【文章內(nèi)容簡介】 術(shù)是一項把鋼水直接澆注成形的先進技術(shù)。與傳統(tǒng)方法相比，連鑄技術(shù)具有大幅提高金屬收得率和鑄坯質(zhì)量，節(jié)約能源等顯著優(yōu)勢。 連續(xù)鑄鋼的具體流程為：鋼水不斷地通過水冷結(jié)晶器，凝成硬殼后從結(jié)晶器下方出口連續(xù)拉出，經(jīng)噴水冷卻，全部凝固后切成坯料的鑄造工藝過程。 從上世紀(jì)八十年代，連鑄技術(shù)作為主導(dǎo)技術(shù)逐步完善，并在世界各地主要產(chǎn)鋼國得到大幅應(yīng)用，到了上世紀(jì)九十年 代初，世界各主要產(chǎn)鋼國已經(jīng)實現(xiàn)了 90％以上的連鑄比。中國則在改革開放后才真正開始了對國外連鑄技術(shù)的消化和移植；到九十年代初中國的連鑄比僅為 30％。 WAM 公司作為中國最早的一家民營專業(yè)化連鑄技術(shù)公司，從 1992 年成立起就致力于中國連鑄技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新，為推動國內(nèi)連鑄鋼鐵業(yè)的迅速發(fā)展，提高國內(nèi)連鑄比貢獻自己的一份力量。 鑄鐵水平連鑄課題為國家“七五”攻關(guān)項目，鑄鐵經(jīng)過水平連鑄方法生產(chǎn)的型材，無砂型鑄造經(jīng)常出現(xiàn)的夾渣、縮松等缺陷，其表面平整，鑄坯尺寸精度高 (土 L 0mm)無需表面粗加工，即可用于加工各種 零件。特別是鑄鐵型材組織致密，灰鑄鐵型材石墨細小強度高，球鐵型材石墨球細小園整，機械性能兼有高強度與高韌性結(jié)合的優(yōu)點。目前國際上鑄鐵型材已廣泛運用到制造液壓閥體，高耐壓零件，齒輪、軸、柱塞、印刷機輥軸及紡織機零部件。在汽車、內(nèi)燃機、液壓、機床、紡織、印刷、制冷等行業(yè)有廣泛用途。 新世紀(jì)以來，中國繼續(xù)保持快速發(fā)展連鑄的態(tài)勢， 2020 年連鑄坯產(chǎn)量達到 47430 萬 t，鋼鐵工業(yè)連鑄比已達 %。隨著板、帶、管材在鋼材消費XXX 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 (畢業(yè)論文 ) 2 結(jié)構(gòu)中的比例大幅上升，數(shù)量眾多的板坯、方坯、圓坯、異形坯及薄板坯連鑄機在新世紀(jì)投入生產(chǎn)。這一過程不僅促進了煉鋼生產(chǎn)設(shè)備的大型化，而且還促進了煉鐵生產(chǎn)設(shè)備的大型化；同時由于連鑄品種質(zhì)量的穩(wěn)定提高，高溫、無缺陷鑄坯技術(shù)的發(fā)展，使煉鋼與軋鋼工序通過連鑄坯熱送熱裝變得更為緊湊。在中國，連鑄的發(fā)展促進了鋼鐵生產(chǎn)流程的進一步優(yōu)化。可以說新世紀(jì)以來，連鑄技術(shù)不斷推動著中國鋼鐵工業(yè)的快速發(fā)展。 1990 年中國連鑄坯產(chǎn)量只有 1480 萬 t，鋼鐵工業(yè)連鑄比為 %。至2020 年，連鑄坯產(chǎn)量達到 萬 t，連鑄比達到 %。在此期間，小方坯連鑄發(fā) 展尤為迅速。 1988 年中國擁有小方坯的流數(shù)為 206 流，而至 2020年則增加到 624 流，增幅達 %，遠高于板坯連鑄機流數(shù)的增幅，這主要取決于我國以長材為主的鋼材消費結(jié)構(gòu)。 如果說上世紀(jì) 90 年代，中國連鑄發(fā)展以小方坯連鑄的強勁發(fā)展帶動全國連鑄產(chǎn)量、連鑄比及全連鑄鋼廠的迅速發(fā)展為重要特征，那么新世紀(jì)以來，中國連鑄發(fā)展又呈現(xiàn)出更新的特點和豐富的內(nèi)涵。