全球约55%的液态钢产量采用连续铸造成型工艺,这是目前应用最广泛的钢铁凝固技术。该工艺的核心在于将液态钢连续注入短小的水冷垂直铜质结晶器,同时连续拉出已凝固的钢壳及其内部尚未凝固的钢液。这一过程取代了传统的模铸和初轧开坯,成为现代钢铁工业的基石。
连续铸钢的关键控制参数是钢水流入结晶器的流量与铸坯拉出速度的精准匹配。流量控制主要依靠位于结晶器上方的中间包(Tundish)实现,它是一个内衬耐火材料的分配器,接收来自钢包(Ladle)的钢水。拉速则由驱动辊控制,这些辊轮接触的是已经形成较厚凝固壳的铸坯。中间包内的钢水温度必须严格控制在特定“窗口”范围内,即略高于钢种液相线的温度区间,同时必须采取严格措施隔绝空气,以最小化钢水二次氧化。常用的保护手段包括通过浸入式耐火管浇注或使用充氩气的宽套管,中间包本身也常加盖并充氩保护。钢包和中间包通常安装在转台或转运车上,以便快速更换。
结晶器采用铜材制造,利用其高导热性配合强力水冷,并通过上下振荡防止凝固壳粘附。此外,结晶器壁还通过油或渣进行润滑,渣层由连续添加的结晶器保护渣形成,不仅润滑,还隔绝空气、充当热障并吸收夹杂物。许多现代连铸机在结晶器内装有传感器,自动同步钢水流速与拉速。铸坯离开结晶器时,凝固壳厚度仅约10毫米,随即通过喷水喷嘴进行二次冷却。该位置壳层的强度决定了最大拉速,一旦破裂会导致漏钢事故。在向下运行过程中,铸坯由多组支撑辊托住,防止内部钢液的静压力导致鼓肚。随着凝固壳增厚,支撑辊尺寸增大且间距变宽。这段区域被称为冶金长度,是铸坯完全凝固和铸态组织形成的关键区域,长度通常在10至40米之间,水流由计算机自动调节。
铸坯经过最后一对支撑辊后进入输出辊道,在移动中被氧乙炔火焰切割。商业运行的连铸机设计原则多样:有的采用全垂直布局,包括直结晶器、直二次冷却区和垂直切割;有的则在铸坯凝固后将其弯曲至水平方向切割;而大多数采用弧形结晶器和弧形二次冷却区,配合矫直辊将铸坯拉直后水平输出。针对不同断面尺寸,连铸机设计也各不相同:方坯连铸机生产80至175毫米的方坯或圆坯,板坯连铸机可生产厚达250毫米、宽达2600毫米的巨型板坯,年产能可达300万吨。为匹配单炉钢水量与结晶器凝固能力,常采用多流连铸机,即一个中间包同时向多个结晶器供钢。
连铸操作始于将匹配结晶器内径的引锭头与引锭链连接并送入结晶器。钢水充满后冻结在引锭头上,随即被拉出。引锭链穿过二次冷却区,待引锭头脱离支撑辊后,由推钢辊将其与铸坯分离并回收。每炉钢的浇注时间通常为45至90分钟,取决于钢种、炉量和工艺条件。若每炉结束后停机准备,铸坯头尾会有数米不合格,收得率仅约93%;而采用无间断连续浇注技术,收得率可逼近100%,远高于传统模铸的86%。这种技术显著减少了原料、钢水和能源消耗。
冶金质量常通过计算机控制系统优化,辅以中间包电加热、电磁搅拌、在线轧制等工艺。先进的检测系统确保钢水和热坯质量,使得铸坯可直接热送加热炉或热轧机,省去了冷却、冷检、修磨和仓储环节。集成连铸与热轧的工厂,仅需90分钟即可将液态钢转化为热轧产品。此外,还有专为直接轧制设计的薄板坯连铸机,以及用于无缝钢管的旋转连铸机和水平连铸机等特殊变体,这些技术均致力于提高成本效益和冶金控制精度。
对于中国钢铁产业而言,连续铸钢技术的成熟与普及是行业从规模扩张向质量效益转型的关键。国内企业应重点关注无头轧制、近终形连铸等前沿方向,通过数字化控制进一步提升成材率和能源利用率,在全球绿色制造竞争中占据主动。
