H型鋼坯連續(xù)鑄造工藝概況及發(fā)展現(xiàn)狀

阮 飛，劉智宇，馬 婕，馮孔方，白 亮，劉卓承

（1.內(nèi)蒙古科技大學(xué)，內(nèi)蒙古包頭 014010；2.天津鋼管集團，天津 300301；3.上海大學(xué)，上海 200072）

H型鋼坯連續(xù)鑄造工藝概況及發(fā)展現(xiàn)狀

阮 飛1，劉智宇2，馬 婕3，馮孔方3，白 亮3，劉卓承1

（1.內(nèi)蒙古科技大學(xué)，內(nèi)蒙古包頭 014010；2.天津鋼管集團，天津 300301；3.上海大學(xué)，上海 200072）

闡述了H型鋼坯連鑄技術(shù)，介紹了H型鋼坯連鑄關(guān)鍵設(shè)備及技術(shù)，總結(jié)了H型鋼坯連鑄主要工藝特點，概括了國內(nèi)外H型鋼坯連鑄技術(shù)發(fā)展歷程及現(xiàn)狀，分析了H型鑄坯存在的質(zhì)量缺陷及影響因素，并提出了改善鑄坯質(zhì)量的措施，為H型鋼坯連鑄領(lǐng)域科研及生產(chǎn)提供參考。

H型鋼坯；連鑄設(shè)備；連鑄工藝；質(zhì)量缺陷；發(fā)展現(xiàn)狀

H型鋼是一種重要的型材，具有截面模數(shù)大、重量輕、斷面金屬分配合理等優(yōu)點。相同載荷下，比工字鋼節(jié)約金屬15%～20%，可使建筑減輕30%～40?%，橋梁減重10%～20%，具有普通鋼材無法比擬的優(yōu)良性能［1］，廣泛用于經(jīng)濟建設(shè)各個領(lǐng)域，發(fā)展前景非常廣闊［2］。

H型鋼依據(jù)生產(chǎn)工藝不同可分為焊接H型鋼和軋制H型鋼兩大類，前者利用連續(xù)式焊機將一定尺寸的帶鋼相互焊接組合而成；后者則是由H型鑄坯直接軋制成型。相比之下，前者具有金屬消耗大、經(jīng)濟效益低、產(chǎn)品穩(wěn)定性差等缺點，因此，目前H型鋼生產(chǎn)以軋制方式為主。

早期的軋制H型鋼生產(chǎn)一般以板坯和矩形坯為原料［3］，經(jīng)均熱、開坯和多道次的軋制最終成型，工序能耗高，生產(chǎn)效率低。而H型坯連鑄技術(shù)的出現(xiàn)使得軋制H型鋼生產(chǎn)技術(shù)發(fā)生了質(zhì)的飛躍［4，19］。

1　 H型坯連鑄技術(shù)概述

1.1?H型坯連鑄技術(shù)簡介

H型鑄坯斷面形狀如圖1所示，因其斷面與H型鋼十分接近，以該鑄坯軋制H型鋼能夠顯著降低能耗、縮短軋制周期，降低成本［5］，是軋制H型鋼最理想的坯料。

圖1　H型坯橫斷面示意圖

H型坯連鑄工藝流程與傳統(tǒng)連鑄大致相近，但由于其斷面形狀特殊，工藝設(shè)備又有其獨特之處。

1.2?H型坯連鑄關(guān)鍵設(shè)備及技術(shù)

1）中間包

常見的H型坯連鑄中間包有矩形、T型、近似T型等類型，典型結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　H型坯中間包典型結(jié)構(gòu)

為滿足較大斷面H型坯采用雙水口澆鑄的需要，H型坯中間包每流一般均設(shè)置2支水口，為合理控制流場，促進夾雜物上浮，包內(nèi)多設(shè)置抑湍器、導(dǎo)流墻等控流裝置。