首先是連鑄產(chǎn)量和連鑄比繼續(xù)保持快速增長的態(tài)勢；其次隨著板、帶、管鋼材消費的增長，板坯、方坯、圓坯、異形坯等多種連鑄機數(shù)量急劇增加。這期間尤其是薄板坯連鑄 連軋，無論生產(chǎn)規(guī)模還是相關(guān)技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)，均達到了世界水平；在推進高效化連鑄技術(shù)的同時，品種、質(zhì)量得到很大改善和提高。繼續(xù)遵循“開放引進與自主研發(fā)并重”的原則，自主設(shè)計、自主制造的國產(chǎn)連鑄機的比例越來越大。連鑄坯產(chǎn)量、連鑄比的快速增長新世紀(jì)以來，中國連鑄繼續(xù)保持快速增長的態(tài)勢。 2020~2020 年，中國粗鋼產(chǎn)量增加幅度為 %，而連鑄坯產(chǎn)量的增幅為 %，連鑄比在這期間繼續(xù)保持了高速增長的趨勢。至 2020年，中國鋼鐵工業(yè)連鑄比已達到 %?？梢哉f連鑄的快速增長仍然是推動鋼鐵工業(yè)發(fā)展的技術(shù)動力 。 新世紀(jì)中國連鑄發(fā)展的另一個重要特征是，連鑄機型改變了上世紀(jì)以發(fā)展小方坯機型為主的趨勢，而向多樣化發(fā)展，尤其是板坯、方坯、圓坯、異型坯、薄板坯等機型的數(shù)量增加遠遠超過小方坯連鑄機的增幅。 XXX 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 (畢業(yè)論文 ) 3 按連鑄機流數(shù)統(tǒng)計，板坯鑄機由 2020 年的 78 流增加到 2020 年 237 流，增幅達到 %；方坯鑄機由 378 流增加到 1323 流，增幅達 250%；圓坯鑄機由 40 流增加到 173 流，增幅達 %；異形坯鑄機由 3 流增加到 15 流，增幅達 400%；而小方坯流數(shù)的增幅為 %。這充分說明了，中國鋼材消費結(jié)構(gòu)發(fā)生了巨 大變化，即板、帶、管材的消費大幅增加，改變了上世紀(jì)以長材為主流的鋼材消費結(jié)構(gòu)。圖 6 示出了 2020 年中國鋼材產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，另外，1998 年尚未有一臺薄板坯連鑄機正式投產(chǎn)，但至 2020 年已有 13 條薄板坯連鑄連軋生產(chǎn)線投產(chǎn)，其中薄板坯連鑄機的流數(shù)為 28流，發(fā)展速度很快。 連鑄坯的噸數(shù)與總鑄坯 (錠 )的噸數(shù)之比叫做連鑄比，它是衡量一個國家或一個鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)發(fā)展水平的重要標(biāo)志之一，也是連鑄設(shè)備、工藝、管理以及和連鑄有關(guān)的各生產(chǎn)環(huán)節(jié)發(fā)展水平的綜合體現(xiàn)。 1970 年至 1980 年，世界平均連鑄比從 ％發(fā)展到 ％，中國的連 鑄比從 ％發(fā)展到 ％；至1990 年，世界和中國的連鑄比分別發(fā)展到 ％和 ％；到 2020 年，又分別發(fā)展到 ％和 ％。 2020 年，中國連鑄比達到 ％左右，估計世界平均連鑄比 2020 年接近 90％。從統(tǒng)計數(shù)字可以看出，中國的連鑄技術(shù)在近 10 多年內(nèi)得到了迅速發(fā)展。 世界上有許多連鑄技術(shù)實力較強的公司，如西馬克?德馬格、奧鋼聯(lián)、日本 JSP 公司、達涅利 (包括戴維 )公司等。