天鋼大圓坯連鑄機(jī)熱坯壓力的調(diào)試

孫福來(lái) 鄧志勇 （天津鋼鐵集團(tuán)有限公司煉鋼廠(chǎng)，天津 300301)

天鋼大圓坯連鑄機(jī)熱坯壓力的調(diào)試

孫福來(lái) 鄧志勇 （天津鋼鐵集團(tuán)有限公司煉鋼廠(chǎng)，天津 300301)

在大圓坯澆鑄作業(yè)中，拉矯機(jī)的熱坯壓力是一個(gè)重要參數(shù)。熱坯壓力過(guò)大會(huì)使鑄坯產(chǎn)生橢圓變形，嚴(yán)重影響鑄坯表面質(zhì)量;熱坯壓力過(guò)小，難以達(dá)到鑄機(jī)拉矯輥克服的拉出鑄坯的阻力，致使可能出現(xiàn)鑄坯在生產(chǎn)過(guò)程中的下滑。針對(duì)天津鋼鐵集團(tuán)有限公司大圓坯項(xiàng)目3#連鑄熱試過(guò)程中存在的溜坯現(xiàn)象，根據(jù)工藝及設(shè)備參數(shù)加以分析，依據(jù)理論計(jì)算和生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行熱坯壓力調(diào)整和數(shù)據(jù)優(yōu)化，避免了溜坯現(xiàn)象的出現(xiàn)，保證了生產(chǎn)順行。

圓坯 連鑄機(jī) 拉矯機(jī) 阻力 壓力 調(diào)試

1 前言

天津鋼鐵集團(tuán)有限公司大圓坯項(xiàng)目于2009年12月進(jìn)行大圓坯熱試。此連鑄機(jī)引進(jìn)于瑞士Concast公司，在鑄機(jī)熱試過(guò)程中，我們采用由外方提供的數(shù)據(jù)進(jìn)行熱試。由于鑄機(jī)本身拉矯機(jī)熱坯壓力設(shè)置的不合適，導(dǎo)致拉矯輥對(duì)鑄坯的夾持力不夠，使摩擦力不足以抵消鑄坯自身自重引起的下滑力，產(chǎn)生溜坯現(xiàn)象，在澆注過(guò)程中，2流鑄坯在溜出前的表面溫度有變化，有明顯溜坯現(xiàn)象。另外，MOP控制盤(pán)顯示的拉速?zèng)]有變化，通過(guò)實(shí)際觀(guān)察，2流鑄坯發(fā)紅，經(jīng)測(cè)量，同一位置實(shí)際溫度高于其它鑄流，速度快于其它鑄流，有明顯的溜坯現(xiàn)象。通過(guò)手動(dòng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)其它鑄流鑄坯的拉速進(jìn)行測(cè)量，實(shí)際拉速均大于設(shè)定拉速，均有不同程度的溜坯現(xiàn)象。在以后的熱試過(guò)程中，我們通過(guò)分析鑄機(jī)性能和影響溜坯的因素，得知鑄坯的熱坯壓力值是關(guān)鍵因素。通過(guò)加大鑄坯的熱坯壓力設(shè)定值可以解決鑄坯下溜現(xiàn)象，但是，如果值設(shè)定過(guò)大，也會(huì)使鑄坯橢圓變形，外形質(zhì)量受到影響。我們通過(guò)理論計(jì)算，結(jié)合自身設(shè)備狀態(tài)，依據(jù)得出的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行熱試生產(chǎn)，產(chǎn)生良好效果，使大圓坯生產(chǎn)得以順行。

2 連鑄機(jī)主要參數(shù)

2.1 基本參數(shù)

大圓坯連鑄機(jī)主要參數(shù)如下：

鑄機(jī)機(jī)型：弧形連鑄機(jī);

鑄機(jī)流數(shù)：6流;

鑄機(jī)半徑：10.25 m;

結(jié)晶器長(zhǎng)度：800 mm;

澆注斷面及目標(biāo)拉速：?270 m為1 m/min，?310 mm 為 0.75 m/min;

澆注模式：保護(hù)澆注;

