连铸钢铁的发展历史解析

第一篇：连铸钢铁的发展历史解析

什么叫连铸的完美解析

连铸即为连续铸钢(英文，Continuous Steel Casting)的简称。在钢铁厂生产各类钢铁产品过程中，使用钢水凝固成型有两种方法:传统的模铸法和连续铸钢法。而在二十世纪五十年代在欧美国家出现的连铸技术是一项把钢水直接浇注成形的先进技术。与传统方法相比，连铸技术具有大幅提高金属收得率和铸坯质量，节约能源等显著优势。

中文名称：连铸

外文名称：Continuous casting 连铸流程

连续铸钢的具体流程为:钢水不断地通过水冷结晶器，凝成硬壳后从结晶器下方出口连续拉出，经喷水冷却，全部凝固后切成坯料的铸造工艺过程。如果连铸生产薄板坯，那么还可以进入连铸连轧工艺进行进一步的加工。连铸除了铸钢之外，还可以铸造铝、铜制产品。

发展历史

从二十世纪五十年代开始，连铸这一项生产工艺开始在欧美国家的钢铁厂中，这种把液态钢水经连铸机直接铸造成成型钢铁制品的工艺相比于传统的先铸造再轧制的工艺大大缩短了生产时间，提高了工作效率。到了八十年代，连铸技术作为主导技术逐步完善，并在世界各地主要产钢国得到大幅应用，到了九十年代初，世界各主要产钢国已经实现了90%以上的连铸比。中国则在改革开放后才真正开始了对国外连铸技术的消化和移植;到九十年代初中国的连铸比仅为30%。

连铸民企

WAM公司作为中国最早的一家民营专业化连铸技术公司，从1992年成立起就致力于中国连铸技术的发展和创新，为推动国内连铸钢铁业的迅速发展，提高国内连铸比贡献自己的一份力量。

连铸课题

铸铁水平连铸课题为国家“七五”攻关项目，铸铁经过水平连铸方法生产的型材，无砂型铸造经常出现的夹渣、缩松等缺陷，其表面平整，铸坯尺寸精度高(土L 0mm)无需表面粗加工，即可用于加工各种零件。特别是铸铁型材组织致密，灰铸铁型材石墨细小强度高，球铁型材石墨球细小园整，机械性能兼有高强度与高韧性结合的优点。目前国际上铸铁型材已广泛运用到制造液压阀体，高耐压零件，齿轮、轴、柱塞、印刷机辊轴及纺织机零部件。在汽车、内燃机、液压、机床、纺织、印刷、制冷等行业有广泛用途。

连铸机械

连铸机主要由中间罐、结晶器、振动机构、引锭杆、二次冷却道、拉矫机和切割机组成。

中间罐是装盛钢水的部位，加热成液态的钢水首先装在钢包中，由天车拉运至中间包上方，并把钢水倒入中间包中。中间包中的钢水再经由管道进入结晶器。液态金属的温度可以随合金大幅增加严格控制。

结晶器

结晶器是连铸机的核心部件，连铸生产的主体思想是把液态的钢水直接铸造成成型产品，结晶器就是把液态钢水冷却出固态钢坯的部件，它是由一个内部不断通冷却水的金属外壳组成，这个不断输送冷却水的外壳把与之相接触的钢水冷却成固态。另一方面，结晶器的形状还决定了连铸出的钢坯外形，如果结晶器的横截面是长方形，连铸出的钢坯将是薄板坯;而正方形形状的结晶器横截面拉出的钢坯将是长条形，即方坯。

与结晶器相连的部件是振动机构，该机构在生产过程中通过不断地振动带动结晶器一同振动，排除液态金属中的气体，帮助凝结成固态外壳的钢坯从下方拉出。

引锭杆

引锭杆在连铸机刚开始生产时起拉动第一块钢坯的作用。在液态钢水在结晶器中凝结之后，引锭杆将钢坯从下方拉出，同时拉开连铸生产的序幕。

在拉出钢坯之后，第一个经过的区域是二次冷却道，在二次冷却道中向钢坯喷射冷却水，将钢坯将逐渐从外表冷却到中心，沿着辊道进入拉矫机。拉矫机的作用是将连铸坯拉直，以便于下一步工序的进行。

拉矫机的后方是切割机。对于生产出不同形状的钢坯，使用的切割机也就不同。连铸薄板坯多用大型飞剪，而条状坯则多使用与钢坯同步前进的火焰切割机。

主要问题

虽然高度的自动化有助于生产出无收缩铸件，但如果液态金属事先不除尽杂质，在铸造过程中会出现问题。氧化是液态金属杂质的主要来源，气体、矿渣或不溶合金也可能卷入液态金属。为防止氧化，金属尽量与大气隔离。在中间包，任何夹杂物包括气泡，其他矿渣或氧化物，或不溶合金也可能被夹杂在渣层。

一个主要的连铸问题是连铸坯的断裂。如果凝固的金属外壳过薄，有可能导致钢坯在拉出一定长度后下方的金属将上方正在凝结的金属拉断，导致钢水泄露，进而破坏其他机器而发生事故。通常情况下，断裂是由于过高的拉出速度，使凝固的外壳没有足够时间来产生所要求的厚度;也有可能是拉出的金属温度仍然过高，这意味着最终凝固时间大大低于矫直辊和地方链断裂整顿期间，由于应用的压力。阿突破，也可能发生，如造成撕裂。如果传入的金属过热，可以通过减慢拉出速度来防止断裂。

另一个可能出现的问题是碳化物，钢铁与溶解氧反应也可能产生碳化物。由于金属是液态，这种碳化反应是非常的快，同时产生大量高温气体，如果是在中间包或者结晶器中发生碳化反应，氧元素还会反应生成氧化硅或氧化铝，如果产生过多的氧化硅或氧化铝将有可能堵塞中间包与结晶器中间的连接管，进而导致破坏生产。

优越特性

连铸技术的迅速发展是当代钢铁工业发展的一个非常引人注目的动向，连铸之所以发展迅速，主要是它与传统的钢锭模浇铸相比具有较大的技术经济优越性，主要表现在以下几个方面。

(1)简化生产工序

由于连铸可以省去初轧开坯工序，不仅节约了均热炉加热的能耗，而且也缩短了从钢水到成坯的周期时间。近年来连铸的主要发展之一是浇铸接近成品断面尺寸铸坯的趋势，这将更会简化轧钢的工序。(2)提高金属的收得率

采用钢锭模浇铸从钢水到成坯的收得率大约是84~88%，而连铸约为95~96%，因此采用连铸工艺可节约金属7~12%，这是一个相当可观的数字。日本钢铁工业在世界上之所以有竞争力，其重要原因之一就是在钢铁工业中大规模采用连铸。从1985年起日本全国的连铸比已超过90%。对于成本昂贵的特殊钢，不锈钢，采用连铸法进行浇铸，其经济价值就更大。我国的武汉钢铁公司第二炼钢厂用连铸代替模铸后，每吨钢坯成本降低约l70元，按年产量800万吨计算，每年可收益约13.5亿元。由此可见，提高金属收得率，简化生产工序将会获得可观的经济效益。

(3)节约能量消耗

据有关资料介绍，生产1吨连铸坯比模铸开坯省能627~1046KJ，相当于21.4~35.7kg标准煤，再加上提高成材率所节约的能耗大于100kg标准煤。按我国目前能耗水平测算，每吨连铸坯综合节能约为130kg标准煤。

(4)改善劳动条件，易于实现自动化

连铸的机械化和自动化程度比较高，连铸过程已实现计算机自动控制，使操作工人从笨重的体力劳动中解放出来。近年来，随着科学技术的发展，自动化水平的提高，电子计算机也用于连铸生产的控制，除浇钢开浇操作外，全部都由计算机控制。例如我国宝钢的板坯连铸机，其整个生产系统采用5台PFU一1500型计算机进行在线控制，具有切割长度计算，压缩浇铸控制、电磁搅拌设定、结晶器在线调宽、质量管理、二冷水控制、过程数据收集、铸坯、跟踪、精整作业线选择、火焰清理、铸坯打印标号和称重及各种报表打印等3l项控制功能。

(5)铸坯质量好

由于连铸冷却速度快、连续拉坯、浇铸条件可控、稳定，因此铸坯内部组织均匀、致密、偏析少、性能也稳定。用连铸坯轧成的板材，横向性能优于模铸，深冲性能也好，其他性能指标也优于模铸。近年来采用连铸已能生产表面无缺陷的铸坯，直接热送轧成钢材。

连续铸钢是一项系统工程，涉及炼钢，轧钢，耐火材料，能源，备品备件，生产组织管理等一系列的工序。多年的生产实践证明:只有树立“连铸为中心，炼钢为基础，设备为保证”的思想，才能较好地掌握现代连铸技术，连铸工艺的采用，改变了传统的工艺要求、操作习惯和时间节奏。这就要求操作者和技术人员加强学习，更新知识，以适应连铸新技术的发展，做好技术培训工作。