以板坯連鑄機為例，西馬克?德馬格公司從 1962 年至 2020 年新設(shè)計和改造 板坯連鑄機共約 370 臺；奧鋼聯(lián)從 1959 年至 2020 年新建和改造板坯連鑄機共約 181 臺；日本 JSP 公司截止2020 年新建并改造板坯連鑄機共約 150 臺；達涅利的戴維公司也設(shè)計了 10多臺連鑄機。 2020 年末，世界上共有各類投產(chǎn)的板坯連鑄機約 550 臺 800 流(有一些是重復(fù)改造的，按估計值未計入 )。 截止到 2020 年底，中國共有 551 臺 (1749 流 )連鑄機，其中板、方坯連鑄機分別為 101 臺 (130 流 )、 429 臺 (1564 流 )，圓坯、異形坯連鑄機分別為20臺 (52 流 )、 1 臺 (3 流 )。這些統(tǒng)計中，絕大部分連鑄機 是立足于中國國內(nèi)設(shè)計制造的。 XXX 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 (畢業(yè)論文 ) 4 我國加入 WTO 后，人才、知識、科技與經(jīng)濟的全球化趨勢越來越清晰地展現(xiàn)出來。由于歷史及其他各方面原因，國外先進技術(shù)和管理方式顯然具有競爭優(yōu)勢。近幾年，我國經(jīng)濟發(fā)展較快，冶金企業(yè)投放的技改資金比較大，新上項目很多，連續(xù)鑄鋼項目也較多，但連鑄機設(shè)備和技術(shù)大部分還是靠引進。我國薄板坯連鑄連軋已經(jīng)引進了將近 10 條生產(chǎn)線；從 2020 年開始，我國先后全部引進或引進核心部位設(shè)備與技術(shù)的常規(guī)板坯連鑄機共有 24 臺 27流，還有繼續(xù)引進的趨勢；中薄板坯連鑄機、異型坯連鑄機全部引進；大方坯連鑄機 也有引進的傾向。其原因主要是我國連鑄技術(shù)與國外先進水平還存在一定差距。 圖為某連鑄機原振動系統(tǒng)，從整體上看傳動環(huán)節(jié)太多，從局部上看則結(jié)構(gòu)環(huán)節(jié)過多。動力由電機傳至外弧左偏心輪軸要經(jīng)過減速機、聯(lián)軸器、傳動軸等 7 個環(huán)節(jié)，僅聯(lián)軸器就用了 4 套。而運動傳至內(nèi)弧偏心則還要多一個環(huán)節(jié)。從局部看，為了實現(xiàn)振動機構(gòu)振幅可調(diào)，在機構(gòu)中增加了偏心套。從偏心軸至振動臺需經(jīng)過偏心軸、偏心套、軸承、連桿以及關(guān)節(jié)軸承等環(huán)節(jié)。由此可見，該振動裝置的振動系統(tǒng)環(huán)節(jié)太多。 振動系統(tǒng)環(huán)節(jié)過多造成振動不穩(wěn)定的原因可歸結(jié)如下 ： (1)環(huán)節(jié)過多使系統(tǒng)剛度降低，從而導(dǎo)致系統(tǒng)固有頻率降低。 XXX 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 (畢業(yè)論文 ) 5 (2)環(huán)節(jié)過多導(dǎo)致振動臺四點振幅及相位誤差增大。 (3)增加了系統(tǒng)存在間隙的機會。 所以我們在設(shè)計連鑄機振動系統(tǒng)時應(yīng)盡量避免以上問題的發(fā)生。 第二章 結(jié)晶器振動技術(shù) 最初 的連鑄機結(jié)晶器是靜止不動的，在拉坯的過程中坯殼很容易與結(jié)晶器內(nèi)壁產(chǎn)生粘結(jié)，從而出現(xiàn)坯殼“拉不動”或拉漏鋼水的事故發(fā)生。