连铸工艺

2023年12月29日发(作者：综随意的穿越之旅)

连铸：

转炉生产出来的钢水经过精炼炉精炼以后，需要将钢水铸造成不同类型、不同规格的钢坯。连铸工段就是将精炼后的钢水连续铸造成钢坯的生产工序，主要设备包括回转台、中间包，结晶器、拉矫机等。

连铸的工艺流程:

将装有精炼好钢水的钢包运至回转台，回转台转动到浇注位置后，将钢水注入中间包，中间包再由水口将钢水分配到各个结晶器中去。结晶器是连铸机的核心设备之一，它使铸件成形并迅速凝固结晶。拉矫机与结晶振动装置共同作用，将结晶器内的铸件拉出，经冷却、电磁搅拌后，切割成一定长度的板坯。

连铸自动化控制主要有连铸机拉坯辊速度控制、结晶器振动频率的控制、定长切割控制等控制技术。

连铸的主要工艺设备介绍:

钢包回转台

钢包回转台：设在连铸机浇铸位置上方用于运载钢包过跨和支承钢包进行浇铸的设备。由底座、回转臂、驱动装置、回转支撑、事故驱动控制系统、润滑系统和锚固件6部分组成。

单臂钢包回转台：由底座、立柱、上转臂、上转臂驱动装置、下转臂、下转臂驱动装置组成。

蝶形钢包回转台：由底座、升降液压缸、回转架、钢包支座、回转臂、平行连杆、驱动装置、防护板组成。

钢包回转台是连铸机的关键设备之一，起着连接上下两道工序的重要作用。钢包回转台的回转情况基本上包括两侧无钢包、单侧有钢包、两侧有钢包三种情况，而单个钢包重量已超过140吨。三种情况下，钢包回转台受力有很大不同，但无论在何种情况下，都要保证钢包回转台的旋转平稳，定位准确，起停时要尽可能减小对机械部分的冲击，为减少中间包液面波动和温降，要缩短旋转时间。因此，我们在变频器的容量选择上，留有余地，即比电机功率加大一级。同时利用变频器的s曲线加速功能，通过调整s曲线保证加、减速曲线平滑快速，减少对减速机的冲击，再通过PLC判断变速限位、停止限位实现旋转过程中高、低速自动变换及到位停车，同时满足了对旋转时间和平稳运行的要求。

顺时针，逆时针，旋转

中间包

中间包是短流程炼钢中用到的一个耐火材料容器，首先接受从钢包浇下来的钢水，然后再由中间包水口分配到各个结晶器中去。

中间包是连铸机钢水包和结晶器之间钢水过渡的装置，用来稳定钢流，减小钢流对坯壳的冲刷，以利于非金属夹杂物上浮，从而提高铸坯质量。通常认为中间包起以下作用：

1、分流作用。对于多流连铸机，由多水口中间包对钢液进行分流。

2、连浇作用。在多炉连浇时，中间包存储的钢液在换盛钢桶时起到衔接的作用。

3、减压作用。盛钢桶内液面高度有5~6m，冲击力很大，在浇铸过程中变化幅度也很大。中间包液面高度比盛钢桶低，变化幅度也小得多，因此可用来稳定钢液浇铸过程，减小钢流对结晶器凝固坯壳的冲刷。

4、保护作用。通过中间包液面的覆盖剂，长水口以及其他保护装置，减少中间包中的钢液受外界的污染。

5、清楚杂质作用。中间包作为钢液凝固之前所经过的最后一个耐火材料容器，对钢的质量有着重要的影响，应该尽可能使钢中非金属夹杂物的颗粒在处于液体状态时排除掉。

中间包烘烤上升下降，中包车右行，前后，上下

结晶器

在连续铸造、真空吸铸、单向结晶等铸造方法中，使铸件成形并迅速凝固结晶的特种金属铸型。结晶器是连铸机的核心设备之一，直接关系到连铸坯的质量。

结晶器包括：

 直型结晶器：

 弧形结晶器 curved mold：用于弧型和超低头型（椭圆型）连铸机上。

 组合式结晶器 composite mold：由四块壁板组成，每块壁板又由一块铜板和一块钢（铁）板用螺栓连接而成。

 多级结晶器 multi stage mold

 调宽结晶器 adjustable mold：宽度可调的结晶器，一般只用于板坯连铸。

结晶器是连铸机的核心设备之一，直接关系到连铸坯的质量。结晶器的振动频率要求准确，并根据拉坯速度自动调整，在高振频时，由于电机负载率上升，转差率增加，导致振动频率有所降低，而为了保证振动频率的精确，需要打开变频器的转差补偿控制，在负载增加时，使变频器自动增加输出频率以提供在没有速度降低情况下所需要的电机转差率，补偿量正比于负载的增加量，并在整个调速范围内都起作用。

另外，结晶器的振动是由电机带动偏心机构旋转来实现的，因此表现为输出电流及母线电压呈现周期性震荡，在振动频率较高时有引起母线过电压故障的可能，通过允许变频器的母线调节功能，使变频器会基于直流母线电压自动调整输出频率，监测到母线电压瞬时升高时变频器会适当增加输出频率以减小引起母线电压升高的再生能量，这样做降低了出现变频器过压故障的可能性。

振动控制变频器，给出拉矫速度，振动次数给定，振动频率，

结晶器进回水温度流量压力

拉矫机

在连铸工艺中，连铸机拉坯辊速度控制是连铸机的三大关键技术之一，拉坯速度控制水平直接影响连铸坯的产量和质量，而拉坯辊电机驱动装置的性能又在其中发挥着重要作用。

交流电机变频调速技术日益成熟，交流变频驱动调速平稳，调速范围宽，对机械冲击低，交流电机维护量低，交流变频调速已取代直流调速，完全能够满足拉坯辊速度控制的需要。

连铸机的拉矫机有五辊双机架三驱动，上拉坯辊、下拉坯辊、矫直辊由三台同型号电机共同驱动，完成引锭杆的上下传送运行和连铸坯牵引，三台电机必须保持同步，与一般的同步要求不同的是要保证三个辊面的线速度相同，而不是三台电机的转速相同，以避免出现负载分配不均引起母线过压、欠压、过载故障。

