鑄錠

鋼水經由盛鋼桶注入鋼錠模，冷凝成鋼錠的工藝過程，也稱模鑄，是煉鋼的最後一道工序。煉鋼爐煉出的合格鋼水，必須鑄成一定斷面形狀和尺寸的鋼錠或鑄坯，才能經塑性加工得到各種用途的鋼材。鑄錠包括從煉鋼爐出鋼(或爐外精煉結束)到鋼錠脫模送至初軋廠均熱爐間的一系列工序，即澆注前準備、澆注、脫模、鋼錠精整或熱送等。

基本介紹

• 中文名：鑄錠
• 外文名：ingot making                        
• 學科：冶金工程
• 別稱：模鑄
• 工藝流程：澆注前準備、澆注、脫模等
• 出現時間：公元前五世紀

簡史

鑄錠源於古代鑄造技術。早在公元前五世紀(戰國後期)，中國已出現用金屬模製作鐵范，批量生產金屬器具的技術。近代鑄錠工藝則是以1856年貝塞麥(Beseemer)轉爐煉鋼法問世為起點。19世紀下半葉，轉爐、平爐、電弧爐等主要煉鋼方法先後成功，鋼鐵工業先是在西歐，而後在美國得到迅速發展。其間鑄錠技術也得到同步發展。在美國90%以上的鋼錠由上注法生產，而西歐則主要是下注。至第二次世界大戰結束的70年間，鑄錠技術不斷革新和日趨完善，保證了鑄錠能力與冶煉能力的同步增長，同時鋼錠的質量也有明顯提高。這一期間最長足的進步表現在兩個方面：(1)鋼錠及其鑄錠設備不斷大型化，操作機械化程度逐步提高。為適應大容量煉鋼爐和大型、高速軋機的需要，盛鋼桶容量已達300～350t，軋制板材的鋼錠單重已增至40～50t，型材用鋼錠也達10t以上。與之相配套的鑄錠車、起重設備、脫模及整模設備等也都相應增大。盛鋼桶內襯的砌築與拆除、鋼錠模的清掃與塗刷、水口及滑板的更換與啟閉等各項操作，在許多工廠已實現了機械化、自動化作業。(2)車鑄法逐漸取代坑鑄法，成為主導的鑄錠方式，從而將脫模、整模等工序移至鑄錠跨以外的專門跨間進行，形成平行流水作業線，使鑄錠生產能力得以大幅度提高。

鑄錠作為煉鋼學科的一部分，在理論上的發展經歷了一個漫長的過程，19世紀下半葉，鑄錠生產主要是靠手傳師授的方式延續的，屬技藝操作。19世紀末，雖然“冶金學”已初步形成，也只能夠對凝固過程及鑄錠工藝給以定性的說明。直到20世紀70年代，才在不斷總結鑄錠生產經驗和吸收傳熱學、金屬學及物理化學等學科最新研究成果的基礎上，形成了冶金學的一個新分支——金屬凝固學。代表性的權威著作有：英國劍橋大學戴維斯(G.J.Davies)著《凝固與鑄造》(1973年)，美國麻省理工學院弗萊明斯(M.C.Flemings)著《凝固過程》(1974年)，烏克蘭鑄造研究所葉菲莫夫(B.A.Eфнмов)著《鋼的澆注與結晶》(1976年)等。這些著作全面、系統地闡述了凝固過程的基本理論，並對所伴生的物理化學現象作出了從微觀到巨觀的深入分析，還討論並提出了控制凝固組織、減少鑄錠缺陷的方向、途徑和措施，有重要實用價值。進入80年代以來，隨著計算機套用的普及和對凝固過程認識的深化，對鋼錠及連鑄坯凝固過程的數值模擬研究得以快速發展。一維或二維的凝固傳熱數學模型，已能比較準確地確定鑄錠(或坯)和鋼錠模中在凝固任意時刻的溫度場，達到了實用化水平;在鋼錠錠型及鋼錠模設計、絕熱板及保護渣研製、鋼錠熱送及液芯軋制實施等方面，都起到指導作用。凝固偏析數學模型、二維和三維流場數學模型以及應力、應變數學模型，也在積極開發和完善之中，亦將日趨實用化。

