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連鑄技術(shù)發(fā)展歷程

連續(xù)鑄造（Continuous Casting）技術(shù)發(fā)展已經(jīng)有100多年的歷史。連鑄技術(shù)的出現(xiàn)是現(xiàn)代冶金技術(shù)的一次重大革命，連鑄取代模鑄，使大規(guī)模鋼鐵生產(chǎn)才有了可能性。

概括起來，連鑄技術(shù)的發(fā)展大致可分為以下五個階段：

1840年塞勒斯獲得了連續(xù)鑄鉛專利

1856年貝塞麥采用水冷旋轉(zhuǎn)雙輥連鑄機(jī)澆鑄出了金屬錫箔、鉛板和玻璃板，并獲專利

最早(1887年）提出與現(xiàn)代連鑄機(jī)相似的連鑄設(shè)備建議的是德國人戴倫，在其開發(fā)的設(shè)備中已包括了上下敞開的結(jié)晶器、液態(tài)金屬注入、二次冷卻段、引錠桿和鑄坯切割裝置等。

40年代開始連續(xù)鑄鋼的試驗(yàn)。1943年瓊.漢斯在德國建成了第一臺澆鑄鋼液的試驗(yàn)連鑄機(jī)。

瓊.漢斯試驗(yàn)連鑄機(jī)專利原理圖

當(dāng)時提出的振動水冷結(jié)晶器、浸入式水口、結(jié)晶器保護(hù)劑等技術(shù)觀點(diǎn)為現(xiàn)代連鑄機(jī)奠定了基礎(chǔ)。結(jié)晶器振動已成為連鑄機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)操作。

在這個時期，連鑄技術(shù)以驚人的速度向前發(fā)展，出現(xiàn)了5000多個有關(guān)連鑄的專利、技術(shù)，奠定了現(xiàn)代連鑄技術(shù)基礎(chǔ)。

代表性技術(shù)

50年代是連續(xù)鑄鋼取得突破性進(jìn)展10年。1950年世界第一臺工業(yè)生產(chǎn)用立式連鑄機(jī)在聯(lián)邦德國曼內(nèi)斯曼公司的胡立根廠投產(chǎn)。隨后，不同國家的15臺(40流)工業(yè)性鑄機(jī)相繼投產(chǎn)。中國于1954年開始連鑄試驗(yàn)，1957年上海鋼鐵公司中心試驗(yàn)室首先建成了一臺工業(yè)規(guī)模的立式試驗(yàn)機(jī)組。1958年北京鋼鐵學(xué)院徐寶隆教授設(shè)計的我國第一臺工業(yè)生產(chǎn)用的矩形坯連鑄機(jī)在重鋼三廠建成。

較有影響的連鑄新技術(shù)有：

1954年，Halliday將其“負(fù)滑脫原理”用于連鑄，真正解決了坯殼與結(jié)晶器壁相粘結(jié)的問題，同年還出現(xiàn)銅板組合結(jié)晶器以及鍍Cr的銅管結(jié)晶器；

1957年，γ射線傳感器用于自動控制結(jié)晶器液面；

1958年，意大利的一臺 8流方坯連鑄結(jié)晶器上第一次采用正弦波方式振動；

1959年，挪威的一臺方坯鑄機(jī)上第一次采用保護(hù)渣保護(hù)結(jié)晶器液面。50年代已試澆過不銹鋼、硅鋼、高速鋼鋼軌鋼、軸承鋼、工具鋼、沸騰鋼等鋼種以及小斷面圓鋼和H型鋼；

50年代以前的幾十年間，世界都在探索嘗試各種凝固形式的連鑄，如輥式，履帶式，到達(dá)50年代才確立了銅結(jié)晶器為凝固裝置的連鑄技術(shù)。確立了立式連鑄機(jī)，立彎式連鑄機(jī)的核心地位。

由于立式鑄機(jī)（包括立彎式鑄機(jī)）高度較高，廠房投資費(fèi)用較大，弧形連鑄機(jī)的出現(xiàn)解決了這個問題， 并大大促進(jìn)了現(xiàn)有鋼廠建設(shè)連鑄機(jī)。

1952年，最早提出弧形結(jié)晶器專利的是O.Schaaber，而后，1956年E.Sch.等以及1960年中國徐寶隆教授也都獨(dú)立地提出或設(shè)計了弧形結(jié)晶器連鑄機(jī)。

1963年, 由 O.Schaaber設(shè)計、聯(lián)邦德國曼內(nèi)斯曼公司制造的第一臺弧形結(jié)晶器方坯連鑄機(jī)在德國建成投產(chǎn)，接著瑞士、中國等3個國家的九臺（13流）方坯和板坯弧形結(jié)晶器鑄機(jī)相繼建成投產(chǎn)。但是，真正投入工業(yè)性三班連續(xù)生產(chǎn)的第一臺弧形鑄機(jī)是1964年由O.Schaaber設(shè)計的奧地利的一臺150mmx600mm的連鑄機(jī)，第二臺投入工業(yè)生產(chǎn)的是重鋼三廠180mmx1700mm的弧形板坯鑄機(jī)。

