双辊薄带连铸技术状况的调查分析

第45卷 第3期 2010年3月

钢铁

Vo l. 45, N o. 3M ar ch 2010

Iron and Steel

双辊薄带连铸技术状况的调查分析

张兴中, 廖 鹏, 王明林

(中国钢研科技集团有限公司先进钢铁流程及材料国家重点实验室, 北京100081)

摘 要:调查了双辊薄带铸轧生产线的运行状况。整理出其工业化应用所需要的基础数据, 如用于相关设计和决策的连浇时间、作业率等。给出了生产能力的算例。利用经典的传热凝固理论和经验对双辊连铸的关键参数进行界定, 导出了辊缝d (铸带厚度) 和辊径D 、液位h 和最大浇铸速度V cm 的关系。分析了铁辊和铜辊的差异。总结分析了双辊铸带宏观偏析有别于连铸坯的现象和机制。关键词:双辊连铸; 薄带钢; 凝固; 宏观偏析

中图分类号:T F 777 文献标志码:A 文章编号:0449-749X(2010) 03-0013-05

Investigation on Development of Twin Roll Cast Strip

ZH AN G Xing -zho ng , LIAO Peng, WANG M ing -lin

(T he Stat e K ey L abor ator y fo r A dv anced St eel Pr ocesses and P ro ducts, CISRI, Beijing 100081, China) Abstract:T he status o f twin r oll cast str ip product line was inv est igat ed and the basic data fo r its industr ialization was indicated, such as co nt inuo us casting time used for desig n and decision, operating r ate etc. T he ex ample fo r ca-l culating thro ug hput w as pr esented. T he key pa rameters for twin r oll cast str ip w ere defined acco rding to the class-i cal t heo ry of heat transfer and so lidification and deduced the relat ionship of r oll g ap, r oll diameter, liquid level and maxima l casting speed. D ifferent phenomena and mechanism o f macro -segr eg atio n bet ween tw in r oll cast st rip and traditio na l continuous casting slab were also summa rized.

Key words:t win r oll casting; strip; so lidif ication; macr o -segr egation

双辊薄带连铸是一项19世纪中叶发明的金属成形技术。自从20世纪80年代开始, 世界主要钢铁和设备制造企业投入了大量人力和资金开发钢的双辊薄带连铸技术, 主要的开发商有蒂森等组成的Euro strip 、BH P/纽柯钢等的Castr ip LLC 、新日铁/三菱/浦项、宝钢集团等。由于其工艺技术本身的困难和钢铁工业即有模式的技术经济性优越, 钢的双辊薄带连铸技术的真正商业化仍遥遥无期。尽管如此, 仍然有企业希望了解它的发展状况、基本参数和基础理论。本文正是通过实地考察交流和深入的研究, 得到的工程设计和决策需要的基础数据和算例。

供。新建1台钢包炉。其他的薄带连铸研究者把注意力都集中在不锈钢上。Castrip 的开发主要针对碳钢, 尽管它的原型试验机组是在做不锈钢方面的工作。Craw fo rdsville 的薄带线(Castrip) 在2002年投入运行。

纽柯钢厂正在阿肯色州Blytheville 建设其第2条Castrip 线, 其主要参数如表1所示。

设计生产能力是以从钢水到热卷收得率91%、浇铸时间率84%、连浇9炉、更换铸辊20m in 计算得来。Cr aw fordsville 的Castr ip 最高月产达到过3万t (2007年12月) ; 最高连浇24炉, 一般连浇3、4炉。收得率较低的原因是钢带有微微弯曲的/裙边0(见图1) , 每侧需切掉宽度约40mm 。

铸辊和轧辊都承担压轧。铸辊下带厚1. 6~118m m 。这一数值表明凝壳被压薄了相当厚度, 此问题在下文详细讨论。每浇铸8000t(大约45万m 长度的带坯) 铸辊需修磨1次, 每副铜套可修磨15次。一道热连轧的压下量为15%~50%。Castrip 的产品主要是低碳钢(质量分数, 0104%~0. 06%) , 大部分用户是建筑业; 带钢厚度111~116mm, 最薄0184mm 。可以用含铜较高(质

1 双辊连铸钢带的技术开发状况

1. 1 Nucor 的薄带钢连铸连轧线

在美国印第安纳州Craw fordsville 的纽柯钢厂因在20世纪90年代初期开拓薄板坯连铸工艺而赢得声誉。就在此处将建起第一套工业化薄带铸机(M C 铸机)

[1]

。Cr aw fordsville 的薄带线(Castrip)