因此，靜止不動的結(jié)晶器限制了連鑄生產(chǎn)的工業(yè)化發(fā)展。直到 1933年現(xiàn)代連鑄的奠基人一德國的西格弗里德容漢斯開發(fā)了結(jié)晶器振動裝置，并成功地將它應(yīng)用于有色金屬黃銅的連鑄。 1949年 S容漢斯的合伙人美國的艾爾文羅西 (Irving Rossi )獲得了容漢斯結(jié)晶器振動技術(shù)專利的使用權(quán)，并首次在美國約阿勒德隆鋼公司廠的一臺方坯連鑄試驗機上采用了振動結(jié)晶器。與此同時，容漢斯振動結(jié)晶器又被 西德曼內(nèi)斯 (Mannesmann)公司胡金根廠的一臺連續(xù)鑄鋼試驗連鑄機上成功應(yīng)用結(jié)晶器振動技術(shù)在這兩臺連鑄機上的成功應(yīng)用，為結(jié)晶器振動技術(shù)的廣泛應(yīng)用打下了堅實的基礎(chǔ)。 XXX 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 (畢業(yè)論文 ) 6 連鑄機結(jié)晶器振動簡介 在連鑄技術(shù)的發(fā)展過程中，只有采用了結(jié)晶器振動裝置后，連鑄才能成功。結(jié)晶器振動的目的是防止拉坯坯殼與結(jié)晶器粘結(jié)，同時獲得良好的鑄坯表面，因而結(jié)晶器向上運動時，減少新生的坯殼與銅壁產(chǎn)生粘結(jié)，以防止坯殼受到較大的應(yīng)力，使鑄坯表面出現(xiàn)裂紋 。而當(dāng)結(jié)晶器向下運動時，借助摩擦，在坯殼上施加一定的壓力，愈合結(jié)晶器上升時拉出的裂痕，這就要求向下的運動速度大于拉坯速度，形成負滑脫。 機械振動的振動裝置由直流電動機驅(qū)動，通過萬向聯(lián)軸器，分兩端傳動兩個蝸輪減速機，其中一端裝有可調(diào)節(jié)軸套，蝸輪減速機后面再通過萬向聯(lián)軸器，連接兩個滾動軸承支持的偏心軸，在每個偏心輪處裝有帶滾動軸承的曲柄，并通過帶橡膠軸承的振動連桿支撐振動臺，產(chǎn)生振動。 在新型連鑄生產(chǎn)工藝中，采用帶有數(shù)字波形發(fā)生器的結(jié)晶器電液伺服振動控制是保證連鑄生產(chǎn)質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)之一。國外的應(yīng)用情況表明，采用連鑄結(jié)晶器非正弦伺服振動，能夠有效地減少鑄坯與結(jié)晶器間的摩擦力， 從而防止坯殼與結(jié)晶器粘結(jié)而被拉裂，減小鑄坯振痕，提高鑄坯質(zhì)量川一〔 9l。帶有數(shù)字波形發(fā)生器的結(jié)晶器電液伺服振動控制裝置和傳統(tǒng)的結(jié)晶器振動裝置相比，可以方便地實現(xiàn)多種波形振動、實現(xiàn)連鑄過程監(jiān)督和實時顯示振動波形，并能在線修改非振動方式及振動頻率和幅值等參數(shù)，實現(xiàn)控制過程的平穩(wěn)過度。 結(jié)晶器振動技術(shù)的發(fā)展過程來看，結(jié)晶器振動技術(shù)先后經(jīng)歷了矩形速度規(guī)律、梯形速度規(guī)律值到目前應(yīng)用最廣泛的正弦振動規(guī)律以及近幾年更為先進的非正弦振動規(guī)律。 結(jié)晶器振動速度隨時間的變化規(guī)律即為結(jié)晶器振動 規(guī)律，結(jié)晶器振動規(guī)律是結(jié)晶器振動技術(shù)中最基本的內(nèi)容。