新一代连铸连轧过程与计算机模拟仿真（上）
2002-10-17 00:00 来源： 我的钢铁
高效连铸是20世纪90年代以来世界连铸技术完善与发展的一个主要方向。以薄板坯连铸、薄带坯连铸为代表的新一代近终形连铸是当代钢铁冶金发展中的一项重大高新技术。21世纪我国钢铁工业将面临更加激烈的国际竞争。“十五”期间我国钢铁工业科技进步主要方向包括：优化钢铁工业流程，节能降成本，提高经济效益，大力发展全连铸和高效连铸生产，推广采用连轧工艺和连铸坯热送热装技术等。以数值模拟为主要内容的计算材料科学逐渐在冶金工业得到应用。计算机模拟仿真在连铸工艺设计与过程控制中起着重要作用，并将在新一代连铸推广应用中扮演不可替代的角色。
1、连续铸造及钢铁冶金的地位与作用
公元前1000多年，钢铁冶金作为一门古老的技艺已经诞生。18世纪中叶，工业革命的兴起对钢铁有了巨大需求，但钢铁年产量始终未能突破1000万吨。19世纪中叶，英国平炉炼钢的问世代表着近代钢铁冶金的开始。20世纪初，传热学、流体力学、热力学、弹塑性力学、电磁学、金属学及凝固理论的成熟，为现代冶金工业的发展奠定了基础。1951-1974年，转炉淘汰平炉、连铸淘汰模铸，钢铁工业由此进入一个大发展的年代。
早在19世纪中叶，Bessemer提出连铸的设想，但直到在20世纪50年代由于传输理论与凝固理论有了突破性进展，才实现了钢坯连铸的工业化生产。其中，以计算传热学、计算流体力学为基础的计算材料科学及数值模拟方法在连铸凝固与传输规律的研究中发挥了关键性作用。连铸技术提高了钢铁冶金的生产效率和质量。连铸比已成为一个国家钢铁冶金技术水平的指标。
2、连铸技术的发展
目前，世界连铸生产发展的主要特点包括：（1）常规连铸生产已趋成熟；（2）高效连铸技术进一步发展；（3）近终形连铸连轧技术逐渐产业化；（4）连铸生产自动控制水平迅速提高等。
高效连铸是20世纪90年代以来世界连铸技术完善与发展的一个主要方向，国外曾简单地称为高速连铸技术。我国则把“以高质量为基础，高拉速为核心实现高连浇率、高作业率的系统优化技术”称为高效连铸技术。“九五”国家计委专门列题，重点攻关，很快取得了重大的突破。
国外新建铸机作业率均在80％-90％，有些铸机作业率已超过90％。国外大板坯连铸机的单流年产能力均超过100万吨，小方坯连铸机的单流年产能力6万-10万吨（我国一般为5万吨）。国外低碳板坯铸速普遍大于2m/min，最高可达3.0m/min；130mm×130mm和150mm×150mm低碳钢方坯最大铸速分别超过4m/min和3.5m/min。国外已经成功地开发了最大拉速达5m/min的高速板坯连铸机。川崎板坯连铸的连浇纪录是806炉，历时30天17小时，浇注板坯24万吨，总坯长度为17万米。
近终形连铸是当代钢铁冶金发展中的一项重大高新技术，分为：薄板坯连铸、薄带坯连铸、喷雾成型连铸三类。传统的热轧薄钢板的生产是将150-300mm厚的板坯热轧成薄板；薄板坯连铸连轧工艺是将钢水浇注成15-20mm板坯，均热后直接热轧成薄板；薄带坯连铸工艺则是取消
热轧工艺，钢水直接连铸成2-5mm厚的钢板；喷雾成型工艺则是利用喷雾沉积原理将雾化钢水沉积成型。这些技术与传统工艺相比，流程短、设备简单、建设投资省、能耗低、成材率高、生产成本显著降低。目前真正工业化的近终形连铸只有薄板坯连铸。钢的薄带双辊连铸研究最近十年取得突破性进展，该技术在日本、欧盟国家已进入工业实验阶段。
