、脱模及整模设备等也都相应增大。盛钢桶内衬的砌筑与拆除、钢锭模的清扫与涂刷、水口及滑板的更换与启闭等各项操作,在许多工厂已实现了机械化、自动化作业。(2)车铸法逐渐取代坑铸法,成为主导的铸锭方式,从而将脱模、整模等工序移至铸锭跨以外的专门跨间进行,形成平行流水作业线,使铸锭生产能力得以大幅度提高。

铸锭作为炼钢学科的一部分,在理论上的发展经历了一个漫长的过程,19世纪下半叶,铸锭生产主要是靠手传师授的方式延续的,属技艺操作。19世纪末,虽然“冶金学”已初步形成,也只能够对凝固过程及铸锭工艺给以定性的说明。直到20世纪70年代,才在不断总结铸锭生产经验和吸收传热学、金属学及物理化学等学科最新研究成果的基础上,形成了冶金学的一个新分支金属凝固学。代表性的权威著作有:英国剑桥大学戴维斯(G.J.Davies)著《凝固与铸造》(1973年),美国麻省理工学院弗莱明斯(M.C.Flemings)著《凝固过程》(1974年),乌克兰铸造研究所叶菲莫夫(B.A.Eфнмов)著《钢的浇注与结晶》(1976年)等。这些著作全面、系统地阐述了凝固过程的基本理论,并对所伴生的物理化学现象作出了从微观到宏观的深入分析,还讨论并提出了控制凝固组织、减少铸锭缺陷的方向、途径和措施,有重要实用价值。进入80年代以来,随着计算机应用的普及和对凝固过程认识的深化,对钢锭及连铸坯凝固过程的数值模拟研究得以快速发展。一维或二维的凝固传热数学模型,已能比较准确地确定铸锭(或坯)和钢锭模中在凝固任意时刻的温度场,达到了实用化水平;在钢锭锭型及钢锭模设计、绝热板及保护渣研制、钢锭热送及液芯轧制实施等方面,都起到指导作用。凝固偏析数学模型、二维和三维流场数学模型以及应力、应变数学模型,也在积极开发和完善之中,亦将日趋实用化。

铸锭占整个金属铸件中的一大部分,分为3类:静态铸锭、半连续或直冷式铸锭和连续铸锭。

静态铸锭仅是单纯将熔化的金属倒入永久的铸模中凝固后,将铸锭从铸模中抽出,铸模可以再次使用。每年用这种方法生产出数以百万吨的钢。

半连续铸锭工艺在铝工业中用于制造大多数的铸造合金,由这些合金加工出棒料、薄板、板条和板材的形状。在这一工艺中,熔化的铝被传送到一个由水冷却的永久铸模中,在铸模的长活塞上装有活动底座。在铸模表面进一步凝固而形成一层坚硬的“皮”之后,活塞向下运动,更多的金属连续填入容器中。最后,活塞运动至全长,过程停止。铝工业中常规的方法是利用适当润滑的金属铸模。然而,工艺的改进已经允许主要的铝合金生产者用一种电磁场取代(至少部分取代)金属铸模以使熔化的金属仅仅短暂地接触到金属铸模,因此与传统方法相比可以生产出光洁度更高的产品。

连续铸锭为钢和铜工业提供了主要的铸材资源,而且在铝工业中增长迅速。在这一工艺中,熔化的金属被送到一个永久铸模中,铸造开始时与半连续铸造极为相似。然而,该过程不是在一定时间后停止,凝固的铸锭被连续剪成或切成一定长度并且在铸造过程中被运走。因此,该过程是连续的,凝固的棒料或板条像铸造一样被迅速运走。与传统铸造工艺相比这一方法有许多经济优势;因此,所有的现代钢厂都生产连续铸造的产品。

