双辊薄带连铸机的新进展

zhd1998cn

1前言
　　1856年德国的亨利·贝塞麦提出了双辊薄带连铸的思想，这是一种将钢液直接浇铸成薄带钢的技术。从20世纪80年代开始，近终形连铸技术迅速发展。90年代后期，日本、欧洲的钢铁企业和冶金设备制造商合作，使薄带连铸技术进入了广泛应用阶段。
　　日本的石川岛播磨重工于1982年开始了薄带连铸技术的实验性研究，1989年开始和澳大利亚BHP公司进行合作，90年代后期最先将普碳钢薄带连铸技术的商业化作为目标。2000年，美国纽柯公司也加入了合作行列，三家公司共同向世界各国用户提供CASTRIP工艺技术。随后，在纽柯公司的克劳福兹维尔厂建设了世界第一套CASTRIP薄带连铸设备，于2002年投产，解决了各种技术问题后顺利进入运营阶段，CASTRIP技术的商业化获得成功。这套设备截止2008年9月共计生产钢带85万t。所产钢带厚度为0.85～1.5mm，这种钢带作为传统的热轧板和冷轧板的替代品，得到了广泛应用。随着第一套基于CASTRIP技术设备的成功运行，纽柯又已经投建了第二套CASTRIP设备。
　　本文将介绍双辊式薄带连铸机的原理及特征、薄带连铸设备及其钢带产品的特点。
　　2双辊式薄带连铸机
　　图1是双辊式薄带连铸机原理示意图，向一对反向旋转的水冷铸辊之间注入钢液，钢液凝固后从两辊的缝隙之间经挤压后，可连续生产铸带。在传统板坯连铸中，结晶器内使用保护渣，凝固的坯壳在振动的同时被徐徐拉拔出结晶器；在双辊连铸过程中，不使用保护渣，钢液与结晶器（辊）直接接触急速冷却，凝固的钢带经旋转的结晶辊夹持，从辊缝中挤出。
　　
             表1   几种连铸工艺冷却速度及凝固时间的比较
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　　                    CASTRIP薄带连铸    薄板坯连铸    板坯连铸
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　　铸带/坯厚度，mm         1.6                50          220
　　浇铸速度，m/min          80                 6            2
　　结晶器平均热流，MW/m2    14               2.5          1.0
　　总凝固时间，s          0.15                45         1070
　　坯壳平均冷却速度，℃/s 1700                50           12
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　　从表1中可见，和传统的板坯连铸机相比，双辊式薄带连铸机中钢液的凝固条件有非常明显的区别。双辊式薄带连铸机浇铸时，凝固时间非常短，热流量极高，这样可从钢液直接、高速地生产薄钢板，成为生产效率很高的制造工艺。铸造钢带的厚度与生产效率的比例关系如图2所示。随着铸造速度（结晶辊转速）的加大和凝固时间缩短，能够生产更薄的铸带，而且生产速度和产量也相应提高。
　　另一方面，浇铸出来的铸带经轧机直接轧制后，成为钢卷，所以铸造钢带的质量对轧制后的产品质量有很大影响。因此，有必要对短时间的凝固现象进行有效控制，解决多方面的问题。例如，为了防止不均匀凝固使铸带表面产生裂纹，结晶辊的表面属性应进行优化，且两辊中间钢液浇注应均匀，避免结晶辊受到过大的热应力。近年来，随着计算机技术和材料控制技术的进步，以及铸造工艺基础研究的进步和经验的积累，双辊式薄带连铸技术已日臻成熟。
　　3薄带连铸设备（CASTRIP）
　　薄带连铸设备可直接生产薄钢板，和传统的厚板坯生产薄钢板的设备相比，省略了加热炉和多架轧机，生产线长度仅为传统工艺的1/10。图3对传统板坯连铸设备和双辊式薄带连铸设备进行了比较。薄带连铸生产线长度缩短，占地和厂房面积小，设备费用和初期投资均大幅减少。
　　作为生产钢板原料的钢水，由废钢经电炉冶炼后，装入钢包。钢水中含有不利于铸造的氢气、氮气，需通过真空脱气设备（VTD）去除，然后在钢包炉内对钢水进行成份和温度的调整。这些前处理工序对钢液的铸造性能、最终钢板产品的质量有重要影响，应严格操作。
　　前处理工序结束后，钢液从生产线最上游的钢包，经大小两个中间包流入双辊之间的熔池。铸造后，钢带从辊缝之间运行到下游辊道，进入生产线上唯一的轧机。铸造速度通常为50～100m/min，铸带厚度为1.4～2.0mm。在线轧机的最大压下量为50%，轧后钢板的厚度为0.7～1.5mm。轧制后的钢带用地下卷取机卷取，达到所需卷重后剪断。生产的热轧卷送往后续工序（酸洗、冷轧等），进行再加工。
　　4薄带连铸的产品特征
　　CASTRIP设备是生产普碳钢用的薄带连铸机，从铸造性能考虑，生产低碳（含碳量为0.04%～0.06%）硅镇静钢。和经过多道次轧制的传统工艺不同，薄带连铸的产品经直接铸造而得，凝固组织粗大。其典型的铸造组织如图4-（1）所示。这种铸造组织经过各种热轧压下率和轧后冷却速度的组合，可控制其内部组织形态，生产具有特殊机械强度的热轧产品。
　　 图4-（2）是经过29%压下率后的带钢组织。随着压下率的增加，组织细化，增加了产品的延展性。和传统的热轧、冷轧产品相比，薄带连铸产品的各向同性、成形性并不逊色。这从图5的深冲试验的结果可得到证实。
　　一方面，通过控制冷却温度，钢带的强度能够在大的范围内变化。图6所示为热轧后卷取温度与屈服强度的关系。带钢在轧制后进行急冷，能够获得高的强度。另一方面，传统板坯连铸由于废钢中的铜、锡等杂质多会产生晶界裂纹，使钢液不能成功浇铸。而薄带连铸具有快速凝固的特征，这样，有杂质的钢液可以采用薄带连铸工艺顺利进行生产。
　　 薄带连铸生产的薄钢板性能与传统的热轧、冷轧钢板性能差别不大，这一点在实际应用中也得到了验证。用双辊连铸工艺生产的钢板获得了美国材料与测试协会（ASTM）新标准A1039/A1039M-04的认证。
　　5节能减排效应
　　如前所述，薄带连铸生产线的长度仅为传统薄板坯连铸-连轧生产线长度的1/10，因而厂房和设备规模减小。传统流程中必须的加热炉、多台轧机，在薄带连铸设备中均不需要，从而可节省大量能源，减少温室气体排放。根据BHP钢铁公司的计算，与板坯连铸-连轧工艺相比，薄带连铸技术的能源消耗量约为1/6，温室气体排放量约为1/4。
　　而且，CASTRIP工艺通过在线热轧生产的产品可代替冷轧产品。图7比较了几种工艺的能耗情况。从图中可见，薄带连铸的能源消耗仅为传统工艺的1/8，温室气体（二氧化碳当量）排放量仅为1/5。这些比较中，还没有考虑传统的使用铁矿石的高炉炼铁与全废钢电炉冶炼这两种工艺间能耗的巨大差别。