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双辊薄带连铸工艺 PoStrip - 浦项钢铁

本文基于浦项钢铁公司板坯连铸的生产经验,探讨了根据不同连铸机类型所设置的拉坯速度范围,简要介绍了连铸工艺以及相关的关键技术。浦项钢铁公司的双辊薄带连铸工艺PoStrip®,拉坯速度可达100m/min,通过快速凝固和无粉末浇铸,可生产超薄高附加值产品。

1. 前言

在近50年的时间里,为了提高生产效率、产量和能效,同时节约生产成本,数量众多的板坯连铸机已经广泛安装于全世界的工厂。本研究根据拉坯速度和板坯厚度,将板坯连铸工艺分为五种类型,如图1所示。

浦项钢铁公司:双辊薄带连铸工艺PoStrip

20世纪60年代,厚度200-300mm的板坯连铸机取代了当时广为采用的铸锭工艺,由此正式开启了连铸时代,而且时至今日,板坯生产的主要部分就是用于热轧薄带的轧制。为了确保能源和造船行业专用厚板的内部质量,引进了拉坯速度为0.2-0.6m/min,板坯厚度为400-600mm的浇铸工艺。为了生产厚度超过600mm的超厚板,开发了半连铸技术用于替代铸锭工艺,其拉坯速度为0.05-0.2m/min,相较铸锭工艺,产量和生产效率都有了较大提高。

为了降低能耗,作为一种补充概念,近终形浇铸的板坯厚度为50-100mm。随着高速浇铸技术的发展,薄板坯连铸连轧工艺(TSCR)得到了商业应用。近年来,TSCR技术已经发展成为一种无头轧制工艺,其拉坯速度高达8m/min,主要用于生产超薄高强带钢。作为另一个极端的案例,薄带连铸工艺可在最高拉坯速度为30-100m/min的情况下,用钢水直接生产厚度不足5mm的薄带,利用这一超快凝固特征技术可生产特定钢种的产品。为了提高生产能力和产量,自20世纪60年代起,连铸工艺取代了铸锭工艺,并发展成为各种类型,以满足钢铁市场对产品质量多样化的需求。

浦项钢铁公司:双辊薄带连铸工艺PoStrip

图2显示的是,板坯连铸机在单位浇铸流数以及单位板坯宽度上的生产能力。从生产效率的角度来看,厚度为200-300mm、拉坯速度为1.0-2.0m/min的传统板坯连铸机生产能力最高,而生产其他厚度板坯的连铸机则略逊一筹。值得关注的是,浦项钢铁公司的薄板坯连铸和无头轧制工艺CEM®的生产能力可达4.5t/min,远高于传统板坯连铸工艺。

通过前期攻克各种技术难关,浦项钢铁公司已经引进或开发了上述全部类型的连铸机,用以生产先进高强钢(AHSS)、超厚板、高级电工钢、高附加值不锈钢、超薄热轧带钢等World Premium®系列钢材产品。


2. 传统200-300mm厚板坯连铸:

拉坯速度为0.6-3m/min

连铸机的发展必须考虑到板坯的质量、生产效率和可维护性。自20世纪70年代起,由于生产能力强,厚度为200-300mm的传统板坯连铸工艺,就成为最常用的板坯连铸工艺之一,可生产热轧和冷轧带钢、钢板、电工钢、汽车板和不锈钢等大多数商用钢材产品。

连铸最早起源于立式设备,在板坯清洁度和表面裂纹方面具有一定优势。为了提高生产效率,同时降低维护成本,早前广泛采用的是全弯曲弧形设备,为了提高板坯质量,立式液态弯曲连铸机最终取代了全弯曲弧形设备。伴随20世纪80年代经济的快速发展,为了提高产品质量、提高工艺生产效率,又开发了一些基础技术,主要包括:

(1)洁净钢连铸技术;

(2)板坯裂纹控制技术;

(3)板坯内部质量控制技术(如图3);

浦项钢铁公司:双辊薄带连铸工艺PoStrip

(4)提高传统板坯连铸机生产效率的技术。


3. 400-600mm厚板坯连铸:

拉坯速度为0.2-0.6m/min

压力容器或海洋结构用钢等需要厚度为80-230mm,同时兼具高强度和低温高韧性的厚板产品。为了达到这一应用要求,板坯厚度已经超过了350mm。通常,为了防止板坯内部出现内部裂纹或非金属夹杂物带,安装立式或立弯式连铸机,例如新日铁住金公司的Jumbo连铸机以及德国迪林根钢铁公司的5号连铸机。

浦项钢铁公司于2011年在浦项钢铁公司钢厂建立了400mm的板坯连铸机,还特别设计了一种新型的立式固态矫直连铸机(VSU),设备高度和建造成本以及维护成本都有所降低。为了在立式连铸机的生产基础上,尽可能减少夹杂物带和内部裂纹,引进了长度为3.2m的垂直截面,在矫直之前就完成了凝固,如图4(a)所示。在这一布局上,连铸机长度缩减至23.9m,因此拉坯速度最大为0.42m/min,由于拉坯速度低,在这台设备上所开发的技术,可以显著改善板坯内部质量或角部裂纹,而非提高生产效率,如图4(b)所示。