分類

鑄錠占整個金屬鑄件中的一大部分，分為3類：靜態鑄錠、半連續或直冷式鑄錠和連續鑄錠。

靜態鑄錠

靜態鑄錠僅是單純將熔化的金屬倒入永久的鑄模中凝固後，將鑄錠從鑄模中抽出，鑄模可以再次使用。每年用這種方法生產出數以百萬噸的鋼。

半連續鑄錠

半連續鑄錠工藝在鋁工業中用於製造大多數的鑄造合金，由這些合金加工出棒料、薄板、板條和板材的形狀。在這一工藝中，熔化的鋁被傳送到一個由水冷卻的永久鑄模中，在鑄模的長活塞上裝有活動底座。在鑄模表面進一步凝固而形成一層堅硬的“皮”之後，活塞向下運動，更多的金屬連續填入容器中。最後，活塞運動至全長，過程停止。鋁工業中常規的方法是利用適當潤滑的金屬鑄模。然而，工藝的改進已經允許主要的鋁合金生產者用一種電磁場取代（至少部分取代）金屬鑄模以使熔化的金屬僅僅短暫地接觸到金屬鑄模，因此與傳統方法相比可以生產出光潔度更高的產品。

連續鑄錠

連續鑄錠為鋼和銅工業提供了主要的鑄材資源，而且在鋁工業中增長迅速。在這一工藝中，熔化的金屬被送到一個永久鑄模中，鑄造開始時與半連續鑄造極為相似。然而，該過程不是在一定時間後停止，凝固的鑄錠被連續剪成或切成一定長度並且在鑄造過程中被運走。因此，該過程是連續的，凝固的棒料或板條像鑄造一樣被迅速運走。與傳統鑄造工藝相比這一方法有許多經濟優勢；因此，所有的現代鋼廠都生產連續鑄造的產品。

澆鑄方式方法

傳統鑄錠工藝的一個突出特點是鋼錠模、保溫帽、底板等設備都可反覆使用。按鑄錠作業流程的特徵區分，有車鑄和坑鑄兩種澆鑄方式。車鑄時，底板、鋼錠模等置於專用的鑄錠車上，在獨立車間進行整模、澆注、脫模等作業。這種澆鑄方式可實現平行流水作業，生產效率高，勞動條件好;其缺點是占地面積大，基建投資較多。大、中型煉鋼廠均採用車鑄。坑鑄時，底板、鋼錠模等置於鑄坑內(或車間地平面上)，整模、澆注、脫模作業都集中在主廠房鑄錠跨間進行。坑鑄的主要優點是設備簡單、占地面積小、基建投資少，但勞動條件差，生產效率低。小型鋼廠多採用坑鑄。按鋼水注入鋼錠模的方位區分，有下注法和上注法，下注法鋼水經中注管和底板從下部進入鋼錠模，可以同時澆注多支鋼錠，模內鋼水上昇平穩，鋼錠表面質量好，適宜於中、小型沸騰鋼鋼錠和鎮靜鋼鋼錠澆注;上注法鋼水直接或經中間漏斗從模型上口注入鋼錠模，注前準備作業簡單，耐火材料消耗少，鋼水收得率高，但開澆時易引起鋼水飛濺，從而容易造成鋼錠結疤、皮下氣泡等表面缺陷，通常須預先在模型內設定防濺筒加以防護。半鎮靜鋼鋼錠和大型沸騰鋼鋼錠及大型鎮靜鋼鋼錠適宜採用上注法。無論是車鑄還是坑鑄，都可以採用上注法或是下注法澆注

