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从ECR无头连铸连轧看实现高效连铸的关键
ECR无头连铸连轧工艺中的高效连铸技术

环境保护、降低生产成本是钢铁生产永恒的主题。10几年来薄板坯连铸连轧、铸坯热送、热装技术使连铸成为最活跃的领域，这些技术的发展与实践大幅度地降低了设备投入及生产成本，提高了产品的竞争力。同板材相比，长材生产在这些方面的进展则没有那么明显。一方面长材生产是以小型钢厂生产为特点，投资少，见效快，众多的生产厂情况各异，技术水平差异很大。这是方坯连铸技术革新及新技术推广落后于板材的主要原因。另一方面，长材产品在钢材的总产量中占有相当的比重，长材生产推广高效连铸、铸坯热送、热装技术以及连铸连轧技术潜力巨大。ECR无头连铸连轧工艺生产实践表明，采用先进合理的连铸工艺及其配套的装备，浇注160x200mm规格的连铸坯，普碳钢浇铸速度最大可以达到6米/分钟，合金钢浇铸速度最大可以达到3.5米/分钟以上。实现了无漏钢连铸。经连铸机生产的连铸坯通过隧道式加热炉直接供给轧机，不间断地直接轧制。

    ECR无头连铸连轧生产线可极大地缩短从定单到最终产品发货之间的供货周期，最短供货周期可小于4小时，提高了生产的灵活性。与现有的其它生产工艺相比，ECR无头连铸连轧生产线特殊钢生产成本平均降低45-50美元/吨，普通钢生产成本平均降低12-14美元/吨。

    ECR无头连铸连轧技术

    1 主要工业参数和产品大纲

    ABS厂的ECR无头连铸连轧生产线设计能力为年产50万吨特钢成品，一台90吨电炉及配套的精炼设备，车间生产能力为90吨/小时。特钢成品为用于机械加工行业、汽车制造工业以及其他特钢应用领域的优质圆钢、方钢、六角钢棒、线材和棒卷。ECR无头连铸连轧生产线生产特钢成品时可以保证在线处理，不经离线再加工就可以生产出符合要求的优质产品。

    ECR无头连铸连轧生产线同时也可生产普钢。生产普钢的优势是使工厂在非常广的成品规格范围内，具有非常高的生产能力。生产圆钢、螺纹钢筋、线材和棒卷、中小型钢、工字钢和特殊型钢的能力在80万吨/年左右。

    主要工业参数和产品大纲见下表：

生产能力
50万吨-90万吨
铸坯规格
160x200mm（最大200x220mm）
钢种
碳钢、表面硬化钢、淬火回火钢、低合金钢、轴承钢、弹簧钢、不锈钢
成品规格

棒材
直径20-100mm圆钢、40-100mm方钢
棒卷
直径15-50mm圆钢

    2 工艺与设备

    1）高速连铸机

    经处理的合格钢水进入高速连铸机，连铸机为二流，钢种及浇铸速度如下：

钢种
浇铸速度（m/min）
碳钢
6.0
表面硬化钢
5.5
淬火回火钢、弹簧钢
5.0
低合金钢
4.5
轴承钢
4.0
不锈钢
3.5

    根据钢种特性，连铸机可以单流或双流浇铸。

    单流连铸时，铸坯长度可以从14米到无限长，无需进行铸机和轧机之间的铸坯定尺切割，铸坯通过铸机和轧机间的在线隧道加热炉，实现ECR无头连铸连轧工艺。

    双流连铸时，两流同时浇铸，正常情况下将铸坯切成45米长的定尺，交替进入隧道炉。

    ECR无头连铸连轧生产线的生产分无头连铸连轧和半无头连铸连轧两种模式。实际生产中，只有普钢生产实现了无头连铸连轧，既单流连铸，无需进行铸机和轧机之间的铸坯定尺切割，铸坯经隧道式加热炉后直接进入轧机。特钢生产在半无头连铸连轧模式下生产，连铸机两流同时浇铸，隧道加热炉在连铸机和轧机之间起连接和缓冲作用。

