我国双辊薄带坯连铸技术的开发与展望

2003-08-06 00:00 来源：我的钢铁作者：mysteel

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一、前言

    我国是钢铁生产大国，但由于钢铁生产工艺普遍落后于国际水平，许多钢铁企业经济效益低下，在当今市场经济的大潮中已难以竞争。本世纪初，是我们瞄准世界冶金前沿阵地急起直追的关键时机，这是世界钢铁生产工艺大革命的年代，也是我国从钢铁大国向钢铁强国迈进的极好机会和关键时期。

    双辊薄带连铸技术是近年来世界各大冶金企业投入巨资况相开发的短流程、低能耗新工艺。在钢铁工业中，钢带的生产占了相当大的比重，以往，带钢生产的传统工艺是要经过铸锭--锻造--热轧--冷轧，或是经过板坯连铸--热轧--冷轧等工序才能成为成品钢带，工序复杂，基建、设备投资费用大，生产周期长，劳动强度大，能耗浪费严重，生产成本高。用钢水直接浇成薄钢带是钢铁界长期以来梦寐以求的理想，从1846年英国人H.Bessemer提出设想，即将钢液直接浇入两个铸辊之间而成型为薄带，一百多年来许多人为实现这个设想而奋斗，然而由于种种原因特别是相关技术不能及时跟上，直到二十世纪八十年代以前，这项技术的研究始终无大的进展。近20年来，由于西方能源危机，人们要关注这项具有显著节能效果的技术，特别是近年来由于其它相关技术（如快速凝固、炉外精炼、自动化技术、新材料开发等）的发展，为薄带连铸技术的开发创造了有利的条件。近几年世界许多钢铁企业联手开发，投入了大量人力、财力，研究工作取得了令人可喜的成果。目前全世界已建成了40余套薄带连铸机，特别是双辊薄带连铸技术得到广泛的研究和开发。如韩国浦项公司（RIST）与英国戴维（Davy)公司早在1989年就合作建成了一台铸带宽度350mm，卷重为1吨的双辊薄带连铸机，用钢辊时铸速30m/min，用铜辊时铸速50m/min以上，铸带厚度2-6mm，带坯经冷轧至0.8mm的成品带钢用来制作了烧锅，0.9mm的制作了钢管，80μm的制成贺卡，并已证实，带钢的焊接性能和深冲性能至少与传统工艺生产的带钢相等。日本新日铁与三菱重工合作在新日铁研制成800-1300mm宽双辊薄带连铸机，1989年成功地浇铸出10吨SUS304不锈钢薄带，铸带坯经冷轧后，机械性能和抗腐蚀性能相当于或优于用传统工艺生产的带钢性能，他们宣称近期将实现薄带连铸的产业化。法国于齐诺尔.萨西洛尔公司和德国蒂森钢铁公司合作开发的双辊薄带连铸技术研究开发已进入了接近工业化程度，在Myosotis试验工厂的薄带连铸开发，1986年起实验室样机试制；1991年6月在Isberguse的Myosotis厂进行第一次浇铸试验；1992年5月一次铸带超过10吨；1993年达25吨；95年3月一次浇铸42吨，分几卷，连铸50分钟；1995年6月一次浇铸62吨，连铸77分钟；1995年10月达到一次浇铸92吨，连铸100分钟。除此之外还有德国克虏伯公司与日本金属工业公司、美国阿.路德卢姆公司和奥钢联等等均进行了薄带连铸的合作开发。

    我国的双辊薄带连铸技术研究始于1984年，“七五”期间国内有上海钢铁研究所等多家单位把目光瞄准薄带连铸技术，有的单位开展了研究工作。其中东北大学生在异径双辊薄带连铸的开发研究中取得了较大成果。用高速钢连铸成薄带制作成锯条提供用户使用。近来东北大学生有将异径双辊薄带连铸改成同径双辊薄带连铸的设想。重庆大学也进行了同径双辊薄带连铸的实验室研制工作。上海钢铁研究所从1984年开始研制第一台双辊薄带连铸机。至今，上海钢铁所研究中心的薄带连铸研究室完成了国家下达的薄带连铸“七五”、“八五”重大科技攻关任务，经冶金部、国家计委组织专家鉴定，取得了重大科研成果，业已先后建成三套内水冷同径双辊薄带连铸机组，并已成功地浇铸出2-4mm厚，250-600mm宽薄带坯数十吨，部分带坯经冷轧后的带钢其性能达到了相当于传统工艺生产带坯的国家标准，并已将部分铸带供用户使用，近年来，上海钢铁研究所的双辊薄带连铸技术得到国内许多钢铁企业的重视和欢迎，目前该项技术一边在向产业化方向迈进，一边正在向某些钢铁企业进行技术转让。但是由于在过去的研究过程中投入资金及场地等条件的限制，某些单项技术的研究还有待于进一步深入，所以在产业化的进程中以及向企业推广过程中要进一步完善和提高这项技术。

