连续铸钢车间设计(engineering design of continuous casting plant)

将钢水通过连续铸钢机浇铸成钢坯的车间设计。是炼钢厂设计的主要组成部分。连续铸钢(简称连铸)是使钢水不断通过水冷结晶器，凝成一定厚度坯壳，连续拉出，再经二次冷却，全凝后切成一定长度的连铸坯，供轧钢轧制成材的钢水成型工艺。连铸较传统的模铸具有金属收得率高(可提高8％～12％)、节约能源、铸坯组织致密、偏析小以及有利于实现机械化自动化等一系列优点，在世界范围迅速代替了模铸一开坯工艺。

连铸车间设计包括机型选择、工艺参数确定、工艺流程、设备选择、连铸机生产能力计算、车间组成和布置、公用设施和消耗指标等。

简史1887年德国人提出了连续铸钢机的设想，但直到第二次世界大战末期第一批半工业性试验机方才建成。1949年开始在立式连铸机上采用结晶器振动机械。20世纪50年代以后，连铸技术不断发展，1963年开始出现弧形连铸机，截至1993年，全世界正在操作中的连铸机有1571台，4861流，其中板坯连铸机403台，604流；大方坯连铸机455台，1683流；小方坯连铸机713台，2574流。绝大多数钢种都可以用连铸生产，1996年世界连铸比为76．4％。80年代末期以来，薄板坯连铸得到一定的发展，已成功地浇注50～80mm×650～1900mm薄板坯。

连铸工业化的初期阶段，铸机几乎都是立式的，随着铸坯断面的增大和拉坯速度的提高，铸机的高度也不断增加。为了减少设备费用，降低厂房高度，1961年出现了立弯式连铸机，它保持了立式连铸机在垂直方向进行浇注的特点，而在水平位置切割和出坯。以后又在立弯式连铸机的基础上演变成带液芯弯曲的直结晶器弧形连铸机。1963年瑞士研制了弧形结晶器的全弧形连铸机。弧形连铸机由于设备高度降低，重量减轻，投资相对较少，得到迅速发展，已成为主导机型。以后又发展了多点或连续弯曲和矫直的连铸机。水平连铸机在20世纪20年代已在有色金属领域达到了工业化生产水平，70年代以后，钢的水平连铸在一些关键技术上有所突破，亦成为一项成熟的技术。连铸机分类及特点见表1。

减小连铸板坯厚度，使其尽量接近成品尺寸，铸坯从连铸机出来送轧机直接轧制成材是连铸发展的一个努力目标。美国纽科公司克莱福兹维尔厂(Nucor Crawfordsville)采用西马克(siemag)技术的薄板坯连铸连轧机于1989年7月投产，向此目标迈进了一大步，该厂连铸机生产5．0mm×900～1350mm薄板坯，通过辊底式炉后直接进入一套五机架精轧机组，生产厚度为2．5mm以上的热轧带钢，产量为80万t／a。纽科公司希克曼厂(Hickman)同样型式的连铸连轧机组和意大利阿维蒂厂(Arvedi)年产50万t的热轧带钢厂采用德马克(Demag)技术的薄板坯连铸连轧机组，均于1992年投产。

中国采用连铸技术始于20世纪50年代。1959年和1960年，分别在重庆钢铁公司和唐山钢厂建成立式方坯连铸机，以后相继建成一批方坯和板坯连铸机。1974年在武汉钢铁公司建设了三台现代化板坯连铸机。进入80年代，中国连铸技术有了较大发展，建设了一批大型板坯、超低头板坯、合金钢方圆坯和小方坯连铸机。截至1996年投入生产的各类连铸机有299台，年产连铸坯5393万t，连铸比为53．2％。

 