    连铸机和隧道加热炉之间设有淬火水箱，用于含铝、氮的晶粒细化合金钢生产。

    2）隧道加热炉

    隧道加热炉的作用是控制材料流量，根据不同钢种的轧制要求，向轧机提供沿铸坯断面方向及长度方向温度分布均匀的铸坯。辊底式隧道加热炉由两段组成。第一段为“双流”加热段，位于铸机下游，接受铸坯。根据钢种及无头半无头生产模式，进行单流或双流操作。当工艺要求连铸机双流生产时，隧道加热炉能够提供足够的铸坯缓冲能力。在炉内，运送机构将铸坯从第二流移到第一流。第一段炉底的辊道为悬臂式，水冷辊。第二段为“单流”均热段，一直连到轧机。均热段的作用是将无头铸坯或半无头铸坯送入轧机。第二段的辊子为双支撑式，单独传动，无水冷。
隧道加热炉用装在炉壁上的煤气烧嘴加热。

    3）轧机

    ECR无头连铸连轧工艺配有17架最新一代紧凑型无牌坊轧机组成的粗轧、中轧和预精轧机组，以及RSB三辊减径定径机组。实现“自由尺寸”轧制。无需人工干预，全自动的规格改变在5分钟内完成。ECR无头连铸连轧工艺的设计在每个工艺区域，从连铸机到炉子、轧机，都有非常高的灵活性，符合“及时”生产的理念，可以完成小批量定单的生产。

    ECR无头连铸连轧工艺采用控制轧制技术和在线热处理技术；低温轧制，控制轧制、正火轧制等均能在ECR实现。

    4） 成品精整

    ECR无头连铸连轧工艺根据特钢生产需要，专门设计了在线检验和精整，这是特殊钢在线连续生产工艺的重要组成部分之一。棒材经机械除鳞和定尺锯切以后，冷精整设施还包括无损探伤，棒材倒棱、标码、码垛和打捆。

    大棒卷生产和精整线由两台加勒特特卷曲机、大棒卷运输设施、步进梁式控制冷却运输线、大棒卷压紧打包设施和成品收集系统组成。

    5）自动化与控制

    ECR无头连铸连轧生产线实现全程生产自动化。这是现代自动控制技术与连铸连轧技术完美结合的结果。计算机过程控制系统通过对工艺过程进行动态仿真，自动生成工艺最佳设定值，保证了从钢水到成品的自动控制。ECR无头连铸连轧生产线的质量保证系统将钢水从连铸机结晶器开始化分成“元素”，对“元素”从初生坯壳到最终成品“终身”跟踪记录，实现全程质量控制，保证了产品质量。
    ECR无头连铸连轧工艺实现的核心是高效连铸机的工艺革新和先进设计，高效连铸机高效性和设备与铸坯质量的可靠性实现了最高连铸速度和最低可接受的轧机“咬入”速度之间的匹配。

    1 连铸机基本参数

    ABS厂的ECR无头连铸连轧生产线的高速连铸机基本弧半径为9米，2流。结晶器采用直弧形，上段为直段，下段为半径很大的弧形段。由于高拉速连铸机冶金长度较长，采用多点弯曲、带液心的多点矫直。

    2 中间包技术

    中间包设计要求达到以下目标。①耐火材料寿命最长。中间包设计成Δ形，可以防止耐火材料从包体脱落。②保温。浇注过程中温降最小。使用中间包预热及保护渣，中间包加热装置，保证了钢水温度。合适的保护渣可以更好地吸收杂质，减少钢水氧化。③多流浇注的安全性。合理设计中间包，保证钢包更换及多流浇注时水口上方不出现湍流。④铸流保护。由于钢水氧化的一半是由于钢包至中间包铸流保护不当造成的，设计采用浸入式长水口保护套管，惰性气体保护。长期监控保护套管，保证套管的有效使用。⑤钢水在中间包内停留的时间最优。大容量中间包对夹杂物的分离上浮有重要影响。ABS厂的ECR连铸机采用30吨中间包，液面高度800-850mm。

    τ=C/R

    τ—钢水在中间包内的平均停留时间，min；

    C—中间包容量t；R—浇注速度t/min。

    ABS厂的ECR连铸机中间包钢水在中间包内的平均停留时间τ=5—8.6 min。

    3 结晶器技术

    结晶器技术是实现高速连铸的关键技术。结晶器铜管极其壁厚的设计一方面要保证铜管在使用中避免产生永久变形。永久变形会降低结晶器铜管使用寿命，铸坯产生缺陷。另一方面壁厚要保证良好的传热效果。ECR连铸机为了适应高拉速需要，采用1.2米结晶器。结晶器锥度采用多锥度。结晶器内腔形状设计是将铜管设计成倒锥度，补偿铸坯凝固收缩，减少气隙。结晶器锥度是按照浇注的主要钢种凝固收缩数据设计的。