我國第一臺工業(yè)生產(chǎn)連鑄機(jī)

60年代開發(fā)的連鑄技術(shù)有：

1961年，鑄坯帶液芯彎曲技術(shù)用于寬板坯連鑄機(jī)；

1964年，德國在一臺鑄機(jī)上開發(fā)了直筒形浸入式水口加保護(hù)渣澆注的技術(shù)

其后，連鑄工作者又將美國在宇航中開發(fā)的熔融石英技術(shù)用于連鑄，從而制造了帶側(cè)孔的浸入式口，用其澆注寬板坯解決表面縱裂間題。

1967年，為進(jìn)一步降低鑄機(jī)高度，在德國建造了兩臺超低頭板坯連鑄機(jī)，在Uss/Gary廠一臺板坯連鑄機(jī)集中了中間包滑動水口、自動開澆和結(jié)晶器液面控制、帶液芯彎曲矯直。

此外，如液壓驅(qū)動的結(jié)晶器振動、液壓剪切機(jī)、中間包加熱等技術(shù)也得到開發(fā)，美國人奧爾森提出了漸進(jìn)彎曲矯直技術(shù)，德國曼內(nèi)斯曼公司采用浸入式水口澆鑄技術(shù)。還出現(xiàn)了全連鑄鋼廠以及工字梁用異形坯鑄機(jī)。

連鑄工序的能耗僅為模鑄一初軋工序的10%左右，因此，70年代的兩次全球性石油危機(jī)加速了連鑄的發(fā)展。

20世紀(jì)世界粗鋼產(chǎn)量的變化情況

這一時期出現(xiàn)的連鑄新技術(shù)有：結(jié)晶器液面自動控制、多孔浸入式水口、多段式結(jié)晶器、結(jié)晶器電磁攪拌、鑄坯自由導(dǎo)向、二次冷卻密排導(dǎo)輥及組合輥、帶液芯鑄坯輕壓下、中間包滑動水口、中間包塞棒吹氬、鋼包鋼流保護(hù)、中間包感應(yīng)加熱等。期間，日本利用真空處理以及電磁攪拌等技術(shù)生產(chǎn)準(zhǔn)沸騰鋼，從而為全連鑄創(chuàng)造了條件。

70年代也是我國連鑄加速發(fā)展的十年。

70年代世界和我國連鑄坯產(chǎn)量和連鑄比

到20世紀(jì)70年代末期，連鑄技術(shù)已經(jīng)趨于成熟，標(biāo)志是連鑄用于多數(shù)鋼種工業(yè)生產(chǎn)，可以取代模鑄。推廣連鑄，提高連鑄比是冶金工業(yè)的主流。以德國為例，連鑄比1980年為41.3%,1990年91.3%，1999年達(dá)96.3%,同期中國分別為6.2%,23.2%,77.6%。

常見鑄機(jī)結(jié)構(gòu)形式

80年代，由于立式連鑄機(jī)建設(shè)成本高，效率低，逐漸為弧型連鑄機(jī)(結(jié)晶器弧型)取代，并出現(xiàn)了超低頭和水平連鑄機(jī)。水頭低，建筑成本低，鋼水靜壓力小，鑄坯內(nèi)裂紋缺陷少，但其缺點(diǎn)是凝固不對稱。超低頭和水平連鑄機(jī)，包括弧型連鑄機(jī)不利于夾雜物去除。

隨著材料需求的增加和品質(zhì)要求的提高，特別是汽車板，深沖鋼、管線、船板等要求的提高，潔凈鋼的需求推動了連鑄機(jī)型的優(yōu)化。

以VAI為代表的直弧型連鑄機(jī)逐漸成為板坯連鑄的主流機(jī)型，超低頭和水平連鑄機(jī)陸續(xù)退出舞臺。

羅可普連鑄機(jī)型逐漸占據(jù)了小方坯連鑄機(jī)的陣地。過去的方坯連鑄機(jī)支撐復(fù)雜，采用柔性引錠裝置，設(shè)備維修和處理漏鋼難度大。羅可普連鑄機(jī)采用剛性引錠桿，出結(jié)晶器后支撐極其簡單，設(shè)備維修和處理漏鋼難度大大降低。

隨著連鑄比不斷上升，提高生產(chǎn)率、鑄機(jī)作業(yè)率、鑄坯質(zhì)量、拉坯速度和連澆爐數(shù)的需求不斷增加。擴(kuò)大澆鑄品種，不斷降低生產(chǎn)成本的步伐一直沒有停止。指標(biāo)的改善是以系統(tǒng)化技術(shù)為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)的，集中表現(xiàn)在如下幾方面：