机型选择概括说，机型影响铸坯质量的因素有两方面：(1)钢水静压力造成铸坯鼓肚而引起的内裂和偏析；(2)夹杂物在液相穴上浮分离后，在铸坯内部残存的大颗粒夹杂物。不同的机型，这两个因素的影响是不同的(图1)。铸机高度愈高，钢水静压力愈大，内裂和偏析的倾向愈大，但夹杂物上浮条件好。铸机高度愈低，因鼓肚引起的质量问题减少，但大型夹杂物残存量增多。在两个影响质量因素的综合评价中，弧形连铸机为较佳选择。由于钢水炉外精炼技术以及连铸中间罐冶金和钢流保护技术的发展，钢水在进入连铸机结晶器之前已充分纯净，弧形连铸机的夹杂问题已经不是突出的问题，因此弧形连铸机已成为主导机型，其台484数占连铸机总数的75％以上。

在选择机型时，要根据产品方案的要求，结合工厂的具体条件，综合分析，合理选择。一般来说，方坯、圆坯多选用弧形单点或多点矫直型连铸机，板坯多选用弧形或直结晶器弧形多点矫直型连铸机。

工艺参数确定主要包括铸坯断面、弧形半径、拉坯速度、设备冶金长度、铸机流数等。

铸坯断面主要取决于用坯的轧机种类和规格，同时要考虑连铸生产的合理和可能，要以连铸和轧钢都能得到合理的经济效益为前提，考虑轧材尺寸和保证质量的最小压缩比的要求。各钢种要求的最小压缩比为：低碳钢和低碳合金钢(C<0．25％)6：1中碳钢和中碳合金钢(C0．25％～0．5％)6：1高碳钢和高碳合金钢(C>0．5％)10～15：1滚珠轴承钢(圈柱)和不锈钢等高合金钢连铸机浇注的常见断面尺寸见表2。

弧形半径连铸机的基本参数。弧形半径按矫直时的铸坯表面允许的最大延伸率确定，一般按下列经验公式计算R=(30～40)D

式中R为弧形半径，mm；D为铸坯厚度，mm。

对质量要求高的钢种，弧形半径更大，可按下列经验公式计算

R=(40～50)D

采用多点或连续弯曲和矫直时，弧形半径可以适当减小。

拉坯速度连铸机生产能力的主要标志，它受钢种和断面尺寸的影响。在连铸机弧形半径和冶金长度确走后，拉坯速度又受到它们的限制，所选择的拉坯速度要保证结晶器出口坯壳的足够厚度和矫直时允许的两相区变形率。

设备的冶金长度即铸机长度，系指结晶器液面至最后一对夹持辊之间的实际长度。对于方坯连铸机可以延伸至剪切点。设备的冶金长度取决于铸坯的液芯长度，而液芯长度是指钢水从结晶器液面开始至全部凝固时的长度。液芯长度取决于浇注钢种，铸坯厚度和最大拉速，可按下式计算。

式中Lj使为液心长度，mm；D为铸坯厚度，mm；K为综合凝固系数，取决于钢种，一般K一25～30mm／min专；Vmax为最大拉速，mm／min。

设计的设备冶金长度取L=1．1L_液。方坯连铸机弧形半径确定后，铸机长度也就定了，弧形板坯连铸机还可以借增加水平段夹持辊数量来增加设备的冶金长度。

铸机流数一台连铸机同时浇铸的铸坯根数，主要取决于炼钢炉的容量、钢包允许浇注时间、铸坯断面和拉坯速度，并取决于铸机所需完成的产量以及与冶炼周期的配合等。常用流数为：方坯和圆坯1～8流板坯1～2流工艺流程常见的工艺流程见图2。

铸坯运至轧机的三种方式中，热送和直接轧制都需要高温无缺陷铸坯，因而在工艺和设备上要采取一系列措施，保证大部分铸坯不需精整清理，并具有足够的温度。某些质量要求高的不锈钢或弹簧、轴承等高碳钢需要缓冷或表面清理后送往轧机。

设备选择主要包括在线设备、特殊技术装备、更换备用件和离线设备。连铸机在线设备的重量，对于不同的机型、不同的产量和不同的装备水平，其差别较大，不包括操作平台和冷床以后的后步辊道和设备，一般小方坯连铸机在线设备的重量为80～150t／流，方坯连铸机为200～350t／流，大方坯连铸机为400～600t／流，中型板坯连铸机为800～1500t／流，大型板坯连铸机为1500～3000t／流。