    结晶器冷却水缝在结晶器技术中起到了重要作用。高效连铸结晶器水缝中冷却水流速普遍认为应控制在8-12m/s。高水速才能保证铜板温度足够低避免冷却水沸腾。冷却水沸腾，特别是弯月面附近，会影响传热，使铜管壁面温度升高，导致结晶器产生永久变形。铜管壁面温度升高会加剧冷却水中盐份的析出，进一步影响冷却效果。ECR连铸机为保证冷却水缝的均匀，采用了“自对中”形式的设计，水套自动调整，保证冷却水缝的均匀。

    ECR连铸机结晶器安装了测温热电偶，浇注过程中连续测量结晶器壁的温度，通过测量结晶器壁的温度结合数学模型，对连铸坯实行质量控制，为过程控制提供数据。通过测温热电偶，连铸机漏钢预报系统实时监控坯壳在结晶器内的状态，根据情况自动采取措施，实现了“零漏钢率”。

    4 结晶器液面控制技术

    ECR连铸机结晶器液面控制采用液压驱动塞棒控制方式，液位检测采用铯源型。塞棒控制由手动、自动两种操作模式，可以自由转换。自动操作模式下，来自液位检测装置的结晶器内钢水液位信号经PLC处理后，传给伺服阀，控制塞棒动作。快速复位功能保证手动、自动两种操作模式平稳切换。自动操作模式下，手动杆完全脱开，保证不受振动干扰。手动操作可以通过杠杆，也可以通过伺服阀上的按扭实现。

    ECR高速连铸机液面控制的特点是可以通过控制钢水微小流量来保证很高的液位控制精度。塞棒以适当的频率振动，通过振动避免水口区域结瘤，保证钢水流的正常。机构设计使所有的连接件间隙控制在最小，保证设备维修量最低。当出现事故时，即使没有动力的情况下，塞棒自动复位，关闭水口。

    每个塞棒由液压伺服阀单独控制。正常浇注时，拉速恒定，钢水液面由塞棒控制。在开浇时，钢水液面由塞棒和拉矫装置同时控制。铸机可以手动开浇，也可以自动开浇。自动开浇时，塞棒连续控制水口开、闭。当液位到达一定位置时，拉矫机以预先设定的加速度启动，使拉速达到一设定值。当液位达到液位检测装置工作区时，应避免过快加速。

    结晶器液位控制系统是由PLC实现的，PLC将实际测量的液位与设定的液位比较，由计算的差值调整塞棒。液位控制系统采用了自适应PID、模糊逻辑相结合的控制算法实现控制。

    5 结晶器振动

    结晶器振动装置设计的目标是保证铸坯表面质量，减少振痕和裂纹。保证凝固坯壳良好的润滑。振动装置设计中影响铸坯质量的基本参数是负滑脱时间（NST）及结晶器超前量（mould  lead）。

    负滑脱时间与其它参数关系：

    NST=  

    Vc——拉速（m/min），f——振动频率（opm），s——行程（m）。

    负滑脱时间与振痕深度有直接关系，给定的负滑脱时间条件下，结晶器以高频率、小振幅振动时，振痕深度减少。频率随拉速变化的前提是保证负滑脱时间恒定。频率、振幅的确定是以优化的负滑脱时间及拉速基础上确定的。频率、振幅的确定对保证铸坯表面质量至关重要。

    结晶器超前量（mould  lead）对铸坯的表面质量也是一个重要影响因素。结晶器超前量（mould  lead）定义为结晶器在负滑脱时间内的行程。
ML=S·sin(π·F·Tn)-Vc·Tn

    S——总行程（m）,F——振动频率（opm），Vc——拉速（m/min）。

    ML取值范围３－５.５ｍｍ之间可以使结晶器与坯壳之间的摩擦效果对铸坯表面质量最有利。ML小于３ｍｍ，结晶器与坯壳之间易产生粘钢。ML大于５.５ｍｍ，会导致振痕不规则，振痕深度加深，影响铸坯表面质量。