（1）鋼液質(zhì)量保證技術(shù)，主要措施包括：

• 鋼液成分的精確控制；

• 連鑄鋼液組合化，功能化精煉，形成一定的精煉模式；

• 連鑄中間包的大型化，功能化；如：帶加熱功能的中間包，電磁流動控制中間包。

（2）中間包冶金相關(guān)技術(shù)，主要包括：

• 中間包鋼液湍流的控制；

• 中間包工作襯的自動噴涂；

• 紅中包的反復(fù)使用；

• 中間包水口自動更換；

• 鋼包長水口浸入開澆。

（3）結(jié)晶器技術(shù)，包括振動優(yōu)化技術(shù)

• 小振幅高頻率振動；
  

• 非正弦振動。

（4）二次冷卻技術(shù)，包括：

• 二次冷卻制度的優(yōu)化與自動控制技術(shù)；

• 二次冷卻段結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)（板坯二冷段小輥密排裝置的采用，方坯拉矯結(jié)構(gòu)優(yōu)化）

（5）其他相關(guān)技術(shù)措施包括：

• 高拉速保護(hù)渣的采用；

• 板坯電磁制動裝置的采用；

• 結(jié)晶器液面檢測與控制；

• 結(jié)晶器漏鋼預(yù)報；

• 帶液芯壓下技術(shù)的采用；

• 快速更換；

• 結(jié)晶器涂鍍層措施；

• 大包下渣檢測。

上述技術(shù)的開發(fā)，使得連鑄技術(shù)趨于完善化，同時也構(gòu)成當(dāng)今連鑄技術(shù)的基礎(chǔ)，連鑄機(jī)生產(chǎn)過程趨于穩(wěn)定，產(chǎn)品質(zhì)量得到了改善。

90年代，以薄板坯連鑄連軋技術(shù)為代表的近終型連鑄開始在生產(chǎn)中推廣和應(yīng)用。生產(chǎn)熱軋帶鋼新方法的研究也在進(jìn)行中。

 各種坯型的連鑄機(jī)

到2000年，全世界的連鑄比達(dá)到86%，超過90%的國家達(dá)40多個。進(jìn)入新世紀(jì)，材料科學(xué)的發(fā)展促進(jìn)了鋼鐵業(yè)的進(jìn)步，提高鋼材強(qiáng)度、韌性，抗疲勞，耐腐蝕等使用性能的提高對潔凈鋼生產(chǎn)、無缺陷鑄坯提出了更高的要求。傳感、檢測技術(shù)的提高和普及，計算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、智能化技術(shù)的高速發(fā)展使連鑄技術(shù)賦予了更大的活力。

連鑄技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步是相輔相成，對體現(xiàn)集成和綜合整體技術(shù)的要求愈發(fā)明顯。與連鑄相關(guān)的技術(shù)很多，坯型、鋼種、生產(chǎn)規(guī)模的不同體現(xiàn)在技術(shù)應(yīng)用的精細(xì)化、差異化。有些技術(shù)出現(xiàn)和基礎(chǔ)試驗(yàn)出現(xiàn)在多年前，但普及和全面商業(yè)化一般要經(jīng)歷大約10年甚至更長的時間。

動態(tài)二冷技術(shù)、動態(tài)輕壓下、液壓振動技術(shù)的發(fā)展充分體現(xiàn)了這一特點(diǎn)。

• 動態(tài)二冷技術(shù)

過去的二冷水量是通過手動調(diào)節(jié)閥的方式調(diào)整，是靜態(tài)的；改成可以動態(tài)調(diào)節(jié)的電控調(diào)節(jié)閥，水量隨工藝的變化實(shí)現(xiàn)動態(tài)控制——動態(tài)二冷技術(shù)。板坯動態(tài)二冷技術(shù)，根據(jù)鋼種、斷面、中包溫度、拉速等多個變量，融合了冶金專家的智慧和冶金準(zhǔn)則，制定不同的目標(biāo)溫度，實(shí)現(xiàn)精細(xì)化的控制。用于生產(chǎn)普通線棒材的小方坯連鑄機(jī)，建立拉速和水量對應(yīng)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)動態(tài)二冷控制，簡單，可靠。二冷影響水量的變量多少可根據(jù)需求的情況而改變。寬、厚板坯的出現(xiàn)又產(chǎn)生了三維動態(tài)配水，以解決邊部冷卻不均勻問題。

• 動態(tài)輕壓下技術(shù)

