方坯高效連鑄關(guān)鍵技術(shù)優(yōu)化設(shè)計與應用

（秦皇島首鋼長白機械有限責任公司，河北 秦皇島 066311）

方坯高效連鑄關(guān)鍵技術(shù)優(yōu)化設(shè)計與應用

牟桂梅

（秦皇島首鋼長白機械有限責任公司，河北 秦皇島 066311）

通過分析方坯連鑄高拉速特點，對方坯高效連鑄關(guān)鍵技術(shù)進行優(yōu)化設(shè)計，成功實現(xiàn)了首鋼等多家鋼廠方坯連鑄機的高效化改造。

方坯；高效連鑄；高拉速；關(guān)鍵技術(shù)；優(yōu)化設(shè)計

近代連鑄機以高拉速為重要特征，高效連鑄技術(shù)是以高拉速為核心，以高質(zhì)量為基礎(chǔ)，實現(xiàn)高作業(yè)率、高連澆率的連鑄系統(tǒng)技術(shù)，直接關(guān)系著鋼材產(chǎn)品的質(zhì)量、成本和產(chǎn)量。通過分析方坯連鑄高拉速特點，首鋼等多家鋼廠成功實現(xiàn)了對方坯高效連鑄關(guān)鍵技術(shù)的優(yōu)化改造。

一、方坯高效連鑄技術(shù)優(yōu)化

1．高效結(jié)晶器技術(shù)

在高速澆鑄條件下，由于拉速提高后使得結(jié)晶器銅壁內(nèi)凝固坯殼厚度減薄，坯殼與結(jié)晶器銅壁之間摩擦力增大，引起漏鋼事故增加。因此要求結(jié)晶器具有高冷卻強度且導熱均勻，保證結(jié)晶器銅管出口坯殼具有足夠強度且厚度均勻，使其能夠承受鋼水靜壓力，以避免漏鋼。通過對結(jié)晶器銅管長度、結(jié)晶器冷卻水強度、結(jié)晶器銅管倒錐度關(guān)鍵技術(shù)優(yōu)化設(shè)計，有效提高了結(jié)晶器傳熱效率。

(1)適當延長結(jié)晶器銅管長度

在高速澆鑄條件下，拉速增加，鋼水在結(jié)晶器銅管內(nèi)停留時間縮短，單位重量鋼水帶走的潛熱減少，凝固坯殼厚度減薄。作為一次冷卻，在相同拉速下結(jié)晶器銅管越長，出結(jié)晶器銅管坯殼越厚，澆鑄安全性越好。因此要求延長坯殼在結(jié)晶器銅壁內(nèi)的有效冷卻長度和時間，設(shè)計上適當延長結(jié)晶器銅管長度，增加坯殼凝固時間，目前高效結(jié)晶器銅管長度一般設(shè)計在900～1000mm。

(2)提高結(jié)晶器冷卻水強度

目前連鑄生產(chǎn)普遍采用水縫管式結(jié)晶器結(jié)構(gòu)，為適應高拉速下結(jié)晶器銅壁內(nèi)熱流的增加，改善結(jié)晶器傳熱效果，確保結(jié)晶器銅管出口具有足夠的坯殼厚度，要求提高結(jié)晶器冷卻水強度，主要在水質(zhì)、水溫度、水流速、水縫基本參數(shù)方面優(yōu)化設(shè)計。