三台变频器接受相同的速度指令，按照同一频率运行，但由于三辊处于一个半径8m的圆弧段的不同位置上，若要保持三个辊面的线速度相同，则三台电机的转速实际应有轻微差别，加上三台电机的参数不可能完全相同，这就造成了三台电机同步的困难。如果打开母线调节功能，虽然可以在一定程度上避免由于不同步造成的母线电压升高，但会造成电机转速的不稳定，从而使拉速值波动，进一步影响到结晶器钢水液面和二冷配水的稳定，甚至有造成事故的危险。为此，我们利用变频器内置的PI控制功能，使三台电机构成主从驱动系统，即以上拉坯电机作为主驱动电机，工作在速度调节方式，下拉坯电机和矫直电机作为从动电机，工作在带有速度修正的速度调节方式下，通过比较主从电机的力矩电流产生偏差信号，从而修正从动电机的速度。变频器间的力矩电流信号传送可以通过变频器内置的模拟量输入、输出通道来实现，无需另外添加硬件。这种方法构成的主从驱动系统，结构简单，完全利用变频器内置功能实现，可以连续自动完成速度修正，应用在多辊传动的拉矫机上效果非常理想。

拉矫机和结晶器振动装置采用变频器调速系统，拉矫机变频器的启动、停止以及调速由PLC发送给拉矫机变频器，拉矫机的实际速度FM经光电隔离后再反馈给PLC，然后由PLC传送给相应仪表显示实际值。结晶器振动采用同调方式，即振动频率随拉速变化而变化，即根据下面的公式，来控制结晶器振动频率f，计算出振动频率f由PLC发送给结晶器振动变频器，使结晶器的振动适应于拉速变化，系统框图如图所示。

通过切换变频器控制，引锭杆位置判断切换？

油缸控制

辊道开关量控制

轻压下

在连续铸钢过程中，连铸坯拉矫采用液芯矫直时，为了获得无缺陷铸坯，对带液芯的铸坯施加小的压力的工艺方法。即在铸坯凝固终端附近，对铸坯施加一定的压下量，使铸坯凝固终端形成的液相穴被破话，以抑制浓缩钢水在静压力作用下所自然产生的沿拉坯方向上的移动。

变频器控制

油缸控制

电磁搅拌器

连续铸钢时，利用电磁力控制钢液凝固过程，改善铸坯质量的工艺。也称EMS技术。电磁搅拌器（Electromagnetic stirring: EMS） 的实质是借助在铸坯液相穴中感生的电磁力，强化钢水的运动。具体地说，搅拌器激发的交变磁场渗透到铸坯的钢水内，就在其中感应起电流，该感应电流与当地磁场相互作用产生电磁力，电磁力是体积力，作用在钢水体积元上，从而能推动钢水运动。

电磁搅拌器的安装位置和搅拌器模式根据电磁搅拌器在铸机冶金长度上的不同安装位置大致有以下几种模式。

 结晶器电磁搅拌：Mold Electromagnetic stirring: MEMS 搅拌器安装在结晶器铜管外面。

 二冷区电磁搅拌：Strand Electromagnetic Stirring: SEMS 搅拌器安装在铸坯外面。

 凝固末端电磁搅拌：Final Electromagnetic stirring:FEMS 用于方坯连铸 搅拌器安装在铸坯外面。

引锭杆

连续铸钢的重要装置之一。引锭杆由引锭头、过渡件和杆身组成。浇注前，引锭头和部分过渡件进入结晶器，形成结晶器可活动的“内底”，浇注开始后，钢水凝固，与引锭头凝结在一起，由拉矫机牵引着引锭杆，把铸坯连续地从结晶器拉出，直到引锭头通过拉矫机后方与铸坯分离，进入引锭杆存放装置。

引锭杆位置，编码器

火焰切割机

该设备采用气动夹钳使切割机与铸坯同步行走，电机驱动切割小车行走，直流调速电机驱动,水冷切枪进行切割，在切割不锈钢时配置喷铁粉装置，可以切割钢坯(包括不锈钢)。

厚度大于50mm的厚钢板一般采用火焰切割，也叫氧气切割。其工艺大体如下：

（1） 根据切割钢板的厚度安装适当孔径的割嘴；

（2） 将氧气和燃气压力调至规定值；

（3） 用切割点火器点燃预热焰，接着慢慢打开预热氧气阀，调节火焰白心长度，使火焰成中性焰，预热起割点；

（4） 在切割起点上只用预热焰加热，割嘴垂直于钢板表面，火焰白心尖端距钢板表面1.5～2.5mm；

（5） 当起点达到燃烧温度（辉红色）时，打开切割氧气阀，瞬间就可进行切割；

（6） 在确认已割至钢板下表面后，就沿着切割线以适当的速度移动割嘴继续往前切割；

（7） 切割终了时，先关闭切割氧气阀，再关闭预热焰的氧气阀。

火切加紧电磁阀，3个位置有3个不同的状态

氧气电磁阀控制

切割运动变频器控制

粒化水电磁阀

电动阀门（配水）

配水在整个工艺流程中起到重要的作用，它分为零段配水，直线段配水，顶弯段配水，扇内弧配水，扇外弧配水。这些都由电磁阀控制。

结晶器进回水温度流量压力、二冷水阀门，压缩空气阀门，远程控制，根据拉矫速度计算质量（吨）给水量，PID控制。

连铸工艺详解

连铸的生产工艺流程：将装有精炼好钢水的钢包运至回转台，回转台转动到浇注位置后，将钢水注入中间包，中间包再由水口将钢水分配到各个结晶器中去。结晶器是连铸机的核心设备之一，它使铸件成形并迅速凝固结晶。拉矫机与结晶振动装置共同作用，将结晶器内的铸件拉出，经冷却、电磁搅拌后，切割成一定长度的板坯。