制造方法

1、Al-Pb合金-钢背轴瓦材料的水平连铸复合方法

2、csp薄板坯连铸结晶器保护渣

3、把钢连铸成方坯和初轧坯的结晶器

4、把液体金属引入金属连铸模具的喷嘴

5、板坯连铸电磁搅拌辊

6、板坯连铸机的结晶器铜板上电镀镍铁合金的工

7、板坯连铸机结晶器铜板上电镀镍-铁合金的方法

8、板坯连铸机切割车同步器

9、板坯连铸结晶器窄边铜板

10、板坯连铸结晶器中的电磁搅拌装置

11、板坯连铸浸入式水口在线快速更换装置

12、板坯连铸拉矫辊

13、板坯连铸拉矫机

14、半连铸铸态球铁管制造方法

15、包覆连铸产品的生产方法和设备

16、包含外表面上的金属镀层的铜或铜合金冷却壁的金属连铸结晶器部件以及镀层的方法

17、包晶体钢连铸法

18、保持连铸拉速与结晶器振动频率相匹配的方法

19、表面无裂纹连铸坯和用该铸坯的非调质高张力钢材的制法

20、表面质量极好的奥氏体不锈钢带的双辊连铸方法以及利用该方法所获得的带材

21、薄板还连铸用浸入式水口及其制造方法

22、薄板连铸用结晶器用粉末

23、薄板坯、带坯或小方坯连铸装置

24、薄板坯连铸保护渣及制造方法

25、薄板坯连铸结晶器

26、薄板坯连铸连轧的方法及设备

27、薄板坯连铸楔形结晶器

28、薄板坯连铸用浸入式水口

29、薄板坯连铸用浸渍喷嘴

30、薄板坯连铸用特种水口

31、薄带连铸方法及装置

32、薄带连铸结晶辊冷却水槽堵头

33、薄带连铸用结晶辊

34、薄带连铸用异形布流器

35、薄带坯水平连铸机

36、薄带铸片连铸方法及装置

37、薄钢板连铸机的侧壁

38、薄金属产品的连铸方法及实现该方法的设备

39、薄型金属产品的连铸方法及设备

40、步进槽式连铸机

41、采用带坯连铸生产(110)[001]晶粒取向电工钢的方法

42、采用两个水口进行板坯连铸的方法及装置

43、测定数据以便自动运转连铸机的方法和装置

44、长形产品的连铸方法和相应的连铸生产线

45、超薄板坯专用连铸结晶器保护渣及其生产工艺

46、超低碳钢用连铸保护渣

47、超低头连铸机的矫直辊列布置形状

48、垂直连铸装置

49、大方坯和板坯连铸机的一种快速连接更换定位装置

50、大管径铜管坯上引连铸机

51、大口径铜管连铸工艺

52、带材连铸

53、带材连铸设备

54、带钢连铸的方法

55、带钢连铸的方法及装置

56、带钢连铸机的引出头

57、带坯连铸设备

58、带式连铸机的改进的冷却衬垫装置

59、带有多功能搅拌器的连铸生产线

60、带有钢坯储存和定序的中厚钢坯连铸机和多炉加工作业线

61、带有后置炉子、粗轧机和一个精轧机列的连铸机

62、带直通式结晶器和铸坯导辊装置的板坯连铸设备

63、电热法矿冶连铸工艺

64、调节用于金属且特别是钢材的连铸设备的一个或多个辊道段的方法和装置

65、调整金属连铸模构件的铜或铜合金外表面的方法 66、调整连铸机注口位置的方法和设备

67、调整连铸坯支承元件位置的调整装置和连铸坯导轨

68、断面小于90方连铸机的结晶器

69、对辊连铸胀紧密封式结晶辊

70、多功能组合式连铸管结晶器

71、方坯连铸电磁搅拌器

72、方坯连铸机铸坯导向喷水装置

73、方坯连铸结晶器用振动装置

74、防止连铸件的带边缘区的不希望的冷却的方法和装置

75、非均等分瓣体软接触电磁连铸结晶器

76、非均等缝隙软接触电磁连铸结晶器

77、分瓣式水套电磁软接触连铸结晶器

78、封闭金属带材双辊连铸机铸腔的侧壁和配有该侧壁的连铸机

79、复合式电磁连铸结晶器

80、复合式连铸长水口

81、改进的连铸生产无氧铜杆的设备

82、改善连铸板坯表面质量的方法 83、钢带的立式连铸的方法

84、钢的连铸方法

85、钢的连铸用铸型粉末

86、钢的连铸铸件的制造方法

87、钢连铸用的铸型保护粉料以及钢的连铸方法

88、钢坯、板坯或薄板坯的连铸方法和装置

89、钢坯的连铸法和用于该方法的铸模

90、钢坯连铸机自适应导向机构

91、钢坯连铸中间罐盖

92、高保温、快速定位连铸钢液容器

93、高耐磨连铸结晶器

94、高速连铸设备的运行方法及其实施系统

95、高温连铸坯表面缺陷涡流检测装置

96、高压水平连铸法及其设备

97、铬锆铜质连铸结晶器铜板熔铸成型工艺

98、工频有芯感应加热连铸中间包

99、管式连铸结晶器 100、管式连铸结晶器水套

安全规程

1、巡查维护和修理工作，必须在停浇时完成。

2、维护和修理工作，电器系统必须切断开关，悬挂禁止操作牌，以防他人合闸。

3、浇注时禁止进行冷床区域的调整、维护和修理工作。

4、冷床有任何动作时，禁止进入冷床摆梁区域。

5、进入冷床区域之前和走出床区域之后，必须同控制室联系，建立联系确认信号。

6、对冷床的巡查、维护和修理必须在设备停止时进行。

7、调整、维护、修理冷床时，相邻设备必须断开，并确保防止其合闸。

8、吊运冷床部件时，对吊索具必须检查确认，准确指挥吊运。

第二篇：连铸的发展

连铸的发展

二战之后，连铸发展非常迅速，今天钢铁生产者普遍相信连铸至少和模铸一样在经济上是合理的，并且能与大部分高质量钢的生产系列相匹配。这项技术不断开发的目的在于改善钢的性能，这促使生产特殊高级钢时企业对其生产工艺过程不断进行调整。使用连铸系统的理由有：

（l）和初轧机组（小型车间）相比，降低投资费用；

（2）和传统的铸锭相比，提高10%的生产能力；

（3）在整个铸坯长度上钢的成分较均匀；中心质量比较好，尤其是板坯；高的内表面质量，比其他需要昂贵的清理表而的工序节省；

（4）高度的自动化；

（5）益于保护环境；

（6）较好的工作条件设备类型

首台连铸机是立式连铸机，可是，由于横断面的增大，注流长度的增加，而且主要是随着浇注速度的增加，这种设备迫使厂房建筑高度增加。这些因素也导致了具有冶金影响的液相长度的大大增加。连铸坯的液相长度由下式决定：

L=D2/4x2Vc 这里，D=铸坏厚度(mm）x=凝固特征系数(mm/min1/2）

对于全部的冷却长度这些值达到26-33。Vc=拉坯速度(m／分）

为了减少厂房高度，首先研制出将钢水倒人立式结晶器中，并且在弯曲之前让钢水完全凝固的连铸系统，或弯曲时铸坯仍处在液相，这种系统随后发展为弧形结晶器，这是目前最常用的方法。立式连铸机和那些铸坯在完全凝固时被弯曲的连铸机都有一个长直的液相，这大大增加了成本。

然而从维修的角度看，这些系统有冶金学优点。铸坯内部仍为液相就进行弯曲的连铸机比完全凝固后再弯曲的立式连铸机更好，它不需要修建与立式连铸机一样高的厂房。然而，液相弯曲系统要求更高的初期投资和更大的维护费用。弧形连铸机是考虑了投资费用和维护费用的折衷产物，而且可以在冶金上实现。

连铸适合于生产任何横断而的产品：正方形的、长方形的、多边形的、圆形的、椭圆形断面都可以。也有些基本断面的例子，如管坯、板坯、大型坯、方坯。断面宽厚比大于1.6的铸坏通常称为板坯。方坯铸机生产正方形或近于方形、圆形或多边形断面，断面尺寸

1,200mm,但通常在700度（变化拉速）来补偿任何钢液面的变化。

连铸中使用的引锭杆类型取决于连铸机的类型。立式连铸机可以使用刚性引锭杆，而组合式的或灵活式的引锭杆必须用于弧形连铸机。引锭杆与铸坯可以采用不同方式连接，一种是用连接部件（平板、螺钉、碎条钢）将钢液与引锭杆焊接在一起；另一种是在引锭杆头部铸造一个特殊连接头，它能使引锭杆像打开扣环那样进行脱锭。

铸坯离开结晶器时的坯壳厚度首先取决于钢液与结品器的接触长度，它也依赖于结晶器的具体导热系数和钢水进人结晶器时的过热度。它可以由下面的抛物线公式进行精确计算：

C=xt

式中：C-坯壳厚度(mm)x—凝固特性（mm/min1/2)t-凝固时间(min)

铸坯在结晶器内或附近的凝固特性是20到26，它取决于操作条件；二冷区是29到33.离开结晶器时铸坯坯壳厚度约为铸坯厚度的8-10%，它取决于拉坯速度。结晶器下面的二冷区加速了铸坯的凝固过程。通常使用水进行冷却，但有时也用水和空气的混合物或压缩空气。为了适应冷却剂的流速，二冷区被分成很多部分。通过喷嘴将需要的水量喷到整个铸坏上。与铸坯断面和拉速有关的钢水静压力可能会太高，以至于铸坏不得不被支撑以防止鼓肚。在生产大型坯尤其是板坯的工厂，这种装置是很昂贵的。

工艺控制

由于生产率和质量的原因，在现代钢铁生产中，有一种转移费时操作的趋势，例如，将温度调整、脱氧和合金从熔化炉转到钢包处理站进行。这些操作在连铸过程中尤为重要，因为在这个过程中要严格控制温度和成分。

连铸过程中进入结晶器的钢水温度控制要比常规铸造中的温度控制更精确。太高的过热度能导致拉漏或一种柱状结构，带来较差的内部质量。另一方面太低的温度会导致水口堵塞造成浇铸困难和产生不洁净钢。板坯连铸中间包温度通常在液相线以上5到20度，而方坯或大型坯则为5到50℃。这种不同取决于钢的等级，例如，小熔化炉中不锈钢板坯连铸过热度为45℃。

在整个浇铸过程中，为使钢水温度保持在上面所说的范围之内，在钢包中温度的均匀性是最重要的。在浇铸以前为了保持钢包内钢液温度的均匀，需要搅拌，有时也进行清洗氮气或氩气可以带走热量，它们由钢包底部的多孔塞喷入或在独立的清洗站通过一个中空的塞棒喷入。

在真空或清洗处理期间可以进行化学成份控制。在钢液均匀后，进行取样分析或用电

4质量 冶金质量的提高包括在化学成分和凝固特征上变化小。除了在铸坯横切面上，改善碳、硫和合金元素偏析特性以外，沿着铸坯长度方向也没有什么变化（当将一炉钢水进行模铸时，每一支钢锭都有垂直偏析和组织变化，而连铸坯不仅是一块钢锭而且垂直方向上没有什么变化）。在现代连铸过程中，铸坯表面的质量要高于轧制半成品质量，轧制半成品的表面有例如结疤和疤痕等表面缺陷，因此，对铸锭的精整和产量的损失均降到最低程度。大多数连铸钢坯均无需经过任何修整就可进一步加工。因此能得到有较少的内部和表面缺陷、性能得到改善、更均匀的最终产品。

能量 连铸能够节约能量，因为连铸过程减少了在模铸过程中的能量消耗。这些包括在均热炉中的燃料消耗和初轧机的电能消耗。能量也可以通过产量增加来间接节省，因为它能减少用于生产大量半成品的原料钢的消耗。除此之外，人们正在关注将热的连铸坯直接热送到精轧机加热炉的实践，因此连铸坏的显热被节约了。

污染 连铸过程通过省略模铸工艺设备如均热炉减少了污染。

成本 连铸的资金和运行成本与模铸工艺相比均减少了。资金节约归功于省掉了模铸工艺所需要的设备。运行成本节约主要是较少的劳动力投人和较高的产量。

炼钢

连铸的炼钢操作与用电炉或碱性氧气转炉生产钢锭的炼钢操作相似，仅有某些不同，主要有两个：

(1)温度控制；

(2)脱氧实践。

出钢温度通常更高，以补偿因运送到铸机的时间增加引起的热量损失，出钢温度要维持在一个较小的范围内，以避免温度太高时拉漏和温度太低时中间包水口过早凝固。浇铸温度也能影响铸坯的晶体结构。在整个浇注过程中采用均一且低的过热度可获得铸坯最佳晶体结构。为了达到此目的，必须进行使钢液温度均匀的操作。广泛使用的一种方法是利用钢包底部的多孔塞吹入少量氩气或将喷枪插人钢包液面下吹氩搅拌钢液。

脱氧 连铸钢必须完全脱氧（镇静）以防止在铸坯表面或接近表面的皮下形成气泡或气孔，气泡和气孔会导致随后轧制过程中产生裂纹。根据钢的等级和用途，采用如下两种方法脱氧：

(1)对于粗晶粒钢加人少量铝，用硅进行脱氧；

(2)对于细晶粒钢进行铝脱氧。硅镇静钢比铝镇静钢更容易浇铸，因为避免了氧化铝沉淀带来的中间包水口堵塞问题。为了生产高质量的产品，在连铸之前，进行钢包精炼正成为一种很普遍的操作。

第三篇：连铸技术的发展

内蒙古科技大学 本科生课程论文

题 目：连铸技术的发展 学生姓名： 学 号： 专 业：09成型 班 级： 指导教师：邢淑清

连铸技术的发展

摘要：介绍了连铸的历史、发展、及其优点，主要阐述了连铸生产的相关技术及设备的应用;同时详细的介绍了高效连铸生产技术和最新连铸技术的发展。对连铸技术的发展进行了展望。

关键词：连铸技术；连铸设备；高效连铸技术；发展现状

Development of Continuous Casting

Technology Abstract：The history, development, continuous of casting and its advantages is introduced in this paper.Mainly elaborated the continuous casting production technology and equipment application.Which detailed introduction of the high efficient continuous casting technology and the latest development of continuous casting technology.And On the development of continuous casting technology is discussed.Key words: Continuous casting technology;Continuous casting equipment;High efficient continuous casting technology.引言