2）澆鑄方式

H型坯澆鑄方式包括半敞開式澆鑄和保護澆鑄兩類，半敞開式澆鑄主要通過中間包定徑水口及保護套管實現(xiàn)，如圖3所示。

圖3　敞開澆鑄示意圖

保護澆鑄主要通過浸入式水口實現(xiàn)，水口種類及布置方式較多，基本水口類型包括直筒型、雙側(cè)孔型及三側(cè)孔型水口等，如圖4所示。

圖4　浸入式水口結(jié)構(gòu)示意圖

其中直筒水口結(jié)構(gòu)簡單，易于加工，但沖擊深度大，夾雜物上浮去除困難；雙側(cè)孔水口能克服上述缺點，且可通過改變側(cè)孔有效控制流場，應(yīng)用較廣；三側(cè)孔水口是針對H型坯斷面形狀特點開發(fā)的，使用效果較好，但壽命低。

而實際生產(chǎn)中依據(jù)水口類型及空間布置方式不同可分為以下幾種情況，如圖5所示［6］。

圖5　水口空間布置示意圖

（1）一支水口置于腹板中心

有兩種情況。直筒型水口一般用于腹板較厚且寬度較小鑄坯，包鋼BB1斷面采用該方式；雙側(cè)孔水口用于腹板較厚且寬度較大鑄坯，如圖5（a）所示。

（2）一支水口置于翼緣三角區(qū)

分為四種情況。開有三個側(cè)孔的直筒水口和普通的三側(cè)孔水口在鑄坯斷面尺寸較大，且為避免使用雙水口帶來的控制難度時采用，其中馬鋼采用后者；開有一個側(cè)孔的直筒型水口一般用于鑄坯寬窄面長度比值較大的情況；普通直筒水口一般用于鑄坯斷面尺寸較小的情況，但實際使用中存在對側(cè)翼緣鋼液更新速率低等問題，使用較少，如圖5（b）所示。

（3）兩支水口置于翼緣三角區(qū)

有兩種情況。兩支水口均為直筒型水口或三側(cè)孔水口，一般適用于鑄坯斷面尺寸較大的情況，使用雙水口不便于安裝塞棒，但實際澆鑄效果較好，特別鑄坯腹板較寬情況下，包鋼和津西均采用該方式，如圖5（c）所示。

上述幾種布置方式中，5（a）和5（c）布置方式最常用，小斷面一般采用前者，而大斷面則多采用后者。

3）結(jié)晶器

H型坯結(jié)晶器結(jié)構(gòu)經(jīng)歷了多個發(fā)展階段才逐漸形成當(dāng)今的設(shè)計理念［7］。在H型坯結(jié)晶器設(shè)計方面，一般小斷面采用管式結(jié)晶器，大斷面采用組合板式結(jié)晶器，其典型結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6　板式結(jié)晶器結(jié)構(gòu)示意圖

組合板式結(jié)晶器由內(nèi)（外）弧銅板和兩窄邊銅板組成，銅板材質(zhì)為高硬度和導(dǎo)熱性的DHP合金、鉻鋯銅合金及銅銀合金等，表面鍍鉻。銅板厚度一般考慮修磨消耗留有余量。為降低凝固收縮引起坯殼與結(jié)晶器間氣隙，結(jié)晶器倒錐度一般取0.7～1.2?mm/m［8］。由于內(nèi)外弧銅板各處厚度不同，較厚處一般采用水孔冷卻，冷卻水流速為8～10?m/s?，其他部位采用水縫式冷卻，水縫寬度4?mm左右，冷卻水流速為6～12?m/s。各銅板單獨做水路，國內(nèi)馬鋼和包鋼均為此結(jié)構(gòu)［9］。

4）吹水器

由于H型坯內(nèi)外弧側(cè)表面呈凹槽狀，為防止二冷區(qū)噴淋的霧化水來不及蒸發(fā)，在鑄坯凹槽處聚集造成局部過冷，惡化鑄坯質(zhì)量，吹水設(shè)備應(yīng)運而生，吹水器利用壓縮空氣吹走鑄坯表面殘水，一般安裝在二冷Ⅱ段尾端和導(dǎo)向段的尾端，為H型坯連鑄所特有的設(shè)備。

5）二冷區(qū)

由于H型坯截面各點散熱差異較大，凝固鑄坯所受應(yīng)力復(fù)雜，極易導(dǎo)致鼓肚等缺陷的產(chǎn)生，故二冷區(qū)夾輥的布置方式有別于傳統(tǒng)連鑄，如圖7所示。