薄板坯连铸连轧短流程生产工艺将电炉炼钢或熔融还原――转炉炼钢与薄板坯连铸连轧机组相连接，是“钢铁工业重大的变革性技术”，其核心技术包括：保证生产无缺陷铸坯的薄板坯高速连铸技术，连铸坯热送及直接轧制技术，连续宽带钢精轧机组的自动化、高精度控制技术等。由于薄板坯连铸连轧技术体现出薄板坯生产的高度连续性，与传统热轧带钢生产工艺相比，工艺流程大大缩短，从钢水浇注到出热轧钢卷仅需0.5-1h；主体设备少而精，设备投资可省40％，据国外资料介绍，吨钢生产能力投资只需720美元。另外，由于薄板坯的冷却强度远大于传统的板坯，铸态组织晶粒细而均匀，同时微观偏析也得到较大的改善，从而产品质量好、性能稳定。
20世纪60年代，薄板坯连铸技术在有色金属工业中得到了应用，工业化的Hazelett式双带连铸机在试验浇铸薄钢板坯后在冶金行业受到关注。1973年的石油危机促进了日本和欧美加速开发薄板坯和带钢连铸技术。美国由政府提供资金研究了钢水直接生产钢板的可行性。美国国家钢公司――伯利恒钢公司、阿姆科钢公司――西屋电气公司等集团开始了进一步的研究开发。日本为了节约能源和采用高速凝固技术开发新材料，进行了薄板坯和带钢连铸工艺的开发。英国钢铁公司也利用欧州轧钢联基金进行该项目的研究。1986年，德国SMS公司开发了薄板坯连铸连轧CSP（ContractStripProduction）技术，1989年美国纽柯（NUCORL）公司率先使CSP紧凑式带钢生产工艺得到工业应用。目前世界上已投产或正在建立50多流包括CSP、ISP（InlineStripProduc－tion）、TSR（ThinSlabRolling）、ConRoll等9种薄、中厚板坯连铸连轧生产线，年生产能力约5000万吨。1999年，我国在邯钢、珠江钢厂及包头钢铁公司引进三条CSP生产线，并在兰州钢铁厂建立了第一台立弯式漏斗形CSP薄板坯连铸试验机。
连铸工艺发展的另一个重要标志是电磁控制冶金过程，改善凝固质量技术的开发和应用。电磁冶金在连铸的应用包括电磁搅拌、电磁制动等。
1、连续铸造及钢铁冶金的地位与作用
公元前1000多年，钢铁冶金作为一门古老的技艺已经诞生。18世纪中叶，工业革命的兴起对钢铁有了巨大需求，但钢铁年产量始终未能突破1000万吨。19世纪中叶，英国平炉炼钢的问世代表着近代钢铁冶金的开始。20世纪初，传热学、流体力学、热力学、弹塑性力学、电磁学、金属学及凝固理论的成熟，为现代冶金工业的发展奠定了基础。1951-1974年，转炉淘汰平炉、连铸淘汰模铸，钢铁工业由此进入一个大发展的年代。
早在19世纪中叶，Bessemer提出连铸的设想，但直到在20世纪50年代由于传输理论与凝固理论有了突破性进展，才实现了钢坯连铸的工业化生产。其中，以计算传热学、计算流体力学为基础的计算材料科学及数值模拟方法在连铸凝固与传输规律的研究中发挥了关键性作用。连铸技术提高了钢铁冶金的生产效率和质量。连铸比已成为一个国家钢铁冶金技术水平的指标。
2、连铸技术的发展
目前，世界连铸生产发展的主要特点包括：（1）常规连铸生产已趋成熟；（2）高效连铸技术进一步发展；（3）近终形连铸连轧技术逐渐产业化；（4）连铸生产自动控制水平迅速提高等。
高效连铸是20世纪90年代以来世界连铸技术完善与发展的一个主要方向，国外曾简单地称为高速连铸技术。我国则把“以高质量为基础，高拉速为核心实现高连浇率、高作业率的系统优化技术”称为高效连铸技术。“九五”国家计委专门列题，重点攻关，很快取得了重大的突破。