澆鑄工藝設備

鋼水出爐(或經爐外精煉)後即進入澆鑄成錠階段。

澆注前的準備

為了順利進行鋼水澆注，澆注前須對一系列鑄錠設備及相關條件做好充分準備。

(1)盛鋼桶準備。盛鋼桶是盛裝和運送鋼水的專用容器，要求保溫良好、安全、長壽。大修盛鋼桶加蓋烘烤時間≥10h，不加蓋烘烤時間≥16h;小修盛鋼桶加蓋烘烤時間≥8h，不加蓋烘烤時間≥12h。周轉用盛鋼桶要清除殘鋼、殘渣，檢查桶殼和桶襯的破損情況及部位。必要時加以修補;更換水口及塞棒(或滑動水口)，並調整操縱機械使之運行正常;向滑動水口添加引流劑;最後以專用的烘烤裝置將盛鋼桶內襯烘烤至800～1100℃，以保證減少出鋼過程鋼水溫降。

(2)鋼錠模和輔具準備。包括鋼錠模、保溫帽、底板、中注管等設備的就位及流鋼磚的鑲砌等作業。新鋼錠模第一次使用前需烘烤;周轉模需經冷卻、清理、塗刷和列型(或稱穩模)等作業。周轉模在脫出鋼錠之後送往冷卻線空冷或噴水冷卻，並在模溫不低於200℃前終止水冷。鋼錠模內壁應乾淨、平滑，塗料應均勻。在鋼錠模上端放置保溫帽，使鋼錠頭部鋼水較長時間保持為液態，以便對鋼錠本體不斷補縮，減小縮孔深度。保溫帽內襯過去多用黏土磚修砌或用耐火材料整體打結燒成，現在則多採用釘掛或鑲砌絕熱板襯。老式保溫帽可多次使用，但每次使用後需表面塗泥並加以烘乾;新式絕熱板襯只能使用一次，一般在鑄車列型之後襯掛新絕熱板。保溫帽必須乾燥，尺寸應符合設計要求。

底板為鑄鐵平板，用以承托鋼錠模及鋼錠，對“無底”鋼錠模，底板與鋼水接觸，形成錠尾。下注用底板鑄有限定中心座磚和流鋼磚的溝槽，需鑲砌中心座磚、流鋼磚以及安放中注管磚和中注管等。車鑄時，底板安放在鑄錠車上;坑鑄時，底板則放置在鑄坑內或車間地平面上。新底板使用前必須烘烤至100～200℃。周轉底板首先要清除上次鑄鋼的流鋼磚、溝道、填充砂等。上注底板要噴塗一層防止鋼錠粘連的塗料並放置注流緩衝料(如鋼板、鋼屑等)、防濺筒等。

(3)鋼水溫度調整。出鋼終了至澆注開始，盛鋼桶內鋼水要經一定時間的吹氬攪拌或“鎮靜”，以均勻鋼水的溫度和成分，促進非金屬夾雜物上浮，調整桶內鋼水溫度，達到澆注溫度要求。

澆注

通過選擇水口孔徑和調整水口開啟度，使從盛鋼桶水口流出的鋼水注流以適宜的注溫和適宜的注速注入鋼錠模冷凝成錠的工藝過程。澆注時應盡力保持注流飽滿、圓滑，以減少鋼水的二次氧化。注溫和注速是重要的澆注工藝參數。

脫模

鋼錠在鋼錠模內冷凝一定時間以後脫除鋼錠模。脫模的主要設備為脫模吊車。上小下大鋼錠脫模後，只將鋼錠送往均熱爐。上大下小帶保溫帽鋼錠，需先脫掉保溫帽，再用脫模吊車預脫模(即將鋼錠從鋼錠模內提起一定高度之後再放回去)，然後將鋼錠連同鋼錠模一起送往均熱間，再將鋼錠吊入均熱爐，鑄錠車載著底板、鋼錠模返回到整模間。

