超大截面圆坯垂直半连铸技术-江苏省钢铁行业协会

1 项目背景

重型机械制造企业传统采用钢锭模铸工艺制备大型铸锻件坯料，该工艺在生产方式、质量控制及经济性方面存在多项技术瓶颈。首先，作业环境差，劳动强度大，冷却脱模周期长，设备周转率低；其次，受厚重钢锭模的制约，只能通过冒口和锭型设计等有限手段控制铸坯质量；最后，材料利用率低，且钢锭越重、切除量越多。近年来，行业还普遍采用先进的单电极气氛保护电渣重熔技术生产高端铸锻件产品，但受高生产成本和长制坯周期影响，在应用领域和产能上存在局限。

针对上述行业痛点，中国一重创新性提出超大截面圆坯垂直半连铸技术，推动大型铸锻件坯料生产从传统模铸形式向机械化、自动化、智能化、数字化制造跨越式升级。该技术在下游工艺衔接方面具有灵活的生产组织特征：一是高温铸坯出坯后可直接热送至锻造工序，有效减少加热火次和时长；二是与中国一重正在建设的超大型锻件近净成形产线（超大型多功能压机）相衔接，构建大型铸锻件模锻成型的全新生产体系；三是锻造致密后分切成小锻件坯料产品；四是可作为液-固复合产品的芯部基材，实现进一步增径。

由中国一重子公司一重集团工程装备有限公司自主研制和承建的“中国一重Φ1350mm/Φ1600mm垂直铸机建设项目”于2022年末破土动工，2026年建成投产，具备一机两流生产最大直径1.6m、最大拉坯长度12.5m、单流最大坯重200t、材料利用率大于90%的高品质特钢超大截面圆坯生产能力。

2 技术特征

在传统应用场景上，垂直半连铸技术是铝、铜等有色金属圆坯和板坯的主流生产技术，“半”指的是产品不连续，即生产有限长度的、单独的铸坯，“连铸”指的是浇铸和引锭过程的连续性。对于钢铁材料的垂直半连铸技术（Vertical Semi-Continuous Casting， VSCC），也可称为立式半连铸或分段铸造（Segment Casting， SC，奥地利INTECO公司命名），其在工艺流程上，存在着鲜明的分阶段特征，包括拉坯阶段→静置凝固阶段→出坯阶段，各阶段的衔接和过程控制根据材料和质量要求具体设计，没有固定的工艺范式和装备体系。

首先是拉坯阶段，其目的是通过合理的拉速和多级冷却设计确保出结晶器后坯壳能承受内部钢水静压力而不破裂，更是后续凝固控制、电磁搅拌跟踪、液芯补缩和提高材料利用率的关键基础。该阶段与连铸相同，都是基于短结晶器应有的浇铸系统，并配合结晶器振动进行脱模，因此结晶器上方设备构成、凝固过程控制、耐材等与连铸相似，但结晶器下方的设备构成与连铸完全不同。

其次是静置凝固阶段，拉坯至目标长度后进入该阶段。两阶段的工艺衔接有不同方式，例如坯尾始终停留在结晶器内进行液面的外热源补缩（电极、等离子或热封顶等），还可以将坯尾从结晶器内抽出、在下方对尾部坯壳进行感应加热补缩。中国一重采用第二种方案，已取得良好的应用效果。该阶段凝固坯壳可近似为铸模，起承载钢水作用，凝固坯壳内侧有拉坯自然形成的锥度，可确保自下而上的顺序凝固。但与模铸不同的是，摆脱了厚重钢锭模的影响，可以施加液芯控流和坯壳控冷等灵活多样的铸坯质量控制手段。

最后是出坯阶段，要求安全平稳快速地将铸坯转移至下道工序，尤其是一些易裂钢种，需要严格控制出坯时长。

在冶金特征方面：采用垂直设计，更有利于钢水中夹杂物的充分上浮，保证内部洁净度；没有弯曲和矫直步骤，不会产生由机械应力引起的裂纹，能够浇铸的钢种远多于连铸，尺寸上限更高；电磁搅拌器配置更加灵活，从而显著提升熔体温度与成分的均匀性，有效抑制偏析，提高等轴晶率；可按要求控制坯壳的冷却速度，实现凝固过程的稳定调控，抑制中心和表面缺陷；在坯尾补缩装置、大静水压力和电磁搅拌的协同作用下，显著改善液芯的补缩条件和宏观缩孔深度。以上特征为制备高品质特殊钢创造了有利条件。

超大截面圆坯垂直半连铸技术也有其局限性，无法生产需要真空浇铸的高洁净度坯料，暂不能满足核电、火电等核心部件对材料的严苛要求。

3 应用现状

由于垂直半连铸技术不具备连铸的大规模批量化生产能力，在钢铁行业的应用极少，在重型机械行业大型钢铁铸锻件制造领域也没有应用案例。

国内最早探索钢铁垂直半连铸技术的是郑州永通特钢圆坯立式连铸项目，最大直径为Φ800mm，处于原理样机阶段。奥地利INTECO公司近年为浙江天马轴承提供最大断面为Φ1000mm的圆坯分段铸机，主要用于生产轴承钢。韩国浦项先开发出最大尺寸为770mm×770mm的实验用大方坯垂直半连铸设备，后又开发出700mm×1800mm×10000mm特大宽厚板垂直半连铸设备，其产品可覆盖绝大多数钢种，且表面和内部质量优于铸锭。2004年日本大同特殊钢采用垂直半连铸技术开发出最大尺寸650mm×850mm×9800mm的PHC（Promising Hybrid Caster）铸机，内部质量水平与传统模铸相当。

