【文章內(nèi)容簡介】 術(shù)是一項(xiàng)把鋼水直接澆注成形的先進(jìn)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(shí)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(duì)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(dòng)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(xiàn)自己的一份力量。 鑄鐵水平連鑄課題為國家“七五”攻關(guān)項(xiàng)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(xì)小強(qiáng)度高，球鐵型材石墨球細(xì)小園整，機(jī)械性能兼有高強(qiáng)度與高韌性結(jié)合的優(yōu)點(diǎn)。目前國際上鑄鐵型材已廣泛運(yùn)用到制造液壓閥體，高耐壓零件，齒輪、軸、柱塞、印刷機(jī)輥軸及紡織機(jī)零部件。在汽車、內(nèi)燃機(jī)、液壓、機(jī)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(dá)到 47430 萬 t，鋼鐵工業(yè)連鑄比已達(dá) %。隨著板、帶、管材在鋼材消費(fèi)XXX 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)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(jī)在新世紀(jì)投入生產(chǎn)。這一過程不僅促進(jìn)了煉鋼生產(chǎn)設(shè)備的大型化，而且還促進(jìn)了煉鐵生產(chǎn)設(shè)備的大型化；同時(shí)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(jìn)了鋼鐵生產(chǎn)流程的進(jìn)一步優(yōu)化。可以說新世紀(jì)以來，連鑄技術(shù)不斷推動(dòng)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(dá)到 萬 t，連鑄比達(dá)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(dá) %，遠(yuǎn)高于板坯連鑄機(jī)流數(shù)的增幅，這主要取決于我國以長材為主的鋼材消費(fèi)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(qiáng)勁發(fā)展帶動(dòng)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(diǎn)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(fèi)的增長，板坯、方坯、圓坯、異形坯等多種連鑄機(jī)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(jì)指標(biāo)，均達(dá)到了世界水平；在推進(jìn)高效化連鑄技術(shù)的同時(shí)，品種、質(zhì)量得到很大改善和提高。繼續(xù)遵循“開放引進(jìn)與自主研發(fā)并重”的原則，自主設(shè)計(jì)、自主制造的國產(chǎn)連鑄機(jī)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(dá)到 %?？梢哉f連鑄的快速增長仍然是推動(dòng)鋼鐵工業(yè)發(fā)展的技術(shù)動(dòng)力 。 新世紀(jì)中國連鑄發(fā)展的另一個(gè)重要特征是，連鑄機(jī)型改變了上世紀(jì)以發(fā)展小方坯機(jī)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(jī)型的數(shù)量增加遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過小方坯連鑄機(jī)的增幅。 XXX 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 (畢業(yè)論文 ) 3 按連鑄機(jī)流數(shù)統(tǒng)計(jì)，板坯鑄機(jī)由 2020 年的 78 流增加到 2020 年 237 流，增幅達(dá)到 %；方坯鑄機(jī)由 378 流增加到 1323 流，增幅達(dá) 250%；圓坯鑄機(jī)由 40 流增加到 173 流，增幅達(dá) %；異形坯鑄機(jī)由 3 流增加到 15 流，增幅達(dá) 400%；而小方坯流數(shù)的增幅為 %。這充分說明了，中國鋼材消費(fèi)結(jié)構(gòu)發(fā)生了巨 大變化，即板、帶、管材的消費(fèi)大幅增加，改變了上世紀(jì)以長材為主流的鋼材消費(fèi)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(tái)薄板坯連鑄機(jī)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(jī)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(gè)國家或一個(gè)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(dá)到 ％左右，估計(jì)世界平均連鑄比 2020 年接近 90％。從統(tǒng)計(jì)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(shí)力較強(qiáng)的公司，如西馬克?德馬格、奧鋼聯(lián)、日本 JSP 公司、達(dá)涅利 (包括戴維 )公司等。以板坯連鑄機(jī)為例，西馬克?德馬格公司從 1962 年至 2020 年新設(shè)計(jì)和改造 板坯連鑄機(jī)共約 370 臺(tái)；奧鋼聯(lián)從 1959 年至 2020 年新建和改造板坯連鑄機(jī)共約 181 臺(tái)；日本 JSP 公司截止2020 年新建并改造板坯連鑄機(jī)共約 150 臺(tái)；達(dá)涅利的戴維公司也設(shè)計(jì)了 10多臺(tái)連鑄機(jī)。 