圖7　二冷各段夾輥布置示意圖

二冷區(qū)上部（見圖7-a），凝固坯殼較薄，在腹板兩側(cè)、翼緣端面及窄面均需布置夾輥；二冷中部?（見圖7-b），翼板已凝固而腹板及翼緣三角區(qū)尚未完全凝固，故需在腹板兩側(cè)和翼緣端面分別布置夾輥；而在二冷下部（見圖7-c），腹板已完全凝固，翼緣等處也基本凝固，只在寬面兩側(cè)布置導(dǎo)向輥。

1.3H型坯連鑄主要工藝特點

H型坯連鑄工藝過程復(fù)雜，與傳統(tǒng)連鑄存在諸多差異，其主要工藝特點概括如下：

（1）鑄坯表面積大，散熱條件好，二冷區(qū)完全凝固，冶金長度短，矯直為固相矯直，矯直許用應(yīng)力大，矯直形狀變化較大［10］。

（2）鑄坯斷面形狀復(fù)雜，斷面各點散熱差異較大，鑄坯初生坯殼厚度均勻性較差，鑄坯內(nèi)部所受應(yīng)力狀況復(fù)雜。

（3）對鋼液質(zhì)量要求高，工藝過程控制難度大，產(chǎn)品缺陷率較高，成材率低較［11］。

（4）澆鑄方式可分為單水口澆鑄和雙水口澆鑄，保護澆鑄和敞開澆鑄等，澆鑄工藝靈活，多種澆鑄方式并存。

（5）二冷夾輥布置工藝復(fù)雜，布置方式特殊，二冷各段布置方式差別較大。

（6）支持多種斷面互換，利于實現(xiàn)產(chǎn)品多樣化。

（7）組成設(shè)備復(fù)雜、自動化程度高、控制檢測技術(shù)先進，但一次性投資大。

2　H型坯連鑄發(fā)展歷程及現(xiàn)狀

世界上第一臺H型坯鑄機誕生于20世紀的加拿大，1964年加拿大阿爾戈瑪公司和英國鋼鐵研究協(xié)會合作，在謝菲爾德進行H型坯連鑄研究取得成功，隨后在加拿大建造了二流H型坯鑄機，于1968年正式投產(chǎn)，可生產(chǎn)5種斷面的鑄坯。

1973年日本川崎鋼鐵公司聯(lián)合西馬克-德馬克及住友重工在水島建成了一臺H型坯/大方坯鑄機，成為世界上第二臺H型坯鑄機。

20世紀80年代以后，隨著H型坯連鑄技術(shù)的日趨成熟，韓國及歐美各國也相繼建成現(xiàn)代化H型坯連鑄機，世界范圍內(nèi)部分代表性H型坯生產(chǎn)企業(yè)及其投產(chǎn)時間如表1所示。

表1　世界上代表性H型坯生產(chǎn)企業(yè)

目前，世界上大約有20多個國家或地區(qū)擁有H型鑄坯連鑄技術(shù)，未來將會有更多的企業(yè)投產(chǎn)H型鑄坯鑄機，也有部分國家如韓國近年在原有基礎(chǔ)上擴大規(guī)模，所以未來H型鑄坯連鑄技術(shù)必將面臨激烈的競爭。

我國大陸H型坯連鑄技術(shù)起步較晚，大致發(fā)展歷程如下［12，13］。

1998年，馬鋼委托西馬克-德馬克設(shè)計建成了大陸的第一臺H型坯連鑄機，并首次成功使用浸入式水口保護澆注。

2005年11月，國內(nèi)第二臺鑄機在萊鋼投產(chǎn)，可生產(chǎn)當(dāng)時國內(nèi)最大斷面，關(guān)鍵設(shè)備由奧鋼聯(lián)引進，部分設(shè)備國內(nèi)配套。

2006年4月，河北津西三機三流H型坯鑄機正式投產(chǎn)，由奧鋼聯(lián)與中冶賽迪合作設(shè)計和建設(shè)。至此，馬鋼、萊鋼和津西三家企業(yè)在國內(nèi)該領(lǐng)域形成三足鼎立態(tài)勢。