    结晶器振动装置采用液压伺服驱动，振动波形、振幅、频率可以在线调整。可以在线实现正弦、非正弦振动。

    6 支撑导向及二次冷却

    ECR连铸机的特点是扇形段可以自动离开铸流位置，便于例行和非正常检修和维护，不影响车间吊车的正常工作。这种独特的“小车式”系统能够将铸流（包括从结晶器到全部扇形段）拉出一个可横向侧移的小车上，整个扇形段可以自由从铸流底部抽出、穿入。这种完整的操作周期（不含维修）小于10分钟，显著地提高了设备效率及生产能力。

    二次冷却区分成１１个区域，每个区域由自动控制系统独立控制。这样设计目的是使铸坯通过二冷达到理想的冷却效果，其特点是传热系数从结晶器到二冷末端逐渐减小，使得铸坯机械应力最小。这一原理同样用来确定最佳的二冷长度。冷却强度的分配对液芯长度和铸坯均匀的温度分布是最有效的影响因素。喷淋系统的设计是以凝固和传热数学模型为基础完成的。以设定的理论温度分布曲线为基准，通过计算对喷嘴的布置进行评价。二冷区的优化设计提供了快速、合理的凝固速度，避免产生表面和内部缺陷。这主要是通过以下方法和技术：①喷淋冷却后减少表面温度回升。②通过合理布置喷嘴使中心、角部冷却速度差异最小。

    独立的二次冷却区各段根据钢种和拉速情况调整水量大小，每段冷却水并非所有钢种都同时开放，每段冷却水是根据工艺情况优化确定的，实现自动配水。

    7 电磁搅拌与铸坯质量

    ECR无头连铸连轧生产线配置结晶器（Ｍ－ＥＭＳ）、二冷段（Ｓ－ＥＭＳ）、末端（Ｆ－ＥＭＳ）电磁搅拌。根据浇铸的钢种情况组合使用。结晶器（电磁搅拌Ｍ－ＥＭＳ）可以改善铸坯表面及次表面质量，降低凝固前沿熔体内的温度梯度，有利于等轴晶的形成。由于等轴晶的数量增加仍不能彻底改善中心偏析和疏松，二冷段（Ｓ－ＥＭＳ）电磁搅拌，末端（Ｆ－ＥＭＳ）电磁搅拌则改善中心偏析和疏松。连铸机普遍使用的是Ｍ－ＥＭＳ、Ｓ－ＥＭＳ的组合，在改善大方坯内部质量，特别是高碳钢内部质量得到了应用。三段电磁搅拌组合应用在生产中也得到了成功的应用。ECR工艺设有末端（Ｆ－ＥＭＳ）电磁搅拌，在没有使用轻压下的情况下生产高碳钢等易产生中心偏析和疏松的钢种。ECR无头连铸连轧生产线配有轻压下技术，由于电磁搅拌技术的成功应用，实际生产中没有使用轻压下。

    8 弯曲与矫直技术

    ECR采用多点弯曲、多点矫直技术。矫直区的设计可以实现钢坯带液芯矫直。弯曲与矫直装置设计的指导思想是铸坯变形应减少应力，避免裂纹。影响裂纹倾向的主要因素是初生凝固组织（奥氏体或铁素体），以及形成低熔点硫化物的倾向（以Mn/S比评价）。不同钢种形成裂纹及低熔点硫化物的倾向是不同的，这主要取决于化学成分和矫直区的铸坯温度。

    内部裂纹和表面裂纹在下列情况下容易产生。①如果固/液界面矫直应力大于浇注钢种在界面温度下的抗拉强度，会产生晶间裂纹。固/液界面温度在“高温脆性区”范围内。②铸坯表面温度如果在700℃-850℃之间的脆性温度区，容易产生表面裂纹。精确地调整二冷区冷却强度，使铸坯表面温度在950℃-1000℃范围内矫直，可以避免表面裂纹。

