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天津无缝钢管厂高质量圆坯高速连铸技术


天津钢管集团股份有限公司建设了圆坯专用连铸机,开发了不受钢种限制,且以高速铸造和铸坯无检验、无清理为前提的圆坯连铸工艺,在世界上建成了首条将无缝钢管轧机与圆坯铸机直接相连的生产线。
  天津钢管公司以下概要介绍难铸造钢种的连铸技术开发、利用高速连铸的高生产率技术、以及可直接向无缝管轧机输送无缺陷圆坯的连铸技术。
2圆坯连铸—无缝钢管轧机直接连接方式
  住友公司和歌山制铁所将炼钢车间、圆坯连铸机和无缝钢管轧机配置在一条直线上,实现了将炼钢—连铸—轧管直接连接、运转,从而将原来实施的火断面矩形坯连铸—初轧机开坯—无缝钢管轧制工程的生产周期由原来的60日缩短到20日即减少了2/3。在新工艺中以生产无缺陷铸坯为前提,故铸坯无需清理和检查。
  圆坯铸机的主要设备规格如下:铸机为6流弯曲(半径10.5m)型,最高铸速3.0m/min;结晶器尺寸有?191、225、310和360mm四种规格;大包容量210吨;中包容量50吨,采用等离火炬加热钢液,且是在热态下重复使用;另外,结晶器采用了油压振动和电磁搅拌技术。
  该铸机能浇铸无缝钢管材料所有的钢种,其结晶器之所以仅有四种尺寸,是因该公司开发了高交叉角扩管穿孔制管技术,故无需更多尺寸的圆坯即能生产所需尺寸的钢管。
  为了确保铸机的高生产率而将之设计为6流;且在?191和?225mm较小断面的圆坯浇铸中、进行了铸速2m/min以上的技术开发。
  为了降低耐材成本而采用了中包热态重复使用技术:即将浇完钢后的中饱吊至砂床上排除残余钢渣,不进行冷却而是直接进行手工清理、更换滑动水口和浸入式水口后投入使用,可浇钢400炉次以上。
  另外,为了改善圆坯的表面质量,结晶器采用了油压式振动装置,可按不同钢种特点设定振动行程的最佳值,从而可进行?360mm圆坯的1m/min低速铸造和?191mm圆坯的3m/min高速铸造;且在中包上设置了等离子加热装置,以调节稳定中包钢水温度并稳定连铸操作;还对结晶器内钢水进行电磁搅拌,以确保铸坯心部的等轴晶率。
3.圆坯连铸的技术课题
3.1初期凝固稳定化技术
  在结晶器内钢水的静压力作用下,与方坯和板坯的情况不同,圆坯的凝固壳向外侧的变形是困难的,即存在结晶器壁与坯壳接触不良的问题;且初始坯壳收缩时,易产生坯壳的纵弯变形,当结晶器壁与坯壳间的距离不均匀时,在圆周方向将产生大的不均匀间隙。此时,脱离结晶器壁的部分凝固壳薄且温度高,易产生裂纹(或断裂)而成为振痕。特别是在包晶领域,由于洹玶相变就在固相线下方处附近进行,故易产生大的纵弯变形。
3.2轴芯裂纹
  因连铸圆坯的最终凝固位置变成其中心位置的一点,故易生成缩孔,若因回温而产生拉应力,轴芯就易开裂,因而连铸圆坯难度大。对于其它的如板坯、方坯等,都可采用铸坯压下等措施改善其质量,而圆坯为保其正圆度,就无法进行压下处理,只有采用其它办法。
4.初期凝固技术的开发
4.1结晶器锥度的改善
  为了使浇铸中的凝固坯壳与结晶器壁接触良好、铸坯冷却均匀,须使结晶器与钢的凝固收缩一致。在浇铸方坯、板坯时,凝固壳的各个边向外侧凸面变形,故结晶器壁与坯壳接触良好;而浇铸圆坯因其坯壳无法向外侧膨胀而成稳定形状,故结晶器壁内径须与铸坯的凝固收缩一致,以确保二者接触良好,从而使操作顺利、并获得良好的铸坯质量。