2007年3月，由武漢大西洋公司研發(fā)的國內(nèi)首臺具有自主知識產(chǎn)權(quán)的四機四流H型坯鑄機在山西長治鋼鐵集團投產(chǎn)，結(jié)束了依賴國外技術(shù)建造H型坯鑄機的時代。

2010年，唐山鋼鐵公司委托中冶設(shè)計并建造大陸第五臺H型坯連鑄機。

2012年8月，由中冶賽迪設(shè)計的首臺全國產(chǎn)化矩型/H型坯鑄機在唐鋼中厚板公司熱試成功。

2012年12月，包鋼三機三流H型坯鑄機正式投產(chǎn)，設(shè)計年產(chǎn)量100萬噸，能夠生產(chǎn)目前世界上最大斷面H型坯［14］。

近年來，國內(nèi)先后投產(chǎn)了多臺H型坯連鑄機，其中具有代表性企業(yè)及主要設(shè)備參數(shù)如表2所示。

近年來，國內(nèi)H型坯生產(chǎn)和應(yīng)用取得了長足的發(fā)展，但就鑄坯質(zhì)量方面與先進水平依然存在差距。

3　鑄坯主要缺陷及影響因素

H型坯缺陷包括凹坑、裂紋、氣孔、夾雜、重皮、掉肉等［15］，裂紋缺陷尤為突出，一般為腹板和翼根角處表面縱裂紋、腹板內(nèi)部中心裂紋及翼板內(nèi)部裂紋等［16］，特別是腹板表面縱裂紋一直是困擾實際生產(chǎn)的技術(shù)難題。而研究及實踐表明，影響H型坯質(zhì)量主要因素可歸納如下：

（1）鋼液質(zhì)量

①C含量的影響

H型坯鋼種碳含量大多處于裂紋敏感區(qū)。鑄坯凝固中發(fā)生相變，引起較大的體積收縮，造成坯殼與結(jié)晶器內(nèi)壁氣隙增大，導(dǎo)熱變差，柱狀晶比率上升，鑄坯塑性降低，裂紋加劇。故應(yīng)分鋼種制定相應(yīng)C含量內(nèi)控指標，C含量按中上限控制，以避開裂紋敏感區(qū)。

表2　國內(nèi)代表性企業(yè)H型坯鑄機設(shè)備

②Mn/S的影響

S是鋼中裂紋敏感性元素，鑄坯凝固時S的低熔點化合物在晶界富集，顯著降低鋼的強度及塑韌性。而由于Mn可有效降低S的危害，故提高鋼中Mn/S至25以上，可降低裂紋率［17］。

③Mn/Si的影響

Mn/Si影響鋼的可澆性，?H型坯連鑄一般應(yīng)保證Mn/Si＞2.5，以降低脫氧產(chǎn)物SiO2濃度，并得到液態(tài)硅酸錳脫氧產(chǎn)物，保證鋼液的流動性和可澆性。

④合金元素的影響

微合金鋼中Nb、V?、Ti、B等與碳、氮易形成高熔點化合物，冷卻過程中，沿奧氏體晶界析出，鑄坯塑性變差，容易開裂，此類元素應(yīng)制定相應(yīng)成分內(nèi)控指標。

⑤脫氧狀況的影響

鋼中氧含量主要與脫氧狀況有關(guān)，氧含量對鑄坯質(zhì)量產(chǎn)生不利影響，并能夠加劇S的危害，故應(yīng)嚴格限制，可通過改進轉(zhuǎn)爐脫氧工藝改善，如采用Si-Ca-Ba等復(fù)合脫氧。

⑥殘留元素的影響

鋼中Cu、Sn、As、Sb等殘留元素屬于裂紋敏感元素，控制不當(dāng)易造成鑄坯開裂，其中Cu、Sn影響較大，殘留元素控制主要從廢鋼質(zhì)量入手。

⑦鋼液過熱度的影響

鋼液過熱度是決定鑄坯質(zhì)量好壞的關(guān)鍵，過熱度太小，鋼液無法正常澆鑄；過熱度太大，容易加劇鋼液的吸氣氧化、鑄坯柱狀晶過度發(fā)達、中心偏析、縮孔及疏松加重。應(yīng)嚴格控制鋼液過熱度在10～30?℃范圍內(nèi)。