1858年,在钢铁协会伦敦会议上,首次提出“无锭浇铸”的概念。然而,直到20世纪40年代,该工艺才开始商业应用。因为钢的熔点和热传导性高,在此期间,研究者遇到了很多问题。首台投用的连铸机是立式的,装有一个带弹簧装置的结晶器。生产率低,常因金属粘结结晶器而发生漏钢。结晶器振动的概念由德国一非铁金属连铸的先驱提出,于1952年用于德国某钢厂的直结晶器立式连铸机上, 这是连铸工业化规模的开始。

由于技术限制,多年内连铸技术只限于小钢厂,自1970年开始,连铸开始用于钢铁联合企业生产板坯。对凝固现象的科学合理的透彻理解,导致连铸快速增长。连铸技术

1.1连铸技术简介

连铸是把液态钢用连铸机浇注、冷凝、切割而直接得到铸坯的工艺。它是连

接炼钢和轧钢的中间环节，是炼钢生产厂（或车间）的重要组成部分。一台连铸机主要是由盛钢桶、中间包、中间包车、结晶器、结晶器振动装置、二次冷却装置、拉坯矫直装置、切割装置和铸坯运出装置等部分组成的。连铸技术的应用彻底改变了炼钢车间的生产流程和物流控制，为车间生产的连续化、自动化和信息技术的应用以及大幅度改善环境和提高产品质量提供了条件。此外，连铸技术的发展，还会带动冶金系统其他行业的发展，对企业组织结构和产品结构的简化与优化有着重要的促进作用。1.2连铸工艺的优点

钢液的两种成形工艺：模铸法和连铸法比较如图1所示

图1 模铸与连铸工艺流程的对比图

可以看出二者的根本差别在于模铸是在间断情况下，把一炉钢水浇铸成多根钢锭，脱模之后经初轧机开坯得到钢坯；而连铸过程是在连续状态下，钢液释放显热和潜热，并逐渐凝固成一定形状铸坯的工艺过程[1]。钢在这种由液态向固态的转变过程中，体系内存在动量、热量和质量的传输，相变、外力和应力引起的变形，这些过程均十分复杂，往往耦合进行或相互影响[2]。与模铸—初轧开坯工艺相比,连铸工艺具有如下优点[3]：

(1)简化了铸坯生产的工艺流程，省去了模铸工艺的脱模、整模、钢锭均热和开坯工序。流程基建投资可节省40％，占地面积可减少30％，操作费用可节省40％，耐火材料的消耗可减少15％。

(2)提高了金属收得率，集中表现在两方面一是大幅度减少了钢坯的切头切尾损失；二是可生产出的铸坯最接近最终产品形状，省去了模铸工艺的加热开坯 3

工序，减少金属损失。总体讲，连铸造工艺相对模铸工艺可提高金属收得率约9％。

(3)降低了生产过程能耗，采用连铸工艺，可省去钢锭开坯均热炉的燃动力消耗。可节省能耗1／4～1／2。

(4)提高了生产过程的机械化、自动化水平，节省了劳动力，为提高劳动生产率创造了有利条件，并可进行企业的现代化管理升级。1.3我国连铸技术的发展状况

中国是世界上研究和应用连铸技术较早的国家,从20世纪50年代起就开始连铸技术的研究,60年代初进入到连铸技术工业应用阶段。但是,从60年代末到70年代末,连铸技术几乎停滞不前。1982年统计数字表明,世界平均连铸比为30%左右,而中国的连铸比仅为6.2%。80年代后,中国连铸技术进入新的发展时期,从国外引进了一批先进水平的小方坯、板坯和水平连铸机。80年代中期,中国拥有了第一个全连铸钢厂-武钢第二炼钢厂。近年来,中国连铸技术飞速发展。到2005年,中国除海南、宁夏、西藏外,其他各省(市、自治区)都有了连铸,连铸比已经达到了97.5%,目前,中国的钢铁冶金工艺水平达到了世界中上等水平[4]。

2连铸生产及关键技术

2.1连铸设备

连铸机的发展大致经历了立式→立弯式→弧形→超低头形→水平等几个阶段。每种机型都各有其特点,有它最适应的范围,还没有一种机型可完全取代其他机型。目前, 连铸机除满足产量要求外,从生产率、铸坯品种质量、铸坯断面、降低连铸机高度、节省基建和设备投资等方面综合分析,弧形连铸机是被应用的主要机型[3]。但板坯连铸机的总趋向是用直弧型替代弧型,以消除或减轻铸坯内弧侧夹杂物的积聚问题。

连铸生产所用设备通常可分为主体设备和辅助设备两大部分。主体设备主要包括:(1)浇铸设备-钢包运输设备、中间包及中间包小车或旋转台;(2)结晶器及其振动装置;(3)二次冷却装置-小方坯连铸机、大方坯连铸机和板坯连铸机有很大差别);(4)拉坯矫直机设备-拉坯机、矫直机、引锭链、脱锭与引锭子链存放装置;(5)切割设备-火焰切割机与机械剪切机等。

辅助设备主要包括:(1)出坯及精整设备-辊道、推(拉)钢机、翻钢机、火焰

清理机等;(2)工艺设备-中间包烘烤装置、吹氩装置、脱气装置、保护渣供给与结晶器润滑装置等;(3)自动控制与测量仪表-结晶器液面测量与显示系统、过程控制计算机、测温、测重、测长、测速、测压等仪表系统[3]。2.2连铸关键技术

(1)钢包回转台的关键技术有:钢包加盖,单包升降系统,钢包称量系统,防氧化保护浇注系统,钢包下渣检测系统,钢包倾斜机构,长水口自动安装系统,钢水质量控制系统,钢水温度控制检测系统,钢包吹氩搅拌系统,回转驱动采用液压马达的新型驱动系统。

(2)中间包及其烘烤装置的关键技术有:中间包大型化(已达40～80t),中间包结构形状的优化、挡渣墙的设置和新型耐火材料的利用,钢水自动称量反馈系统,中间包冶金技术,采用陶瓷泡沫过滤器过滤各类夹杂物,热中间包循环使用工艺和设备,浸入式水口快速更换装置,滑动水口与浸入式水口组合使用及氩气密封,自动开浇工艺与系统,烘烤装置自动点火器,浸入式水口内部烘烤技术。

(3)中间包车关键技术有:结晶器液面检测器安装机构,复杂紧凑的机械结构、电缆及管线走向设计,长水口自动安装机械手(被设计在中间包车上),中间包倾斜浇注技术(提高金属收得率)。

(4)结晶器关键技术有:结晶器倒锥度,在线热状态调宽调锥度系统,结晶器在线停机调厚,高速浇铸时铜板冷却水高流速均匀传热冷却结构,涡流式、电磁式、同位素式、浮子式、激光式、超声波式等各种有效的液面检控系统,漏钢预报及热成像系统,结晶器铜板热面温度控制系统及最低进水温度控制,结晶器电磁搅拌和电磁制动,一个结晶器浇多流铸坯的插装式结构,结晶器铜板母材采用合金铜并镀镍铬、镍铁合金或镍钴合金(提高其高温抗变形的能力和耐磨性能), 浇铸宽板坯采用分段式结晶器足辊或高拉速时采用格栅支承结构,浸入式水口随板坯宽度和拉速变化而变化的最佳工艺特性,保护渣自动供给装置,保护渣的理化性能检测设施。

(5)结晶器振动装置关键技术有:液压伺服振动机构(能在浇铸过程中改变振幅、频率和波形偏斜率),缓冲力的优化,高频率小振幅工艺的优化,振动体质量的最小化及板簧导向系统,外装式结晶器电磁钢流控制装置的支撑与运转机构,内装式结晶器电磁钢流控制装置的支撑机构,结晶器运动状况动态监视系统(主要 5

监视摩擦力的变化),结晶器振动反向控制模型(拉速提高,频率降低,振幅提高)。

(6)零号扇形段的关键技术有:调宽调厚装置及工艺设备参数,设备冷却、有效润滑及防漏钢设施,牢靠的定位与对弧调整功能。

(7)积极采用连铸新工艺、新成果。引进薄板坯连铸技术、单晶连铸技术、连铸坯高温热送热装及直接轧制、水平连铸技术、铸坯的轻压下技术以及中间包冶金等技术,将对我国连铸甚至整个钢铁工业的发展起到重要的促进作用。

3高效连铸生产

3.1高效连铸作用

3.1.1连铸坯产量大幅度提高

从1989年到2001年我国连铸坯产量由1004万t增加到12 000万t以上，连铸比由16．3％提高到87．5％。如果只靠投资新建铸机，而没有连铸机的高效化，新建和原有铸机都是那样的低生产率，要想达到这样的总产量是不可想象的，无论资金投入、场地占用等许多方面都是难以承受的。高效连铸技术为钢铁行业的调整结构降低成本作出了贡献。3.1.2实现炼钢车间的炉机匹配

我国的转炉车间炉容从几吨到200t都有小方坯生产。由于小方坯铸机生产能力低，3台转炉配4、5台甚至6台连铸机，匹配关系复杂混乱，工艺制度不能保证。这反过来又影响了铸机生产和铸坯质量。3.1.3经济效益

实现高效连铸使各项技术指标提高，消耗下降，铸坯质量改善，可使企业降低成本节省投资，获得很大的经济效益。3.2提高连铸机生产率的途径

提高连铸机产量，主要是从提高连铸机拉速和提高连铸机作业率两方面着手。

3.2.1提高连铸机拉速

连铸机拉速的提高受出结晶器坯壳厚度、液相穴长度（冶金长度）、二次冷却强度等因素的限制。要针对连铸机的不同情况，对连铸机进行高效化改造。

小方坯连铸机高效化改造的核心就是提高拉速。拉速提高后，为了保证出结晶器坯壳不漏钢，其核心技术就是优化结晶器锥度，开发新型结晶器，包括：Concast的凸模结晶器（CONVEX MOLD）；Danieli自适应结晶器（DANAM）；VAI的钻石结晶器（DIAMOLD）；Paul Wurth的多锥度结晶器。虽然结晶器名称不相同，但其实质就是使结晶器锥度与坯壳收缩相一致，不致于产生气隙而减慢传热，影响坯壳均匀性生长。

目前，国际上小方坯铸机拉速达到的水平见图1和表1。

图1 方坯尺寸与拉速关系

表1小方坯铸机拉速

名 称 德马克 康卡斯特 丹尼立 VAI

断面/mm×

mm 130×130 150×150 130×130 115×115 155×155

拉速/m.min 4.0-4.3 3.5 4.3 5.1 2.9

结晶器型式 抛物线 凸型 自适应 钻石 钻石

小方坯铸机拉速的提高，表现为单流产量的提高。从世界连铸发展的历程来看，20世纪70、80、90年代连铸机的单流年产量分别为5～6、8～10、15～16万t。

我国钢材生产结构是长型材较多,板材比较低(约40%),反映在连铸机建设上是中小型钢厂建设小方坯连铸机较多。据统计,我国共建小方坯连铸机280台 7

978流,年产量近6000万ｔ,平均单流年产量约为6万ｔ。与国外比较,连铸机生产率还较低。为提高连铸机生产率,从20世纪90年代以来,我国对旧有小方坯连铸机进行了高效化改造,如120mm×120mm方坯拉速由2.0m/min提高到3.0～4.0m/min,150mm×150mm方坯拉速由1.5m/min提高到2.5～3.0m/min。目前,我国不少钢厂的小方坯连铸机经过高效化改造后,单流年产量已达到15～20万ｔ的国际水平。3.2.2提高连铸机作业率