因為從結(jié)晶器振動技術(shù)發(fā)展的歷史過程來看，每當(dāng)結(jié)晶器采用了一種新的振動規(guī)律時，新的振動規(guī)律都較過去的振動規(guī)律更為合理，而且都對鑄坯的連續(xù)澆注、鑄坯的表面質(zhì)量及拉坯速度的提高產(chǎn)生了重大的影響。 (1)矩形速度規(guī)律 從結(jié)晶器振動技術(shù)發(fā)展歷史來看，矩形速度規(guī)律是最早出現(xiàn)的一種結(jié)晶器振動方式，如圖 21中的曲線 1所示即為它速度變化規(guī)律 [3]。矩形速度規(guī)律的主要特點是 :結(jié)晶器在XXX 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 (畢業(yè)論文 ) 7 向下振動時與拉坯速度相同，即結(jié)晶器與鑄坯做同步運動，然后結(jié)晶器又以 3倍的拉坯速度向上運動。其表達式如下： svf c43? 式中： f — 結(jié)晶器振動頻率 cpm S— 振幅 mm cv — 拉坯速度 mm/min 圖 21 矩形振動規(guī)律 生產(chǎn)實踐證明，矩形振動方式對鑄坯的脫模是有效的，相比靜止不動的結(jié)晶器，這種振動方式大大提高了鑄坯的表面質(zhì)量，提高了連鑄的生 產(chǎn)效率，在早期得到廣泛應(yīng)用。但此種振動方式的存在的缺點是 :該振動規(guī)律的實現(xiàn)是用凸輪來實現(xiàn)的，但是凸輪的加工制造比較麻煩 。為了保證結(jié)晶器與鑄坯之間速度嚴(yán)格的同步運動，結(jié)晶器振動機構(gòu)與拉坯機構(gòu)之間要實行嚴(yán)格的電器連鎖 。結(jié)晶器振動速度在上升和下降時的轉(zhuǎn)折點處變化很大，其加速度在理論上等于無窮大。雖然凸輪曲線在上升和下降之間有過渡連接曲線使結(jié)晶器振動的加速度達不到無窮大，但是仍然很大。過大加速度對鑄坯的表面質(zhì)量和振動系統(tǒng)的正常運轉(zhuǎn)都是不利的，將對設(shè)備產(chǎn)生強大的沖擊，因而也不能采用高頻率振動方式。 (2)梯形速度規(guī)律 梯形速度規(guī)律是在矩形速度規(guī)律的基礎(chǔ)上進行了一些改進，如圖 22中的曲線 2所示即為梯形速度變化規(guī)律。梯形速度規(guī)律的主要特點是 :結(jié)晶器在向下振動的過程中有一段較長時間其速度略大于鑄坯的拉坯速速，即現(xiàn)在所稱的“負滑動運動”。負滑動運動可以在坯殼中產(chǎn)生壓應(yīng)力，可以使結(jié)晶器里已經(jīng)斷裂的坯殼被壓合，并且能夠使粘結(jié)在結(jié)晶XXX 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 (畢業(yè)論文 ) 8 器內(nèi)壁上的坯殼強制脫模 。從圖 2可以看出結(jié)晶器振動速度在上升和下降的轉(zhuǎn)折點處，變化比較緩和，這將有利于提高結(jié)晶器振動的平穩(wěn)性。 生產(chǎn)實踐證明，梯形速度規(guī)律是一種相對比較好的振動規(guī)律，因此這種 振動規(guī)律被使用了許多年。后來才被更為合理的正弦振動規(guī)律所取代。 (3)正弦速度規(guī)律 正弦速度規(guī)律如圖 22的曲線所示 (正弦速度與余弦速度相同 )。之所以選擇正弦規(guī)律的主要原因有兩個 :一是正弦速度規(guī)律打破了前兩種速度振動規(guī)律結(jié)晶器和鑄坯之間有一定的速度關(guān)系的框架，重點發(fā)揮結(jié)晶器的脫模作用 。二是速度規(guī)律的實現(xiàn)用偏心輪取代了之前使用的凸輪。 圖 22 正弦和非正弦振動規(guī)律 結(jié)晶器振動的正弦速度規(guī)律曲線的