4 装备技术

中国一重开发的超大截面圆坯垂直半连铸装备体系以结晶器为界分成两个功能区域：

1）结晶器以上与连铸相同，配置有钢包回转台、中间包车、双流中间包、结晶器、液位传感器和结晶器振动台。为避免转包操作，采用异形承载支撑臂结构设计，成功研制了新型的S形钢包回转台。核心区集成的Φ1600mm高效冷却结晶器是连铸类型短结晶器，其独特的锥度与强力冷却通道设计，可确保结晶器出口具有足够的安全坯壳厚度。由于拉速较慢，钢水在中包内的滞留时间远超连铸，因此对中包耐材的保温性能要求较高。此外，为满足大型铸锻件的单件、小批量生产组织特征，常遇到单流浇铸使用工况，为了减少残钢、降低中包温降，在双流中包内部有特殊的挡墙设计，实现半包单流浇铸。

2）结晶器下方配置由中国一重为适配垂直半连铸技术自主研制的成套设备。采用超大传动比技术设计的低速重载铸坯支撑引导系统，实现低速大载荷工况下的平稳拉坯与精准导向。多级控冷保温系统，实现铸坯在不同凝固阶段坯壳温度的协调控制，可根据不同钢种及工艺条件进行灵活调节，提升工艺适应性与运行稳定性。垂直半连铸技术与连铸在电磁搅拌器的应用场景上完全不同：连铸过程处于准稳态热平衡，电磁搅拌器的安装位置及对应坯壳厚度基本恒定；而在该技术中，铸坯不同位置的坯壳厚度与表面温度均瞬态变化，不适合固定位置的持续搅拌，为此采用了动态跟踪凝固末端电磁搅拌技术，实现对目标坯壳厚度液芯的实时跟踪和随动搅拌。为最大限度降低缩孔深度，确保铸坯材料利用率>90%，还配置了坯尾感应加热补缩装置。最后，采用重载多姿态牵引技术设计了自动翻转出坯系统，实现快速稳定出坯。

为了提升整机的智能化和数字化水平，减少人工操作，该项目配置了国内先进的机器人智能浇铸平台，实现了测温、烧氧引流、安装长水口、取样、加渣的无人化操作。

5 工艺技术

超大截面圆坯垂直半连铸技术的浇铸和拉坯工艺与圆坯连铸的控制要点相同，同时还包括另外两项关键的工艺要素，一是极限尺寸和短结晶器条件下的拉坯安全控制，是稳定生产的先决条件，二是多样化的质量控制手段。

在极限尺寸下，高温坯壳承载能力弱、热应力集中显著，易诱发坯壳高温鼓肚变形、开裂甚至漏钢等风险。为此，该项目通过合理的拉速设计、结晶器冷却强度和下方多级冷却控制，使坯壳在短结晶器出口处和下方具备足够的坯壳厚度和合理的表面温度，保证坯壳整体高温结构强度。依托关键位置布置周向支撑导辊以及动态末端电磁搅拌器升降装置导辊，共同构成支撑体系，确保铸坯从结晶器内抽出后的安全稳定。该项目还配置了铸坯状态在线感知系统，实现对关键位置坯壳温度和变形量的实时监测与工艺参数的动态反馈控制。

在质量控制方面，除了以上所述的通过多级控冷保温系统强化凝固过程调控与组织演化控制外，拉坯速度设计最为关键。凝固计算和实际生产表明，拉坯速度对拉坯安全、内部补缩条件、宏观缩孔深度、成分偏析产生显著影响。同时，该项目配置的铸流电磁搅拌器与动态凝固末端电磁搅拌器具备灵活的工艺协同控制能力，在搅拌位置、方向、强度、跟踪步进方式等方面具有多样的运行模式和组合应用策略，实现对不同凝固阶段搅拌强度与作用区域的精准匹配。

总之，在实际生产中，需要基于不同钢种特性、截面尺寸及冷却条件，合理确定拉坯速度区间，并与铸坯冷速控制及电磁搅拌策略等进行协同匹配，形成全新的工艺调控机制。

6 应用效果

生产实践表明，铸机已实现包括高碳合金钢、高铬合金钢在内的多类高质量特殊品种钢的稳定生产，正在加速扩展可浇钢种范围；200t铸坯的生产周期较钢锭模铸缩短一半以上，出坯后实现铸坯的热送锻造，大型铸锻件的生产流程更加紧凑，有效压缩生产成本；铸坯宏观缩孔深度稳定可控，材料利用率稳定在91%以上，锻造时坯头和坯尾可以作为操作机的钳口使用，无需额外预留夹持余量；铸坯内部质量优良且稳定，随机抽查铸坯切片未见明显疏松和中心裂纹等内部缺陷，锻造后产品探伤结果优于模铸。

7 结语

中国一重超大截面圆坯垂直半连铸技术的产业化应用，实现了大型铸锻件坯料生产从模铸到垂直半连铸的技术升级，是可复制的创新生产流程和技术体系，对推动我国重大装备制造产业高端化发展具有重要示范意义和技术引领作用。