提高连铸机作业率的技术有：

（1）长时间浇注多炉连浇技术：异钢种多炉连浇；快速更换长水口；在线调宽；结晶器在线快速调厚度（只需25～30min）；在线更换结晶器（小方坯）；中间包热循环使用技术；防止浸入式水口堵塞技术。

（2）长时间浇注连铸机设备长寿命技术：长寿命结晶器，每次镀层的浇钢量为20～30万t；长寿命的扇形段,上部扇形段每次维修的浇钢量100万t,下部扇形段每次维修的浇钢量300～400万t。

（3）防漏钢的稳定化操作技术：结晶器防漏钢预报系统；结晶器漏钢报警系统；结晶器热状态运行检测系统。

（4）缩短非浇注时间维护操作技术：上装引锭杆；扇形段自动调宽和调厚技术；铸机设备的快速更换技术；采用各种自动检测装置；连铸机设备自动控制水平。

3.3提高连铸坯质量技术 3.3.1提高连铸坯洁净度技术

（1）连铸坯洁净度评价包括：钢总氧量T[O]；钢中微观夹杂物（＜50μm）；钢中大颗粒夹杂物量（＞50μm）。不同产品对钢中洁净度要求如表6所示。 [6][5] 8

（2）连铸坯洁净度是一个系统工程。就连铸过程而言，要得到洁净的连铸坯，其任务是：炉外精炼获得的“干净”钢水，在连铸过程中不再污染；连铸过程中应创造条件在中间包和结晶器中使夹杂物进一步上浮去除。连铸过程钢水再污染，主要决定于钢水二次氧化、钢水与环境（空气、渣、包衬）相互作用、钢水流动的稳定性、钢渣乳化卷渣。

（3）连铸过程控制钢洁净度对策：保护浇注；中间包冶金技术，钢水流动控制；中间包材质碱性化（碱性复盖剂，碱性包衬）；中间包电磁离心分离技术；中间包热循环操作技术；中间包的稳定浇注技术；防止下渣和卷渣技术；结晶器流动控制技术；结晶器EMBR技术。3.3.2提高铸坯表面质量的控制技术

铸坯表面质量好坏是热送热装和直接轧制的前提条件。铸坯表面缺陷的产生主要决定于钢水在结晶器的凝固过程。要清除铸坯表面缺陷，应采用以下技术：结晶器钢液面稳定性控制；结晶器振动技术；结晶器内凝固坯壳生长均匀性控制技术；结晶器钢液流动状况合理控制技术；结晶器保护渣技术。3.3.3提高连铸坯内部质量的控制技术

连铸坯内部缺陷一般情况在轧制时能焊合消除，但严重时会使中厚板力学性能恶化，使管线钢氢脆和高碳硬线脆断。铸坯内部缺陷的产生主要决定带液芯的铸坯在二冷区的凝固过程。要消除铸坯内部缺陷，可采用以下技术措施：低温浇注技术；铸坯均匀冷却技术；防止铸坯鼓肚变形技术；轻压下技术；电磁搅拌技术；凝固末端强冷技术；多点或连续矫直技术；压缩铸造技术。

[7]4最新连铸技术的发展

4.1近终形连铸技术的发展

世界钢铁生产者开始寻求技术改进以扩展连铸的优势。1989年,德国供应商SMS首次在美国的一个小型钢厂纽柯钢厂安装了一台薄板坯连铸机。新设计了漏斗形结晶器,其它与传统连铸机相似。导致世界范围内薄板坯连铸机的商业化发

展,其厚度范围在40～70mm 之间,典型拉速为5.5m/min。

薄板坯连铸机的成功并没有使钢铁工作者进一步寻求技术进步的脚步停止,其代表为R&D在贝西默的独创带钢连铸概念。1999年,钢铁巨头Nucor/BHP/IHI及Thyssen Krupp steel/Usino r/ VAI开始商业化推广他们的Cast rip工艺及Euro st rip 工艺,可以直接从钢水生产出带钢(见图2)。

图2双辊带钢铸机

在普遍采用的双辊带钢连铸工艺中,钢液倒入两个柜式旋转辊中。两个陶瓷侧板挤压装有钢液的铸辊的前面。钢壳在两个辊面间形成,熔融金属喂入弯月面。坯壳生长至两辊间的接触点(最窄点), 在这里两坯壳相接触,当它们通过铸辊时形成连续的钢带,从结晶器下面出铸机。至形成2mm厚的凝固钢带仅需0.4s。典型的铸速为40～130mm/min,依赖于带钢厚度、铸辊尺寸和溶池高度。

钢梁的首次近终形连铸是铸成“狗骨”形毛坯取代正方形或矩形截面,可生产的梁毛坯尺寸为(480～1050)mm×(355～450)mm×(120～165)mm,铸速为0.45～2.5m/min,其轧制成本较低,生产率较高,能耗降低。4.2 结晶器几何形状的演变

结晶器是铸机的心脏,结晶器设计相应决定了铸速和生产率。为提高铸速和生产率,需要适当的结晶器几何形状,以提高热传输和降低结晶器摩擦。4.2.1厚板坯连铸机的直结晶器

从传统的弧形结晶器到直结晶器的采用,保证在整个结晶器长度内铸流、坯

壳与结晶器铜板的均匀接触。使坯壳快速均匀生长,降低拉漏危险。而且,非金属夹杂容易上升到熔池,保证铸坯的优良内部质量。4.2.2小方坯的多段结晶器

多段结晶器对高速小方坯连铸降低漏钢率较为有效,它由一个主筒结晶器和与之相连的约320mm长的刚性第二段组成。第二段由4块固定在底板上的水冷铜板组成,通过一个支架和基板套在主结晶器的外面。连铸过程中,冷却板通过弹簧作用轻压铸坯,冷却板喷冷却水加快热传输,冷却水直接垂直喷射到小方坯盖板上。这种工艺中,铸速可达4～4.3m/min,高于传统有足辊结晶器连铸机的3.5m/min,而且,漏钢率也较传统铸机降低0.50%～1.0%。4.2.3锥度结晶器

锥度结晶器可用于大方坯/小方坯和板坯连铸机,抛物线结晶器的引入成为连铸历史的转折点。结晶器锥度依赖于钢种和铸速,结晶器设计上考虑铸坯在结晶器内的铸坯收缩,以使结晶器与铸坯接触,保证良好传热。在高速浇铸下,钢在结晶器内的停留时间非常短,因此,坯壳必须有足够的强度以承受液态钢水的静压力,为此,结晶器筒在不同段设计成多种锥度,主要考虑钢水收缩,保证钢坯与结晶器的良好接触。

另一个发展方向是在板坯连铸机结晶器采用有导角的抛物线锥度,保证整个结晶器长度内铸坯与铜板直接接触,促进坯壳快速均匀生长。导角减小了结晶器摩擦,因此可减少铜板磨损。其应用可改善铸态组织、减少铸坯角部内部质量缺陷、降低侧边鼓肚。

4.2.4小方坯铸机的结晶器长度

对高速小方坯,提高结晶器筒长100～200mm,使总长超过传统的900mm,提高钢在结晶器内的停留时间,从而提高坯壳强度。4.3结晶器振动的改进 4.3.1液压结晶器振动

理想的结晶器振动是充分利用结晶器优化设计的前提。液压结晶器振动采用二个液压缸控制伺服阀,每个伺服阀预先设定设置点,将结晶器设置成周期性振动。对伺服阀储存不同的设置点实现相应的振动速度曲线,正弦函数是基本的振动型式。

不同速度曲线的振频和振幅不同,在浇铸过程中,铸速函数能自动与预设定的函数序列相适应。其优点包括:振动曲线、振幅、振频的在线控制,减少结晶器摩擦,减轻结晶器机械运动,减轻铸件振痕,提高操作安全和减少维护等。4.3.2板坯连铸机结晶器振动的三角模式

结晶器振动利于保护最初形成的坯壳,需要一个合理的结晶器正向和负向振动以降低坯壳的拉应力,使结晶器润滑渣充分渗入并沿模壁铺展。在正弦振动中,主要问题是在每个振幅中,正滑脱时间较短,高频振动器使结晶器摩擦增大。为此,开发了三角模式振动,通过调整振动速度,使向上运动的时间长于向下运动,这种较长的正滑脱时间减少了结晶器与凝固坯壳的相对运动,因为负滑脱时间较短,可减小摩擦,降低振痕深度。4.3.3结晶器宽度调整

在线液压结晶器宽度调整利于生产不同尺寸板坯,减小下线时间。该系统可提高连铸产品大纲的灵活性,提高生产率。4.3.4结晶器液面自动控制

当前结晶器液面控制通常采用塞棒调整中间包滑板开闭进行。结晶器液面探测可采用放射性同位素,系统拥有一个PID(比例微积分)控制器,可将液面实际控制信号与设定值相比较。控制器根据反馈结果输出信号促使伺服驱动开闭塞棒激励器。伺服驱动可控制塞棒位置, 控制精度通常为±2mm。在自动开浇模式,按存储的时间曲线对结晶器进行设定,如果液面达到固定的设定值,自动从时间曲线控制切换到闭环控制。其主要优点是优良的表面/皮下质量,较轻的振痕深度和低一倍的漏钢率,因此提高了生产率。4.4电磁搅拌

连铸坯组织为较外层柱状晶区为中心等轴晶区所包围, 柱状晶的长度直接受过热度影响,如图3所示。

图3过热度对柱状晶和等轴晶量的影响

为限制柱状晶区,中间包内钢水温度应接近液相线温度,EMS(电磁搅拌)能限制柱晶结晶,促进细小规则等轴晶形成。搅拌器的工作原理包括磁场的产生,磁场穿透凝固壳,在钢液中感应出傅科勒特电流。这种感应电流和磁感应产生一个电磁力,使液态金属产生运动。通过对流促进液固钢之间的热交换,消除残余过热,导致凝固前沿的热梯度减小,柱状晶生长条件不复存在。这些运动导致柱状晶枝晶重熔和断裂,形成更多的等轴晶。图4示出了电磁搅拌和未搅拌时等轴晶比例对比。

图4电磁搅拌对晶粒的细化作用

根据需要搅拌器可放于结晶器或结晶器之下。对大方坯/小方坯连铸机,EMS可提高表面/皮下质量,减少合金偏析、渣坑和针孔,其主要优点是通过增大等轴晶区提高内部质量,减少枝晶搭桥,阻止中心气孔和中心偏析。

为进一步降低偏析,可在二冷区下部安装EMS,通过搅拌中心未凝固钢液,均匀成分,减少中心线偏析发生。

搅拌器类型应根据浇铸产品的冶金要求和搅拌参数如强度、频率、磁场方向等进行选择,而且设计和位置应慎重考虑。

电磁搅拌改变了弯月面形状,减慢了弯月面钢液凝固,导致弯月面附近液体流动。在板坯连铸中,一种AC和DC双重感应磁场技术被用于进行弯月面控制,另有一种改进的电磁搅拌闸用于控制结晶器自然流动形式。4.5轻压下

大方坯/板坯连铸机轻压下的目的是减少铸坯的中心偏析。采用调整拉坯段的锥度,对出结晶器后的铸坯采用外加机械压力减轻中心疏松、偏析、化学成分不均匀性。通过阻止凝固搭桥,促进粘稠钢液运动,补偿热收缩。轻压下参数取决于铸机布置、铸速、钢的化学成分、钢水过热度及铸坯二次冷却。改进的动态辊缝调整技术可适应拉坯过程中浇铸参数的变化。4.6连铸自动化