在线设备包括钢包接受和支承设备、中间罐和中间罐车、中间罐烘烤装置、结晶器和结晶器振动装置、二冷导向和喷水装置、拉坯矫直机、剪切设备、引锭杆和引锭杆存放装置、推(拉)钢机、冷床以及液压、气动、润滑、电气设备和自动化仪表等。

常用的钢包接受和支承设备有钢包座架和钢包回转台。钢包座架是设在浇注平台上的悬臂支架，结构简单，造价低，可用在钢水接受与浇注同跨的厂房内，但这种结构换钢包速度慢，不利于连浇，也不够安全，因而只用在连浇炉数不多，产量较低的连铸机上。钢包回转台是一种比较理想的钢水接受装置，操作方便，换包迅速，可在同跨或过跨浇注，并可带钢包升降装置，便于实现钢流保护浇注，但造价相对高一些。

中间罐是钢水注入结晶器的中间容器，起着稳压、分流的作用。合理的中间罐设计还可使中间罐具有冶金的作用，可以均匀钢水温度和成分，并使脱氧产物和非金属夹杂物上浮分离，中间罐的容量、形状和钢水深度是中间罐的重要参数。中间罐应有足够的容量和钢水深度，使钢水在中间罐中有足够的停留时间，夹杂物能上浮，并保证在多炉连浇更换钢包时不致断流停浇。中间罐内衬为耐火砖或绝热板。钢流控制可用塞棒、滑动水口或定径水口。定径水口只用在小方坯连铸机上。486中间罐车要满足快速换罐的要求。采用保护浇注时，中间罐车应能升降，升降速度要大于1．2m／min，行程为400～600mm。中间罐车还设有横向微调装置，以便进行水口对中。

结晶器是连铸机的关键设备，方坯和圆坯采用管式或组合式结晶器，板坯采用组合式结晶器，可以调宽。高生产率的连铸机还要求在浇注过程中调整宽度。结晶器长度通常采用700～900mm，结晶器锥度一般为0．5％～0．9％，圆坯用结晶器为1％～1．2％。结晶器材质常用磷脱氧铜、含银铜等。为提高结晶器的使用寿命，其内壁应镀铬或镍。结晶器内的冷却水需有一定的流速，一般要大于6m／s，以保证冷却均匀。

结晶器振动装置可使结晶器上下往复运动，防止坯壳与结晶器壁粘结，而使结晶器拉裂或拉漏，并得到良好的坯壳表面，一般采用小振幅高频振动装置，振幅不大于4mm，频率大于150次／min。

小方坯连铸机的二冷导向段比较简单。为了防止铸坯鼓肚，板坯连铸机需要采用小直径、小辊间距的密排辊结构。采用中间带支承的分节辊，可以减小辊子直径、缩小辊间距、减少辊子变形。把导向段和拉矫机做成若干个扇形段的形式，便于更换、维修和对弧。

小方坯连铸机的拉矫机一般采用五辊气动或液压压下式，板坯采用多辊拉矫机，大方坯和圆坯采用单机架可整体更换的拉矫机。

铸坯的切割可采用剪机或火焰切割机。断面不大于200mm×200mm的方坯一般采用剪机，长定尺小方坯也可用火焰切割机。断面大于200mm×200mm的方坯、圆坯和板坯一般采用火焰切割机。剪机又有电动式和液压式之分。剪切力大于5000kN的剪机，一般采用液压式。