普通鎮靜鋼鋼錠完全凝固後即可脫模。對於裂紋敏感的某些碳素鋼及合金鋼(如T7、T8工具鋼、馬氏體鋼、萊氏體鋼等)，需要採用緩冷(模冷或坑冷)或退火措施，以消除鋼錠的內應力或降低硬度便於表面精整。沸騰鋼和半鎮靜鋼鋼錠在封頂和凝固殼達一定厚度時，即可高溫脫模熱送。

精整或熱送

冷送鋼錠需對鋼錠表面及頭部進行肉眼檢查，存在缺陷的鋼錠應按相應的技術標準進行精整、清理或判廢。採用鋼錠熱送和沸騰鋼鋼錠帶液芯軋制技術以後，實行高溫脫模，高溫送錠裝入均熱爐，縮短了傳擱時間並節約了能源。

地位與作用

在煉鋼生產中的地位與作用

鋼錠的數量和質量要求是煉鋼各項技術經濟指標的基礎。鋼水收得率、鋼錠合格率、鋼錠模及耐火材料消耗等都直接影響鋼的材料及能源消耗和鋼的單位成本。鑄錠通常是煉鋼生產各工序中最慢和最薄弱的環節。現代氧氣轉爐冶煉一爐鋼大約只需約30min，而一爐鋼水的澆注和冷凝成型往往需幾小時。提高鑄錠的生產能力，就可挖掘煉鋼的生產潛力。故擴大錠型，增加注速，提高鑄錠效率，一向是現有鋼廠挖潛改造的重要技術措施。鑄錠操作對鋼錠質量有最後的和決定性的影響。正確、適宜的鑄錠操作，可能使冶煉質量欠佳的鋼水得到補救，而鑄成良錠;同時，鑄錠的任何失誤，卻會使合格的鋼水鑄成有某種缺陷甚至完全報廢的鋼錠。由於鑄錠不善而產生的鋼錠缺陷，有部分(如多數表面缺陷)可通過精整清理加以消除;有部分(如疏鬆、晶粒粗大等)可在熱塑性加工過程中得到一定的改善或緩解;而大部分(如鋼錠的物理不均勻性——殘餘縮孔、裂紋、氣泡，化學不均勻性——巨觀及顯微偏析，以及非金屬夾雜物等)卻要帶到成品鋼材中去，降低鋼材的性能及質量品級，甚至可能成為隱患，釀成鋼材在使用中突然失效等嚴重後果。鑄錠還是銜接煉鋼和軋鋼的中間環節，關係到煉鋼和軋鋼生產的高產、優質和低耗，具有重要實際意義。

20世紀70年代發展起來的連鑄技術，已成為鋼水凝固成型的一種新形式。由於它具有金屬收得率高，節能效果顯著和便於機械化、自動化等突出優點，在全世界範圍內得到迅速發展與普及，並在逐步取模鑄而代之。1997年全世界和中國連鑄比分別達到80.5%和60.7%，但尚有20%～40%的鋼，仍沿用傳統的鑄錠工藝生產。因此，不斷更新和完善鑄錠工藝，提高鑄錠效率，改善質量，降低消耗，在未來的較長一段時間仍然具有重要意義。

展望

今後模鑄技術的更新、挖潛和改造仍是必須的。圍繞提高質量和降低消耗這一主攻方向，在下述方面需不斷作出新的努力：

(1)在模鑄鋼廠推廣爐外精煉工藝，以提高鋼水潔淨度、減小鋼水溫度和成分的波動範圍;

(2)進一步改進盛鋼桶準備的技術裝備、完善工藝操作，提高澆鑄作業的自動化水平;

(3)改進鋼錠模設計，繼續提高保溫帽的熱效率，改進鋼錠模材質及生產技術，以進一步提高鋼錠成材率和降低鋼錠模消耗;

(4)提高鋼錠模機械化清理的效率，研究改進鋼錠模及底板塗料，改善鋼錠的表面質量;

(5)改進或開發新的保護澆注工藝，減少以至基本上消除澆注過程中鋼水的二次氧化和夾雜物污染，以提高鋼錠的潔淨度。儘早實現模鑄保護渣的專業化、系列化和中空顆粒化。