二、我国双辊薄带连铸技术现状

   上海钢铁研究所的双辊薄带连铸技术开发研究工作在国内处于领先地位，某些单项技术的研究，如双辊薄带连铸机组中，水口布流技术、水冷辊的结构设计、液压侧封顶紧装置、轧制力和速度闭环的自动检测与控制技术等均已接近或达到薄带连铸世界先进水平。图1（略）为双辊薄带连铸机示意图，这是一组结晶辊直径500mm-1200mm，辊面宽度250mm-600mm，能一次浇铸1吨2.5-4mm厚不锈钢薄带的连铸机试验机组，该机组采用了比较合理的新型水口进行布流，自动化的侧封顶紧装置确保钢水严密封住，图2（略）为侧封顶紧与移动装置。采用新的辊套结构，辊套材料寿命长，冷却水走向较合理，图3（略）为双辊薄带连铸机结晶辊示意图，辊面温度场分布均匀。双辊采用二套独立的传动机构，并在控制上利用PLC计算机工作站对轧制力、速度进行闭环控制，轧制压力直接采用高精度应变式压力传感器来检测并实现T-V高精度闭环控制，夹送辊传动与主机同步，整个连铸过程可以由计算机自动完成预定的操作程序。对预紧力、轧制力、辊缝、水压、水温、水流量，转速等参数能集中采集、处理和显示。图4（略）为控制系统的工作流程框图。

    经过在该机组上几十炉次的试验，基本上掌握了以18-8不锈钢为主的部分钢种的开浇温度、布流方式、水口形状、连铸速度、液位高度、侧封技术、轧制力、铸带厚度、辊面涂层、二次冷却方式等参数和技术关键，连铸出的带坯表面光洁，经酸洗、抛光、冷轧、热处理等工序成品达到国家标准水平，部分产品已提供给用户使用。双辊薄带连铸技术开发过程是一个不断解决难题的过程。上海钢铁研究所在1984年建成的我国第一台双辊薄带连铸机，钢水由一台容量为50kg的中频感应炉提供，进行了一系列探索性试验和研究，至1987年又建成了第二套双辊薄带连铸机，该机双辊直径为500mm，辊面宽度为250mm，“八五”期间上海钢研所又承担了国家重点科研攻关项目继续对双辊薄带连铸技术进行攻关，并于1996年建成了第三套机组，其辊径达1200mm，辊面宽度为600mm，能一次浇铸1吨薄带坯。上海钢铁研究所经十余年科研攻关所取得的科研成果以及建成的三套双辊薄带连铸机组，为薄带连铸技术在我国实现产业化，向钢铁企业推广奠定了良好的基础。上海钢铁研究所同时又同上海大学、北京科技大学、北京自动化研究院等单位合作开展了这一领域的多项研究工作，如工艺参数匹配、硅钢和不锈钢浇铸分析，带坯凝固机理及热流计算、带坯组织与性能、带坯轧制工艺参数检测等等。近期，上海钢铁研究所的双辊薄带连铸技术已向钢铁企业推广，在这过程中这项技术又有了突破性的进展。最新建成的一台薄带连铸机的热调试表明，铸带速度已从原先的25-30m/min，提高至40m/min左右，轧制力及液位高度、辊缝等工艺参数更趋合理，连铸带坯质量有明显提高，基本消除了横向裂纹和纵向裂纹。钢包温降问题、侧封板和水口及中间包在线加热问题得到解决，液压侧封顶紧与移动装置能将钢水严密封住，铸带边缘光滑，铸带边部质量有明显提高，侧封的使用寿命也成倍延长。自动检测和控制系统又有新的提高。预计我国双辊薄带连铸技术将在本世纪未下世纪初实现产业化。

三、对我国双辊薄带连铸技术发展的展望

    薄带连铸技术工序少，能大大减少基建投资和能源消耗。若将从钢锭至冷轧带的成本计为100%，那么薄板连铸至冷轧带的成本只有55%。而薄带连铸至冷轧带的成本仅为12%，因此薄带连铸对于不锈钢生产厂和没有热轧设备的中小钢铁企业具有很大的吸引力。市场经济使企业家们从注重钢铁产量转变为追求经济效益，不但国外的大工厂在研究开发薄带连铸，近年国内已有几十家钢铁企业先后来到上海钢铁研究所，他们对薄带连铸的产业化开发寄予厚望，有的干脆当场拍板，参与到双辊薄带连铸的产业化开发过程中来，有的对现有技术要求转让。市场需要薄带连铸，薄带连铸也需要市场。至今，上海钢研所研究中心薄带连铸研究室一方面在为产业化继续攻关，另一方面，正在把这项技术推广给具有远见并具备一定条件的企业，其中硅钢薄带连铸和不锈钢薄带连铸的技术转让工作分别进行到了设备设计和热调试的阶段。由国家计委、冶金部下达的“双辊薄带连铸产业化”“九五”国家重点科技攻关项目也正在展开工作。我们预计，在国家、企业和科研人员的共同努力下，我国的双辊薄带连铸技术开发一定能赶上世界先进水平，实现产业化。在实现产业化的进程中以下问题必须引起高度重视、某些技术难题还有待解决。

