以低成本制造高级钢铁产品

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以低成本制造高级钢铁产品

——新日铁自主创新的连铸技术

潘秀兰王艳红梁慧智冯士超

据美国《财富》杂志统计，1995年～2009年日本新日铁连续15年进入世界500强。按销售收入(474．79亿美元)计算，新日铁2009年排名世界500强第157位。2008年，高端产品占新日铁钢材总产量的比例接近75％。

新日铁各厂技术力量雄厚，既有专门从事科研的人民，又有长期在生产一线的技术人员。新日铁对科技投入从不吝啬，2008财年的科研投资就达到453亿日元，约占销售收入的1．7％。新日铁技术开发总部设在日本君津新区，研究所大楼设备先进，条件优厚甚至豪华。其对科技敢于投入的管理方式，是新日铁长期保持先进水平的重要原因之一。

在一些前沿技术上，新曰铁还与其他大钢铁公司联合开发。目前新日铁的传统连铸技术领先于世界，下一步发展目标是薄带连铸技术的推广和普及。新日铁的效益主要得益于其自主创新的成套技术。以连铸工序为例，从中间包、结晶器直到铸坯成型的每一环节都有创新技术。学习和借鉴新日铁自主创新的连铸技术，对低成本制造高级钢铁产品会有一定的促进作用。

中间包等离子加热

为提高生产效率、改善铸坯质量和降低能耗，新日铁开发了两代中间包等离子加热装置，第一代是单枪式加热装置——NS—Plasma I，第二代是双枪式加热装置——NS—Plasma II。

等离子加热的原理。单枪式等离子加热装置是把设置在中间包上方的等离子枪作为阴极，把埋设在中间包耐火材料内的铁板作为阳极，通过等离子放电来加热中间包内的钢水。双枪式等离子加热装置将设置在中间包上方的等离子枪分别作为阴极和阳极，在钢水表面形成等离子弧，加热中间包内的钢水。双枪式输出功率比单枪式高，不用向耐火材料内埋入阳极板和敷设电缆。

中间包等离子加热装置通过氩气输出等离子，使设置在中间包钢水上方的等离子枪或钢水表面产生等离子弧。通过控制等离子输出量，可将中间包内钢水的温度控制到最佳值，同时可最大限度地控制钢水的氧化、氮化和碳化等。采用氩气等离子加热，等离子中心部位的温度可高达10000℃以上。

选择等离子加热装置。选用哪种等离子加热形式，可根据连铸机规格等实际情况确定。如果是需要低热能的中小型(小方坯、大方坯)连铸机，由于空间所限，可使用氩气耗量和枪的消耗品更换量少的单枪式加热装置；如果是需要高热量的大中型(多流大断面大方坯、板坯等)连铸机，可选用双枪式装置。

等离子加热装置的应用效果。采用等离子加热，可以防止换包时中间包钢水温度下降。新日铁在年产120万吨的连铸机上采用双枪式等离子加热装置后，每吨钢增加效益约180日元。其中，提高生产率、提高成材率和降低出钢温度的增效分别占总增效的50％、30％和20％。

多模式电磁搅拌

多模式电磁搅拌是新日铁在发明结晶器电磁搅拌和电磁制动的基础上发明的世界最先进的电磁搅拌技术，在同一台连铸机上将。3种电磁搅拌功能(即减速、加速和旋转)结合起来，并应用了钢坯缺陷分析、流体力学和磁流体力学计算的最新技术和成果。采用多模式电磁搅拌，即使在铸速、板坯宽度、吹氩量和浸入式水口浸人深度发生变化的情况下，仍然能得到相同的钢水表面速度和钢水流动方式。

减速操作模式(EMLS)适用于高拉速；加速操作模式(EMLA)可将不稳定和单循环钢水流转变为稳定的双循环钢水流；旋转操作模式(EMRS)应用于特定的钢种，可减少铸坯的皮下针孔。

新日铁采用多模式电磁搅拌装置生产无涂层高耐蚀厚板和超深海洋用输送天然气高强度UO管，将铸坯纵裂发生率抑制到较低水平。此外，还使非稳定状态浇铸的铸坯切尺长度明显缩短，优质材的切尾长度由原来的1．5米缩短至0．6米，混浇坯的切尺长度由原来的2米减至约1米。同时，铸坯的无清理率也因各种表面缺陷的减少达到了99％。