连铸钢水的准备

连铸钢水的温度要求：

钢水温度过高的危害：①出结晶器坯壳薄，容易漏钢；②耐火材料侵蚀加快，易导致铸流失控，降低浇铸安全性；③增加非金属夹杂，影响板坯内在质量；④铸坯柱状晶发达；⑤中心偏析加重，易产生中心线裂纹。

钢水温度过低的危害：①容易发生水口堵塞，浇铸中断；②连铸表面容易产生结疱、夹渣、裂纹等缺陷；③非金属夹杂不易上浮，影响铸坯内在质量。

钢水在钢包中的温度控制：

根据冶炼钢种严格控制出钢温度，使其在较窄的范围内变化；其次，要最大限度地减少从出钢、钢包中、钢包运送途中及进入中间包的整个过程中的温降。

实际生产中需采取在钢包内调整钢水温度的措施：

1）钢包吹氩调温

2）加废钢调温

3）在钢包中加热钢水技术

4）钢水包的保温

中间包钢水温度的控制

一、浇铸温度的确定

浇铸温度是指中间包内的钢水温度，通常一炉钢水需在中间包内测温3次，即开浇后5min、浇铸中期和浇铸结束前5min,而这3次温度的平均值被视为平均浇铸温度。

浇铸温度的确定可由下式表示（也称目标浇铸温度）：

T=TL+△T 。

二、液相线温度

即开始凝固的温度，就是确定浇铸温度的基础。推荐一个计算公式：

T=1536-{78[%C]+7.6[%Si]+4.9[%Mn]+34[%P]+30[%S]+5.0[%Cu]+3.1[%Ni]+1.3[%Cr]+3.6[%Al]+2.0[%Mo]+2.0[%V]+18[%Ti]}

 钢水过热度的确定：钢水过热度主要是根据铸坯的质量要求和浇铸性能来确定。

钢种类别 过热度

非合金结构钢 10-20℃

铝镇静深冲钢 15-25℃

高碳、低合金钢 5-15℃

 出钢温度的确定：钢水从出钢到进入中间包经历5个温降过程：

△T总=△T1+△T2+△T3+△T4+△T5

△T1出钢过程的温降；

△T2出完钢钢水在运输和静置期间的温降 (1.0～1.5℃/min)；

△T3钢包精炼过程的温降（6～10℃/min）；

△T4精炼后钢水在静置和运往连铸平台的温降(5～1.2℃/min）；

△T5钢水从钢包注入中间包的温降。

T出钢 = T浇+△T总

控制好出钢温度是保证目标浇铸温度的首要前提。具体的出钢温度要根据每个钢厂在自身温降规律调查的基础上，根据每个钢种所要经过的工艺路线来确定。

拉速的确定和控制

拉速控制作用:

拉速定义:拉坯速度是以每分钟从结晶器拉出的铸坯长度来表示。拉坯速度应和钢液的浇注速度相一致。拉速控制合理,不但可以保证连铸生产的顺利进行,而且可以提高连铸生产能力,改善铸坯的质量.现代连铸追求高拉速。

拉速确定原则:

确保铸坯出结晶器时的能承受钢水的静压力而不破裂，对于参数一定的结晶器，拉速高时，坯壳薄；反之拉速低时则形成的坯壳厚。一般，拉速应确保出结晶器的坯壳厚度为12-14mm。

影响因素：钢种、钢水过热度、铸坯厚度等。

1）机身长度的限制

根据凝固的平方根定律，铸坯完全凝固时达到的厚度、机身长度，得到拉速。

2）拉坯力的限制

拉速提高，铸坯中的未凝固长度变长，各相应位置上凝固壳厚度变薄，铸坯表面温度升高，铸坯在辊间的鼓肚量增多。拉坯时负荷增加。超过拉拔转矩就不能拉坯，所以限制了拉速的提高。

3）结晶器导热能力的限制

根据结晶器散热量计算出，最高浇注速度：板坯为2.5米/分；方坯为3-4米/分。

4）拉坯速度对铸坯质量的影响

（1）降低拉速可以阻止或减少铸坯内部裂纹和中心偏析。

（2）提高拉速可以防止铸坯表面产生纵裂和横裂。

（3）为防止矫直裂纹，拉速应使铸坯通过矫直点时表面温度避开钢的热脆区。

5）钢水过热度的影响

一般连铸规定允许最大的钢水过热度，在允许过热度下拉速随着过热度的降低而提高，如图1所示。

6）钢种影响：就含碳量而言，拉坯速度按低碳钢、中碳钢、高碳钢的顺序由高到低。就钢中合金含量而言，拉速按普碳钢、优质碳素钢、合金钢顺序降低。

图1 拉速与温度对应表

铸坯冷却的控制

钢水在结晶器内的冷却即一冷确定，其冷却效果可以由通过结晶器壁传出的热流的大小来度量，如图2所示：。

1）一冷作用：一冷就是结晶器通水冷却。其作用是确保铸坯在结晶器内形成一定的初生坯壳。

2）一冷确定原则：一冷通水是根据经验，确定以在一定工艺条件下钢水在结晶器内能够形成足够的坯壳厚度和确保结晶器安全运行的前提。通常结晶器周边供水2L/mm·min。进出水温差不超过8℃，出水温度控制在45-500℃为宜，水压控制在0.4-0.6Mpa。

3）二冷作用:二次冷却是指出结晶器的铸坯在连铸机二冷段进行的冷却过程.其目的是对带有液芯的铸坯实施喷水冷却,使其完全凝固,以达到在拉坯过程中均匀冷却。

4）二冷强度确定原则:二冷通常结合铸坯传热与铸坯冶金质量两个方面来考虑.铸坯刚离开结晶器,要采用大量水冷却以迅速增加坯壳厚度,随着铸坯在二冷区移动,坯壳厚度增加,喷水量逐渐降低.因此,二冷区可分若干冷却段,每个冷却段单独进行水量控制.同时考虑钢种对裂纹敏感性而有针对性的调整二冷喷水量。