矯直方式：Concast連續(xù)矯直。

2.2 拉矯機(jī)單元

該鑄機(jī)由5組拉矯機(jī)模塊組成，此部分主要起到矯直鑄坯的作用，并且用來(lái)插入或者引出引錠桿、鑄坯。拉矯機(jī)模塊的上輥由搖桿臂控制，可以升降，并且裝有發(fā)動(dòng)機(jī)和抱閘。在上引錠的過(guò)程中，可以使引錠桿保持一定位置。在不同模塊間有支承輥，在插入或引出引錠桿，以及澆鑄過(guò)程中起到支撐引錠桿和鑄坯的作用。在脫引錠桿過(guò)程中最后一組拉矯機(jī)可以把持住鑄坯，使引錠頭和鑄坯分離。在最后模塊的輥?zhàn)由希拷懈顧C(jī)的一側(cè))裝有編碼器，可以用來(lái)進(jìn)行鑄坯長(zhǎng)度和拉坯速度的測(cè)量。如圖1所示。

圖1 拉矯機(jī)組

在澆鑄過(guò)程中，由于鑄坯自身的重力作用，除抵消鑄坯在結(jié)晶器的阻力、二冷段的阻力、矯直段的阻力等之外，還會(huì)產(chǎn)生一個(gè)向下分量的力，使之下滑。我們通過(guò)在拉矯模塊設(shè)置熱坯壓力，來(lái)實(shí)現(xiàn)在不影響鑄坯外型尺寸的同時(shí)保證鑄坯勻速出坯。

3 產(chǎn)生溜坯的原因分析

通過(guò)分析我們得知，下滑過(guò)程中摩擦力小于鑄坯自身重力產(chǎn)生的下滑力是鑄坯下溜的直接原因。而熱坯壓力的大小是決定拉矯模塊摩擦力大小的因素，也是保持鑄坯不溜坯的決定因素。此外，設(shè)備存在的精度問(wèn)題也影響著熱坯壓力的設(shè)定。

3.1 設(shè)備精度的影響

在熱試過(guò)程中，我們發(fā)現(xiàn)拉矯輥?zhàn)杂奢佫D(zhuǎn)動(dòng)異常，在3#、4#、5#拉矯機(jī)之間的自由輥不轉(zhuǎn)，這樣會(huì)改變拉矯輥和自由輥的受力，對(duì)計(jì)算熱坯壓力產(chǎn)生影響。如圖2所示。

圖 2 3#、4#、5#拉矯輥受力示意圖

根據(jù)圖2，我們進(jìn)行公式分析，當(dāng)自由輥不轉(zhuǎn)時(shí)，即F3=0，此時(shí)P1、P2變化。因此設(shè)備精度不夠會(huì)對(duì)熱坯壓力的調(diào)節(jié)產(chǎn)生影響。

3.2 熱坯壓力的理論計(jì)算

引錠桿引導(dǎo)鑄坯運(yùn)行，鑄坯脫引錠后，在一定的速度下向下運(yùn)行。在重力作用下，有一個(gè)很小的加速度，使鑄坯不斷加速，造成實(shí)際速度大于設(shè)定速度。同時(shí)，由于拉矯控制單元不是閉環(huán)控制，拉矯機(jī)轉(zhuǎn)速按設(shè)定拉速運(yùn)行，造成二冷水量按設(shè)定拉速調(diào)整，鑄坯表面溫度上升，拉矯力實(shí)際成為一種阻力。當(dāng)停澆時(shí)，熱坯壓力不足以停止鑄坯的向下運(yùn)動(dòng)，造成鑄坯溜出結(jié)晶器。

熱坯壓力的確定，就是在確定鑄機(jī)拉矯機(jī)拉出鑄坯所要克服的拉坯阻力，拉坯阻力包括結(jié)晶器內(nèi)阻力、二冷段阻力、矯直區(qū)阻力、鑄坯自重產(chǎn)生的下滑力（利于鑄坯拉出)等。最后利用MARC建立二維切片傳熱模型，以得到鑄坯壓下過(guò)程中的應(yīng)力分布，聯(lián)系拉坯阻力，進(jìn)而計(jì)算出鑄坯的熱坯壓力[1]。