利用M D 厂的一些关键机械部件并加以提高和改

进, 增加了新的设备。钢水由现有的电炉(110t) 提

:) , , 博士, 教授; :z han gxz@ri. com. :2009-05-04

#14#

表1 Castrip 线主要参数Table 1 Specification of C astrip plant

参数

作业线长/m 钢包运转炉容/t 结晶器类型浇铸速度/(m #m in -1) 中间包容量/t 产品厚度/m m 钢带宽度/m m 最大卷重/t 中间包注流控制分布水口形式轧制机架工作辊尺寸/m m 背辊尺寸/m m 轧制力/M N 主驱动功率/k W 冷却台

卷取机能力

卷取机芯轴直径/mm

设计年产量/万t

Craw fordsville 特性58. 68双臂回转台110

500mm 直径双辊正常80, 最大12018

0. 76~1. 80134525滑动水口过渡块单机架4辊液压AGC

10上下喷头, 240t 2台@40t 76254. 0

10上下喷头2台@32t 76267. 4单机架4辊带液压AGC

500mm 直径双辊正常80, 最大120180. 7~2. 0168025

Blytheville 特性49. 0

钢 铁第45卷

量分数为0. 5%) 的低品质废钢生产出适合产品。1. 2 Eurostrip

由蒂森克虏伯、于齐诺尔和奥钢联组织的Eurostr ip 工程有2台薄带铸机:一台在德国Krefeld 的克虏伯蒂森N ir osta 厂, 集中于不锈钢产品; 另一台在意大利Terni 的A ST 厂, 集中于碳钢和硅钢产品。

Krefeld 薄带铸机于1999年底建成, 2001年续建轧机并增加带宽。这条线铸机的生产能力为年产量40万t, 90t 钢包。钢液通过中间包进入连铸机, 通过2个铸辊进行凝固, 铸辊直径1500mm 。薄带通过夹送辊、卷取坑、轧机直至鼓形卷取机。典型的厚度尺寸是2. 3~3. 2mm , 带宽1100和1450mm, 铸造速度能达到35~70m/m in, 设计卷重30t 。Krefeld 厂集中在不锈钢研究的同时, Eurostrip 的另一条双辊薄带线在意大利的T erni 厂, 把碳钢的铸造作为研究重点。Terni 的薄带铸机使用60t 的钢包生产宽1130mm 的不锈钢带。曾试验过1350mm 宽的碳钢带。1. 3 新日铁/三菱

新日铁和三菱重工的双辊薄带连铸机, 钢包容量10t, 中间包容量1. 6t, 带宽800mm 和1330mm

,

图1 C astrip 的钢带Fig. 1 Strip of C astrip

铸辊直径1200mm; 浇铸速度20~130m /min 。铸机的自动控制系统包括浸入式水口位置控制、钢水液位控制、自动开浇、铸辊的间距、压力、线速度控制等。该线试制出宽1330mm 、厚1. 6mm 的304不锈钢带卷。

开发薄带钢铸轧的还有上海宝钢、浦项公司与戴维公司等, 浦项已转与新日铁合作。

池。其设计要求见文献[2]。理论上要求侧封板绝热, 钢不在其上凝固; 与辊端接触面润滑耐磨; 与钢水不浸润。在1500e 左右的高温下, 现实中没有什么材料接近此要求。一般材料的耐磨与绝热往往是矛盾的性能。侧封板与钢水的接触状态十分关键。侧封板上如果有钢凝结, 此凝结可能被拉下压平, 也可能粘住后再撕裂。在钢带边部见到的微微弯曲的/裙边0应与这里的状况相关。

双辊浇铸的基本特征是坯壳与结晶器壁(辊面) 的同步运动。正是这种同步运动避免了初生坯壳与(2 关键问题分析

2. 1 侧封问题

第3期张兴中等:双辊薄带连铸技术状况的调查分析

#15#

和漏钢) ; 也无需振动从而没有振痕。侧封板上形成的凝结恰恰不具备了这样的特征。此现象可能是限制双辊浇铸实用的技术瓶颈之一。

2. 2 铸辊材质与传热凝固

铸辊是薄带连铸机的关键部件。浇铸过程中铸辊一直处于强烈热交换状态。钢水的全部潜热或部分显热都由铸辊传出。铸辊的传热比例比一般板坯连铸中结晶器的传热比例大得多。铸辊与固定结晶器传热的另一个差别也很重要, 正常浇铸过程中固定结晶器铜板上的任一点温度基本处于稳定状态; 铸辊辊面任一点的温度一直在周期性变化。这对铸辊材料提出了较高的耐热疲劳性能。