二级自动化系统能改善质量和提高生产率,连铸工艺和质量自动控制系统包括结晶器液面控制、铸坯锥度控制、速度控制数学模型、喷水冷却系统和长度切割优化等[8]。5发展趋势

5.1进一步发展高效连铸技术(传统连铸技术的发展方向)[9]。

高效连铸技术是指连铸机实现高拉速、高作业率、高连浇炉数及低拉漏率生产高温无表面缺陷连铸坯的技术。实现连铸高效化的前提是：及时为连铸机供应温度和成分均合格的钢水；完善自动检测的手段和电子计算机的联网控制；具有高质量的连铸用保护渣和耐火材料；操作人员具有熟练的操作技术等。实现连铸高效化，其核心是提高连铸机的拉速。而提高连铸机拉速，需要解决结晶器和二冷段的冷却效果、结晶器的液面控制及相关技术问题。

5.2推广近终形连铸技术。

主要包括薄板坯连铸技术、薄带连铸技术、异型坯连铸技术和喷雾成形等。与传统工艺相比，它主要具有工艺简单、生产周期短、能量消耗低、生产成本低、质量较高等优点。这些优点恰好弥补了传统工艺的不足。此外，利用薄带连铸技术的快速凝固效应可以获得一些难以生产的材料和新功能材料[10]。5.3液芯压下技术

液芯压下又称软压下,是在铸坯出结晶器下口后,对带液芯的铸坯的坯壳施加挤压,使其减薄到目标厚度。根据液芯压下的终点位置又分静态压下和动态压下。液芯压下的终点位置不变,在一个扇形段内结束的称静态液芯压下。动态液芯压下是指根据钢种、过热度、浇注速度及冷却模型计算液芯长度,依据液芯长度在合适的铸坯长度上分配铸坯压下量,且使液芯压下终点处于合适固相率的区域。动态液芯压下可细化晶粒,减少中心偏析,明显提高铸坯的内部质量。由于静态液芯压下是在固定位置实施,而不是在铸坯的凝固末端,普遍认为对铸坯内部质量的提高不大。目前CSP、QSP采用的是静态液芯压下,FTSR采用的是动态液芯压下技术[11,12]。

6结论

(1)我国连铸比已超过世界平均水平，接近工业发达国家水平，连铸比可以说接近饱和状态。

(2)我国小方坯连铸机高效化改造取得很大成绩。小方坯连铸机单流产量已达到国际先进水平。但我国连铸机平均作业率与世界连铸机平均水平还存在较大差距。提高连铸机作业率以增加连铸机产量还有较大发展潜力。

(3)经过近10多年来的努力，我国连铸在高效化改造、新技术的应用等方面取得了很大成就，就大中型企业连铸机装备水平来看已与国外钢厂水平相当。要重视工艺软件技术开发与创新，新技术要用出实效来。要依靠传统的板坯和大方坯连铸机来生产和解决高品质、高附加值的连铸坯质量问题。

参考文献

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第四篇：连铸生产工艺的发展

连铸生产工艺的发展

近年来，我国经济的快速增长，特别是工业和基本建设的加速，促进了钢铁工业的发展。我国已成为世界上钢铁消费和钢铁生产大国，粗钢产量和消费量占世界总量的比例分别由1992年的11.2%和11.9%跃升到2002年的20.1%和25.8%，2002年钢产量达到1.82亿t。由于连铸技术具有显著的高生产效率、高成材率、高质量和低成本的优点，近二三十年已得到了迅速发展，目前世界上大多数产钢国家的连铸比超过90%。

连铸技术对钢铁工业生产流程的变革、产品质量的提高和结构优化等方面起了革命性的作用。我国自1996年成为世界第一产钢大国以来，连铸比逐年增加，2003年上半年连铸比已经达到了94.65%。

连铸即为连续铸钢（英文，Continuous Steel Casting）的简称。在钢铁厂生产各类钢铁产品过程中，使用钢水凝固成型有两种方法：传统的模铸法和连续铸钢法。而在二十世纪五十年代在欧美国家出现的连铸技术是一项把钢水直接浇注成形的先进技术。与传统方法相比，连铸技术具有大幅提高金属收得率和铸坯质量，节约能源等显著优势。从上世纪八十年代，连铸技术作为主导技术逐步完善，并在世界各地主要产钢国得到大幅应用，到了上世纪九十年代初，世界各主要产钢国已经实现了90％以上的连铸比。中国则在改革开放后才真正开始了对国外连铸技术的消化和移植；到九十年代初中国的连铸比仅为30％。

连续铸钢的具体流程为：钢水不断地通过水冷结晶器，凝成硬壳后从结晶器下方出口连续拉出，经喷水冷却，全部凝固后切成坯料的铸造工艺过程。统计数字显示，2002年我国连铸比为93.7%，2003年上半年全国连铸比达到94.65%，已超过了世界8970%平均连铸比的水平；我国连铸比已达到发达国家的水平，连铸比将要达到饱和状态。全球已建成54流连铸－连轧生产线，年生产能力为5500万t；我国已建和在建13流生产线，年生产能力达到1400万t（见表2），占全球总产量的1/4；中国CSP钢产量（1050万t）与美国CSP产量（1000万t）相当。

提高连铸机拉速 连铸机拉速的提高受出结晶器坯壳厚度、液相穴长度（冶金长度）、二次冷却强度等因素的限制。要针对连铸机的不同情况，对连铸机进行高效化改造。小方坯连铸机高效化改造的核心就是提高拉速。拉速提高后，为了保证出结晶器坯壳不漏钢，其核心技术就是优化结晶器锥度，开发新型结晶器，包括：Concast的凸模结晶器（CONVEX MOLD）；Danieli自适应结晶器（DANAM）；VAI的钻石结晶器（DIAMOLD）；Paul Wurth的多锥度结晶器。虽然结晶器名称不相同，但其实质就是使结晶器锥度与坯壳收缩相一致，不致于产生气隙而减慢传热，影响坯壳均匀性生长。小方坯铸机拉速的提高，表现为单流产量的提高。从世界连铸发展的历程来看，20世纪70、80、90年代连铸机的单流年产量分别为5～6、8～10、15～16万t。

我国钢材生产结构是长型材较多，板材比较低（约40%），反映在连铸机建设上是中小型钢厂建设小方坯连铸机较多。据统计，我国共建小方坯连铸机280台978流，年产量近6000万t，平均单流年产量约为6万t。与国外比较，连铸机生产率还较低。为提高连铸机生产率，从20世纪90年代以来，我国对旧有小方坯连铸机进行了高效化改造，如120mm×120mm方坯拉速由2.0m/min提高到3.0～4.0m/min，150mm×150mm方坯拉速由1.5m/min提高到2.5～3.0m/min。目前，我国不少钢厂的小方坯连铸机经过高效化改造后，单流年产量已达到15～20万t的国际水平。

板坯连铸机拉速的水平目前板坯厚度为200～250mm的拉速在1.6～2.0m/min左右，单流年产量达到200万t。如果说提高拉速是小方坯连铸机高效化的核心，那么板坯连铸机高效化的核心就是提高连铸机作业率。这是因为板坯连铸机的拉速受炉机匹配条件及铸机本身冶金长度的限制不可能有较大的变化，以及由于过高拉速所造成的漏钢危害，对板坯连铸机的影响远远高于小方坯连铸机。从原则上讲，连铸机提高拉速措施有：结晶器优化技术；结晶器液面波动检测控制技术；结晶器振动技术；结晶器保护渣技术；铸坯出结晶器后的支掌技术；二冷强化冷却技术；铸坯矫直技术；过程自动化控制技术。拉速提高了，铸坯内部疏松、偏析缺陷加重，夹杂物增加。高拉速与高质量是相互矛盾的，因此应根据钢种和产品用途，采取相应的技术措施，把高拉速和高质量的矛盾统一起来，以获得最佳经济效益。国外有不少钢厂板坯连铸机拉速不高，而单流产量却很高，如美国A.K.Ashland钢厂的板坯铸机，浇240mm×1160～1750mm板坯，工作拉速为1.78m/min，单流年产量达到220万t，连铸机有钢作业率为98%。这说明对板坯连铸机高效化改造核心不是提高拉速，而是要设法提高铸机作业率以提高

连铸机的生产率。

提高连铸机作业率的技术有：

（1）长时间浇注多炉连浇技术：异钢种多炉连浇；快速更换长水口；在线调宽；结晶器在线快速调厚度（只需25～30min）；在线更换结晶器（小方坯）；中间包热循环使用技术；防止浸入式水口堵塞技术。

（2）长时间浇注连铸机设备长寿命技术：长寿命结晶器，每次镀层的浇钢量为20～30万t；长寿命的扇形段,上部扇形段每次维修的浇钢量100万t,下部扇形段每次维修的浇钢量300～400万t。

（3）防漏钢的稳定化操作技术：结晶器防漏钢预报系统；结晶器漏钢报警系统；结晶器热状态运行检测系统。

（4）缩短非浇注时间维护操作技术：上装引锭杆；扇形段自动调宽和调厚技术；铸机设备的快速更换技术；采用各种自动检测装置；连铸机设备自动控制水平。

提高板坯连铸机设备坚固性、可靠性和自动化水平，达到长时间的无故障在线作业，是提高板坯连铸机作业率水平的关键。连铸坯的质量概念包括：铸坯洁净度（钢中非金属夹杂物数量，类型，尺寸，分布，形态）；铸坯表面缺陷（纵裂纹，横裂纹，星形裂纹，夹渣）；铸坯内部缺陷（中间裂纹，角部裂纹，中心线裂纹，疏松，缩孔，偏析）。连铸坯质量控制战略是：铸坯洁净度决定于钢水进入结晶器之前的各工序；铸坯表面质量决定于钢水在结晶器的凝固过程；铸坯内部质量决定于钢水在二冷区的凝固过程。提高铸坯表面质量的控制技术 铸坯表面质量好坏是热送热装和直接轧制的前提条件。铸坯表面缺陷的产生主要决定于钢水在结晶器的凝固过程。要清除铸坯表面缺陷，应采用以下技术：结晶器钢液面稳定性控制；结晶器振动技术；结晶器内凝固坯壳生长均匀性控制技术；结晶器钢液流动状况合理控制技术；结晶器保护渣技术。提高连铸坯内部质量的控制技术 连铸坯内部缺陷一般情况在轧制时能焊合消除，但严重时会使中厚板力学性能恶化，使管线钢氢脆和高碳硬线脆断。铸坯内部缺陷的产生主要决定带液芯的铸坯在二冷区的凝固过程。要消除铸坯内部缺陷，可采用以下技术措施：低温浇注技术；铸坯均匀冷却技术；防止铸坯鼓肚变形技术；轻压下技术；电磁搅拌技术；凝固末端强冷技术；多点或连续矫直技术；压缩铸造技术。综上所说我们可以得出结论：

（1）我国连铸比已超过世界平均水平，接近工业发达国家水平，连铸比可以说接近饱和状态。

（2）我国小方坯连铸机高效化改造取得很大成绩。小方坯连铸机单流产量已达到国际先进水平。但我国连铸机平均作业率与世界连铸机平均水平还存在较大差距。提高连铸机作业率以增加连铸机产量还有较大发展潜力。

（3）经过近10多年来的努力，我国连铸在高效化改造、新技术的应用等方面取得了很大成就，就大中型企业连铸机装备水平来看已与国外钢厂水平相当。要重视工艺软件技术开发与创新，新技术要用出实效来。

（4）要依靠传统的板坯和大方坯连铸机来生产和解决高品质、高附加值的连铸坯质量问题。薄板坯连铸连轧技术已引入大中型企业，我国薄板坯连铸/连轧生产已跨入世界先进行列，它对改变我国钢材产品结构，提高板带比，改变热轧带卷的市场竞争力起重大的变革作用。