（2）結(jié)晶器保護渣

保護渣的理化特性對鑄坯質(zhì)量影響較大，?H型坯保護渣應(yīng)具有適當(dāng)?shù)娜埸c和熔速、適宜的的流動性、合理的成分及熔融結(jié)構(gòu)等，以滿足保溫、潤滑、吸收夾雜，保護鋼液，改善傳熱的要求，此外針對不同鋼種及斷面的H型坯應(yīng)選擇合適的保護渣。

（3）冷卻工藝制度

H型坯斷面復(fù)雜，冷速太大易導(dǎo)致斷面熱應(yīng)力集中，相互牽扯，引起裂紋產(chǎn)生，為盡量保證坯殼厚度均勻，避免局部坯殼過薄，結(jié)晶器進水溫度一般控制在25～30?℃。而二冷強度過大，鑄坯內(nèi)外溫差大，綜合應(yīng)力超過許用應(yīng)力，可導(dǎo)致鑄坯開裂，二冷比水量應(yīng)小于0.6?L/kg?鋼液［18］，同時應(yīng)保證配水合理。

（4）吹水器

二冷霧化噴淋水來不及蒸發(fā)，就會在內(nèi)弧面凹槽聚集，造成鑄坯局部過冷，整體冷卻不均，引起開裂，一般通過調(diào)整吹水器介質(zhì)工作壓力，吹水噴頭布置等參數(shù)來調(diào)整吹水效果，以保證鑄坯表面無明顯積水。

（5）設(shè)備狀況

結(jié)晶器倒錐度不合適、結(jié)晶器表面劃痕及鍍層脫落都會導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生，為此需制定相關(guān)制度，定期檢查結(jié)晶器，保證結(jié)晶器表面無劃痕、無銹、無鍍層脫落。

（6）人員操作水平

人員操作水平的影響尤其體現(xiàn)在鑄機對弧、對中精度及一二段足輥精度控制，如對弧及對中精度差，鑄坯所受機械應(yīng)力太大，可直接導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生。為此需保證一個澆次進行一次對弧對中，此外應(yīng)定期開展相關(guān)崗位操作人員的培訓(xùn)。

4　結(jié)語

隨著我國城市化進程加快，標志性建筑、工業(yè)廠房、體育場館、機場車站、高級賓館等建設(shè)中，鋼結(jié)構(gòu)建筑都是主流，這將為我國H型鋼的發(fā)展提供非常大的發(fā)展空間，但由于H型坯斷面復(fù)雜，控制難度大、缺陷率較高，諸多技術(shù)難題有待攻克，因此未來H型鋼的發(fā)展機遇與挑戰(zhàn)并存。

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濟南鑄鍛所與CMEC合作開發(fā)冒口錘

2015年5月28日，濟南鑄造鍛壓機械研究所有限公司在濟南舉行濟南鑄鍛所與CMEC冒口錘合作項目推進會。國機集團經(jīng)營發(fā)展部副部長白克斌，濟南鑄造鍛壓機械研究所有限公司董事長、總經(jīng)理張波，CMEC原副總經(jīng)理焦捍洲及相關(guān)負責(zé)人參加了會議。

2013年，按照國際集團領(lǐng)導(dǎo)要求，濟南鑄鍛所和CMEC認真落實出口倍增工作，合作開發(fā)具有國際先進水平、國內(nèi)空白的冒口錘產(chǎn)品。經(jīng)過一年的研發(fā)和試制，產(chǎn)品通過試車并在上海國際鑄造展上展出，引起了業(yè)界的高度關(guān)注。

冒口錘產(chǎn)品主要應(yīng)用于去除大型鑄造件產(chǎn)品的澆注冒口。在鑄造行業(yè)中，特別是大型鑄件，澆注冒口的去除一直是國內(nèi)鑄造行業(yè)的難題。傳統(tǒng)的氣割方法，不僅造成大量的材料浪費和切割表面氧化，而且還給鑄件本體帶來有害影響,尤其是高錳鋼鑄件，會破壞鑄件金相組織、產(chǎn)生裂紋。采用人工用錘子敲擊的方法，只適用較小的澆注冒口，而且效率極低，工人勞動強度很大。