5）二冷水量与水压:对普碳钢低合金钢，冷却强度为：1.0-1.2L/Kg钢。对低碳钢、高碳钢,冷却强度为：0.6-0.8L/Kg钢。对热裂纹敏感性强的钢种，冷却强度为:0.4-0.6L/Kg钢，水压为0.1-0.5MPa，如图3所示：

图3 凝固系数与二冷水量关系

连铸过程检测与自动控制

一、连铸过程自动检测

（一）中间包钢液温度测定

1）中间包钢液温度的点测

用快速测温头及数字显示二次仪测量温度，如图4所示。

图4 二次温度测量仪

2）中间包钢液温度的连续测定

采用连续测温热电偶对中间包钢液温度进行连续测量，如图5所示：

图5 连续测温热电偶

（二）结晶器液面控制

1）放射性同位素测量法如图6所示：

图6 放射性同位素测量法

2）红外线结晶器液面测量法如图7所示：

图7 红外线结晶器液面测量法

3）热电偶结晶器液面测量法如图8所示：

图8 热电偶结晶器液面测量法

激光结晶器液面测量法如图9所示：

图9 激光结晶器液面测量法

（三）连铸机漏钢预报装置如图10所示：

图10 连铸机漏钢预报装置

（四）连铸二次冷却水控制如图11所示：

图11 连铸二次冷却水控制

（五）铸坯表面缺陷在线检测

1）工业电视摄象法如图12所示：

图12 工业电视摄象法

2）涡流检测法如图13所示：

图13 涡流检测法

二、连铸坯质量及控制

（一）连铸过程质量控制

1）提高钢纯净度的措施

（1）无渣出钢；

（2）选择合适的精炼处理方式 ；

（3）采用无氧化浇注技术 ；

（4）充分发挥中间罐冶金净化器的作用 ；

（5）选用优质耐火材料 ；

（6）充分发挥结晶器的作用 ；

（7）采用电磁搅拌技术，控制注流运动；

（二）连铸坯表面质量及控制

连铸坯表面质量的好坏决定了铸坯在热加工之前是否需要精整，也是影响金属收得率和成本的重要因素，还是铸坯热送和直接轧制的前提条件。

连铸坯表面缺陷形成的原因较为复杂，但总体来讲，主要是受结晶器内钢液凝固所控制，如图14所示：

图14 连铸坯表面缺陷示意图

（三）连铸坯内部质量及控制

铸坯的内部质量是指铸坯是否具有正确的凝固结构、偏析程度、内部裂纹、夹杂物含量及分布状况等。

凝固结构是铸坯的低倍组织，即钢液凝固过程中形成等轴晶和柱状晶的比例。铸坯的内部质量与二冷区的冷却及支撑系统密切相关，如图15，图16所示：

图15 铸坯内部缺陷示意图

图16 “V”形偏析

1）减少铸坯内部裂纹的措施

（1）采用压缩浇铸技术，或者应用多点矫直技术；

（2）二冷区采用合适夹辊辊距，支撑辊准确对弧；

（3）二冷水分配适当，保持铸坯表面温度均匀；

（4）合适拉辊压下量，最好采用液压控制机构；

2）夹杂物的控制

从炼钢、精炼到连铸生产洁净钢，主要控制对策是：

（1）控制炼钢炉下渣量

● 挡渣法（偏心炉底出钢、气动法、挡渣球）：

● 扒渣法：目标是钢包渣层厚＜50mm，下渣2Kg/t

（2）钢包渣氧化性控制

● 出钢渣中高（FeO+MnO）是渣子氧势量度。（FeO+MnO）↑板胚T[O]↑。

（3）钢包精炼渣成分控制

不管采用何种精炼方法（如RH、LF、VD），合理搅拌强度和合理精炼渣组成是获得洁净钢水的基础。

合适的钢包渣成分：CaO/ Al2O3＝1.5～1.8，CaO/ SiO2=8～13，（FeO+MnO）＜5％。高碱度、低熔点、低氧化铁、富CaO钙铝酸盐的精炼渣，能有效吸收大颗粒夹杂物，降低总氧。

（4）保护浇注

● 钢水保护是防止钢水再污染生产洁净钢重要操作。

● 保护浇注好坏判断指标：－△[N]＝[N]钢包－[N]中包；－△[Al]s＝[Al]钢包－[Al]中包。

● 保护方法：①中包密封充Ar；②钢包 中间包长水口，△[N]＝1.5PPm甚至为零；③中间包 结晶器浸入式水口。

（5）中间包控流装置

● 中间包不是简单的过渡容器，而是一个冶金反应容器，作为钢水进入结晶器之前进一步净化钢水。

● 中间包促进夹杂物上浮其方法：

a.增加钢水在中间包平均停留时间t：t＝w/（a×b×ρ×v）。中间包向大容量深熔池方向发展。

b.改变钢水在中间包流动路径和方向，促进夹杂物上浮。

（6）中间包复盖剂

中间包是钢水去除夹杂物理想场所。钢水面上复盖剂要有效吸收夹杂物。

● 碳化稻壳；

● 中性渣：（CaO/SiO2=0.9～1.0）

● 碱性渣：（CaO+MgO/SiO2≥3）

● 双层渣

渣中（SiO2）增加，钢水中T[O]增加。生产洁净钢应用碱性复盖剂。

（7）碱性包衬

钢水与中间包长期接触，钢水与包衬的热力学性能必须是稳定的，这是生产洁净钢的一个重要条件。包衬材质中SiO2增加，铸坯中总氧T[O]是增加，因此生产洁净钢应用碱性包衬。