（5）在今后2～3年内，要密切注意薄带连铸领域取得的进展。

第五篇：连铸三大件发展现状

武汉科技大学耐火材料新技术课程论文

连铸“三大件”发展现状

姓名：徐腾腾 班级：无机非金属材料工程（卓越）1101 学号：201102128116 摘要：整体塞棒、长水口（大包长水口）和浸入式水口（中包所用水口），称为连铸“三大件”。连铸“三大件”在炼钢生产中处于十分重要的位置，主要起到保护浇注和控流的作用，他们质量的好坏对于连铸乃至整个钢厂生产的连续性与稳定性有重要的意义。其材质主要是铝碳质，以氧化铝和炭素为原料，大多数情况下还加入添加剂，如SiC、单质Si等，用沥青或树脂等有机结合剂粘结而成的碳复合耐火材料。成型方法采用等静压成型。本文主要从连铸“三大件”的原材料、生产过程、应用及在使用中出现的问题分析其发展现状。

关键词：连铸 三大件 发展现状 AlO－C 前言

进入2000年以后, 随着连铸技术的日臻成熟,高效连铸技术已成为钢铁行业发展重点。高效连铸技术是以高拉速为核心,以高质量连铸坯无缺陷生产为基础,实现高连浇率、高作业率连铸的系统技术。连铸速度的提高、连浇时间的延长,通过保护浇铸水口的钢水流速流量也显著提高, 因此对连铸用耐材提出了更高的要求。连铸过程中所用的整体塞棒、长水口和浸入式水口在生产技术、产品品种、质量水平方面，正逐步追赶纾解先进水平，取代某些进口产品，以满足我国炼铁生产发展的需要。

延长连铸“三大件”的寿命是需求方最大的要求，由其所处环境和组成考虑，主要提高他们对渣液的抗侵蚀能力和高温抗氧化性。本文简述我国连铸“三大件”的原料、生产过程、应用的发展现状；解决其存在的寿命低、成本高、生产复杂的问题。通过对其从原料到成品和所处环境的分析，以及与国外产品的对比，选择最合理的成分组成和成型方式，提高性价比。从而减少钢铁生产成本，促进钢铁工业的发展。连铸“三大件”使用环境 武汉科技大学耐火材料新技术课程论文

连铸“三大件”在连铸系统中所使用的位置如图：

2.1 塞棒

塞棒的功能主要是用于中间包开闭,除能自动控制中间包至结晶器的钢水流量外,还可通过塞棒的吹氩孔,向中间包吹入氩气和其它惰性气体,塞棒还具有控制钢流和净化的功能。连铸生产过程中，整体塞棒头部受侵蚀、冲刷严重，特别是浇铸某些特钢，如经Ca、Si处理的钢种或P、S合金化的高速切削钢，塞棒头部侵蚀过快，常因无法控制钢流速度而报废。整体塞棒使用前必须烘烤到800～1000℃方能使用，长时间的烘烤会使铝碳制品表面石墨氧化呈疏松状态，导致制品耐侵蚀性和使用寿命降低，在使用时会造成制品断裂和穿孔事故。

2.2 长水口

当钢水由钢包向中间包浇注时,为了避免氧化和飞溅,在钢包底部的滑动水口的下端安装长水口,一端与下水口相连,另一端插入中间包的钢水内进行密封保护浇注。长水口其作用如下：（1）防止钢水二次氧化，改善钢的质量；（2）减少钢中易氧化元素的氧化产物在水口内壁沉积，延长其使用寿命；（3）长水口可多次使用，降低耐火材料消耗。对铝碳质长水口，通过加入适量低膨胀材料（熔融石英、钛酸铝），增韧材料（氧化锆）和钢纤维补强等的基础上，为进一步改善其性能从材质上又采取提高水口中Al2O3含量，减少SiO2加入量，以确保热震性能，提高使用寿命。

2.3 浸入式水口

在连铸技术中,浸入式水口渣线部位被严重侵蚀,以及防止氧化铝附着造成水口的堵塞,为提高铸坯质量,在中间包与结晶器之间设有浸入式水口,其主要作用是:(1)防止钢水二次氧化氮化和钢水的飞溅;(2)调节钢水流动状态和注入速度;(3)防止保护渣非金属夹杂物卷入钢水中,对促进钢水中夹杂物的上浮起重要作用;(4)对边铸拉坯成材率和铸坯质量有决定性影响。浸入式水口具有一定的气孔率，同样具有透气性，外界空气在钢水流动产生的负压作用下渗透到水口内部，与钢水接触使其氧化。因此在长水口和浸入式水口的外表面必须涂一层防氧化釉层。武汉科技大学耐火材料新技术课程论文

3连铸“三大件”原料选择 3.1 简介

近年来，国内连铸钢产量不断增加，连铸“三大件”大多采用Al2O3－C质材料制作，在使用条件最苛刻的部位如渣线、塞棒头等部位用ZrO2－Ｃ材料，并加入BN、Si3N4、B4C3、Al、Si以及塞隆、阿隆等复合添加剂以提高其使用寿命。为满足特殊性能钢的需要，近年一些厂家还开发了低碳、无碳和低硅、无硅的复合产品。

3.2 骨料

铝碳质耐火材料中的Al2O3组分主要选用电熔刚玉、烧结刚玉。电熔或烧结氧化铝原料的价格贵、硬度大。电熔氧化铝是指以高铝矾土或工业氧化铝为原料在电弧炉内熔融并除去杂质冷却后得到的熔块；其特点是氧化铝含量高，刚玉晶粒完整粗大，化学稳定性高。电熔刚玉有两种生产方法，一是间歇式熔块法（脱壳炉）；二是半连续式倾倒法（炼钢电炉）。烧结氧化铝是以工业氧化铝为原料，经高温煅烧制的低气孔率氧化铝。

碳在Al2O3－C制品中的作用如下：在颗粒空隙内或在颗粒之间形成脉状网络碳链结构，形成“碳结合”，从而降低制品的气孔率，提高制品的高温强度；碳还可以形成不受金属和熔渣侵蚀的表面，提高制品的抗侵蚀性和耐热冲击性；此外，碳的存在为铁、硅氧化物的还原提供条件，生成的气体能够阻止渣向耐火材料内部渗透；碳还可以耐火制品的导热性，避免制品的某个部位因温度过高而导致制品的剥落、断裂。铝碳质耐火材料中的炭素材料以鳞片状石墨为主，也可采用热解高纯石墨，优势还加入炭黑。

3.3 添加剂

抗氧化剂有金属Al、Si粉及SiC粉。加入少量抗氧化剂能延缓含碳层氧化，提高制品使用寿命。

3.4 结合剂

铝碳质耐火材料常用的结合剂有：树脂、焦油、沥青等。采用热固性酚醛树脂结合剂及乌洛托品硬化剂，生成不溶解、不固溶的固化物，高温时的残余碳量高，其使用性能优良。

4连铸“三大件”的生产过程

连铸“三大件”虽然功能不同，但有着相同或相似的材质、结构特点、使用条件、性能要求等，因而在生产中采用几乎完全相同的工艺。这3种产品的结构及高性能特点决定了它们从生产工艺到所用原料不同于其他耐火材料。除少量浸入式水口为熔融石英质外，绝大多数为铝炭质：形状之细长需采用等静压成型，高石墨含量配料采用树脂结 武汉科技大学耐火材料新技术课程论文

合剂形成碳结合，保护气氛热处理。连铸“三大件”是一类技术含量高的耐火材料产品，对工艺过程、工艺参数的选择控制，对工艺装备的水平都有较严格的要求，以保证产品质量高度稳定。具体制造工艺过程包括以下主要工序：原料——坯料制备——等静压成型——热处理——机加工、探伤、检选、表面防氧化涂层、包装等。

4.1 原料

连铸“三大件”所用原料可分为如下几类：主体耐火原料，石墨原料，功能添加剂和有机结合剂等。原料的选择对产品的品质、使用效果有很大的影响。因此生产三大件产品对原料的纯度、粒度、乃至结构都有较严格的要求。

4.1.1 主体耐火原料

涉及多种高档氧化物原料，如各种类型的刚玉原料、电熔氧化镁、尖晶石、电熔氧化锆、熔融石英，电熔锆莫来石等，依产品之不同和部位之不同而选择不同原料为主体耐火原料。三大件产品本体用刚玉原料或高铝原料，渣线采用部分稳定的电熔氧化锆原料，塞棒棒头、水口碗部处依浇注钢种不同而选用刚玉、电熔氧化镁、尖晶石等材质。熔融石英，锆莫来石常作为改善抗热震性原料部分引入。主体原料的种类、品质、粒度配比与产品抗热震性、抗侵蚀性、抗冲刷性密切相关。一般骨料粒度不大于1mm，产品关键部位选用高纯度电熔原料。

4.1.2 石墨原料

连铸“三大件”产品中均大量采用天然鳞片石墨，石墨组分对产品的最重要贡献是赋予其高抗热震性以适应使用时高温钢液的强烈热冲击。但其致命缺点是氧化问题，石墨的氧化和连铸操作条件、石墨的品位、粒度大小等都有关系。多数观点认为石墨的纯度越高，抗侵蚀性和抗氧化性越好，有些厂家对石墨原料还进行精制处理以进一步减少杂质含量。

4.1.2.1 纳米碳纤维

纳米碳纤维不仅具有石墨极优良的本征特性，如耐热、耐腐蚀、耐热冲击、传热和 武汉科技大学耐火材料新技术课程论文

导热性好、高温强度高等性能。由于过渡金属元素Co，Ni的微粒具有沉积碳的作用，郭巍将过渡金属元素引入Al2O3-C耐火材料中生长了纳米碳纤维，本文研究纳米碳纤维在Al2O3-C耐火材料中生长可能受哪些因素影响。因此，本文将酚醛树脂或沥青作为碳源，过渡金属盐作为催化剂引入到Al2O3-C 耐火材料中，用两种热处理温度采用催化裂解法原位反应生成碳纤维，分析碳纤维显微结构以及它在Al2O3-C 耐火材料中生长受哪些因素影响，并对催化生长机制进行探讨。4.1.2.1.1 实验部分

实验原料选择烧结板状刚玉、锆莫来石、高纯鳞片、石墨金属硅和碳化硅，以热固性酚醛树脂作结合剂，外加一定量的硝酸镍/硝酸钴，各种原料的理化指标如表1 所示：实验中所用热固性酚醛树脂固含量85%，残碳量45%；硝酸镍、硝酸钴为分析纯.按试样配方称量好原料，催化剂硝酸镍、硝酸钴与白刚玉粉混合后再通过干燥、球磨后得到复合粉体，按照一定的混合顺序将粗颗粒、石墨、酚醛树脂、细粉在混砂机中将物料混合均匀；干燥24h后，利用万能压力机在170kN的压力下压制成50mm×50mm的圆柱试样；将干燥好的试样装在匣钵在埋碳条件下进行1200和1400℃保温3h的热处理，利用Hitachi S-3400N扫描电镜和能谱仪对热处理后的试样显微形貌和成分进行分析。4.1.2.1.2 实验结果及分析