    （1）必须具备足够的开发费用。国外薄带连铸试验投入巨资暂且不说，就我国“八五”攻关实际情况而言，某些单项关键技术的迟迟不能解决，很大程度上是受制于开发费用的原因。国个大多采用合作开发方式筹集资金的技术，我国应该采用股份制的形式来发挥国家、企业和社会公众的积极性，解决资金短缺的矛盾。开发薄带连铸这样的一种高新技术，应该以技术开发研究实际需要框算资金，而不能让资金来限制这项技术的发展。我国作为钢铁生产和消费大国，薄带连铸这个世界公认的冶金前沿技术的开发成功，对于提高劳动生产率，增强企业的竞争实业，对于确立我国在该领域的地位具有广泛的社会效益和巨大的经济效益。任何一项高收益的投资都是有风险的，为了我国二十一世纪钢铁工业的振兴，我们目前投资于薄带连铸是明智的选择，我们应该果断地投资。

    （2）为了提高薄带连铸机的连铸经济效益必须提高连铸坯的表面质量和内在质量，增加浇铸的钢水量。薄带连铸研究开发的事实已经表明，薄带连铸的优势在于节省大量的基建和设备投资、水电能源和工人费，而它目前影响效益的主要因素也很明显，一是铸带质量对收得率的影响，二是由于薄带连铸每次浇铸时消耗的中间包、水口、侧封板耐火材料等辅料在一次铸钢量少的情况下对吨钢成本产生的影响以及一次铸钢量少对收得率及劳动生产率的影响。国外的研究分析也表明，薄带连铸要达到一定的年产量及质量水平才能体现出它的经济效益。为此在该项技术的产业化进程中要解决的主要矛盾应围绕以上二点进行。这里包含着许多技术难题，包括钢水纯净度、布流技术、结晶辊技术、侧封技术、液位稳定技术、自动控制技术、质量跟踪与冷轧工艺技术等等。我们可以把这引起技术分为三类，一类是国际、国内都没有解决的难题或是虽有国外报道但无法得以的这些技术；第二类是国内其它领域或项目已经解决或是可以移值的技术，第三类是国外已研制成功且有引进可能的技术，对于第二、三类技术我们只需引进、移值，不必从头开始研制，否则我们将浪费有限的时间，永远跟在别人后面。这类技术包括上述的钢水纯净度，不必重点设专题研究，炉外精炼技术日趋成熟和多样化，国内完全有能力提供比较纯净的钢水。水冷辊的铜质辊套在国内要马上解决辊面镀Ni的问题有困难，靠薄带连铸课题组去研究这个问题是得不偿失的，而国外成熟的薄带连铸铜质辊套已经商品化。液位高度的检测与控制是影响铸带表面质量的关键之一，日本新日铁公司的薄带连铸液位波动已能控制到±1.6mm以内，而我国搞了十年攻关液位波动还难以控制在以上数据的20倍以内，我国在这方面的基础技术较落后，如果一味关起门来摸索，是难以赶上国际薄带连铸总体水平的。侧封板耐火材料我们目前只做过1吨以下钢水量的连铸试验，根据使用情况分析要达到浇铸3吨以上钢水是困难的，而国外的侧封技术对于连铸10吨以上钢水甚至一次浇铸92吨钢水均能胜任，引进侧封材料，可以把我们的科研力量集中到研究侧封机构上，这样可以加快侧封技术的研究进程，把一定的力量放到电磁与固体相结合的侧封研究中是必需的，因为国外对该项技术保密性极强，连是否实际使用电磁侧封也不愿透露，而侧封要满足长时间浇铸是必须解决的问题。在某些单项技术引进或移植的基础上，我国双辊薄带连铸技术在短期内实现产业化是有可能的，从前面所述的解决带坯质量和提高连铸钢水量的总目标着手，探讨如下：