铸坯面压下技术

在铸坯凝固末端施加一定的机械压下量(轻压下)可以弥补两相区的体积收缩，减轻乃至消除中心疏松，进而使内部裂纹焊合，还可控制坯壳鼓肚，达到增加铸坯中心致密度的效果。压下量取决于钢种，一般不大于10mm。

轻压下包括静态与动态轻压下。静态轻压下必须与拉速配合好，才能有较稳定的工艺效果，因此有很大的应用局限性。动态轻压下就是随着末端位置的变化，实时调整轻压下区域的最佳位置，一般要避免固芯压下。新目铁的经验表明，低碳钢的轻压下量为2．8mm，包晶钢轻压下量为3．6mm。

新日铁在应用板坯静态轻压下的基础上开发了一种在连铸板坯凝固末端施用的压下新技术(称为“面压下”)，在大分厂5号板坯连铸机上进行了应用，效果很好。与传统轻压下法相比，面压下不仅大大改善了铸坯的中心偏析，而且还减少了中心疏松。

对在合适压下条件下经面压下的铸坯与常规(无压下)连铸坯进行腐蚀后比较可知，常规连铸坯中有明显的中心偏析以及由凝固收缩引起的V型偏析，而经面压下的铸坯中，其中心偏析呈微细的点状且较为分散，并且消除了V型偏析。另外，采用X射线探伤法对铸坯厚度中心区域探伤，结果表明，进行面压下的板坯中心疏松得到明显改善。

复合钢板坯连铸新工艺

生产复合钢的传统方法是采用模铸、热轧和焊接等工艺。由于生产工艺复杂，其应用受到限制。新日铁公司开发了一项难度较大的复合钢板坯连铸新工艺。复合钢板坯是指板坯芯部使用基体钢(如碳素钢)，芯外包覆另一种钢(如不锈钢)。

这项新工艺的特点是在结晶器宽边安装了电磁搅拌装置(LMF)，在对结晶器内两种不同化学成分的钢水施加LMF磁场后，钢水即在结晶器内分上、下两部分。结晶器内上部的钢水形成复合钢板坯的外层包壳，结晶器内下部的钢水形成复合钢板坯的内芯。

利用水平电磁场的复合钢板坯连铸工艺中两项最关键的技术是：一是在结晶器上施加LMF电磁场抑制结晶器内两种不同化学成分的钢水混合，二是有效、精确控制长、短浸入式水口向结晶器内上、下部钢水熔池注入钢水的速率。

复合钢板坯连铸是电磁技术在连铸领域的最新应用，与传统的复合钢板坯生产工艺相比，在生产效率、生产成本、产品质量和环保节能等方面都具有明显的优势，其工业应用前景广阔。

生产超厚钢板的新型连铸机

新日铁采用新型连铸机生产出了优质超厚钢板。该连铸机的特点如下：

第一、新机型为立式连铸机，可以实现小批量订货和超厚钢板的生产。铸机长度为9．1米，排列紧凑。板坯厚度为245mm～400mm(最厚为600mm)，宽度为900mm～2360mm。使用这种连铸机可确保200mm超厚钢板的压缩比为2。

第二、夹杂物和偏析是影响钢板质量的两个主要缺陷，使用立式连铸机可以避免上浮的非金属夹杂物被坯壳捕捉和使用立弯式连铸机时出现其他问题。

第三、新开发的连铸技术属于集模铸和连铸工艺于一体的连铸新技术。采用该技术生产的铸坯质量优于模铸钢锭质量，能生产锅炉、压力容器、海洋结构等优质超厚钢板。与高压缩比轧制技术相结合，该技术可以生产出不同规格的超厚钢板，如最大板厚为200mm的优质超厚钢板和330mm厚的440MPa级低碳超厚钢板。

通过控制铸温和熔融钢水流量以及凝固组织结构，新型连铸机可大大降低传统连铸工艺生产板坯时出现的中心偏析，同时也能够减少钢板中心的显微气孔。

双辊式薄带钢铸轧技术

1985年新日铁和三菱重工开始联合开发双辊式薄带钢铸轧技术(称之为Hikari技术)，1993年成功浇铸出不锈钢带卷。1996年1月，新日铁和三菱重工投资1．04亿美元在新日铁光厂建立了1套同径双辊式薄带钢铸轧机(带厚3mm～5mm，带宽1330mm，卷重20吨，年产能46万吨，产品为不锈钢和电工钢)，这台薄带连铸机可连浇4炉钢水，因生产成本要比传统工艺高，没有工业化连续生产。