為解決去除澆注冒口這一難題，濟南鑄鍛所與CMEC合作研發(fā)冒口錘。該產(chǎn)品使用壓縮空氣為動力，特殊的儲能結(jié)構(gòu)使儲存的壓縮空氣迅速釋放，工作錘瞬間獲得極大的沖擊功，能夠高效率地去除大型鑄件的澆注冒口，大大減少因澆冒口去除不當(dāng)而產(chǎn)生的補焊和廢品。該產(chǎn)品的使用將對提高我國鑄件產(chǎn)品競爭能力發(fā)揮積極的作用。

推進會上，濟南鑄鍛所冒口錘項目相關(guān)負責(zé)人介紹了項目的進展情況和需要協(xié)調(diào)解決的問題，與會人員就產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、外形、專利申請、市場等有關(guān)問題發(fā)表了意見，并就產(chǎn)品的進一步優(yōu)化完善作了深入的交流。

張波董事長表示:按照集團董事長任洪斌要求，“只有對企業(yè)進行根本性的變革，才有可能在一個新的臺階上重新開始發(fā)展”，濟南鑄鍛所將發(fā)揮科研、人才等優(yōu)勢，將合作項目做實，實現(xiàn)互利合作、雙贏發(fā)展；并以此次合作為契機，充分利用CMEC豐富的海外資源，加強海外推介，加快走出去的步伐。

國機集團經(jīng)營發(fā)展部白克斌副部長強調(diào)，冒口錘的研發(fā)成功是國機制造出口倍增的第一個內(nèi)部合作成果，他為實現(xiàn)國機制造走出去、海外再造新國機開了個好頭。他指出要以振興國家裝備制造的高度政治責(zé)任感，把冒口錘打造成為國機制造的精品。在后續(xù)的優(yōu)化過程中，要對標德國制造。集團有豐富的外貿(mào)渠道和廣闊的市場資源，有雄厚的科研實力和國家級的技術(shù)水平，集團四大板塊的相互融合是實現(xiàn)戰(zhàn)略目標的基礎(chǔ)，工貿(mào)企業(yè)與制造、研發(fā)企業(yè)間要進一步加強內(nèi)部合作的深度和廣度，取長補短、各取所需。要務(wù)實推進合作協(xié)議各項任務(wù)，加強溝通對接，使合作項目落地，以此次推進會為突破點，進一步帶動企業(yè)之間的協(xié)同合作。（濟南鑄造鍛壓機械研究所有限公司供稿）

The Process Outlines and Development situation of the H-Beam Blank Continuous Casting

RUAN?Fei1，LIU?ZhiYu2，MA?Jie3，F(xiàn)ENG?KongFang3，BAI?Liang3，LIU?ZhuoCheng1
（1.?Inner?Mongolia?University?of?Science?and?Technology，?Baotou?014010，Inner?Mongolia，?China?；?2.?Tianjin?Pipe?Group，Tianjin?300301，?China；?3.?Shanghai?University，?Shanghai?200072，?China）

-beam?blank?continuous?casting?technology?was?reviewed?in?this?paper.?The?key?equipment?and?technology?for?H-beam?blank?continuous?casting?were?introduced.?The?processing?characteristics，?the?development?process?and?current?situation?of?H-beam?blank?continuous?casting?at?home?and?abroad?were?summarized.?The?existing?quality?defects?and?its?affecting?factors?for?H-beam?blank?continuous?casting?were?analyzed，?and?some?suggestion?methods?were?given?to?improve?the?quality?of?H-beam?blank.?This?paper?may?provide?reference?for?scientifc?studies?and?productions?in?H-beam?blank?continuous?casting?area.

H-beam?blank；Continuous?casting?equipment；Continuous?casting?processing；Quality?defects；Development?situation

TG249.7：TF777；

A；

1006-9658（2015）04-0006-06

10.3969/j.issn.1006-9658.2015.04.002

內(nèi)蒙古科技大學(xué)材料與冶金學(xué)院青年人才孵化器平臺經(jīng)費支持(2014CY012)

2015-02-06

稿件編號:1502-808

阮飛(1985—)，男，講師，從事冶金過程模型及仿真研究.