    带坯质量

    铸带的质量问题包括纵向裂纹、横向裂纹、表面碴点、冷隔、横向厚度公差、纵向厚度公差等。目前发现带坯表面有时存在碴点，细小的纵向裂纹和横向纹裂。横向厚度公差是铸带横截而成为楔型（中间厚二边薄），纵向厚度公差是铸带长度方向厚度不均匀。碴点的产生是纯净不够的钢水以及在浇铸过程中钢水产生二次氧化。横向裂纹的形成主要是沿带宽方向的传热不均匀引起冷却速率不一致，裂纹区域的冷却速率要比无缺陷区域小，冷却不均匀产生不均匀收缩应变，局部的拉伸应变的积聚导致了裂纹的产生。铸带楔型的产生主要是由于结晶辊工作面的变形引起的。铸带长度方向公差同液面波动、轧制力、铸带速度等因素有关。纵向裂纹是由于熔融钢水在熔池表面的波动产生冷块以及二次氧化的产物、钢碴在熔池表面的积留并进入辊缝造成不均匀热传导所致。冷隔的形成是侧封板吸热挂上冷钢脱落后进入熔池及熔池表面浮碴进入辊缝形成的。

    连铸钢水量

    连铸时的一次浇铸钢水量大小直接影响连铸成本，它同铸带质量一样是这项技术的关键问题。影响我国薄带连铸一次铸钢量的因素较多，主要有连铸线速度、钢水保温时间、侧封寿命、水口寿命，而连铸线速度跟自动化技术、配套辅机、结晶辊材质等有关。

    展望

    由上面分析可见，在薄带连铸过程中，某些单项技术是有其相对独立性的，但在影响连铸坯质量，一次浇铸钢水量的因素中，许多问题间是有联系的，我们既要看到矛盾的特殊性，又要看到矛盾的普遍性，抓住主要矛盾。为了得到质量好的薄带，要利用炉外精炼的钢水。一次铸钢量少于5-10吨，钢包要有保温措施，中间包要注入保护气体，中间包耐火材料层提高保温性，并在线加热。熔池表面及侧封板表面用气体燃料，这样的目的是防止侧封吸热过多和钢水温降过快及二次氧化，以增加浇铸钢水量和提高铸带质量。水口要保证钢水沿辊面方向均匀分布，并利用滑动水口的滑板连同高精度的液压伺服机构作为控制钢水流量、流速的执行机构；其指令由控制及采集水冷辊转速、水冷辊辊缝和轧制力及液位高度探测器闭环的自动化浇铸控制系统提供，侧封机构能保证连续浇铸10分钟以上的液压顶紧移动侧封配上在线加热装置防止浇铸过程中产生冷钢。结晶辊为铜质表面镀Ni辊套，浇铸速度50m/min以上，铜质辊套可提高连铸速度，对于提高铸坯质量和产量均是必要的，目前国外的薄带连铸机均倾向采用铜辊。连铸带坯经二次冷却（不锈钢固溶温度控制在1100℃左右，硅钢在1300℃左右，冷却至600℃）后无芯卷取。在以上的描述中有的是硬件，有的是软件，硬件大多可以利用现有相关技术或移植或引进，软件是较难从外面得到的，它包括连铸中工艺参数（轧制力、铸带速度、液位波动、铸带厚度之间的关系等）、主辅机和自动化系统匹配，铸带质量同各部分设备运作之间关系以及技术人员素质和技术、管理水平。只有解决了硬件问题，再配上好的软件，薄带连铸的产业化才会成为现实。

四、结语

    （1）双辊薄带连铸技术因取消了热轧工序同传统工艺相比具有降低基建设投资和设备投资、节省能源的优势，对于我国钢铁企业提高经济效益、提高企业竞争力开发应用前景良好。

    （2）国外薄带连铸总体水平较高，发展也很快，预计在近期可实现产业化。上海钢铁研究所的双辊薄带连铸技术水平在国内是领先的，某些单项技术也接近国际水平，但为了尽早实现我国薄带连铸的产业化必须学习引进某些国外成熟的先进技术，并加快消化和研究。

（3）我国薄带连铸产业化研究项目日前在宝钢正式启动，该项目为国家"十五"重大科研项目，总体目标是：以宝钢研究院为依托单位，结合宝钢集团上海五钢的冶炼设备、厂房等基础设施，建设一条以生产不锈钢为主的薄带连铸生产线。具体实施分为两期：一期工程将生产宽度为660mm、厚度为2至5mm的薄带，最大拉速为100m／min，该工程计划于明年7月投入热负荷试车。二期工程预计生产宽度为1200mm的薄带，整个工程将于2004年年底前完成。国内的双辊薄带连铸技术在向产业化推进的过程中，应结合我国实际情况，充分考虑到国家、企业和个人的利益关系，调动各方面的积极性，使这项事关廿一世纪钢铁工业革命性的新工艺在实现产业化过程中确保充分的资金和技术力量。本世纪初是我国双辊薄带连铸技术向产业化发展的关键时期。（Myzteel.com资讯部撰稿请勿转载）

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