一般采用链式引锭杆，方坯连铸机也可采用刚性引锭杆。引锭杆的插入方式一般为下装，高生产率的板坯连铸机可采用上装。

辊道将铸坯迅速平稳地输送到冷床，辊道可以单独传动或成组传动。

冷床用于收集冷却铸坯，有推钢型、拉钢型和翻钢型。

连铸机的特殊技术装备主要有结晶器液面控制、电磁搅拌、钢流保护和中间罐钢水等离子加热技术。结晶器液面检测和自动控制是保证铸机正常操作、防止浇注事故、提高铸坯质量的重要技术，现代连铸机都装有液面自动控制装置。液面自动控制装置类型有放射型(Co60，Csl37)、激光型、红外线型、热电偶型和电磁涡流型等。小方坯、圆坯连铸机一般采用放射型，板坯连铸机可以任选，用得较多的是放射型和电磁涡流型。电磁搅拌是改善铸坯质量的手段之一，有结晶器电磁搅拌(M—EMS)、二冷段电磁搅拌(S—EMS)、凝固末端电磁搅拌(F—EMS)和设在结晶器以下，二冷区上部的中间电磁搅拌(I—EMS)，它们可以单独使用，也可组合使用。电磁搅拌的投资和生产费用较高，只用在浇注质量要求高的连铸机上。钢流保护是防止浇注过程中钢流和空气接触，产生二次氧化，改善铸坯质量的重要措施。钢包到中间罐的钢流保护，最常用的是长水口加惰性气体密封保护法，也有用高压保护箱的方式。中间罐到结晶器的钢流保护，一般采用浸入式水口和保护渣。当断面小于120mm×120mm时也可用惰性气体保护法。中间罐钢水等离子加热是用等离子稳定弧对钢水进行加热。钢水温度控制在目标温度的±5℃，可改善铸坯质量，提高拉速，稳定操作，但投资费用较高。

连铸机的更换备用件和离线设备更换备用件是提高铸机作业率的一项有效措施，包括结晶器、快速更换台(由结晶器、结晶器振动装置和扇形段0段组成)和扇形段等。连铸机作业线外还需配备各种对弧、存放台架进行线外维修和调整。此外还有备用的中间罐及其修砌、存放台架和各种吊具及座架。

连铸机生产能力计算连铸机产量可用下式计算。

式中Q为年产量，t／a；G为钢包平均钢水量，t；η₁为铸坯收得率，％；η₂为铸机作业率，％；一般为70％～80％；n为平均连浇炉数；T1为每个钢包浇注时间，min；T2为准备时间，min；365×24×60为年日历时间，min／a。

连铸机的生产能力与冶炼炉的容量、铸坯断面、拉速、连浇炉数、铸机作业率等因素有关，而作业率取决于设备的完好程度、与冶炼炉的配合以及操作管理水平等。每台连铸机的实际产量差别很大，1台两流板坯连铸机实际最高产量已达380万t／a(新日铁大分4号机)，该机浇注断面为280mm×1900mm，平均拉速为1．48m／min，由340t转炉供应钢水。一般，1台两流大板坯连铸机与大型转炉配合，设计产量为(150～200)万t／a；1台六流大方坯连铸机设计产量可达160万t／a；1台八流小方坯连铸机实际产量已超过60万t／a。

连铸机的台数视车间的生产能力以及需要的连铸机的产量而定，大型转炉全连铸车间一般配有2～4台连铸机，超高功率电炉车间常采用1座电炉、1座钢包炉和1台连铸机的配备方式，普通功率电弧炉冶炼周连liar1期长，可用2台或2台以上电炉配1台连铸机的方式。

车间组成和布置连铸车间由主厂房和辅助设施组成。连铸机在主厂房内的布置方式有横向布置和纵向布置。横向布置是连铸机中心线与厂房行列线垂直，这种布置可将不同的作业分散在不同的跨间，减少操作干扰，适用于有多台连铸机的车间。纵向布置是连铸机中心线与厂房行列线平行，这种布置适用于只有1～2台连铸机或在总图受到限制的情况。