对低碳Al -K钢，中间包衬用Mg-Ca质涂料（Al2O3→0），包衬反应层中Al2O3可达21％，说明能有效吸附夹杂物。

（8）钢种微细夹杂物去除

● 大颗粒夹杂（>50μm）去除，采用中间包控流技术

● 小颗粒夹杂（<50μm）去除：

－中间包钙质过滤器

－中间包电磁旋转

（9）防止浇注过程下渣和卷渣

● 加入示踪剂追踪铸坯中夹杂物来源

● 结晶器渣中示踪剂变化

● 铸坯中夹杂物来源，初步估算外来夹杂物占41.6%二次氧化占 39%，脱氧产物为20%

（10）防止Ar气泡吸附夹杂物

对Al－K钢，采用浸入式水口吹Ar防止水口堵塞，但吹Ar会造成：

● 水口堵塞物破碎进入铸胚，大颗粒Al2O3轧制延伸会形成表面成条状缺陷。

● ＜1mmAr气泡上浮困难，它是Al2O3和渣粒的聚合地，当气泡尺寸>200μm易在冷轧板表面形成条状缺陷。

为解决水口堵塞问题，可采用：

－钙处理改善钢水可浇性

－钙质水口

－无C质水口

目前还是广泛采用吹Ar来防止堵塞。生产洁净钢总的原则是：钢水进入结晶器之前尽可能排除Al2O3。

（11）结晶器钢水流动控制

三、连铸坯形状缺陷及控制

（一）鼓肚变形

带液心的铸坯在运行过程中，于两支撑辊之间，高温坯壳中钢液静压力作用下，发生鼓胀成凸面的现象，称之为鼓肚变形。板坯宽面中心凸起的厚度与边缘厚度之差叫鼓肚量，用以衡量铸坯彭肚变形程度。

减少鼓肚应采取措施 ：

（1）降低连铸机的高度

（2）二冷区采用小辊距密排列；铸机从上到下辊距应由密到疏布置

（3）支撑辊要严格对中

（4）加大二冷区冷却强度

（5）防止支撑辊的变形，板坯的支撑辊最好选用多节辊

图17 铸坯鼓肚示意图

（二）菱形变形

菱形变形也叫脱方。是大、小方坯的缺陷。是指铸坯的一对角小于90°，另一对角大于90°；两对角线长度之差称为脱方量。

应对菱变的措施 ：

（1）选用合适锥度的结晶器

（2）结晶器最好用软水冷却

（3）保持结晶器内腔正方形，以使凝固坯壳为规正正的形状

（4）结晶器以下的600mm距离要严格对弧；并确保二冷区的均匀冷却

（5）控制好钢液成分

（三）圆铸坯变形

圆坯变形成椭圆形或不规则多边形。圆坯直径越大，变成随圆的倾向越严重。形成椭圆变形的原因有：

（1）圆形结晶器内腔变形

（2）二冷区冷却不均匀

（3）连铸机下部对弧不准

（4）拉矫辊的夹紧力调整不当，过分压下

可采取相应措施：

（1）及时更换变形的结晶器

（2）连铸机要严格对弧

（3）二冷区均匀冷却

（4）可适当降低拉速

（四）夹杂物的控制

提高钢纯净度的措施：

（1）无渣出钢

（2）选择合适的精炼处理方式

（3）采用无氧化浇注技术

（4）充分发挥中间罐冶金净化器的作用

（5）选用优质耐火材料

（6）充分发挥结晶器的作用

（7） 采用电磁搅拌技术，控制注流运动

（五）中间包冶金

当前对钢产品质量的要求变得更加严格。中间包不仅仅只是生产中的一个容器，而且在纯净钢的生产中发挥着重要作用。

70年代认识到改变中间包形状和加大中间包容积可以达到延长钢液的停留时间，提高夹杂物去除率的目的；安装挡渣墙，控制钢液的流动，实现夹杂物有效碰撞、长大和上浮。80年代发明了多孔导流挡墙和中间包过滤器。

在防止钢水被污染的技术开发中，最近已有实质性的进展。借助先进的中间包设计和操作如中间包加热，热周转操作，惰性气氛喷吹，预熔型中间包渣，活性钙内壁，中间包喂丝，以及中间包夹杂物行为的数学模拟等，中间包在纯净钢生产中的作用体现得越来越重要。

在现代连铸的应用和发展过程中，中间包的作用显得越来越重要，其内涵在被不断扩大，从而形成一个独特的领域——中间包冶金。

中间包冶金的最新技术：

（1）H型中间包

（2）离心流中间包

（3）中间包吹氩

（4）去夹杂的陶瓷过滤器

（5）电磁流控制

图18 H型中间包

连铸检测和控制九大技术

连铸的特点之一是易于实现自动化。实行自动化的目的在于改善操作人员的工作环境，减轻劳动强度，减少人为因素对生产过程的干扰，保证连铸生产和铸坯质量的稳定，优化生产过程和生产计划，从而降低成本。自上世纪80年代以来，冶金自动化装备技术的可靠性、实用性、可操作性和可维护性都得到极大的改善，不断提高的性能价格比使冶金自动化装备技术得到快速推广应用。目前，连铸自动化系统基本上包括信息级、生产管理级、过程控制级和设备控制级。信息级的主要功能是搜集、统计生产数据供管理人员研究和作出决策；生产管理级主要是对生产计划进行管理和实施，指挥过程计算机执行生产任务；过程控制级接收设备控制级提供的各类数据和设备状态，指导和优化设备控制过程；设备控制级指挥现场的各种设备(如塞棒、滑动水口、拉矫机、切割设备等)按照工艺要求完成相应的生产操作。其中，设备控制级和过程控制级自动化最为关键，直接关系到连铸机生产是否顺畅和连铸坯的质量。目前，在国内外连铸机上已成功应用的检测和控制的自动化技术主要包括以下几种：

1．钢流夹渣检测技术

当大包到中间包的长水口或中间 包到结晶器的浸入式水口中央带渣子时，表明大包或

中间包中的钢水即将浇完，需尽快关闭水口，否则钢渣会进入中间包或结晶器中。目前，常用的夹渣检测装置有光导纤维式和电磁感应式。检测装置可与塞棒或滑动水口的控制装置形成闭环控制，当检测到下渣信号自动关闭水口，防止渣子进入中间包或结晶器。