2020 年末，世界上共有各類投產(chǎn)的板坯連鑄機(jī)約 550 臺(tái) 800 流(有一些是重復(fù)改造的，按估計(jì)值未計(jì)入 )。 截止到 2020 年底，中國共有 551 臺(tái) (1749 流 )連鑄機(jī)，其中板、方坯連鑄機(jī)分別為 101 臺(tái) (130 流 )、 429 臺(tái) (1564 流 )，圓坯、異形坯連鑄機(jī)分別為20臺(tái) (52 流 )、 1 臺(tái) (3 流 )。這些統(tǒng)計(jì)中，絕大部分連鑄機(jī) 是立足于中國國內(nèi)設(shè)計(jì)制造的。 XXX 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 (畢業(yè)論文 ) 4 我國加入 WTO 后，人才、知識(shí)、科技與經(jīng)濟(jì)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(jìn)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(jì)發(fā)展較快，冶金企業(yè)投放的技改資金比較大，新上項(xiàng)目很多，連續(xù)鑄鋼項(xiàng)目也較多，但連鑄機(jī)設(shè)備和技術(shù)大部分還是靠引進(jìn)。我國薄板坯連鑄連軋已經(jīng)引進(jìn)了將近 10 條生產(chǎn)線；從 2020 年開始，我國先后全部引進(jìn)或引進(jìn)核心部位設(shè)備與技術(shù)的常規(guī)板坯連鑄機(jī)共有 24 臺(tái) 27流，還有繼續(xù)引進(jìn)的趨勢；中薄板坯連鑄機(jī)、異型坯連鑄機(jī)全部引進(jìn)；大方坯連鑄機(jī) 也有引進(jìn)的傾向。其原因主要是我國連鑄技術(shù)與國外先進(jìn)水平還存在一定差距。 圖為某連鑄機(jī)原振動(dòng)系統(tǒng)，從整體上看傳動(dòng)環(huán)節(jié)太多，從局部上看則結(jié)構(gòu)環(huán)節(jié)過多。動(dòng)力由電機(jī)傳至外弧左偏心輪軸要經(jīng)過減速機(jī)、聯(lián)軸器、傳動(dòng)軸等 7 個(gè)環(huán)節(jié)，僅聯(lián)軸器就用了 4 套。而運(yùn)動(dòng)傳至內(nèi)弧偏心則還要多一個(gè)環(huán)節(jié)。從局部看，為了實(shí)現(xiàn)振動(dòng)機(jī)構(gòu)振幅可調(diào)，在機(jī)構(gòu)中增加了偏心套。從偏心軸至振動(dòng)臺(tái)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(dòng)裝置的振動(dòng)系統(tǒng)環(huán)節(jié)太多。 振動(dòng)系統(tǒng)環(huán)節(jié)過多造成振動(dòng)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(jì)說明書 (畢業(yè)論文 ) 5 (2)環(huán)節(jié)過多導(dǎo)致振動(dòng)臺(tái)四點(diǎn)振幅及相位誤差增大。 (3)增加了系統(tǒng)存在間隙的機(jī)會(huì)。 所以我們?cè)谠O(shè)計(jì)連鑄機(jī)振動(dòng)系統(tǒng)時(shí)應(yīng)盡量避免以上問題的發(fā)生。 第二章 結(jié)晶器振動(dòng)技術(shù) 最初 的連鑄機(jī)結(jié)晶器是靜止不動(dòng)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(dòng)”或拉漏鋼水的事故發(fā)生。因此，靜止不動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(tái)方坯連鑄試驗(yàn)機(jī)上采用了振動(dòng)結(jié)晶器。與此同時(shí)，容漢斯振動(dòng)結(jié)晶器又被 西德曼內(nèi)斯 (Mannesmann)公司胡金根廠的一臺(tái)連續(xù)鑄鋼試驗(yàn)連鑄機(jī)上成功應(yīng)用結(jié)晶器振動(dòng)技術(shù)在這兩臺(tái)連鑄機(jī)上的成功應(yīng)用，為結(jié)晶器振動(dòng)技術(shù)的廣泛應(yīng)用打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。 XXX 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 (畢業(yè)論文 ) 6 連鑄機(jī)結(jié)晶器振動(dòng)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(dòng)裝置后，連鑄才能成功。結(jié)晶器振動(dòng)的目的是防止拉坯坯殼與結(jié)晶器粘結(jié)，同時(shí)獲得良好的鑄坯表面，因而結(jié)晶器向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，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(yùn)動(dòng)時(shí)，借助摩擦，在坯殼上施加一定的壓力，愈合結(jié)晶器上升時(shí)拉出的裂痕，這就要求向下的運(yùn)動(dòng)速度大于拉坯速度，形成負(fù)滑脫。 機(jī)械振動(dòng)的振動(dòng)裝置由直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過萬向聯(lián)軸器，分兩端傳動(dòng)兩個(gè)蝸輪減速機(jī)，其中一端裝有可調(diào)節(jié)軸套，蝸輪減速機(jī)后面再通過萬向聯(lián)軸器，連接兩個(gè)滾動(dòng)軸承支持的偏心軸，在每個(gè)偏心輪處裝有帶滾動(dòng)軸承的曲柄，并通過帶橡膠軸承的振動(dòng)連桿支撐振動(dòng)臺(tái)，產(chǎn)生振動(dòng)。 