传统铸锭工艺的一个突出特点是钢锭模、保温帽、底板等设备都可反复使用。按铸锭作业流程的特征区分,有车铸和坑铸两种浇铸方式。车铸时,底板、钢锭模等置于专用的铸锭车上,在独立车间进行整模、浇注、脱模等作业。这种浇铸方式可实现平行流水作业,生产效率高,劳动条件好;其缺点是占地面积大,基建投资较多。大、中型炼钢厂均采用车铸。坑铸时,底板、钢锭模等置于铸坑内(或车间地平面上),整模、浇注、脱模作业都集中在主厂房铸锭跨间进行。坑铸的主要优点是设备简单、占地面积小、基建投资少,但劳动条件差,生产效率低。小型钢厂多采用坑铸。按钢水注入钢锭模的方位区分,有下注法和上注法,下注法钢水经中注管和底板从下部进入钢锭模,可以同时浇注多支钢锭,模内钢水上升平稳,钢锭表面质量好,适宜于中、小型沸腾钢钢锭和镇静钢钢锭浇注;上注法钢水直接或经中间漏斗从模型上口注入钢锭模,注前准备作业简单,耐火材料消耗少,钢水收得率高,但开浇时易引起钢水飞溅,从而容易造成钢锭结疤、皮下气泡等表面缺陷,通常须预先在模型内设置防溅筒加以防护。半镇静钢钢锭和大型沸腾钢钢锭及大型镇静钢钢锭适宜采用上注法。无论是车铸还是坑铸,都可以采用上注法或是下注法浇注

钢水出炉(或经炉外精炼)后即进入浇铸成锭阶段。

为了顺利进行钢水浇注,浇注前须对一系列铸锭设备及相关条件做好充分准备。

(1)盛钢桶准备。盛钢桶是盛装和运送钢水的专用容器,要求保温良好、安全、长寿。大修盛钢桶加盖烘烤时间≥10h,不加盖烘烤时间≥16h;小修盛钢桶加盖烘烤时间≥8h,不加盖烘烤时间≥12h。周转用盛钢桶要清除残钢、残渣,检查桶壳和桶衬的破损情况及部位。必要时加以修补;更换水口及塞棒(或滑动水口),并调整操纵机械使之运行正常;向滑动水口添加引流剂;最后以专用的烘烤装置将盛钢桶内衬烘烤至800~1100℃,以保证减少出钢过程钢水温降。

(2)钢锭模和辅具准备。包括钢锭模、保温帽、底板、中注管等设备的就位及流钢砖的镶砌等作业。新钢锭模第一次使用前需烘烤;周转模需经冷却、清理、涂刷和列型(或称稳模)等作业。周转模在脱出钢锭之后送往冷却线空冷或喷水冷却,并在模温不低于200℃前终止水冷。钢锭模内壁应干净、平滑,涂料应均匀。在钢锭模上端放置保温帽,使钢锭头部钢水较长时间保持为液态,以便对钢锭本体不断补缩,减小缩孔深度。保温帽内衬过去多用黏土砖修砌或用耐火材料整体打结烧成,现在则多采用钉挂或镶砌绝热板衬。老式保温帽可多次使用,但每次使用后需表面涂泥并加以烘干;新式绝热板衬只能使用一次,一般在铸车列型之后衬挂新绝热板。保温帽必须干燥,尺寸应符合设计要求。

底板为铸铁平板,用以承托钢锭模及钢锭,对“无底”钢锭模,底板与钢水接触,形成锭尾。下注用底板铸有限定中心座砖和流钢砖的沟槽,需镶砌中心座砖、流钢砖以及安放中注管砖和中注管等。车铸时,底板安放在铸锭车上;坑铸时,底板则放置在铸坑内或车间地平面上。新底板使用前必须烘烤至100~200℃。周转底板首先要清除上次铸钢的流钢砖、沟道、填充砂等。上注底板要喷涂一层防止钢锭粘连的涂料并放置注流缓冲料(如钢板、钢屑等)、防溅筒等。

(3)钢水温度调整。出钢终了至浇注开始,盛钢桶内钢水要经一定时间的吹氩搅拌或“镇静”,以均匀钢水的温度和成分,促进非金属夹杂物上浮,调整桶内钢水温度,达到浇注温度要求。

通过选择水口孔径和调整水口开启度,使从盛钢桶水口流出的钢水注流以适宜的注温和适宜的注速注入钢锭模冷凝成锭的工艺过程。浇注时应尽力保持注流饱满、圆滑,以减少钢水的二次氧化。注温和注速是重要的浇注工艺参数。

