CN1024119C - 连续模铸板坯的设备和工艺 - Google Patents

Abstract

本发明是一种新的连续模铸板坯设备和工艺，本发明的工艺是将炼好的钢水连续浇注到铸铁平模中，直接冷凝成定尺板坯；本发明的设备包括浇注系统、铸铁平模及其移动系统、钢水保护系统和检测控制系统。主要特征是采用摆动浇钢包，各系统由相应的装置组成，由操作人员通过控制系统调控其协调连续动作，实现了板坯连续模铸工艺。本发明的设备和工艺具有固定设备投资少、上马快、工艺简便、生产成本低、成材率高、产品质量好等优越性，具有非常高的经济效益。

Description

本发明涉及冶金铸造设备和工艺，更具体讲涉及板坯的连续铸造设备和工艺，再进一步讲是涉及连续模铸板坯设备和工艺。

板坯是生产钢板的原料，因而，板坯的生产对于钢板的生产起着决定性的作用。目前板坯的生产有以下两种工艺：

1.板坯连铸工艺：参见《连续铸钢原理》（1977年出版，上海人民出版社）。

其主要特征是将钢水不断通过水冷结晶器，凝成硬壳后，从结晶器下方出口连续拉出，经喷水二次冷却，待全部凝固后再按定尺切成板坯，其工艺流程为：钢水包-中间包（加保护渣）-水冷结晶器-二次冷却-拉坯-按定尺切割-板坯。

该板坯连铸工艺所需设备复杂，固定投资大（高达数千万元），而且对某些合金钢（如高合金钢）浇注困难，不适于合金钢厂和中小型企业使用。

2.常规模铸钢锭开坯工艺：

该工艺是将常规模铸的钢锭加热，开坯，切去帽口即得板坯。其工艺流程为：钢水包-铸铁方模-凝固-脱模-钢锭加热-开坯-切去帽口-裁成定尺-板坯。

该常规模铸钢锭开坯工艺需加热和开坯工序，能耗高，成本高（每吨板坯开坯费用达200-300元），尤其是成材率低，常规方锭开坯时，需切除10-15%的帽口部分。

由于目前生产上常见的上述两种工艺，或者不适合于合金钢厂和中小型企业使用，或者成材率低，经济效益低，因而都有严重的制约因素。

本发明的目的就是针对上述两种工艺的缺点，从而提出了一种新的连续模铸板坯工艺及其设备。

本发明连续模铸板坯工艺的提出结合了国内外模铸经验，运用金属凝固理论，采用适合我国具体情况的技术措施，设备投资少，上马快，技术易于掌握，产品质量好，成材率高，生产成本低，且可浇注不同钢种的合金钢。

本发明连续模铸板坯的方法是：将钢水包中的炼好的钢水注入本发明所采用的摆动浇钢包中，在保护气氛下，由摆动浇钢包直接注入铸铁平模中，钢水在铸铁平模中直接冷凝成定尺板坯，当一个铸铁平模浇完后，再连续地浇注下一个，直至钢水包中钢水浇注完，冷凝后脱模即得板坯，用于生产中厚板。

具体流程为：钢水包-摆动浇钢包-铸铁平模-连续浇注下一个铸铁平模-冷凝-脱模-板坯。

实现本发明工艺依赖于本发明的设备。本发明的设备包括四个系统：浇注系统、铸铁平模及其移动系统、钢水保护系统和检测控制系统。四个系统中各装置之间合理布置，相互配合，协调动作，实现连续模铸板坯工艺。

图1为本发明连续模铸板坯的设备的剖视图，图中1-后卷扬机，2-钢水液位检测仪，3-钢水包，4-摆动浇钢包，5-保护罩（带耐热保温层），6-铸成的板坯，7-充入保护气装置，8-封闭装置，9-铸铁平模，10-连动小车，11-前卷扬机。

图2为本发明的摆动浇钢包示意图，图2（a）为摆动浇钢包剖视图，图中12-帽口，13-摆动装置，14-包体，15-流钢槽，该流钢槽的出钢口较另一端宽阔，图中虚线示出了钢包主体摆动α角度后的位置，h为出钢口上升的距离;图2（b）和（c）为两种摆动浇钢包流钢槽示意图，（b）为梯形槽结构，其截面为长方形，（c）为弧形槽结构，其截面为弧形。