2．中间包连续测温

测定中间包内钢水温度的传统方法是操作人员将快速测温热电偶插人中间包钢液中，由二次仪表显示温度。热电偶为一次性使用，一般每炉测温3至5次。如果采用中间包加热技术，加热过程中需随时监测中间包内钢液温度，则连续测温装置更是必不可少。目前，比较常用的中间包连续测温装置是使用带有保护套管的热电偶，保护套管的作用是避免热电偶与钢液接触。热电偶式连续测温的原理较为简单，关键的问题是如何提高保护套管的使用寿命和缩短响应时间。国外较为成熟的中间包连续测温装置的保护套管的使用寿命可达几百小时。国内有少量连铸机采用国产的中间包连续测温装置，使用性能基本满足中间包测温要求。

3．结晶器液面检测与自动控制

结晶器液面波动会使保护渣卷入钢液中，引起铸坯的质量问题，严重时导致漏钢或溢钢。结晶器液面检测主要有同位素式、电磁式、电涡流式、激光式、热电偶式、超声波式、工业电视法等。其中，同位素式液面检测技术最为成熟、可靠，在生产中采用较多。液面自动控制的方式大致可分为三种类型：一是通过控制塞棒升降高度来调节流入结晶器内钢液流量；二是通过控制拉坯速度使结晶器内钢水量保持恒定；三是前两种构成的复合型。

4．结晶器热流监测与漏钢预报技术

在连铸生产中，漏钢是一种灾难性的事故，不仅使连铸生产中断，增加维修工作量，而且常常损坏机械设备。粘结漏钢是连铸中出现最为频繁的一种漏钢事故。为了预报由粘结引起的漏钢，国内外根据粘结漏钢形成机理开发了漏钢预报装置。当出现粘结性漏钢时，粘结处铜板的温度升高。根据这一特点，在结晶器铜板上安装几排热电偶，将热电偶测得的温度值输入计算机中，计算机根据有关的工艺参数按一定的逻辑进行处理，对漏钢进行预报。根据漏钢的危险程度不同，可采取降低拉速或暂时停浇的措施，待漏钢危险消除后恢复正常拉速。采用热流监测与漏钢预报系统可大大降低漏钢频率。比利时的Sidmar钢厂板坯连铸机自1991年安装了结晶器热流监测与漏钢预报系统后，粘结漏钢由每年的14次降低为1次。此外，热流监测系统还能够根据结晶器内热流状况预报纵裂发生的可能性以及发生的位置。同时，因为保护渣的性能影响结晶器的热流，故热流监测系统所收集的热流数据可用来比较保护渣的性能，为选择合适的保护渣提供依据。

5．二冷水自动控制

同一台连铸机在开浇、浇铸不同钢种以及拉速变化时需要及时对二冷水量进行适当调整。早期连铸采用手动调节阀门来改变二冷水量，人为因素影响很大，在改变拉速时往往来不及调整，造成铸坯冷却不均匀。二冷水的自动控制方法主要可分为静态控制法和动态控制法两类。静态控制法一般是利用数学模型，根据所浇铸的断面、钢种、拉速、过热度等连铸工艺条件计算冷却水量，将计算的二冷水数据表存入计算机中，在生产工艺条件变化时计算机按

存入的数据找出合适的二冷水控制量，调整二冷强度。静态控制法是目前广泛采用的二冷水控制方法，在稳定生产时基本能够满足要求。根据二冷区铸坯的实际情况及时改变二冷水的控制方法为动态控制。目前能够测得的铸坯温度仅为表面温度，如果能够准确测得铸坯的表面温度，则可根据表面温度对二冷水及时调整。但是，铸坯表面覆盖的一层氧化铁皮、水膜以及二冷区存在的大量水蒸气严重影响测量结果的准确性。因此，在实际生产中根据实测的铸坯表面温度进行动态控制的方法很少被采用。比较可行的方法是进行温度推算控制法。温度推算控制法的思路是将铸坯整个长度分成许多小段，根据铸坯凝固传热数学模型每隔一定时间(例如20秒)计算出每一小段的温度，然后与预先设定的铸坯所要求的最佳温度相比较，根据比较结果给出最合适的冷却水量。在二十世纪80年代中后期，欧洲、日本以及美国的一些先进的连铸机已逐步采用二冷动态控制系统。我国现有的大部分铸机采用静态控制法控制二冷水量，引进的现代化板坯连铸机、薄板坯连铸机等一般采用温度推算动态控制法进行二冷水的调节。

6．铸坯表面缺陷自动检测

连铸坯的表面缺陷直接影响轧制成品的表面质量，热装热送或直接轧制工艺要求铸坯进加热炉或均热炉必须无缺陷。因此，必须进行表面质量在线检测，将有缺陷的铸坯筛选出来进一步清理，缺陷严重的要判废。目前，比较成熟的检测方法有光学检测法和涡流检测法。光学检测法是用摄像机获取铸坯表面的图像，图像经过处理后，去掉振痕及凹凸不平等信号，只留下裂纹信号在显示器上显示，经缩小比例后在打印机上打印出图形，打印纸的速度与铸坯同步。操作人员观察打印结果对铸坯表面质量做出判断，决定切割尺寸并决定是否可直接热送。当裂纹大于预定值时，应调整切割长度，将该部分切除，尽可能增加收得率。涡流检测法利用铸坯有缺陷部位的电导率和磁导率产生变化的原理来检测铸坯的表面缺陷。

7．铸坯质量跟踪与判定

铸坯质量跟踪与判定系统是对所有可能影响铸坯质量的大量工艺参数进行收集与整理，得到不同钢种、不同质量要求的各种产品的工艺数据的合理控制范围，将这些参数编制成数学模型存入计算机中。生产时计算机对浇铸过程的有关参数进行跟踪，根据一定的规则(即从生产实践中总结归纳出来的工艺参数与质量的关系)给出铸坯的质量指标，与生产要求的合理范围进行对比，给出产品质量等级。在铸坯被切割时，可以在铸机上打出标记，操作人员可以根据这些信息对铸坯进一步处理。

8．动态轻压下控制

轻压下是在线改变铸坯厚度、提高内部质量的有效手段，主要用于现代化的薄板坯连铸中。带轻压下功能的扇形段的压下过程由液压缸来完成，对液压缸的控制非常复杂，需要计算机根据钢种、拉速、浇铸温度、二冷强度等工艺参数计算出最佳的压下位置以及每个液压缸开始压下的时间、压下的速度。目前，国内薄板坯连铸机动态轻压下的设备及控制系统均全套引进。