Castr ip 特点是产品瞄准碳钢, 工艺装备的区别是铸辊较小(见表2) 。铸辊小引出的特点是侧封板较小, 消耗低; 熔池浅, 铸带薄, 铸速大, 控制难; 熔池浅小, 布流器空间紧张寿命短。

表2 3钢厂薄带连铸的对比

Table 2 Comparison of three strip companies

项目辊径/mm 带厚/mm

Eu rostrip, Krefeld 15001. 5~4. 5

Euros trip, Terni 15002. 5~3. 51130不锈钢, 碳钢

新日铁/三

Castrip,

人们经常习惯于用凝壳平面长大的平方根定律D =k 描述凝固过程, 其关键是确定凝固系数k 。下面用几个方法估计这种双辊浇铸时k 的大小。

首先, 用Castrip 提供的凝固时间t =0. 15s; 钢带厚度1. 6mm; 及凝固的平方根定律D =k 壳长大过程, 则凝固系数k 1=16m m/m in 0. 5。

其次, 由能量守恒原理, 单位宽度钢带与钢水的能量差等于对应时段铸辊带走的热量, 如钢带离开铸辊时平均温度为1350e , 浇铸钢水温度为1550e 。凝固潜热为251kJ/kg, 比热为0. 71kJ/(kg #e ) , 钢带的密度为7400kg/m , 辊工作弧长为l , 即:

[(1550-1350) @0. 71+251]@

7400@V c @d =p @(l @2) 1. 45@10@V c @d =p @l

厚度, m 。

根据Castrip 提供的关键参数, 薄带凝固的平均热流为14M W/m , 液位为200mm (对应的钢带弧长0. 232m) , 浇铸速度为80m/min(1. 333m/s) 。用上式估算的带厚应为1. 68mm 。由此推算凝固系数k 2=15. 6m m/m in 0. 5。

另外, 在凝固的平方根定律D =k 中, 理论上[3]凝固系数k =[

s sur 0. 5

]可以进行估

263

(1) (2)

式中:p 为辊面工作区平均热流, kW/m 2; d 为铸带

菱, H ikari Craw fords ville 12002~51330不锈钢

5001. 0~2. 01345, 1680

碳钢

坯宽/mm 1100, 1450钢种

不锈钢

算。设钢水凝固温度T s =1500e , 钢带的表面温度T sur =1200e , 带钢的导热系数K =30W/(m #e ) , 凝固潜热L =251kJ/kg , 带钢的密度Q =7400kg /m 3, 得到k =24mm/min 0. 5。

在以上估算的凝固系数中, k 1和k 2是Castrip 铸辊的实际状况, 其数值较小, 这反映了铸辊实际上对凝固壳进行了压轧使其有相当厚度的减薄。这个压轧一方面确保了凝固过程在辊缝之上完成, 另一方面或许对铸带的质量有好处。

用理论方法计算的凝固系数k =24mm/min

既表示凝壳长大过程, 也是铸带厚度方面的一个临界参数。固定式结晶器的凝固系数在20mm/min 0. 5左右。铸辊的凝固系数比固定式结晶器的大是很自然的, 因为这是由两方面的因素决定的, 一是铸带坯壳与辊面之间没有保护渣膜(与水平连铸结晶器相

0. 5

2. 3 双辊薄带连铸关键参数的关系及算例

双辊铸带凝固原理示意图见图2

。

D ) 辊径; h ) 液位(从双辊中心连线到液面) ; V c ) 浇铸速度(铸带拉出速度) ; d ) 铸带厚度。

图2 双辊铸带凝固原理示意图Fig. 2 Schem atic of solidification 似) 的隔热作用; 二是铸辊每一局部的传热都是非稳态(Tr ansient) , 比稳定态时导出的热流大。

下面按固定凝固系数的原理导出生产率、辊缝

#16#

钢 铁

2

第45卷

壳厚度D =k ; 坯壳从液面转到辊缝时, 凝固时间t =l/V c , 铸辊工作弧长l =

arcsin , 即t =#2D 2V c

V cm =arcsin (4)

D d

这是在一定的辊缝d (铸带厚度) 和辊径D 、液位h 条件下的最大浇铸速度。在同样条件下的最大生产率P m 正比于d @V cm , 所以,

P m =2Q W arcsin d D

正常生产率仍按照实际铸速、带厚计算。

2

ar csin ; 所以在辊缝处D =k (arcsin ) 0. 5。

D 2V c D

在实际生产中D 必须大于d /2。在临界状况下D =d /2, 此时V c 为最大极限浇铸速度V cm , 即,

d =2(arcsin ) 0. 5

2V cm D

(3)