图3为本发明的铸铁平模示意图，（a）为整体式，（b）为复合式。

图4为本发明的保护罩的剖视图（沿图1的A-A方向），（a）为半封闭式，（b）为全封闭式。

结合附图详细说明本发明的连续模铸板坯设备。

本发明的连续模铸板坯设备包括以下四个系统：

-浇注系统：包括钢水包（3）和摆动浇钢包（4）。钢水包即为盛装已炼好的待浇注钢水的钢包，摆动浇钢包（4）为本发明设备的一个主要特征，由摆动浇钢包主体和摆动装置组成。

参照图2，摆动浇钢包主体包括帽口（12）、包体（14）和流钢槽（15），其中包体（14）的容积为0.025-0.1立方米;流钢槽（15）可为梯形槽或弧形槽结构[分别如图2（b）和（c）所示]， 或其它类似结构，本发明优选梯形槽结构，且其宽度与铸铁平模的宽度相适应，较佳的为铸铁平模宽度的1/3-1/2。

摆动浇钢包的摆动装置（14）的作用是使摆动浇钢包主体能连续摆动，以实现连续模铸板坯工艺，该摆动装置（14）可以是机械传动装置或液压传动装置，它使摆动浇钢包主体的摆动角度（α）为20-40°，与之相应，摆动浇钢包主体的流钢槽出钢口上下移动的距离（h）为300-500mm。

-铸铁平模及其移动系统：包括铸铁平模（9）、放置铸铁平模（9）的连动小车（10）以及牵引连动小车（10）移动的后卷扬机（1）和前卷扬机（11）。

本发明采用铸铁平模作为钢水的冷凝结晶器，其结构可为整体式或组合式[分别如图3（a）和（b）所示]，整体式是模框与底板为一整体，组合式是模框与底板分装，模框放置在底板上，本发明优选使用整体式，模框内壁的尺寸（长×宽×高）的范围是（1000-2300）×（400-1600）×（90-400）（单位：mm），该尺寸范围也即本发明工艺所生产的连续模铸板坯的尺寸范围。为了确保板坯具有合适的结晶组织，根据结晶凝固理论计算及实践总结得出铸铁平模的重量（包括模框与底板的重量）应为板坯重量的0.8-1.6倍。

连动小车（10）实际上是流动的一长列浇钢平台，用于放置铸铁平模（9），其结构为板焊与铸造相结合，本身高度一般为500-1000mm，其它尺寸参数与铸铁平模尺寸相适应。连动小车内前卷扬机（11）和后卷扬机（1）牵引作往复移动，其速度是可调的，前、后卷扬机可是直流卷扬机或其它类型的。

-钢水保护系统：在浇注过程中为了保证钢水不被二次氧化，以及保证板坯的凝固结晶组织的质量，本发明的设备中包括钢水保护系统，该系统包括保护罩（5）、充入保护气装置（7）以及封闭装置（8）。该保护罩（5）将摆动浇钢包（4）的包体（14）和流钢槽（15）部分、铸铁平模（9）（未浇注的、正在浇注的、浇毕冷凝的）覆盖，通过该保护罩由充入保护气装置（7）而向保护罩内充入保护气，使浇注和冷凝在保护气氛下进行，防止钢水二次氧化。

另外，在所述保护罩（5）的顶盖装有保温层，该保温层由耐热材料和保温棉复合而成，其作用是保证了铸铁平模中上表面的钢液最后凝固，钢液凝固时使热量只能通过铸铁平模的模框和底板而散掉，从而使钢液定向凝固结晶，并使杂质物充分上浮，以得到良好的结晶组织。

所述保护罩（5）一般为板焊结构，为了便于摆动浇钢包流钢槽的摆动，该保护罩在浇注位置的铸铁平模上方处凸起（参照图1）。保护罩可为半封闭式[如图4（a）所示]，或全封闭式[如图4（b）所示]，如果是半封闭的，则在保护罩的端部和侧部装有封闭装置，该封闭装置可使用耐温纤维棉软封闭、气封、活动门等。