板坯動態(tài)輕壓下是生產(chǎn)中厚板的必備的裝備，從第一次生產(chǎn)應(yīng)用到普及為廣大用戶接受，經(jīng)歷了大約10年時間。這期間經(jīng)歷了不斷完善、優(yōu)化、參數(shù)積累的過程。隨著厚板和寬板坯、坯型大型化的出現(xiàn)，大、重壓下技術(shù)開始試驗(yàn)和應(yīng)用。

• 液壓振動技術(shù)

隨著液壓技術(shù)的普及和成本的降低，液壓振動逐漸在常規(guī)連鑄機(jī)上應(yīng)用，維護(hù)更簡單的電動缸開始在板坯上試驗(yàn)，陸續(xù)在方坯上普及應(yīng)用。大約2010年后，特別是2015年后，液壓（電動缸）振動幾乎成為了連鑄機(jī)的常規(guī)配置。

• 大型化

1. 2010年6月，奧鋼聯(lián)提供的首鋼400mm×2400mm單機(jī)單流直弧形特厚板坯連鑄機(jī)投產(chǎn)。2011年2月，奧鋼聯(lián)總負(fù)責(zé)并供貨的韓國浦項(xiàng)400mm×2200mm 特厚板坯連鑄機(jī)投產(chǎn)。
   

2. 2010年10月，由西門子奧鋼聯(lián)設(shè)計，寬度最大的厚板坯連鑄機(jī)，南京鋼鐵有限公司的1臺320mm×2800mm 單機(jī)單流直弧形板坯連鑄機(jī)投產(chǎn)，這是厚板坯連鑄機(jī)中澆鑄最寬的連鑄機(jī)。

3. 由奧鋼聯(lián)為韓國浦項(xiàng)公司（POSCO）建造，能夠澆鑄出全球最厚不銹鋼板坯的300mm×1650mm不銹鋼單流板坯連鑄機(jī)，于2013年7月投入運(yùn)行。

4. 神戶制鋼承接了澳大利亞BHP公司4機(jī)4流大方坯連鑄機(jī)訂貨，年產(chǎn)量200萬噸。連鑄機(jī)主半徑R15m，澆鑄最大斷面400mm×630mm，穩(wěn)定拉速0.8m/min。

5. 2015年10月，德國迪林根6號特厚板坯連鑄機(jī)投產(chǎn)。該立式連鑄機(jī)為雙機(jī)雙流，澆鑄板坯厚度300-500mm（預(yù)留600mm），板坯寬度2200mm，有二冷水邊部控制系統(tǒng)和動態(tài)輕壓下。300mm厚度板坯拉速0.6m/min，500mm厚度板坯拉速 0.22m/min，年產(chǎn)量120萬噸。

6. 從2006年以后，直徑Ф500mm以上的特大圓坯連鑄機(jī)發(fā)展迅速，在此之前大圓坯連鑄機(jī)多為全弧形多個矯直點(diǎn)逐漸矯直，圓弧半徑在R12m到R17m之間。每臺連鑄機(jī)流數(shù)為1-6流。大都澆鑄高碳鋼和合金鋼。

• 多樣化：

1. ESP做為真正意義的無頭軋制在日照應(yīng)用

2.  雙輥薄帶鑄機(jī)應(yīng)用取得新的突破。

3. 能生產(chǎn)板坯、方坯的連鑄機(jī)開始出現(xiàn)。

4. 二冷支撐簡單、類似方坯結(jié)構(gòu)的扁坯連鑄機(jī)（小板坯）開發(fā)應(yīng)用。

前三次工業(yè)革命源于機(jī)械化、電力和信息技術(shù)。現(xiàn)在，將物聯(lián)網(wǎng)和服務(wù)應(yīng)用到制造業(yè)正在引發(fā)第四次工業(yè)革命。將來，企業(yè)將建立全球網(wǎng)絡(luò)，把它們的機(jī)器、存儲系統(tǒng)和生產(chǎn)設(shè)施融入到虛擬網(wǎng)絡(luò)—實(shí)體物理系統(tǒng)（CPS）中。

現(xiàn)代化的連鑄機(jī)都配備了智能傳感器，實(shí)現(xiàn)全面工藝控制和質(zhì)量控制的模型，數(shù)據(jù)接入全流程的大數(shù)據(jù)庫。連鑄機(jī)接入工廠互聯(lián)網(wǎng)，成為鋼鐵流程—實(shí)體物理系統(tǒng)（CPS）的一個單元。

• 冶金模型模擬連鑄凝固過程，模擬生產(chǎn)過程，幫助制定工藝。

• 連鑄操作機(jī)器人出現(xiàn)在生產(chǎn)現(xiàn)場。

• 實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程在線專家診斷。提供全球遠(yuǎn)程在線專家服務(wù)，幫助用戶解決問題。

• 質(zhì)量專家系統(tǒng)

• 全生命周期的設(shè)備維護(hù)系統(tǒng)