(5)

几家钢厂双辊铸带参数对比的情况见表3。

表3 算例:几家钢厂双辊铸带参数对比(按铜辊k =24mm/min 0. 5) Table 3 Example:param eters of twin roll cast strip companies

项目Cas trip Eurostrip

新日铁宝钢集团

辊径/mm [***********]600

液位/mm [***********]

辊缝/mm 1. 62. 53. 02. 54. 02. 0

极限铸速/(m #min -1)

[**************]0

铸速/(m #min -1)

[1**********]0

生产率/(t #h -1#m -1)

[1**********]271

上述计算结果表明, 这种工艺的铜辊的冷却能力是相当大的, 现用的正常浇铸速度80m /min 距离极限浇铸速度较远, 铸带从辊缝出来时经历了大量的压薄。这表示铸辊间需要很大的夹紧力, 相当于轧制机架的轧制力; 也表示浇铸速度上仍有很大潜力; 还表示开浇的一些难度。

同样由于铜辊的冷却能力很强, 较小的辊径就可以完成钢带成形, 因此较小的辊径更适合浇铸出较薄的铸带。小辊径的问题在于熔池浅小难以控制, 布流器空间紧张。

铸带从辊缝出来时经历了大量的压薄, 也可以把铸辊当作一对轧辊。这就自然想到使用铁(钢) 质辊。反映瞬态冷却能力的是参数Q C K (材料密度、比热、导热系数的乘积) , 铜的Q C K 比钢大1个数量级以上, 由此可以推断出以下几点。

首先, 钢水在铁(钢) 质辊上的凝固慢得多, 凝固系数或许不到铜辊的一半。这给开浇操作、浇铸控制降低了难度。或者反过来说, 铜辊比铁辊要求操作和控制更加紧凑。

其次, 铁辊比铜辊的表面最高温度会高不少, 可以达到奥氏体化温度, 使铁辊面在强烈的热振动下不仅受到热应力, 还受到相变缩涨应力。这一点大大制约了铁辊的寿命。综合考虑, 笔者认为铜辊的实用前景更好。连铸结晶器几乎只用铜质也是佐再者, 由于钢水温度高于钢坯, 以及凝固潜热的释放, 铁质铸辊的热负荷远大于轧辊。铸辊对于板形、板厚的控制精度也有研究, 或许不必象轧辊那样严格。

2. 4 生产率估计

将计算转到生产率方面, 用Castr ip 的条件计算其年生产能力。炉容110t; 铸带宽1600m m, 厚1. 6m m; 浇铸速度80m /min; 每个浇次3炉, 浇次间需要30min(包括换辊) ; 每星期1次10h 维修, 每年2次4天中修。

浇铸通量:7. 4@1. 6@0. 0016@80@60=90. 9(t/h) 。

每浇次工作时间:110@3/90. 9+0. 5=4. 11(h) 。

其中每炉钢水需浇铸72min, 其温度稳定性可以保证。

每年检修时间:2@4@24+50@10=692(h) 。年日历以8760h 计, 除检修时间692h 外均为工作时间; 作业率92. 1%; 纯浇钢时间81%。

年浇钢量:(8760-692) /4. 11@330=70. 33(万t) 。

年产带钢:70. 34@91%=64(万t) 。

[4]

3 冶金质量问题

传统板坯、薄板坯和薄带坯连铸的特点对比见4

第3期张兴中等:双辊薄带连铸技术状况的调查分析表4 传统板坯、薄板坯和薄带坯连铸特点对比

Table 4 C omparison of traditional slab, thin slab and thin strip casting

项目

钢坯厚度/mm

220501. 6[0. 05

浇铸速度/(m #m in -1)

2

680103

结晶器平均热流/(M W #m -2)

1. 0

2. 514

全凝固时间/s

1070450. 15

凝壳平均冷速/(e #s -1)

12

501700105

#17#

作业线长度(回转台

至卷取) /m 500~800300~400

60

厚板坯薄板坯薄带坯非晶带

薄带坯浇铸时的突出特点, 一是冷却速度大, 二是大量的铸轧压薄。带坯的凝固组织、宏观偏析等都与此紧密相关。对奥氏体不锈钢铸带的凝固组织已有很多研究, 一般认为薄带凝固组织为2个柱状晶区夹一个等轴晶区或者全部为柱状晶组织。柱状晶和等轴晶都是以枝晶形态凝固长成的。有个别工作提到奥氏体不锈钢带表层有胞状晶, 但其证据很不充分, 同一工作中倒是表层与中心都是枝晶的结果很确实。枝晶形态生长反映了凝固的显微过程。柱状晶和等轴晶反映了半宏观尺度晶粒的形状, 也反映了宏观尺度凝固完成的顺序性。等轴晶区域被认为是/同时凝固0, 柱状晶区域被认为是/顺序凝固0。所以可以由带钢的凝固组织推断其凝固过程, 结合溶质迁移认识偏析规律。