所述的保护气体可用氮气、氩气或其它不使钢水氧化的气体。

-检测控制系统：包括钢水液位检测仪（2）和相应的闭环控制装置（图1中未示出），该钢水液位检测仪安装于保护罩（5）上，并位于浇注位置的铸铁平模上方，用于检测浇注时钢水液位的变化，闭环控制装置是根据钢水液位检测仪所发出的液位电信号并通过摆动浇钢包的摆动装置和牵引连动小车移动的前、后卷扬机而实现对连续模铸板坯工艺的闭环控制（下面详述其具体的控制过程）。

所述的钢水液位检测仪可采用射频液位检测仪（可在市场上购得），或其它任何一种具有此功能的非接触式液位检测仪。闭环控制装置的设置对于本技术领域内的普遍技术人员来讲是共知的。

上述的四个系统中的各装置之间合理布置、相互配合、协调动作，实现连续模铸板坯工艺。

下面结合附图详细说明本发明连续铸板坯的工艺过程。

浇注前要依据浇铸板坯的尺寸和重量而选定铸铁平模的尺寸和重量。

浇注时，前先将第一个铸铁平模移到保护罩（5）内的浇注位置，所述浇注位置为铸铁平模位于摆动浇钢包（4）流钢槽（15）出钢口下方，以及钢水液位检测仪（2）的下方。由闭环控制装置通过摆动装置将摆动浇钢包向下摆动，使其流钢槽出钢口与铸铁平模的底板接近，距离在20-50mm，然后由充入保护气装置向保护罩内充入保护气体，将位于摆动浇钢包帽口上方的钢水包 （3）出钢口打开，则钢水通过摆动浇钢包的帽口注入包体中，再通过流钢槽出钢口而注入铸铁平模中。浇注过程中，由钢水液位检测仪（2）来检测液位的变化，并通过闭环控制装置来控制摆动浇钢包的摆动装置，以调整其摆动角度，当钢水在铸铁平模中浇注到预定高度后，由液位检测仪和闭环控制装置将摆动浇钢包摆动至最大角度，使流钢槽出钢口抬至最高，越过铸铁平模边沿，并同时控制连动小车准时将该第一个浇注完的铸铁平模移开，将下一个铸铁平模移到该浇注位置，然后将摆动浇钢包迅速向下摆动，使其流钢槽的出钢口与该待浇注的铸铁平模的底板接近，随即进行该铸铁平模的浇注，如此往复，直到将钢水包中的钢水浇注完毕，浇注完的铸铁平模在保护罩内冷凝结晶，即依次移出保护罩的铸铁平模中的钢水已凝固结晶成板坯，至最后一个铸铁平模移出保护罩后，关闭保护气，将板坯从铸铁平模中脱出即得板坯。

本发明的连续模铸板坯工艺可连续模铸板坯的钢种为普通碳钢、优质碳钢、合金钢等。连续模铸板坯的尺寸（长×宽×高）范围为（1000-2300）×（400-1600）×（90-400）（单位：mm）。

由上述的结合附图对本发明的设备和工艺进行的详细说明可归纳出本发明的以下几个特点：

第一，本发明的设备中采用摆动浇钢包以及与之相配合的连动小车，从而在技术上解决了浇注过程的连续性问题，保证了钢水能连续注入若干铸铁平模中，冷凝成定尺板坯，即实现了连续模铸板坯工艺。

在浇注时使流钢槽的出钢口非常接近铸铁平模底板（仅20-500mm），这样使钢水浇注时落差小，无喷溅。另外，流钢槽采用出钢口较另一端宽阔的结构，使得钢水平稳地注入铸铁平模中，提高了板坯的质量，也延长了铸铁平模的使用寿命。

因为摆动浇钢包（4）的帽口和包体具有一定的容积，因此在浇注完第一个铸铁平模而将其移开时，不必堵塞钢水包（3）的出钢口，这实现了浇注过程的连续性。

第二，本发明采用铸铁平模作为钢水的冷凝结晶器，这确保了板坯，特别是合金钢板坯的性能和质量，铸铁平模重量的设计，依据了金属凝固热力学理论，经理论推算得出了能确保凝固结晶质量的铸铁平模重量与板坯重量之间的关系，即铸铁平模重量为板坯重量的0.8-1.6倍。