钢锭在钢锭模内冷凝一定时间以后脱除钢锭模。脱模的主要设备为脱模吊车。上小下大钢锭脱模后,只将钢锭送往均热炉。上大下小带保温帽钢锭,需先脱掉保温帽,再用脱模吊车预脱模(即将钢锭从钢锭模内提起一定高度之后再放回去),然后将钢锭连同钢锭模一起送往均热间,再将钢锭吊入均热炉,铸锭车载着底板、钢锭模返回到整模间。

普通镇静钢钢锭完全凝固后即可脱模。对于裂纹敏感的某些碳素钢及合金钢(如T7、T8工具钢、马氏体钢、莱氏体钢等),需要采用缓冷(模冷或坑冷)或退火措施,以消除钢锭的内应力或降低硬度便于表面精整。沸腾钢和半镇静钢钢锭在封顶和凝固壳达一定厚度时,即可高温脱模热送。

冷送钢锭需对钢锭表面及头部进行肉眼检查,存在缺陷的钢锭应按相应的技术标准进行精整、清理或判废。采用钢锭热送和沸腾钢钢锭带液芯轧制技术以后,实行高温脱模,高温送锭装入均热炉,缩短了传搁时间并节约了能源。

钢锭的数量和质量要求是炼钢各项技术经济指标的基础。钢水收得率、钢锭合格率、钢锭模及耐火材料消耗等都直接影响钢的材料及能源消耗和钢的单位成本。铸锭通常是炼钢生产各工序中最慢和最薄弱的环节。现代氧气转炉冶炼一炉钢大约只需约30min,而一炉钢水的浇注和冷凝成型往往需几小时。提高铸锭的生产能力,就可挖掘炼钢的生产潜力。故扩大锭型,增加注速,提高铸锭效率,一向是现有钢厂挖潜改造的重要技术措施。铸锭操作对钢锭质量有最后的和决定性的影响。正确、适宜的铸锭操作,可能使冶炼质量欠佳的钢水得到补救,而铸成良锭;同时,铸锭的任何失误,却会使合格的钢水铸成有某种缺陷甚至完全报废的钢锭。由于铸锭不善而产生的钢锭缺陷,有部分(如多数表面缺陷)可通过精整清理加以消除;有部分(如疏松、晶粒粗大等)可在热塑性加工过程中得到一定的改善或缓解;而大部分(如钢锭的物理不均匀性残余缩孔、裂纹、气泡,化学不均匀性宏观及显微偏析,以及非金属夹杂物等)却要带到成品钢材中去,降低钢材的性能及质量品级,甚至可能成为隐患,酿成钢材在使用中突然失效等严重后果。铸锭还是衔接炼钢和轧钢的中间环节,关系到炼钢和轧钢生产的高产、优质和低耗,具有重要实际意义。

20世纪70年代发展起来的连铸技术,已成为钢水凝固成型的一种新形式。由于它具有金属收得率高,节能效果显著和便于机械化、自动化等突出优点,在全世界范围内得到迅速发展与普及,并在逐步取模铸而代之。1997年全世界和中国连铸比分别达到80.5%和60.7%,但尚有20%~40%的钢,仍沿用传统的铸锭工艺生产。因此,不断更新和完善铸锭工艺,提高铸锭效率,改善质量,降低消耗,在未来的较长一段时间仍然具有重要意义。

今后模铸技术的更新、挖潜和改造仍是必须的。围绕提高质量和降低消耗这一主攻方向,在下述方面需不断作出新的努力:

(1)在模铸钢厂推广炉外精炼工艺,以提高钢水洁净度、减小钢水温度和成分的波动范围;

(2)进一步改进盛钢桶准备的技术装备、完善工艺操作,提高浇铸作业的自动化水平;

(3)改进钢锭模设计,继续提高保温帽的热效率,改进钢锭模材质及生产技术,以进一步提高钢锭成材率和降低钢锭模消耗;

(4)提高钢锭模机械化清理的效率,研究改进钢锭模及底板涂料,改善钢锭的表面质量;

(5)改进或开发新的保护浇注工艺,减少以至基本上消除浇注过程中钢水的二次氧化和夹杂物污染,以提高钢锭的洁净度。尽早实现模铸保护渣的专业化、系列化和中空颗粒化。


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