    矫直装置设计主要依据以下参数：铸坯断面尺寸，铸机半径，拉速，浇注钢种的许用延伸率。

    9 铸坯热装及淬火水箱

    连铸连轧工艺中，产品的表面质量不仅仅取决于轧制参数，还取决于铸坯热装前热历程（Thermal  history）。如含Al的B钢和Nb-V低合金钢在连铸连轧工艺中表面质量与铸坯热装前热历程有关。这些钢种热装前铸坯温度与表面质量有着很强的关系。生产实践已经证实了这种关系。如果热装前铸坯表面温度在某一“危险”温度区间，轧制时会看到表面缺陷。这些缺陷是由于铝氮化物或V、Nb碳化物在奥氏体晶界析出的结果。析出是在连铸与装入加热炉这一时间段发生的，导致铸坯在轧制时产生表面缺陷。这种缺陷是由所谓的“热脆性”引起的。“热脆性”现象的出现是当铸坯表面温度在装入加热炉时正好处在相变温度时发生的。为了解决“热脆性”问题，一般有两种途径。一是保持铸坯在进入加热炉前的表面温度高于“危险”温度区的上限。这种工艺称为“直接热装”（Direct hot charge）。另一种工艺是冷却铸坯，使其温度在装炉前低于“危险”温度区的下限。这种工艺使铸坯内氮化物的析出物在随后的相变时重新分布，减少了表面缺陷的可能性。这种工艺称作“延迟热装”（Delayed hot charge）。

    “直接热装”工艺在生产合金钢时，特别是产品大纲包括的钢种具有不同的特点时，其灵活性大大降低。对连铸机提出了许多限制。由于拉速对铸坯温度影响很大，“直接热装”工艺要求铸机必须保持恒定的拉速，以确保铸坯温度在“危险”温度区的上限以上，不管钢种、中间包钢水温度等条件如何。同样，铸坯的冷却也必须控制在最低限度，以保证铸坯温度。这在连铸生产中是实现的难度非常大。“延迟热装”在工艺控制及灵活性要比“直接热装”工艺好，但节能效果较差，设备布置复杂。对铸机同样具有约束。

    淬火水箱技术成功解决了这些问题。淬火水箱布置在拉矫机后，加热炉前，不改变整体工艺布置。铸坯在前进中通过淬火水箱，使表面温度下降，快速通过“危险”温度区。铸坯表面一旦发生奥氏体-珠光体转变，即使冷却后重新加热，氮化物或V、Nb碳化物在奥氏体晶界析出的脆性影响基本消除。。由于仅仅是表面冷却，热量损失比“延迟热装”小，淬火水箱冷却比“延迟热装”的冷却效果好。淬火水箱技术消除了“热脆性”的影响，铸坯表面温度对热装不在是约束。

    使用淬火水箱的ECR工艺，节约能源，保持了铸机与加热炉之间的灵活性，工艺平面布置简单。

    淬火水箱的冷却是由喷淋装置实现的，冷却强度可调，易于控制。

    10 全程温度控制技术

    ECR连铸连轧工艺采取全程温度控制技术，是连铸连轧工艺与计算机控制系统的高度集合的产物。高速连铸机的全程温度控制是实现高效连铸的重要保证。连铸机参与控制的温度测量点是结晶器壁埋设的热电偶测温点。对浇注的每一钢种，设定一要求的温度曲线，钢坯在铸机的每一位置的对应相应的温度。铸坯的实际温度是根据浇注工艺参数、钢种、结合结晶器测量温度由数学模型计算得到的。根据计算的铸坯的实际温度与设定的温度对比，优化设定过程工艺参数，实现全程温度控制。

    全程温度控制的基础是基于凝固传热建立的连铸过程数学模型的精确性，以及计算机仿真的准确性。ECR连铸连轧工艺使用的经过现场标定的数学模型以及计算机仿真技术是实现连铸连轧全程自动控制的关键。

    11 在线仿真技术——GHOST  CASTING

    在线仿真技术可以对连铸工艺过程进行在线模拟。通过模拟可以显示连铸过程的主要参数并可以在线调整。这样在没有实际钢水浇注的情况下可以显示并观察浇注的有关参数。在线仿真一方面可以对操作人员进行实际操作的培训，另一方面可以预先检查设备的运行情况，为实际浇注做准备。