以液体酚醛树脂和沥青为碳源，分别以过渡金属盐(硝酸镍、硝酸钴)为催化剂，用两种温度制度(1200℃保温3h，1400℃保温3h)进行埋碳热处理，用化学沉积法制备纳米碳纤维。采用扫描电子显微镜对产物进行表征，探讨碳纳米纤维生长机理及考察制备工艺(热处理温度、催化剂种类、催化剂加入量)对碳纤维形貌、微观结构的影响。图1为分别以0.5%(质量百分比)的硝酸镍、硝酸钴(分析纯)为催化剂，以酚醛树脂为碳源，在1200，1400℃两种烧成制度下试样的显微形貌，来考察不同烧成制度、不同催化剂对催化裂解法原位合成碳纳米纤维的影响。从图1(1)(3)中可以看出，在1200℃时，硝酸钴、硝酸镍为催化剂都有碳纤维生长，图1(1)中在铝碳耐火材料基体缝隙中生长出管状碳纤维，图1(3)中在铝碳耐火材料基体表面生长出节状碳纤维.从图1(2)，(4)中可以看出，在1400℃时，催化剂基本被碳所包裹，失去活性，导致碳纳米纤维的生长受到抑制温度影响着化学反应的进行，根据Lindermann离子理论，单分子发生热反应所需要的能量只依靠。子本身提高能量是远远不够的，还通过分子与分子之间相互碰撞来提供能量；当温需要度升高，超过一定速度的粒子数目会随着温度的升高迅速增加，反应粒子的碰撞频繁发生，活化中间物的浓度升高，反应产物在催化剂上的脱附能力也随之增加，进而促进了基体碳沉积.图2 为不同碳源以硝酸镍、硝酸钴为催化剂1200℃热处理后试样的显微形貌。从图2(1)，(3)中可以看出，以酚醛树脂为碳源的试样中都有大量碳纤维生长，从图2(2)，(4)中可以看出，加入以沥青为碳源的试样中只有少量纳米碳纤维生长；图2(1)加入硝酸钴的铝碳耐火材料基体内生长出大量结节状碳纤维物质，这些纤维状物质呈丛状生长在铝碳耐火材料基体的缝隙，直径大约2μm，长度约几十μm。图2(3)武汉科技大学耐火材料新技术课程论文

加入硝酸镍的铝碳耐火材料基体内生长出大量管状碳纤维物质，直径约几百nm，长度约为几十μm。沥青和酚醛树脂的碳化过程是不一样的。沥青为液相碳化过程，受热时首先熔化，经过所谓“中间体”的“液晶体”变为固体，即这种“液晶体”或“各向异性”组织促进了碳的石墨化.酚醛树脂是热硬性树脂，其碳化过程为固相碳化，不像沥青那样形成各向异性的“结晶中间体”，故形成的碳难以石墨化，碳化产物通常是各向同性的无定型碳。铝碳质耐火材料用酚醛树脂作结合剂，加入量为3%～8%。酚醛树脂在加热到约200～800℃时发生分解，在生成固定碳的同时，放出CO2，CH4，CO，H2以及H2O等气体，由于碳化产物的不同，使得树脂碳和沥青碳的抗氧化能力存在明显的差别，在同样的热处理温度下得到的树脂碳氧化的开始温度和氧化峰值温度均较沥青碳低。1200℃用酚醛树脂作碳源先到达碳氧化开始温度，分解催化剂颗粒，从而生长出纳米结构的纤维。实验中试样的结合剂酚醛树脂在400～800℃分解出的CO，CH4，C2H2，CO2等气体，可以作为合成碳纳米结构的碳源，同时由于铝碳耐火材料试样是在1200℃下埋碳烧成，其烧成过程包含了合成碳纳米结构的温度区间(600～1200℃)，另外纳米结构碳所需的催化剂在铝碳耐火材料配料时加入，这些因素为纳米结构的碳提供了生长条件。酚醛树 武汉科技大学耐火材料新技术课程论文

脂为结合剂加热后提供碳源，根据前面观察Al2O3-C 耐火材料中纳米碳纤维的显微形貌观察到了烃类气体热解碳的三种聚集形态: 颗粒、片及纤维。Al2O3-C耐火材料中纳米碳纤维生长机理与气相生长碳纤维的生长机理相符合。气相生长碳纤维的生长机理可用表面扩散来定性说明纳米碳纤维的生长过程，认为烃分子先被吸附在金属的某个晶面上，在加热过程中分解出来碳原子，碳原子溶解到金属内部，再由吸附碳原子的一面扩散到另一面，并以碳纤维的形式在此面析出。假设该过程是一个化学平衡过程，纳米碳纤维就可以连续不断地生长，直到金属吸附烃原子的面被碳原子完全包裹住，此时烃分子停止分解。在这一机制中，金属-金属碳氢物质在催化剂颗粒表面扩散，析出碳纤维，中空管是由于催化剂颗粒和基体间的接触角而形成。

由上述机理可知，当碳纤维生长结束时，催化剂微粒以类球形存在于生成的每根纤维的顶端，因此所得碳纤维的顶端直径较下端大；同时由此机理可以得出，纳米碳纤维的生长与催化剂的加入量及粒度有关。当加入催化剂粒度过大或加入量过多时，催化分解后金属颗粒将发生团聚，造成催化剂失活，而不利于纳米碳纤维的生长，甚至使纤维无法生长。

从图1，2可以看出，不同催化剂加入铝碳耐火材料中纳米碳纤维的形貌有很大的不 武汉科技大学耐火材料新技术课程论文

同，硝酸镍和硝酸钴为碳源的耐火材料中都有纳米碳纤维/纳米碳管生成，硝酸钴为碳源生成的节状的碳纤维比较粗大，硝酸镍为碳源生成的纳米碳纤维比较细长且中空，推测生成的是纳米碳纤维。通过观察和分析碳纳米纤维的生成量、形貌和分布，镍盐的催化效果最好，钴盐其次，这是因为从C-Ni，C-Co 二元相图可以看出:在550℃时，碳在这二种金属中的溶解度分别为0.067%，0.009%。碳在金属中的溶解度越大，碳与金属之间的可润湿性就越好，即它们之间的界面作用力相对就越小，能在碳纤维表面平铺开来，在还原时就容易形成较小的颗粒。所以催化剂颗粒从大到小的顺序为: Co ＞ Ni.在一定范围内随着催化剂颗粒粒径增大，所制碳纳米纤维的直径也增大。在碳纤维表面能否长出纳米碳纤维/纳米碳管，这与催化剂的选择和反应温度有关。Co和Ni的催化作用都较好，能成功地长出纳米碳纤维/纳米碳管，但相比之下以Ni 为催化剂时，生长的纳米碳纤维/纳米碳管直径更细。4.1.2.1.3 结论

(1)在常规的制备工艺条件下，加入硝酸镍/硝酸钴催化剂，Al2O3-C耐火材料基体内都能生长出纳米碳纤维状物质，加入量为2.0% 生长纳米碳纤维量最大，以硝酸镍作催化剂长出的纳米碳纤维要比以硝酸钴作催化剂长出的纳米碳纤维直径更细。

(2)推测纳米碳纤维在Al2O3-C耐火材料中原位生长因素可能与烧成制度、催化剂种类和加入量，碳源有关。以酚醛树脂为碳源，Al2O3-C耐火材料试样中有大量的碳纤维生长；以沥青为碳源，Al2O3-C耐火材料中，只有少量碳纤维生长；加入硝酸钴和硝酸镍，Al2O3-C 耐火材料试样中都有纳米碳纤维生长，催化剂加入量为2.0% 时，碳纤维生成量比较大。同等条件下，1200℃热处理碳纤维生长效果好于1400℃热处理。

4.1.3 功能添加剂

为有针对性地改善连铸“三大件”产品的使用性能，常在配料中加入一定量的起改性作用的添加剂，如防氧化添加剂抑制或减缓石墨在使用过程中的氧化，低熔点、低膨胀系数添加剂缓冲热应力提高抗热冲击性等。目前所应用的功能耐火材料多数是碳结合的含碳耐火材料，防氧化问题是在产品组成设计时必须考虑的问题。添加防氧化剂和表面防氧化涂层是在生产连铸用含碳耐火材料时惯用的措施，常用的防氧化添加剂有金属铝粉、硅粉、碳化硅、碳化硼、Al-Si、从Mg合金粉等等。这些添加剂或者在热处理过程中生成非氧化物如SiC、Si3N4、SiAlON、AlN等增强材料，或者在使用过程中它们可先于石墨与氧反应，能将CO(g)还原成C，抑制制品中C的消耗速度；生成C和氧化物，提高耐火材料的致密度、形成保护层、促进石墨结晶、提高高温强度等。4.1.3.1 纳米添加剂

随着纳米技术的发展，纳米粉生产成本降低，分散技术提高，纳米粉应用范围扩大。德国研究人员在降低Al2O3-C耐火材料中碳(石墨)含量的同时添加纳米粉，以期改善Al2O3 －C耐火材料的抗热震性和高温抗折强度。试验的基础配比(w)为: 电熔刚玉(粒度≤0.2 武汉科技大学耐火材料新技术课程论文

mm)29.1%，板状刚玉粗颗粒(粒度≤0.6 mm)38.9%，天然石墨粉(粒度≤0.040 mm)10%，天然鳞片石墨颗粒(粒度＞0.071mm)10%，高纯单质Si粉(粒度≤0.150 mm)6%，热塑性酚醛树脂(液体和固体)6%，固化剂六亚甲基四胺(乌洛托品)0.6%(外加)。纳米添加剂分别为纳米尖晶石S10(粒径为(10±3)nm)、纳米板状刚玉粉AS(粒径为10～250 nm)和中国产碳纳米管TN(比表面积＞200 m2.g－1)，各自的添加量(外加，w)分别为0.0%、0.1%、0.3%，加入方式有单独添加和复合添加。所有原料在室温下混合(纳米粉在液体酚醛树脂加入后分步加入，以便被液体酚醛树脂尽可能地润湿)后，以100 MPa压力压制成25 mm×25 mm×150 mm 的试样，在180℃热处理后分别在1 000 和1400℃煅烧5h。检测烧后试样的显气孔率、体积密度、常温耐压强度、常温抗折强度、高温抗折强度(1400℃)、抗热震性(空冷法，以5次热震后的抗折强度保持率表征)，并进行XRD、SEM和EDS分析。结果表明:(1)添加S10、AS或TN均可以提高Al2O3 －C材料的常温强度、高温强度和抗热震性。其中，以加入S10 的试样的常温抗折强度、高温抗折强度和抗热震性最好；加入AS 的试样的强度较高，但抗热震性欠佳；加入TN 的试样的抗热震性最差。(2)复合添加TN 和AS 的试样的性能得到进一步改善，常温抗折强度和高温抗折强度都增大，抗热震性优异，5次热震后的抗折强度保持率高达99.2%；1000℃热处理后，该试样中出现了呈互锁网络结构的片状Al3CON 晶相，这是由纳米板状氧化铝与碳纳米管反应形成的，是连接碳和氧化铝的化学相，使材料具有优异的热态强度。(3)SEM分析显示，添加S10、AS 或TN 的试样在1000℃煅烧后均原位形成了Si－O晶须或纤维，其形态(长度、直径)以及晶相取决于纳米添加剂的种类。4.1.3.2 防氧化剂

防氧化涂料原料选择的关键在于所引入的助熔剂的种类和数量，因为加入不同的助熔剂后防氧化涂料的熔化温度、熔融状态下的粘度、挥发温度和线膨胀系数不同，其次是原料的组分要合适。防氧化涂料多选用碱性助熔剂和酸性助熔剂：碱性助熔剂选用Li2O、K2O、Na2O、MgO、CaO等；酸性助熔剂选用B2O3和SiO2。Li2O、K2O和Na2O是强助熔剂，在铝硅二元系中引入以上3种氧化物都可明显地降低出现液相的温度，适用于防氧化涂料，但缺点是这三种氧化物在高温下都易挥发。B2O3熔点为450度，在防氧化涂料中形成硼酸盐，可减少龟裂。SiO2是所有釉料的主要组分之一，如果油料中的SiO2含量过高，则会提高防氧化涂料的高温粘度，降低长石的助融能力，提高防氧化涂料液相的出现温度；如果其含量过少，则熔融防氧化涂料容易从坯体上流下或被坯体吸收。另外，由于二氧化硅的线膨胀系数比较低，所以在防氧化涂料中增加二氧化硅的含量，可降低防氧化涂料的线膨胀系数，使防氧化涂料与坯体的线膨胀系数相匹配，防止坯体在使用过程中开裂。