典型的横向布置的连铸主厂房大体上由钢水接受跨、浇注跨、切割跨和出坯跨组成。产量低的车间，钢水接受和浇注也可在同跨进行。连铸机作业线上的中间罐和中间罐车、结晶器和结晶器振动装置、二冷导向和喷水装置以及拉矫机等，一般设在浇注跨，进行浇注操作。在切割跨内主要进行铸坯的切割分段，内设剪机或火焰切割机、引锭杆和引锭杆存放装置，切头输送装置等。出坯跨内进行铸坯精整和存放，内设出坯辊道、推(拉)钢机、冷床等。连铸机的电气室、液压站和操作控制室，一般设在主厂房靠连铸机的适当区域内。

纵向布置的连铸机设备基本上都布置在主厂房的主跨内，钢水接受可以布置在与主跨呈丁字形的另一跨内，亦可以布置在主跨内。

连铸车间的辅助设施，一部分设在主厂房内，一部分设在主厂房外的独立区域内。例如中间罐的拆、修、砌，结晶器铜管(板)的拆装、更换对弧，扇形段辊子调整，更换对弧等工作，一般都在装设有各种台架的主厂房内进行。有些工厂设有独立的结晶器维修间，内设常规车、刨床、仿形车床等。连铸水处理设施(包括循环泵站、沉淀池、过滤塔、冷却塔、加药装置、安全水塔和水质化验设施等)设在独立的区域。一些厂还设有连铸专用的空气压缩站和乙炔站。钢铁企业中，连铸主厂房一般靠近炼钢厂房设立，与炼钢厂房毗邻，有利于钢水的运送。为了实现连铸坯热送热装，一些大型企业将连铸主厂房设在轧钢厂附近，铸坯可以通过辊道直接送往轧钢加热炉或轧机进行直接轧制。

公用设施包括冷却水系统和其他能源供应设施。

冷却水系统连铸机分三个水冷系统，即结晶器冷却水系统、二冷水系统和设备冷却水系统。结晶器冷却水应采用软化水，防止水在结晶器器壁结垢，影响传热性能和冷却的均匀性。二冷水可采用工业净水，但水中悬浮物要求少于50mg／L，防止喷嘴堵塞。设备冷却水应采用硬度较低的工业净水，三个水冷系统都应循环使用。为保证连铸机正常操作，还需有一套完整的水处理设施，保质、保量和不间断地为连铸机供水。

其他能源供应设施连铸机的正常生产需要有不连间断的电力供应，一般要求两路供电，还需要有足够的煤气、乙炔、氧气、氩气、压缩空气等能源介质的供应。煤气主要用于烘烤中间罐，用作铸坯切割的焦炉煤气或乙炔和氧气应有专线供应。压缩空气是连铸机某些部件(如回转台的事故驱动和拉矫机的压下)的动力源，也是电动机械剪的气动自动离合器的气源和升降挡板的气源。单个部件用压缩空气量不大，但瞬时用气量大，且需恒定的压力。生产板坯、大方坯和合金钢钢坯时采用的气水雾化二冷系统，也需要较大量的压缩空气。氩气用于钢流保护和防止水口堵塞，用量很小。

消耗指标连铸车间每吨坯的主要消耗指标为：

钢水／kg1030～1060

耐火材料／kg4～7

保护渣／kg0．5～0．7

结晶器铜管(板)／kg0．05

氧气／m³2～5

氩气／m³0．05～0．2

压缩空气／m³3

采用气雾冷却时增加的压缩空气／m³50

烘烤用煤气／kJ0．1～0．2×10⁶

切割用煤气／kJ0．04～0．06×10⁶

电力／kW•h8～20

展望随着连铸技术的日臻完善，预计今后除了少量钢种和大型锻压件以及特厚钢板生产时的钢水需用模注法浇成钢锭外，绝大部分钢水都将采用连铸法浇成铸坯，连铸比将进一步提高。直接轧制是连铸发展的方向。随着炼钢、炉外精炼和连铸的发展，无缺陷高温铸坯的生产将成为现实，这是直接轧制的首要条件。连铸与轧钢的配合是直接轧制的一个关键，这就要求提高管理水平，完善计算机系统。薄板坯连铸连轧工艺可以节约建设投资、降低成本、节约能源、节约劳动力、简化工艺流程，是钢铁工业很有前途的一项重大革新。