第三，本发明设计了浇注钢水保护罩，并在保护罩内充入保护气体，使钢水的浇注和凝固结晶都在保护罩内保护气氛下进行，防止了钢的二次氧化。另外，保护罩顶部装有保温层，这保证了上表面的钢液最后凝固，保证了凝固结晶组织基本上为定向凝固组织，使凝固后的体积收缩，全部集中在板坯的上表面，形成一个由周边向中心逐步下陷的凹面，经过理论计算及实验检测，该凹面最大深度约为10-15mm。还有，由于上表面钢液最后凝固，使钢液中的杂质物能免充发上浮，待凝固后，该杂质物也集中在上述凹面内，这在后续的加工工序中很容易被去除，这点对于本技术领域普通技术人员来讲是易见的，诸如在后续热加工时被氧化而烧损掉，或者通过打磨而去掉，等等。

第四，采用钢水液面测定仪与闭环自动控制装置，使整个工艺过程连续、协调进行，同时也保证了板坯的尺寸精度。

下面例举几个本发明设备和工艺的具体实施例，这些实施例仅是举例说明，并不限制本发明。

实施例1

生产用于轧制60mm左右厚钢板的坯料，钢种为20g钢（锅炉用钢）。

为了保证板坯轧成厚板时具有合适的压缩比，设定板坯厚度为350mm，同时为满足厚板的长和宽的要求，板坯尺寸定为1800×1600×350（长×宽×高，单位：mm），此尺寸即为铸铁平模模框内壁尺寸，由此尺寸可计算出板坯的重量为7.86吨，根据板坯的尺寸和重量，选定铸铁平模的重量为11吨，即铸铁平模的重量为板坯重量的1.45倍。

选定摆动浇钢包的包体尺寸为350×350×350（单位：mm），流钢槽采用梯形槽，出钢口的尺寸为30×700mm（高×宽），保护气体使用氮气，保护罩为半封闭式，封闭装置（8）采用耐温纤维棉软封闭，液位检测仪采用射频液位检测仪。

将电弧炉冶炼的约32吨20g钢水装入钢水包（3）中，吊装在本发明连续模铸板坯设备中的摆动浇钢包（4）的正上方，启动控制装置将连动小车上的第一个铸铁平模移到浇注位置，按照本发明的工艺进行连续模铸20g钢板坯，钢水包中的钢水 正好浇注4个板坯。

将连续模铸板坯取样进行质量检验，经化学分析，其成份（重量百分比）为：C0.24，Si0.22，Mn0.55，P0.010，S0.030，Fe余量。通过硫印检验和低倍组织（包括夹杂、皮下气泡、偏析）检验，得出这些指标完全符合有关国家标准。将用连续模铸板坯所轧制的板材进行质量检验，包括①机械性能：σS＝32kg/mm²，σb＝49kg/mm²，δ5＝28%，冲击值α＝7.4，冷弯性能良好;②金相检验：本质晶粒度4-5级，实际晶粒度5-7级，夹杂物（硫化物、氧化物、硅酸盐）级别符合有关国家规定;③超声波探伤，参照YB1150-71《压力容器用钢板超声波探伤》标准，实测结果：单项缺陷面积均小于25cm，在任-1m×1m探伤面积内存在的缺陷面积百分比均小于3，故评为1级探伤合格，合格率100%。

实施例2

生产用于轧制45mm左右厚的16Mn钢板的板坯。

板坯厚度为290mm，尺寸为1600×1400×290（单位：mm），约重5吨，选铸铁平模重量为8吨，为板坯重量的1.6倍。

摆动浇钢包尺寸为300×300×300（单位：mm），流钢槽采用梯形槽，出钢口的尺寸为30×600（单位：mm），保护气使用氩气，保护罩为半封闭式，封闭装置（8）采用氩气气封，液位检测仪同实施例1。