3.2.1 結(jié)晶器拉坯阻力的確定

結(jié)晶器中的阻力主要由于薄的坯殼在鋼水靜壓力作用下，緊貼在銅板上，當(dāng)其運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生了滑動(dòng)摩擦力。

計(jì)算公式為：P1=1/2h2ρμS

式中:P1——結(jié)晶器拉坯壓力;

h——結(jié)晶器內(nèi)鋼水深度;

ρ——鋼水密度;

μ——滑動(dòng)摩擦系數(shù)，取值為0.3～0. 5;

S——結(jié)晶器的有效使用面積。

3.2.2 二次冷卻區(qū)拉坯阻力的確定

二次冷卻區(qū)拉坯阻力包括坯殼與二次冷卻區(qū)支撐輥間的摩擦力，以及鑄坯“鼓肚”或冷卻均勻所引起的鑄坯變形等阻力，這些阻力相對(duì)較小?？捎上旅婀浇魄蟮茫?/p>

P2=（80～160)×H×B（H、B 分別為鑄坯的橫截面長(zhǎng)、寬尺寸)

3.2.3 矯直區(qū)拉坯阻力的確定

在矯直區(qū)，由于拉矯機(jī)液壓缸的壓力作用，使鑄坯產(chǎn)生一定量的壓下量變形。軋制過(guò)程與這一過(guò)程相似，我們利用這一軋制力的計(jì)算方法得出矯直區(qū)的拉坯阻力的關(guān)系[3]，進(jìn)而可以用這一拉坯阻力來(lái)確定熱坯壓力。

圖3 鑄坯與拉矯輥的接觸狀態(tài)

3.2.4 鑄坯自重產(chǎn)生的下滑力

弧形連鑄機(jī)鑄坯自重有利于鑄坯拉出（立式連鑄機(jī)由于鑄坯自重，拉矯機(jī)不是拉出的力，而是相反的力)。其公式可表示為：

式中：P3——自重下滑力;

ρ——鋼水密度;

S——圓坯的橫截面面積;

R——鑄機(jī)的基本圓弧半徑;

g——重力加速度，取9.8m/s2。

3.2.5 其它拉坯阻力

這一部分阻力包括切割阻力和輥道阻力，計(jì)算時(shí)取各種阻力的10%[2]。

3.3 計(jì)算結(jié)果分析

熱試鋼種為20#鋼，其材料特性為溫度的函數(shù)。查相關(guān)資料知道，該鋼種在950℃（拉矯輥出坯時(shí)溫度)時(shí)的屈服極限為45 MPa[4]。壓下位置產(chǎn)生屈服形變，如圖3所示，垂直于拉坯方向的分量即為壓下過(guò)程中液壓缸產(chǎn)生的力。計(jì)算時(shí)假設(shè)拉矯輥上的輥?zhàn)拥膲合铝?，進(jìn)而可以計(jì)算出相應(yīng)的摩擦力，此摩擦力與矯直區(qū)拉坯阻力平衡。假設(shè)壓下量后的計(jì)算推薦值為3.72 MPa、3.91 MPa、4.65 MPa、4.79 MPa、4.65 MPa?？紤]到其它因素的影響，如設(shè)備精度，我們采用了第一次實(shí)驗(yàn)數(shù)值，情況良好。

之后我們對(duì)熱坯壓力值再次優(yōu)化。在目標(biāo)矯直過(guò)程中，為保證鑄坯不發(fā)生形變，第一組拉矯最終確定為3.5 MPa。由于采用漸進(jìn)多點(diǎn)矯直（弧形半徑10.25 m)，對(duì)切點(diǎn)位置前面的壓下壓力適當(dāng)降低，后部壓下壓力適當(dāng)上調(diào)，最終確定了第二次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

4 熱坯壓力的調(diào)節(jié)

綜上所述，影響鑄坯熱坯壓力的因素是多方面的，這其中包括自結(jié)晶器至切割單元的摩擦力、設(shè)備精度等。

根據(jù)理論計(jì)算，結(jié)合生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，技術(shù)人員對(duì)熱坯壓力作出優(yōu)化，見(jiàn)表2。