铸带经过大量压轧作用后, 以表3中Castrip 为例, 铸带的压下量已超过60%。已有工作注意到压轧的作用但没有做在关键点上。铸带在两辊间时, 其厚度方向有巨大的温度梯度, 其表层和中心温度可以差几百度。内部高温晶体强度很低, 承受了几乎全部的压缩变形。表层低温部分则不太容易变形, 这是压轧变形的宏观分配。

在显微尺度上, 内部高温晶体为枝晶形态。枝晶间仍然存在着液体。枝晶体被压迫啮合或被压碎, 呈现出等轴晶形状。枝晶间液体的运动情况很复杂。在枝晶被压啮合时, 这些液体如果有通道流往大熔池(温度在零补缩点以上) , 则此液体被挤出。这相当于榨汁, 会产生铸带长度方向的宏观偏析, 但现在未见此类偏析结果报告。榨汁作用也可能产生铸带中心的负偏析现象, 但不大可能发生中心液体被挤到表面的情况。在零补缩点以下的枝晶体挤压, 其间的液体不能产生流动, 只能随着晶体变形, 宏观上表现不出液体性质, 对宏观偏析也无直接贡献。

现在报告的铸带宏观偏析, 有碳在厚度方向的/M 0形分布、磷硫的/V 0形分布等。除了机理[5-10]

的数据支持。杂质的这种偏析或许可以让有害元素

的允许限度放宽, 有助于铜、磷等元素含量较大的废钢原料的利用。

双辊不锈钢铸带的裂纹也时有发生备工艺不顺、操作不稳定的基础问题。

[11]

, 应是设

4 结论

1) 双辊薄带铸轧生产线的运行为其商业化提供了必要的基础数据, 可以据此进行相关设计和决策。

2) 可以利用经典的传热凝固理论和经验对双辊连铸的关键参数进行界定, 例如本文导出了辊缝d (铸带厚度) 和辊径D 、液位h 和最大浇铸速度V cm 的关系, V cm =arcsin 。

D d

3) 双辊铸带溶质在厚度方向的分布不同于一般连铸坯, 确切的分布结论还需要更大量精细的数据支持; 其形成机理上还应有更系统的认识。杂质的这种偏析或许对有害元素的允许限度及原料的选择上有可利用之处。

感谢孙宏文女士、F. M. Fisher 、W. Blejde 、方音、伍兵、张岩先生为完成本文提供的帮助。

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2

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)

#22#

钢 铁第45卷

径越小, 毛细孔越密, 水分子克服的毛细孔吸附力和煤炭颗粒的逸出阻力也就越大, 汽化所需的能量也越多, 恒温时间也就越长。

恒温平台之后, 细粉煤中的外在水分大部分已蒸发汽化逸出, 细粉煤中游离水分(主要是内在水分) 含量较少, 水分子吸收的微波能量逐渐减少, 细粉煤吸收微波能量的比例逐渐上升。当水分含量减少到一定程度时, 微波能量主要用于加热煤炭介质。此阶段试样温度缓慢上升, 上升速度并没有恒温平台之前的速度快。决定温度上升速度的因素主要有:微波辐射功率和试样质量。在同一前提条件下, 微波加热功率越大, 单位时间内煤炭介质吸收的微波能量越多, 温度上升越快; 试样质量越少, 温度上升所需的微波能量也就越少, 温度上升越快。

时出现100e 恒温平台; 微波辐射功率越小、试样质量越大、初始水分的含量越多, 恒温时间越长。第3阶段大部分水分已经去除, 微波开始加热细粉煤介质, 温度上升缓慢, 影响此阶段升温速度的因素主要是微波辐射功率和试样质量。

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4 结论

1) 在实验室条件下, 微波加热能够快速地将细粉煤除湿。微波加热功率对细粉煤除湿率的影响最

大。随着时间的延长, 试样的除湿率趋于一致, 除湿率受其他因素的影响较小。细粉煤粒径大小对除湿效果的影响不明显。

2) 微波加热细粉煤的升温过程可以分成3个阶段, 第1阶段试样中的水分子优先吸收微波能量, 使料温迅速上升。第2阶段料温升至水沸点100e , 水分吸热蒸发、汽化, 克服阻力逸出试样, 此

(上接第17页)

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