将30吨电弧炉冶炼的16Mn钢水装入钢水包（3）中，参照实施例1，按照本发明工艺进行连续模铸16Mn钢板坯，钢水包中的钢水浇注6块板坯。

将板坯取样进行检验，其化学成份（重量百分比）为C0.10，Si0.30，Mn1.34，P0.022，S0.027，Fe余量。经过同实施例1的硫印检验和低倍组织检验，全部合格。

将用连续模铸板坯所轧制的板材进行质量检验：①机械性能：σs＝32kg/mm²，σb＝54kg/mm²，δ5＝21%，冲击值α＝8.6，冷弯性能良好;②金相检验：本质晶粒度4-5级，实际晶粒度5-7级，夹杂物合格;③超声波探伤：1级探伤合格。

实施例3

生产用于轧制约20mm厚宽带（约400mm左右）的A3钢带的宽带坯。

为了提高生产效率，将宽带坯的宽度定为2×400mm，即2倍钢带的宽度，待轧制后再一剪为二。将宽带坯的厚度定为90mm，长度为1400mm，即该宽带坯的尺寸为1400×800×90（单位：mm），重量约为800公斤，选铸铁平模重量为1.2吨，为宽带坯的1.5倍。

摆动浇钢包尺寸为300×300×300（单位：mm），流钢槽采用梯形槽，出钢口尺寸为20×400（单位：mm），保护气使用氩气，保护罩为半封闭式，采用氩气气封，液位检测仪同实施例1，因为铸铁平模模框的高度降低，则需适当降低保护罩的高度。

将5吨电弧炉冶炼的A钢水装入钢水包（3）中，参照实施例1，按照本发明工艺进行连续模铸A钢宽带坯，钢水包中的钢水约浇注6块宽带坯。

将该宽带坯取样进检验，其化学成份（重量百分比）为C0.22，Si0.22，P0.007，S0.028，Fe余量。经过同实施例1的硫印检验和低倍组织检验，全部合格。

将用该宽带坯所轧制的宽钢带进行质量检验：①机械性能：σs＝32kg/mm²，σb＝49kg/mm²，δ5＝29%，冲击值α＝7.6，冷弯性能良好;②金相检验：本质晶粒度4-5级，实际晶粒度5-7级，夹杂物合格;③超声波探伤：1级探伤合格。

由本发明的详细说明和实施例可看出，本发明的设备和方法，在技术上是可行的，工艺易于掌握，生产的板坯质量好。本发明的设备和工艺与连续铸钢工艺相比，本发明不采用水冷结晶器，从而无需二次喷水冷却、拉坯和切割等工序及其相应设备，因而固定投资少，初步估算，生产能力相同的工艺设备，本发明所需的投资大约仅为连续铸钢的十分之一至二十分之一。本发明的工艺与常规铸锭开坯工艺相比，首先是工艺简化，省去了加热和开坯工序，从而降低了能耗，节约了开坯费用，以12万吨钢锭计算（相当于30吨×2电炉的年生产量），可降低成本2500-3000万元;其次是提高了成材率，常规方锭开坯工艺，需切除约10-15%的帽口部分，而本发明工艺，由于不存在帽 口，因而成材率相应提高10-15%，以年产10万吨钢计算，可增加效益1000万元以上。

最后需说明的，在不违背本发明的精神和原则条件下，对本发明的设备和工艺可进行多种变化，诸如摆动浇钢包具体尺寸的选择、流钢槽形状的变化、保护气体的选择、铸铁平模尺寸的选择、连动小车的设计、钢水液面检测仪的种类选择等等，但诸如此类的变化均在本发明的范围之内。

Claims (10)

1、一种连续模铸板坯的设备，其特征在于该设备由浇注系统、铸铁平模及其移动系统、钢水保护系统和检测控制系统组成，其中：

-浇注系统：包括钢水包和摆动浇钢包，摆动浇钢包由摆动浇钢包主体和摆动装置组成，摆动浇钢包的主体包括帽口、包体和流钢槽，钢水包位于摆动浇钢包帽口正上方；

-铸铁平模及其移动系统：包括铸铁平模、放置铸铁平模的连动小车，以及牵引连动小车移动的前卷扬机和后卷扬机，铸铁平模为钢水冷凝结晶器，连动小车为一长列活动浇钢平台；

-钢水保护系统：包括保护罩、充入保护气装置，以及封闭装置，该保护罩装有保温层，保护罩将摆动浇钢包的包体和流钢槽部分、铸铁平模(未浇注的、正在浇注的、浇毕冷凝的)覆盖，通过该保护罩由充入保护气装置向保护罩内充入保护气，使浇注和冷凝在保护气氛下进行，防止钢水的二次氧化；