因此，研制满足连铸“三大件”使用的防氧化涂料，必须根据成釉氧化物的温度范围以及成釉氧化物的具体特点，合理的选用原料，使其中的组分发挥其优势，提高防氧化涂料的成釉温度范围。本试验中, 选择石英、硼熔块、钾长石和锂辉石为主要原料, 武汉科技大学耐火材料新技术课程论文

其化学组成见表1。

B2O3是以硼熔块的形式引入的, 因为硼熔块有以下优点:(1)硼熔块中不含结晶水, 在干燥和烧成过程中体积变化小,可减少防氧化涂料的收缩开裂现象；(2)硼熔块在700度左右就开始熔融软化, 在高温时防氧化涂层可以随着坯体的体积变化而变化；(3)硼熔块熔融温度范围广；(4)硼熔块能降低釉料的高温粘度, 使坯体在高温时产生的气体容易排出。4.1.3.2.1 实验过程

1.防氧化涂料的制备

将各原料分别磨成< 0.044mm的粉料,并加入能使防氧化涂料施工及烘干后有适当强度的结合剂(一种溶剂)。为使防氧化涂料在700～1350度均形成光亮的釉层,防止连铸三大件制品的氧化,经过多次试验,筛选出各原料的最佳加入量(质量分数): 石英40%, 硼熔块40%, 钾长石15%,锂辉石5%,外加色剂5%和结合剂50% ～70%。各原料按配比放入球磨机中,加入结合剂,料、球与结合剂的质量比为1 B 2 B(0.5～0.7),混磨2～5h出磨,出磨时料浆需过0.125mm筛子,并控制料浆密度在1.62 ～1.80g/cm-3之间。

2.防氧化涂料的施工

将制备好的料浆用两层刷涂的方式涂于连铸三大件产品的表面, 每层厚度一般控制在0.25～0.45 mm,釉层总厚度一般控制在0.6～1mm为最佳。因为随着防氧化涂层厚度的增大,防氧化涂层开裂等缺陷增多,而且防氧化涂层厚,生产成本也随之提高；但防氧化涂层太薄, 涂层的防氧化效果较差。施釉后的坯体首先放在60～70度的干燥房中烘干2～5h,然后在120度下烘干,烘干时间大于等于8h。烘干后的防氧化涂料要求和坯体结合强度高，不龟裂,不起泡,不脱落。

3.防氧化涂料的烧成

将烘干后的连铸三大件试样放在电炉中, 在氧化气氛下烧成,烧成条件分别为700度3h、1100度3h、1350度3h,烧成后的试样防氧化涂层外观光滑,没有棕眼、毛孔和滚釉等缺陷。切开后观察断面情况,发现试样在各温度点均没有发现有氧化现象。说明本涂料在高温氧化气氛下对连铸三大件产品有很好的保护效果。一般情况下, 烧后的防氧化涂层容易出现棕眼、毛孔和滚釉等缺陷, 这主要是防氧化涂料在干燥和烧成早期出现裂纹造成的,出现裂纹部位的防氧化涂层在高温时与坯体剥离, 造成愈合不完全, 形成棕眼和滚釉等缺陷。虽然连铸三大件产品的主要成分都为铝碳,但工作条件不同, 各自的添 武汉科技大学耐火材料新技术课程论文

加物也不同, 同一种防氧化涂料用在长水口上,使用效果较好, 但用在整体塞棒和浸入式口上效果可能会一般。通过试验发现,三大件产品中浸入式水口对防氧化涂料要求较苛刻, 所以把防氧化涂料的主要工作集中在浸入式水口上。在试验中也证实了连铸三大件发生氧化的温度多集中在550～700度和1100度以上的温度段。因为含碳耐火材料在550 e 时碳开始氧化, 而防氧化涂料在550度没有产生液相,或产生的液相量相对较少,不足以封闭含碳制品表面,所以为提高含碳耐火材料的使用寿命，如果烘烤条件允许,在550～700度温度区间应提高升温速度。另外,防氧化涂料在1100度以上烘烤及使用时,随着时间的延长,防氧化涂层变薄甚至被坯体吸收。这是因为涂料中的Na2O、K2O、Li2O 和B2O3挥发,如果其他组分不合适时,防氧化涂层容易变薄,最后消失，失去了对含碳耐火材料的保护作用。防氧化涂料的使用状态连铸三大件防氧化涂料一般有两种状态:一种是含碳制品防氧化涂层不经高温成釉直接去现场使用,制品在烘烤及使用时成釉,现多数生产含碳连铸三大件厂家普遍采用这种生产工艺；另一种是喷涂防氧化涂料的制品经高温窑快速烧成,防氧化涂层已形成釉层,这种防氧化涂料的使用效果较好,并且也避免了因涂料吸潮而影响了防氧化效果,但这种工艺增加了生产成本。

4.使用

选用钾长石、锂辉石、石英及硼熔块等为主要原料研制的防氧化涂料, 涂在浸入式水口表面,经烘干后, 涂层和水口外表面附着良好,涂层没有出现裂纹及鼓泡现象，强度较高。涂有试验涂料的浸入式水口在某钢厂试用。钢厂采用浸入式水口和中间包同时烘烤的方式,烘烤时间12h,烘烤最高温度1000度。浸入式水口的使用时间为12h，使用后的浸入式水口取碗口部向下150mm 处切开,发现水口外部有8mm左右的轻微氧化现象,其余为未氧化层。釉层颜色黑亮,没有裂纹产生,说明涂料和浸入式水口本体的线膨胀系数匹配,并且涂料自身愈合性较好。从使用结果可知,涂有本试验防氧化涂料的浸入式水口,氧化主要发生在低温烘烤阶段,就防氧化涂料的使用效果来看,已经满足了使用要求。

5.结语

(1)使用钾长石、锂辉石、石英及硼熔块为主要原料,可开发出性能优良的防氧化涂料。

(2)防氧化涂料对连铸三大件失去防氧化作用多发生在成釉前及部分氧化物挥发后。

(3)连铸三大件的组分不同, 对防氧化涂料的要求也不同。

4.1.4 结合剂

连铸“三大件”几乎无例外地采用酚醛树脂作为结合剂，连铸“三大件”的热处理实际上就是控制树脂碳化，形成碳结合，赋予制品有足够的使用强度。所用树脂的基本要求是性能稳定、残碳高、黏度合适。树脂的特点是碳化时会排放和分解出大量气体，对制品强度和气孔率都有较大或决定性影响，进而影响到了制品的使用性能，选择一种 武汉科技大学耐火材料新技术课程论文

合适的树脂是生产高质量产品的重要环节。树脂的加入量因材料的不同、石墨含量的不同而有所区别，一般在总量的6％～12％之间。

4.2 坯料制备

连铸“三大件”坯料质量是影响到后续工艺和最终产品性能好坏的非常关键的因素，是保证产品具有均匀一致组织结构和性能的前提条件。对坯料的要求是：合适的树脂加入量，各组分分布均匀，有造粒效果，流动性好，成型性好。坯料制备设备和工艺参数的选择对此有重要影响。常用混料设备为高速混练机，混料过程为按合理的加料顺序加入骨料、预混合粉料、石墨、树脂等，混练，兼具造粒作用。烘干设备可采用耐火材料常规干燥设备，也可采用流化干燥床，操作中要严格控制干燥温度和坯料的干燥程度，以保障有良好的成型性能和坯体强度，一般干燥温度不超过80℃。

4.3 成型

根据连铸“三大件”的外型细长、中间有流钢通道的结构特点和使用时高可靠性、高重现性的要求，生产中采用冷等静压应是当前最合适的成型方式，能保证细长中空结构的水口在整个长度方向上具有相同的品质。所用设备为冷等静压机，液体介质，橡胶模套，钢制模芯。较合适的工艺参数是压力取120~200 MPa，一定的升压、保压和卸压曲线。

4.4 热处理

热处理作用在于使树脂分解碳化，形成碳结合，赋予制品以合适的强度和性能。在热处理工艺中，为防止石墨氧化，控制热处理气氛为惰性或还原气氛，热处理制度的制定参照树脂在加热过程中的挥发分的排出和分解反应温度而制定，热处理温度常取900～1250℃，热处理设备多为梭式窑。

4.5 无损探伤

连铸“三大件”在使用上的不可重复性要求产品杜绝任何内部损伤，产品检测需采用无损探伤，所用仪器为X光探伤仪。

4.6 加工和表面涂层

等静压成型品的外型尺寸，特别是配合尺寸尚达不到要求精度，三大件产品局部或全部外型尺寸需进行加工。同时，为防止在现场烘烤和使用时免遭氧化，产品表面要涂以保护涂料。所配制的涂料在较低温度下(600～750℃)能熔化成釉，并能在产品表面良好铺展和能在较宽的温度范围内维持黏度无大的变化，起到保护石墨不氧化作用。

虽然连铸“三大件”在原材料选用，生产工艺，性能要求等方面有诸多相同之处，但由于使用位置不同，使用条件不同，所起的功能不完全相同，在最终产品的要求上有所不同，在材质，结构等方面还有各自的特点。武汉科技大学耐火材料新技术课程论文

4连铸“三大件”使用中的问题

铝碳质水口由于具有一系列的优点,但也存着下列问题: 碳可以增加耐火材料的抗热震性，并在一定程度上增加材料的耐腐蚀性，但是由于含有碳，使得耐火材料对氧化非常敏感，一旦材料中的碳被氧化,就会使强度降低，钢水就会轻易的穿过脱碳层，造成材料的侵蚀。因不耐侵蚀而导致在渣线部位形成缩颈现象甚至断裂；水口内壁容易被钢水脱氧产物Al2O3 等沉积而堵塞水口。并且由于新连铸技术的采用,浇钢温度高,拉速高,保护渣粘度较低,因而保护渣对浸入式水口的侵蚀加剧,Al2O3-C已不能满足这些种苛刻条件。为了解决上述问题,上个世纪80年代日本从材质开发出一种Al2O3C质复合材料。这是由于氧化锆具有优良的化学稳定性, 难以被以CaO中的ZrO2 增强了熔渣的粘度, 而未被溶解的氧化锆颗粒又增强了渣的表观粘度。从而降低了保护渣对氧化锆-石墨渣线层的侵蚀,提高了水口的耐侵蚀性。实践证明,优质铝锆碳质复合水口比铝碳质水口寿命提高近一倍,使用寿命可达到1200min。武汉钢铁学院和秦皇岛耐火材料厂合作,于1988年在国内首先试制成功了铝碳/锆碳复合式水口,最高浇铸炉数11 炉(通钢量789.4t),使用后的水口砖无剥落, 无裂纹, 复合式水口无异常现象,水口孔侧渣线处平均侵蚀速度0.720mm炉～0.95mm炉,水口内径侵蚀速度为0.125mm炉～0.166mm炉。目前, 我国石英质水口的使用寿命为4～5次,铝碳质水口的使用寿命为5～7次,铝碳一锆碳质复合水口的使用寿命为6～9次,明显优于前两种。例如青岛耐火厂生产的铝碳一锆碳质复合水口在宝钢大板坯连铸机上应用,其寿命为6～8次,连浇时间为330min～440min,通钢量750t～1200t,Al2O3附着不超过3mm～4mm。

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