国外新建铸机作业率均在80％-90％，有些铸机作业率已超过90％。国外大板坯连铸机的单流年产能力均超过100万吨，小方坯连铸机的单流年产能力6万-10万吨（我国一般为5万吨）。国外低碳板坯铸速普遍大于2m/min，最高可达3.0m/min；130mm×130mm和150mm×150mm低碳钢方坯最大铸速分别超过4m/min和3.5m/min。国外已经成功地开发了最大拉速达5m/min的高速板坯连铸机。川崎板坯连铸的连浇纪录是806炉，历时30天17小时，浇注板坯24万吨，总坯长度为17万米。
近终形连铸是当代钢铁冶金发展中的一项重大高新技术，分为：薄板坯连铸、薄带坯连铸、喷雾成型连铸三类。传统的热轧薄钢板的生产是将150-300mm厚的板坯热轧成薄板；薄板坯连铸连轧工艺是将钢水浇注成15-20mm板坯，均热后直接热轧成薄板；薄带坯连铸工艺则是取消
热轧工艺，钢水直接连铸成2-5mm厚的钢板；喷雾成型工艺则是利用喷雾沉积原理将雾化钢水沉积成型。这些技术与传统工艺相比，流程短、设备简单、建设投资省、能耗低、成材率高、生产成本显著降低。目前真正工业化的近终形连铸只有薄板坯连铸。钢的薄带双辊连铸研究最近十年取得突破性进展，该技术在日本、欧盟国家已进入工业实验阶段。
薄板坯连铸连轧短流程生产工艺将电炉炼钢或熔融还原――转炉炼钢与薄板坯连铸连轧机组相连接，是“钢铁工业重大的变革性技术”，其核心技术包括：保证生产无缺陷铸坯的薄板坯高速连铸技术，连铸坯热送及直接轧制技术，连续宽带钢精轧机组的自动化、高精度控制技术等。由于薄板坯连铸连轧技术体现出薄板坯生产的高度连续性，与传统热轧带钢生产工艺相比，工艺流程大大缩短，从钢水浇注到出热轧钢卷仅需0.5-1h；主体设备少而精，设备投资可省40％，据国外资料介绍，吨钢生产能力投资只需720美元。另外，由于薄板坯的冷却强度远大于传统的板坯，铸态组织晶粒细而均匀，同时微观偏析也得到较大的改善，从而产品质量好、性能稳定。
20世纪60年代，薄板坯连铸技术在有色金属工业中得到了应用，工业化的Hazelett式双带连铸机在试验浇铸薄钢板坯后在冶金行业受到关注。1973年的石油危机促进了日本和欧美加速开发薄板坯和带钢连铸技术。美国由政府提供资金研究了钢水直接生产钢板的可行性。美国国家钢公司――伯利恒钢公司、阿姆科钢公司――西屋电气公司等集团开始了进一步的研究开发。日本为了节约能源和采用高速凝固技术开发新材料，进行了薄板坯和带钢连铸工艺的开发。英国钢铁公司也利用欧州轧钢联基金进行该项目的研究。1986年，德国SMS公司开发了薄板坯连铸连轧CSP（ContractStripProduction）技术，1989年美国纽柯（NUCORL）公司率先使CSP紧凑式带钢生产工艺得到工业应用。目前世界上已投产或正在建立50多流包括CSP、ISP（InlineStripProduc－tion）、TSR（ThinSlabRolling）、ConRoll等9种薄、中厚板坯连铸连轧生产线，年生产能力约5000万吨。1999年，我国在邯钢、珠江钢厂及包头钢铁公司引进三条CSP生产线，并在兰州钢铁厂建立了第一台立弯式漏斗形CSP薄板坯连铸试验机。
连铸工艺发展的另一个重要标志是电磁控制冶金过程，改善凝固质量技术的开发和应用。电磁冶金在连铸的应用包括电磁搅拌、电磁制动等。