总体上讲，我国的连铸自动化水平与欧、美、日等发达国家相比还相当落后。发达国家的连铸机正朝着全自动、智能化、无人浇铸的方向发展。连铸机的操作人员越来越少。例如，奥钢联林茨厂1997年投产的年产量为120万吨的单流板坯连铸机只有5名操作人员(同类铸

机为9人)和两个操作站(一般为5个)。开浇、钢包和保护渣等操作、温度测量、机械手取样、缺陷分析、结晶器液面控制、中间包浸入式水口的更换、漏钢预报、火焰切割、打印标记机的操作等所有运行区域的操作都自动运行。国内除了少数引进和近年来新建的连铸机自动化水平较高以外，其它连铸机基本靠常规仪表和一般电气设备进行控制，计算机控制的项目较少，很多靠手动控制。从普及的程度来看，二冷自动配水已为国内大多数铸机所采用，其次为结晶器液面检测与自动控制。近年来，已有少数连铸机采用中间包连续测温技术，但其它如钢流夹渣检测、结晶器热流监测与漏钢预报、铸坯表面缺陷自动检测、铸坯质量跟踪与判定系统等则很少被采用。从总体趋势看，连铸机的产量越来越高，铸坯质量也越来越好，但连铸机的操作人员却越来越少，这是实现自动化控制的必然结果。因此，如何提高连铸机的自动化水平是摆在国内钢铁企业面前的一个不容忽视的问题。

9 . 多流连铸(mutli-strand continuous casting)

在一台连铸机上同时浇铸两流以上铸坯的连续铸钢工艺。也称组合连铸。它是进步单台连铸机生产能力的一种办法，便于与大容量炼钢炉匹配。多流连铸可分为一机多流和多机多流两种。

多机多流连铸指在一台连铸机上利用为每流单独设置的结晶器振动装置和拉矫机等同时生产多流铸坯。3机3流到8机8流的连铸机应用较广泛。它们生产着全世界尽大部分方、圆连铸坯。生产时如多流中的一、两流因故停浇，一般仍可继续把一罐钢水浇完。多机多流连铸机采用长中间罐，中间罐上设有与流数相同的多个水口，以便同时向各流结晶器注进钢水。钢水在长中间罐内流经间隔较长，温度损失和各流之间的温差较大，最外侧水口处钢水温度偏低，易于堵塞；流数越多、中间罐越长，此情况愈甚。实践中采用了限制中间罐长度(8流的铸机采用双中间罐)，中间罐内形公道化、设置中间罐挡渣墙，调节钢水的流向，使各流钢水温度基本一致，以及加强中间罐内钢水保温顺内衬尽热等措旌，可解决这些弊病。

一机多流连铸指在一台连铸机上利用一套结晶器振动装置和一台拉矫装置同时生产多流铸坯。一机多流连铸机可采用隔板把一个结晶器分隔成可同时浇注多流铸坯，也可放置多个结晶器。浇铸时各流结晶器钢水液面高度要保持一致，假如其中一流因故停浇，可能影响其他各流的正常浇铸。实践中一机多流连铸最多采用4流。这类铸机的生产能力和效率局限性颇大，在世界范围应用未几。

连铸机故障在线诊断系统

该系统通过PLC采集现场生产数据，作为故障判断和定位的基础，上位机对采集的数据进行处理，判断现场各设备工作状态，状态的正误以不同的形式在项目画面上显示出来。

1 概述

该系统通过工业以太网实现上位监控机和可编程控制器PLC通讯和数据交换，上位机从PLC采集现场生产数据，作为故障判断和定位的基础，在上位机上以工业监控软件作平

台，制作适宜于项目的画面，上位机对采集的数据进行处理，判断现场各设备工作状态，状态的正误以不同的形式在项目画面上显示出来。

2 系统配置

系统是基于WINDOWS NT SEVER 4.0操作系统和RSVIEW32工业监控软件为平台进行开发的。系统硬件采用IPC 610 研华工控机，主频800HZ，40G硬盘。系统不另配主机，与原监控画面并行运行，系统同时在4台监控机上运行，与原MMI由身份识别程序进行窗口切换。采用工业以太网，将现场5套AB 5/40E 工业控制器PLC和四台上位监控机进行连接，实现数据通讯。在该系统中，以四套AB PLC-5/40E作为主控制器，分别用于连铸机的公用系统及三套铸流系统的自动控制。共25台变频器则各自作为远程站与PLC进行通讯：其启动、停止、调速等指令均由PLC以数据通讯形式下达给变频器，同时变频器的各种状态数据以同样形式反馈给PLC。用于公用控制的PLC系统中，主机架通过CPU外挂5个扩展机架，2块远程输入/输出模板（RIO）及4台变频器。用于铸流控制的三套PLC系统的配置完全相同，均是：主机架通过CPU外挂2个扩展机架，3块RIO及7台变频器。

硬件和网络配置图（图1）

3 软件开发

软件采用模块化结构，由通讯与数据采集模块、数据处理与故障判断模块、身份识别模块、操作跟踪模块、故障模拟模块。见软件结构图（图2）。

4 系统和应用软件

2.3.1 PLC应用程序

包括大包回转台旋转及升降，大包称重、测温，中间罐车行走和升降，中包称重和中包液位控制，结晶器液面控制及振动，二冷段汽雾冷却，拉矫机及压下控制，辊道控制，铸坯跟踪、液压润滑系统，定尺切割及铸坯打印等程序。其自动化控制程度高,安全措施连锁多。

2.3.2 HMI画面软件

根据工艺要求，设有主菜单、铸流概貌、出坯概貌、拉矫机、结晶器液面、结晶器调宽和振动、大包/中包称重、液压系统、驱动装置运行状态，PLC状态、事故停车状态等近40幅画面。操作人员通过对HMI的监控，可以实时观察到设备的运行状况。及时发现处理设备出现的各种事故和隐患。