    实现高效连铸的关键技术

    从ECR连铸连轧工艺及ABS厂的生产实践，可以分析方坯连铸实现高效化的必须条件包括以下几个方面。

    1.保护渣与保护浇注

    连铸保护渣在薄板坯连铸连轧生产中被认为是关键技术之一，得到了普遍重视。保护渣在长材连铸生产中实现高效连铸也是必须条件之一，应该引起足够的重视。连铸保护渣除了人们熟悉的绝热保温、防止钢水二次氧化、吸收钢中夹杂作用外，改善铸坯坯壳与结晶器之间润滑和传热在高效连铸中起着重要作用。

    由于对铸坯表面及内部质量的要求越来越高，保护浇注在普钢生产中也被使用。使用浸入式水口及钢包长水口的连铸机一般具有较高装备水平，一般配有可升降的钢包转台和可升降的中间包车。使用浸入式水口须采用结晶器保护渣润滑。

    2.中间包

    中间包大型化可以保证有效的去除夹杂，净化钢水；减少钢水湍流，保持浇注液流的平稳及结晶器液面的稳定。

    3.结晶器技术

    结晶器技术是实现高效连铸的关键。提高拉速，结晶器长度最长可以到1200mm。结晶器长度增加与提高拉速的关键是要减少拉坯阻力，保持均匀的凝固坯壳厚度，减少漏钢的可能性。一方面改善结晶器内腔形状，提高自身冷却能力；另一方面，采用先进的结晶器振动技术，合理使用结晶器保护渣，保持结晶器钢水液面稳定，改善润滑条件、传热条件。结晶器本身及相关的配套技术的综合使用，是结晶器技术的全部。

    4.结晶器振动

    结晶器振动对改善结晶器冶金效果的作用不容忽视。采用可以在线调节振动频率、振幅及振动波形的结晶器振动装置会增加设备成本，但提高拉速，改善结晶器与铸坯润滑条件、传热条件，结晶器振动的贡献不容忽视。结晶器振动参数的优化对减少振痕，改善铸坯表面质量有着重要作用。振动频率、振幅及振动波形在线可调节的结晶器振动装置为工艺参数的优化与开发提供空间。

    5.二次冷却

    二次冷却的效果对控制铸坯温度，保证质量至关重要。从ECR工艺将二次冷却区分成11个区的设计及国内外高效连铸机的生产实际看，高效铸机的二次冷却区至少应在4区或以上，这样才能保证自动配水时水量变化的可变空间。多独立分区配水更容易保证水压、水量的稳定。

    6.电磁搅拌

    高效连铸机的结晶器电磁搅拌应该成为基本配置。一般还应该配置二冷区电磁搅拌。生产高碳钢等容易形成成分偏析和疏松的钢种，从ECR生产实践看采用末段电磁搅拌没有使用轻压下能满足产品需要。

    7.工艺控制与质量保证

    严格的工艺控制是实现高效连铸，保证产品质量的必要条件。在必要的装备条件下，严格的工艺控制是保证正常生产的关键。ECR连铸连轧生产线实现全过程自动控制，工艺参数在线优化，保证了工艺过程的稳定。

    结语

    从ECR无头连铸连轧工艺及生产实践，结合国内高效连铸的改造，实现高效化的必须条件包括以下几个方面。

    ⑴保护渣与保护浇注：保护渣技术在长材连铸生产中实现高效连铸是必须条件之一，应该引起足够的重视。

    ⑵中间包：增大中间包容量，保证足够的钢水停留时间，保持液面稳定，是中间包设计的基本原则。

    ⑶结晶器技术：结晶器技术是实现高效连铸的关键。提高拉速，结晶器长度增加，减少拉坯阻力，结晶器本身及相关的配套技术的综合使用，是结晶器技术的全部。

    ⑷结晶器振动：采用可以在线调节振动频率、振幅及振动波形的结晶器振动装置会增加设备成本，振动频率、振幅及振动波形在线可调节的结晶器振动装置为工艺参数的优化与开发提供空间。

    ⑸二次冷却：高效铸机的二次冷却区应采用多段分区。多独立分区配水更容易保证水压、水量的稳定。

    ⑹电磁搅拌：高效连铸机的结晶器电磁搅拌应该成为基本配置。采用末段电磁搅拌不使用轻压下能满足高碳钢产品需要。

    (7)工艺控制与质量保证：严格的工艺控制是实现高效连铸，保证产品质量的必要条件。