浦项钢铁公司:双辊薄带连铸工艺PoStrip


4. 超厚板坯半连铸:

拉坯速度为0.05-0.2m/min,板坯厚度超过700mm

尽管连铸工艺是一项很好的技术,但仍有一些问题有待解决。比如,如何在维持一定压下率的情况下,为超厚板浇铸一个特大截面的板坯,而并非采用铸锭工艺。众所周知,板坯厚度范围超过600mm时,通常只能采用铸锭工艺,而非传统的连铸工艺。因此,浦项钢铁公司于2007年开发了大型钢锭连铸机(LICC)。

浦项钢铁公司:双辊薄带连铸工艺PoStrip

LICC工艺采用了半连铸型连铸机,可分为三个子工序:(a)拉坯;(b)凝固;(c)精整。连铸流的厚度为700mm,并由结晶器电磁搅拌系统、振动器、拉坯机、推进机和翻坯机等组成。

鉴于LICC已经发展成为一种半连铸型技术,其连铸流的产量低于多炉连铸,因此仍需改进。主要的关键技术如图5所示,研究发现等轴晶区的显微组织结构有所扩大,这表明,在含C量为0.4%的合金钢中,其结构组织是由细小的球状晶体组成。在较低的拉坯速度和搅拌速度下,LICC内的钢水内部质量与类似的横断钢锭(6t)相当。但是,在半连铸型铸机中,连铸流上部区域的缩颈管会直接影响产量。如图6所示,将连铸流上部的缩颈管减至最少,就是一项核心技术。为了实现从连铸流底部到顶部的定向凝固,采用了一种冷却控制技术。LICC连铸工艺金属收得率可达90%左右,而铸锭工艺仅为70%。

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正因为具备这些优点,LICC生产的钢种质量与铸锭机相当甚至更优,而且生产效率更高。由此可见,LICC工艺是一项非常有前景的技术,特别是在针对有特殊用途的钢种拉坯方面,可以快速响应工业发展的灵活趋势。


5. 50-100mm薄板坯连铸:

拉坯速度为3-8m/min

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采用近终型连铸概念之后,最先开发了立式薄板坯连铸机,拉坯速度范围为3-5m/min,板坯厚度为50mm。普通薄板坯连铸连轧(TSCR)工艺的两台薄板坯连铸机连接至一条热轧产线,如图7所示。

为具有无头轧制功能(TSER)的TSCR工艺也开发出拉坯速度高于5m/min的薄板坯连铸机,主要用于生产超薄和高强热轧板卷产品。在2000年底之前,浦项钢铁公司成功开发了VLB型高速薄板坯连铸机,其冶金长度约为20m,拉坯速度最大为8m/min,浇铸厚度为81mm的厚板坯,将紧凑式无头连铸轧机CEM®的产量提高了两倍,由此作为一种无头轧制模式与单张轧制模式随时切换的TSCR工艺。

TSER工艺必须在一条连铸产线和一条轧制产线之间进行直接连接配置。作为无头轧制工艺配置,需要在连铸产线和轧制产线之间维持流量平衡。在全无头轧制过程中,轧制速度取决于拉坯速度,这意味着当拉坯速度不够高时,材料温度过低,如果精轧机进口温度(FDT)不够,热轧带钢就会出现混合的晶粒结构,这就是一种缺陷。为了阐明结晶器液面波动的机理,浦项钢铁公司在不同类型的连铸机上开展过各类试验,最终实现了结晶器液面稳定,相关的三大关键性要素如图8所示。

浦项钢铁公司:双辊薄带连铸工艺PoStrip

1)浸入式水口(SEN)的尾流现象:如图8(a)所示,频率约为0.1Hz的周期性波动时,在大产量浇铸过程中,在结晶器弯月面上观察到了一种尾流现象。带有浦项钢铁公司电磁制动(EMBr)液芯形状的SEN优化设计是一项重要的技术。如图9所示,弯月面液面波形可控制在5mm以内。

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2)连铸流上凝固坯壳的非稳定鼓肚:如图8(b)所示,频率范围内的结晶器液面波动是由凝固坯壳的非稳定鼓肚所产生的。非稳定鼓肚与连铸流的凝固坯壳动态特性有关。为了将非稳定鼓肚降至最低,在CEM®连铸机设计上,运用了一些VLB型轧制几何设计原则。在连铸流上部区域采用强冷却,生成厚凝固坯,但在较低区域采用软冷却,使得板坯具有较高温度。