表2 熱坯壓力優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果 /MPa

在使用原始值發(fā)現(xiàn)有溜坯現(xiàn)象后，我們通過(guò)計(jì)算和生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)使用了第一次試驗(yàn)數(shù)據(jù)。未產(chǎn)生溜坯現(xiàn)象。

由于熱試過(guò)程中澆鑄溫度高于目標(biāo)溫度，拉速低于目標(biāo)拉速。提高拉速后，二次冷卻區(qū)域溫度升高，影響鑄坯與輥?zhàn)娱g的摩擦。為保證在目標(biāo)拉速情況下也不會(huì)發(fā)生溜坯現(xiàn)象，對(duì)熱坯壓力做適當(dāng)調(diào)整。在使用第二次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（在保證澆鑄溫度情況下，使用目標(biāo)拉速進(jìn)行澆鑄)后，進(jìn)行橢圓度測(cè)量。圖4為第二次試驗(yàn)的檢驗(yàn)低倍。經(jīng)過(guò)測(cè)量，內(nèi)外弧直徑為308 mm，側(cè)弧直徑為309 mm，45°直徑為309 mm，鑄坯表面質(zhì)量?jī)?yōu)，橢圓度要求為0.16%，滿(mǎn)足要求。

圖4 調(diào)整熱坯壓力后的鑄坯低倍

5 結(jié)論

5.1 通過(guò)分析計(jì)算拉坯過(guò)程中的各種阻力，建立熱坯壓力與大圓坯變形的函數(shù)關(guān)系，聯(lián)系到影響熱坯壓力的其它因素調(diào)節(jié)熱坯壓力值，所計(jì)算的熱坯壓力值與實(shí)際調(diào)試過(guò)程中的值相符，具有指導(dǎo)意義。

5.2 在熱試生產(chǎn)過(guò)程中，我們不拘泥于理論，根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況，對(duì)第一組熱坯壓力實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化采取的第二組熱坯壓力值，產(chǎn)生了良好的生產(chǎn)和工藝效果。

5.3 經(jīng)過(guò)熱坯壓力的調(diào)試，確保了生產(chǎn)中不出現(xiàn)鑄坯溜坯現(xiàn)象，使得生產(chǎn)順行，并且保證了鑄坯不會(huì)產(chǎn)生變形，滿(mǎn)足外形質(zhì)量要求。此次熱試為新鑄機(jī)熱坯壓力的調(diào)試工作奠定了基礎(chǔ)，提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

[1]荊德軍.連鑄結(jié)晶器內(nèi)鋼水凝固過(guò)程熱和應(yīng)力狀態(tài)數(shù)值模擬研究[D].北京：北京科技大學(xué)，2001．

[2]蔡開(kāi)科.連續(xù)鑄鋼500問(wèn)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1994．

[3]呂立華.軋制理論基礎(chǔ)[M].重慶：重慶大學(xué)出版社，1991．

[4]崔立新.板坯連鑄動(dòng)態(tài)輕壓下工藝的三維熱—力學(xué)模擬型研究[D].北京：北京科技大學(xué)，2006.

Hot Bloom Pressure Setting of TISCO Bloom Caster

Sun Fulai,Deng Zhiyong

The hot bloom pressure at withdrawal and straightening unit is an important parameter during bloom casting operation.Excessive pressure can cause oval deformation in bloom,which seriously affects bloom surface quality;insufficient pressure may result in bloom downward slippage during production due to the lack of resistance at withdrawal roll for pulling the bloom out.In order to solve the bloom slippage problem at hot commissioning of Bloom Caster 3,Tianjin Iron and Steel Group Company Limited,the authors made analysis on basis of process and equipment parameters,and adjusted hot bloom pressure and optimized data following theoretical calculation and production practice.The bloom slippage was eliminated and smooth production ensured.

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（收稿 2011－07－13 責(zé)編 趙實(shí)鳴

孫福來(lái)，2008年7月畢業(yè)于遼寧科技大學(xué)，現(xiàn)在天津鋼鐵集團(tuán)有限公司煉鋼廠(chǎng)電爐生產(chǎn)技術(shù)科，主要負(fù)責(zé)電爐生產(chǎn)鑄坯的質(zhì)量工作。