2.3.3仪控系统

仪控系统全部通过Profibus-PA现场总线方式完成检测与控制。Profibus是国际现场总线标准IEC61158的8个子集之一，其通信模型为7层结构，协议包括3种规格：Profibus-FMS、Profibus-DP、Profibus-PA。其中Profibus-FMS属于系统总线，主要应用于车间级网络监控，物理结构为RS485，传输速率为9.6kb/s~12Mb/s。Profibus-DP属于设备总线，主要应用于复杂现场设备和分布式I/O，物理结构为RS-485，传输速率为9.6kb/s~12Mb/s。Profibus-PA也属于设备总线，主要应用于两线制供电和本安的过程控制仪表，传输速率为31.25kb/s，它在保持DP传输协议的同时，增加了对现场仪表的馈电功能，执行标准是IEC61158-2。

水平连铸技术简介

水平连铸是国际上70 年代后期发展起来的新技术,它与常规的立式和弧形连铸相比有许多优点.水平连铸机的设备比弧形连铸机轻高度低可在旧有厂房内安装,从而大量节约工程造价特别适合于小钢铁厂的技术改造。

由于水平连铸的结晶器成水平布置,钢水在结晶器内的静压力低避免了铸坯鼓肚,水平连铸的中间罐和结晶器之间是密封连接的有效地防止了钢流二次氧化;铸坯清洁度高其夹杂含量一般仅为弧形坯的1/8 ~1/16,故铸坯质量好,利于浇含易氧化元素的合金钢等钢种和小断面优质钢坯铸坯;水平连铸不需矫直,所以可浇注弧形连铸机不能浇注的裂纹敏感的特殊钢种。

水平连铸机几乎可以连铸所有的特殊钢高合金钢和非铁基合金.目前发展水平连铸机的三大关键技术:即分离环、结晶器和拉坯机构已得到解决,影响水平连铸坯质量的拉程冷隔缺陷和夹杂物聚集在上表面附近的问题,中心疏松、中心偏析等这些缺陷与立式、弧形连铸机相比并不严重。现有的技术措施（中间包加热控制钢水温度、结晶器及二冷段电磁搅拌、结晶器及二冷段的控制冷却技术等）已能减轻这些缺陷对水平铸坯的危害。为此水平连铸机很早就受到了国内有关方面的重视。国内已有许多钢厂用水平连铸机生产圆管坯、方坯、矩形坯等。水平连铸机继立式立弯式和弧形连铸机之后即将成为第四代连铸机而广泛发展起来，因此有资料称它是连铸机的未来。

变频调速在水平连铸机拉坯辊速度控制中的应用

1.水平连铸机拉坯辊速度控制系统

1.1电液伺服调速系统

液压传动曾是连铸生产中拉坯装置的主要驱动方式，水平连铸机拉坯辊速度控制系统原来也采用电液伺服阀调速系统，其组成如图1所示：

图1电液伺服阀调速系统

电液伺服阀调速系统的主要优点是抗负载扰动能力强，其动、静态性能也基本能满足当时连铸生产的需要，但是液压伺服驱动也存在一些固有的不足之处，主要有:

Ⅰ 由于液压油泄漏和可压缩性等原因造成液压传动不能保证严格的传动比；

Ⅱ 液压传动对油温比较敏感，调速系统稳定性易受温度影响；

Ⅲ 为了减少泄漏，液压元件制造加工精度要求高，因而造价较贵。

此外，维护工作量大，出了故障检修较复杂，这些因素都直接影响了连铸生产铸坯产量和质量的提高，限制了生产规模的扩大，随着作业时间的增长，已难以满足生产的需要。

1.2 交流变频调速系统

随着电力电子技术和控制技术的发展，交流电机变频调速技术日益成熟，交流变频驱动调速平稳，调速范围宽，对机械冲击低，电动机维护量大大降低，交流变频调速性能也已接近或达到直流调速水平，能够满足拉坯辊速度控制的需要，因此，采用交流变频驱动取代了原来的电液伺服驱动方式，交流变频拉坯辊速度控制系统如图2所示：

图2变频调速系统

该系列变频器具有频率控制、矢量控制和伺服控制等多种控制方式。考虑到拉坯辊电动机频繁启动、停止和正反转，应用中选择矢量控制方式，这一方式采用空间磁场定向控制，在1：10的调速范围内不需要速度实际值的反馈，就能实现高精度的速度和转矩控制，完全可以满足拉坯速度控制的要求。

2.速度控制方式

连铸机拉坯辊速度有按照速度曲线自动调速和手动点动调速两种方式，前者用于正常拉坯时的速度控制，后者用于进行送引锭杆操作。

2.1速度自动控制

连铸生产过程中，要求拉坯辊速度严格按照工艺要求变化，要求的拉坯辊每次拉坯动作速度曲线如图3所示：

图3拉坯辊速度曲线

图中T1=T2=T3=T4=T5=T6，拉程范围：0-60mm/次，推程范围：0-10mm/次，拉坯频率范围：50-200次/分，工艺要求三个参数可任意修改（拉坯生产前设定和生产过程中在线修改）。最大瞬时速度≦20米/分，最大平均拉速≦5米/分。另外，拉坯辊周长为1米，机械减速箱减速比为29：1。

速度曲线由速度信号给定装置产生，为了提高控制可靠性，分别设计了以PC微型机和单片微型计算机为核心的两套速度信号给定装置，将要求的速度曲线存于存储器中，运行时，程序采用查表方法输出要求的速度曲线，对速度曲线参数也可在线修改。

2.2手动点动速度控制

手动点动时，速度给定信号由系统中整流板引出10VDC作为速度给定电压，该电压通过一个电位器调节后输出，从而可以改变点动速度值，达到手动调速的目的。手动速度给定电路如图4所示：

图4手动点动速度给定电路

图中还示出了自动调速速度给定和手动调速给定信号的互锁电路，K01、K02是用于自动和手动给定切换的继电器触点，SA01是自动/手动选择开关。

变频器的一个模拟输入通道用于频率设定输入，接收速度给定信号，控制输出频率，调节拉坯辊电机转速。