3)弯月面的表面波:如图8(c)所示,表面波是由外部干扰所产生的。频率范围为0.8-1.2Hz,在拉坯速度较高时,部分与非稳定鼓肚的频率范围重叠。为了检测干扰源,并采取适当对策,开发出结晶器液面主动控制系统(MLAC)。

辊距的设计原则包括以下内容:相同辊距的每个截面不宜过长。每个截面的辊距与相邻截面不同,辊距尽可能小。

采用10个辊距的组合测试了两年的时间,而且通过长期的浇铸试验,已经实现了在较高拉坯速度(主要是6.5m/min,90mm)下生产。


6. 2-5mm薄带连铸

拉坯速度为30-100m/min

薄带连铸是一种直接从钢水生产薄带的创新工艺。该工艺不包括复杂的热轧工艺,而且与传统铸轧工艺相比,有诸多优点。该工艺可以灵活生产特殊钢种,而传统的连铸和热轧工艺则难以实现。

浦项钢铁公司:双辊薄带连铸工艺PoStrip

2006年浦项钢铁公司厂在经过中试之后,正式建立了商业工厂,图10显示的就是PoStrip®设备的布局。钢水经过水冷双辊后,直接浇铸成薄带。铸带的标称厚度为2.0-5.0mm,随后由在线轧机(IRM)以30%-45%的压下率连续热轧。热轧薄带最终厚度为1.2-3.4mm,拉坯速度为30-100m/min,主要取决于浇铸厚度。值得一提的是,为了获得理想的表面粗糙度,生产更薄的钢带,PoStrip®的两个IRM机架可进行独特的连轧,在改进了连铸稳定性之后,可在每炉最多7个钢包的正常条件下操作。

浦项钢铁公司利用薄带连铸工艺的特点,开发了特殊的不锈钢钢种,如:高碳(≥0.4wt%)马氏体不锈钢,含有的部分粗大初生碳化物由于快速凝固,在锋利刀片上剥落。由于可以避免粗大碳化物析出,产品具有良好的硬度和抗腐蚀性能,可用于刀片、手术刀以及厨房刀具等。

PossSD(POSCO Super Ductile Duplex)是一种高氮(≥0.2wt%)双相不锈钢。采用传统连铸工艺生产PossSD是非常困难的,这是因为在从凝固坯壳脱氮的过程中形成了孔洞,与之相反,薄带连铸工艺则可通过快速凝固生产PossSD,而且脱氮时间可更短。PossSD产品的耐腐蚀性与304不锈钢相当,延伸率约为40%,具有较高成形性。而且,由于具有铁素体相,PossSD材质的炊具可具有感应加热的功能。另外,较高的屈服强度(≈450MPa)为轻量化应用,提供了绝佳的解决方案,例如液晶显示器的结构框架。

快速凝固也有夹杂物的特征。由于冷却速率高,使得夹杂物生长的时间更短,因此,与传统工艺相比,薄带连铸产品的夹杂物更细。除了尺寸更细小,夹杂物的熔点也更低,而且在成形过程中可以轻易变形,这是非常有益于超薄钢带产品的生产。正因为这些优点,PoStrip®304i材质的注射针头显示出了较高的延性,并获得了客户的品质认证。

超薄热轧钢带(1.2-2.0t)很难采用传统热轧工艺生产,但可采用薄带连铸工艺生产,采用超薄热轧钢带可以减少冷轧和退火热处理的轧辊孔型设计,由此可降低生产成本。而且,沿着宽度方向,PoStrip®产品的钢带凸度更低,这有助于提高产品产量。因此,采用PoStrip®工艺生产的薄带非常适用于精细化产品。


7.结论

本文中,根据拉坯速度和板坯厚度,板坯连铸工艺可分为五类。基于浦项钢铁公司在不同连铸机上的操作经验,对每类工艺的技术情况进行了分析。

由于生产效率高,同时进行了质量改进,传统的板坯连铸工艺得到了广泛应用。拉坯速度为0.4m/min的厚板坯连铸工艺一直用于生产厚板坯,可改进产品内部质量,满足厚板产品的需求。拉坯速度为0.05-0.2m/min的超厚板坯半连铸工艺开发的最终产品,厚度可达233mm。市场对高强薄规格热轧产品的需求,加快了浦项钢铁公司薄板坯连铸和无头轧制工艺CEM®的发展。与现有的薄板坯连铸工艺相比,一种新型的薄板坯连铸机产量可翻番,还可以在无头轧制模式下,生产超薄低碳钢、HSLA、AHSS、高硅钢的薄带产品。浦项钢铁公司的双辊薄带连铸工艺PoStrip®,拉坯速度最高为100m/min,通过快速凝固和无粉末浇铸,可生产超薄高附加值产品。

近年来,浦项钢铁公司紧跟钢铁市场发展趋势,采用不同的连铸工艺,构建了完善的钢铁产品生产体系,与此同时,自主开发的新连铸技术,可以生产出高质量的新产品。

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