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(dòng)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(dòng)，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(dòng)控制裝置和傳統(tǒng)的結(jié)晶器振動(dòng)裝置相比，可以方便地實(shí)現(xiàn)多種波形振動(dòng)、實(shí)現(xiàn)連鑄過程監(jiān)督和實(shí)時(shí)顯示振動(dòng)波形，并能在線修改非振動(dòng)方式及振動(dòng)頻率和幅值等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)控制過程的平穩(wěn)過度。 結(jié)晶器振動(dòng)技術(shù)的發(fā)展過程來看，結(jié)晶器振動(dòng)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(dòng)規(guī)律以及近幾年更為先進(jìn)的非正弦振動(dòng)規(guī)律。 結(jié)晶器振動(dòng)速度隨時(shí)間的變化規(guī)律即為結(jié)晶器振動(dòng) 規(guī)律，結(jié)晶器振動(dòng)規(guī)律是結(jié)晶器振動(dòng)技術(shù)中最基本的內(nèi)容。因?yàn)閺慕Y(jié)晶器振動(dòng)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(dòng)規(guī)律時(shí)，新的振動(dòng)規(guī)律都較過去的振動(dòng)規(guī)律更為合理，而且都對(duì)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(dòng)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(dòng)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(diǎn)是 :結(jié)晶器在XXX 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 (畢業(yè)論文 ) 7 向下振動(dòng)時(shí)與拉坯速度相同，即結(jié)晶器與鑄坯做同步運(yùn)動(dòng)，然后結(jié)晶器又以 3倍的拉坯速度向上運(yùn)動(dòng)。其表達(dá)式如下： svf c43? 式中： f — 結(jié)晶器振動(dòng)頻率 cpm S— 振幅 mm cv — 拉坯速度 mm/min 圖 21 矩形振動(dòng)規(guī)律 生產(chǎn)實(shí)踐證明，矩形振動(dòng)方式對(duì)鑄坯的脫模是有效的，相比靜止不動(dòng)的結(jié)晶器，這種振動(dòng)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(dòng)方式的存在的缺點(diǎn)是 :該振動(dòng)規(guī)律的實(shí)現(xiàn)是用凸輪來實(shí)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(yùn)動(dòng)，結(jié)晶器振動(dòng)機(jī)構(gòu)與拉坯機(jī)構(gòu)之間要實(shí)行嚴(yán)格的電器連鎖 。結(jié)晶器振動(dòng)速度在上升和下降時(shí)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)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(dòng)的加速度達(dá)不到無窮大，但是仍然很大。過大加速度對(duì)鑄坯的表面質(zhì)量和振動(dòng)系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)都是不利的，將對(duì)設(shè)備產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊，因而也不能采用高頻率振動(dòng)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(jìn)行了一些改進(jìn)，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(diǎn)是 :結(jié)晶器在向下振動(dòng)的過程中有一段較長時(shí)間其速度略大于鑄坯的拉坯速速，即現(xiàn)在所稱的“負(fù)滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)”。負(fù)滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)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(jì)說明書 (畢業(yè)論文 ) 8 器內(nèi)壁上的坯殼強(qiáng)制脫模 。從圖 2可以看出結(jié)晶器振動(dòng)速度在上升和下降的轉(zhuǎn)折點(diǎn)處，變化比較緩和，這將有利于提高結(jié)晶器振動(dòng)的平穩(wěn)性。 生產(chǎn)實(shí)踐證明，梯形速度規(guī)律是一種相對(duì)比較好的振動(dòng)規(guī)律，因此這種 振動(dòng)規(guī)律被使用了許多年。后來才被更為合理的正弦振動(dòng)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(gè) :一是正弦速度規(guī)律打破了前兩種速度振動(dòng)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(diǎn)發(fā)揮結(jié)晶器的脫模作用 。二是速度規(guī)律的實(shí)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(dòng)規(guī)律 結(jié)晶器振動(dòng)的正弦速度規(guī)律曲線的