-检测控制系统：包括钢水液位检测仪和相应的闭环控制装置。该钢水液位检测仪安装于保护罩上，并位于浇注位置的铸铁平模上方，用于检测浇注时钢水液位的变化，闭环控制装置是根据钢水液位检测仪所发出的液位电信号，并通过摆动浇钢包的摆动装置和牵引连动小车移动的前、后卷扬机而实现对连续模铸板坯工艺的闭环控制；

上述四个系统中的各装置之间合理布置，相互配合，协调动作，实现连续模铸板坯工艺。

2、根据权利要求1的设备，其中所述摆动浇钢包的包体容积为0.025-0.1立方米，流钢槽采用梯形槽或弧形槽，且其出钢口宽度为铸铁平模宽度的1/3-1/2，摆动浇钢包主体的摆动角度为20-40°，流钢槽出钢口上下移动的距离为300-500毫米。

3、根据权利要求1的设备，其中所述的摆动浇钢包的摆动装置可是机械传动装置，或液压传动装置。

4、根据权利要求1的设备，其中所述的铸铁平模可为整体式或组合式，模框内壁尺寸（长×宽×高）范围为（1000-2300）×（400-1600）×（90-400）（单位：mm），铸铁平模的重量为板坯重量的0.8-1.6倍。

5、根据权利要求1的设备，其中所述的保护罩为板焊结构，所述保温层由耐热材料和保温棉复合而成，所述的保护罩可为半封闭式或全封闭式，如是半封闭式，则在保护罩的端部和侧部装有封闭装置，该封闭装置可使用耐温纤维软封闭、气封、活动门等。

6、根据权利要求1的设备，其中所述的保护气体可用氮气、氩气或其它不使钢水氧化的气体。

7、根据权利要求1的设备，其中所述的钢水液位检测仪可采用射频液位检测仪，或其它任何一种具有此功能的非接触式液位检测仪。

8、一种利用权利要求1-8中任一种设备而进行连续模铸板坯工艺，其特征在于该工艺的步骤为首先将第一个铸铁平模移到浇注位置，由闭环控制装置通过摆动装置将摆动浇钢包向下摆动，使其流钢槽出钢口与铸铁平模的底板接近，距离在20-50mm，然后由充入保护气装置向保护罩内充入保护气体，将位于摆动浇钢包帽口上方的钢水包出钢口打开，则钢水通过摆动浇钢包的帽口注入包体中，再通过流钢槽出钢口而注入铸铁平模中。浇注过程中，由钢水液位检测仪来检测钢水液位的变化，并通过闭环控制装置来控制摆动浇钢包的摆动装置以调整其摆动角度。当钢水在铸铁平模中浇注到预定高度后，由液位检测仪和闭环控制装置将摆动浇钢包摆动至最大角度，使流钢槽出钢口抬至最高，越过铸铁平模边沿，并同时控制连动小车准时将该第一个浇注完的铸铁平模移开，再将下一个铸铁平模移到该浇注位置，然后将摆动浇钢包迅速向下摆动，使其流钢槽的出钢口与该待浇注的铸铁平模的底板接近，随即进行该铸铁平模的浇注，如此往复，直至将钢水包中的钢水浇注完毕，浇注完的铸铁平模在保护罩内冷凝结晶，即依次移出保护罩的铸铁平模中的钢水已凝固结晶成板坯，至最后一个铸铁平模移出保护罩后，关闭保护气，将板坯从铸铁平模中脱出即得板坯。

9、根据权利要求8的工艺，其中连续模铸板坯钢种可为普通碳钢、优质碳钢、合金钢等。

10、根据权利要求8的工艺，其中连续模铸板坯的尺寸（长×宽×高）范围为：（1000-2300）×（400-1600）×（90-400）（单位：mm）。

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