  本开发采用了FEM(有限要素法)计算,估计考虑到了相变因素的铸坯凝固壳收缩量,并以次为依据而适当收缩了结晶器的内径。由于在线性锥度下,无论如何都会在凝固坯壳与结晶壁间产生空隙,从而使铸坯冷却不均匀;而在结晶器壁为多锥度条件下,在理论上与铸坯凝固壳的收缩是一致的。
  因此,在结晶器中的凝固坯壳难以向外侧变形的圆坯连铸中,为了实现结晶器壁与凝固坯壳的良好接触,采用与铸坯收缩量一致的结晶器多锥度技术是必要的。
4.2 结晶器保护渣的开发
  圆坯铸机须铸造含亚包晶钢的低碳~高碳的宽范围钢种;且对?191~225mm小断面圆铸须进行2~3m/min的高速铸造。这些都易在结晶器壁与圆坯壳之间形成空隙,故需要化学成分和物性值适宜的熔融保护渣流入空隙而对铸坯均匀冷却。
  并且,所进行的结晶器电磁搅拌虽提高了圆坯中心部的等轴晶率,但搅拌产生的离心力使弯月面变成钵状,熔融保护渣就会移向结晶器中心部位,使圆周壁处渣层减薄。通过实测熔渣层厚度与渣粘度间的关系查明:低粘度渣易偏聚中心部位;而高粘度渣因受旋转钢液的影响,也承受了离心力,故弯面上的熔渣层是均匀的。
  另一方面,因坯连铸易产生不均匀凝固,故结晶器保护渣须能缓冷铸坯,为此须防止枪晶石(cuspidine即3CaO·2SiO2·CaF2)的析出、并提高渣的碱度。然而高碱度渣会截断硅酸盐网络(silicate net work),减少了流动单位,不能防止其变为低碱度渣。故开发了低碱度(CaO/ SiO2=0.85)、高粘度(1300℃粘度为0.55Pa·S)保护渣,其主要成分Al2O3含量4.6%、MgO含量8.0%、F(氟)含量2.0%,其主要结晶组成是2CaO·MgO·2SiO2。
5.铸坯轴芯裂纹防止技术的开发
  研究表明,在圆坯凝固末端附近,利用水雾冷却可防止其产生轴芯裂纹。为了防止低碳和低碳含铬钢圆坯的周芯裂纹,进行了FCR即圆坯凝固末端冷却压缩过程的开发。
  以?263mm圆坯的条件进行了2元FEM解析,还进行了凝固温度分布计算、及冷却条件为12L/min的气雾喷射实验。结果查明,正是由于圆坯表面产生的冷却和收缩,使作用在其芯部(距轴心23.5mm处)的应力由原来(不采用FCR时)的拉应力变成了压应力,从而有效防止了圆坯轴芯裂纹的产生。
  实际生产?191mm低C、2.0%Cr钢圆坯的低倍组织对比表明:未进行FCR的低倍试样上观察到了明显的轴芯裂纹。
因此,对连铸圆坯进行FCR既能有效防止其产生轴芯裂纹。
6.结语
  天津大无缝钢管厂高质量圆坯高速连铸技术开发,其技术要点如下:
(1)利用与钢液凝固、变相收缩相适应的多锥度结晶器,确保了铸坯凝固壳与结晶器壁接触良好,进而可对铸坯进行均匀冷却。
(2)采用低碱度、高凝固点结晶器保护渣,可以实现熔渣的均匀流入及对铸坯的缓冷化,从而能高速连铸亚包晶钢、中碳钢,并获得高质量铸坯。
(3)利用FCR(凝固末端冷却)工艺可有效防止低碳钢、地碳含铬钢圆坯的轴芯裂纹,提高铸坯质量。
(4)上述高质量圆坯高速连铸技术的开发,使铸坯无须检查、清理而直送无缝钢管轧机,提高了效率并降低了生产成本。

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