①水質(zhì)：軟水pH=7～8，硬度小于1°Dh。如結(jié)晶器銅管冷面結(jié)水垢，高熱阻引起銅管溫度升高，導致銅管變形。

②水溫度：進水溫度低于40℃，進出水溫差為6～10℃，最大也不能超過12℃。進出水溫差穩(wěn)定，利于坯殼均勻生長。

③水流速：方坯結(jié)晶器冷卻水流速在9～12m/s，水壓必須控制在0．5～0．66MPa，提高水壓可加大流速，利于高拉速，防止銅管變形。

④水縫：高效連鑄采用高精度窄水縫設(shè)計，水縫寬度一般取3．5～4mm，窄水縫能提高冷卻水的流速，高精度水縫可改善水流的均勻性。

為保證結(jié)晶器水縫精度，采用擠壓成型銅水套、爆炸成型水套，其內(nèi)腔尺寸和形狀精度高，保證冷卻水流速均勻。另外結(jié)晶器水套的制造和安裝精度直接影響水縫均勻性，避免由此導致的水縫尺寸不一致，造成結(jié)晶器銅管周邊冷卻不均，影響鑄坯質(zhì)量。

(3)設(shè)計合理的結(jié)晶器銅管倒錐度，減少氣隙熱阻影響

拉速提高后，結(jié)晶器銅管內(nèi)腔幾何形狀應適應鑄坯的凝固收縮規(guī)律，使鑄坯與結(jié)晶器銅壁始終盡可能良好接觸，抑制氣隙產(chǎn)生，傳熱增加且均勻穩(wěn)定，角部坯殼能和中部坯殼一樣均勻生長。設(shè)計連續(xù)錐度或多錐度結(jié)晶器銅管能滿足這些要求，如拋物線型錐度結(jié)晶器、鉆石型結(jié)晶器、凸型結(jié)晶器、曲面結(jié)晶器等高效結(jié)晶器，均能減小坯殼與結(jié)晶器銅壁之間的氣隙熱阻，尤其是減小角部氣隙熱阻，增加傳熱效率，顯著提高拉速。倒錐度根據(jù)澆鑄鋼種的收縮系數(shù)確定，對于不同鋼種、不同斷面，應有不同的倒錐度。

2．高精度結(jié)晶器振動技術(shù)

高效連鑄振動裝置通過提高振動精度實現(xiàn)高效率，其優(yōu)化設(shè)計主要包括振動機構(gòu)硬件及振動形式、振動工藝參數(shù)軟件兩方面。

板簧式結(jié)晶器振動機構(gòu)有半板簧、全板簧類型，由于是無軸承的振動機構(gòu)，基本無磨損，具有使用性能穩(wěn)定、運動精度高、壽命長等優(yōu)點，適于高效連鑄生產(chǎn)使用。

在高速澆鑄條件下，為了保證結(jié)晶器銅壁內(nèi)初生坯殼不因摩擦力增大而破壞以及保證保護渣的良好填充性和足夠消耗量，要求結(jié)晶器振動形式具備的條件是：正滑脫時間稍長些及結(jié)晶器上升時，坯殼與結(jié)晶器銅壁之間的相對速度小些，即上升速度稍慢些。對于非正弦波振動方式，在結(jié)晶器振動過程中，上升運動比下降運動時間長，即具有較長的正滑脫時間，結(jié)晶器振動速度與拉速之差較小，坯殼與結(jié)晶器銅壁的摩擦有所減輕，并且可使液態(tài)保護渣膜向出口方向擴展，有利于保護渣向結(jié)晶器銅壁與凝固坯殼之間縫隙的滲透，從而改善潤滑效果，提高鑄坯質(zhì)量，因此非正弦波振動更適合高拉速連鑄。

非正弦波振動方式是通過液壓或電動機械伺服驅(qū)動振動機構(gòu)實現(xiàn)的，液壓振動驅(qū)動裝置具有可在線調(diào)整振幅、振頻、波形等功能，振動精度高，穩(wěn)定性更好，同時可提高鑄坯的質(zhì)量，振動裝置壽命長，故障率低。電動機械伺服驅(qū)動采用電機變頻來改變結(jié)晶器振動的頻率，成本較低，均可實現(xiàn)高頻、小振幅振動。

目前高效連鑄中的高精度振動裝置，采用板簧式結(jié)晶器振動機構(gòu)，其驅(qū)動裝置通過液壓或電動機械伺服驅(qū)動實現(xiàn)非正弦波振動方式，振動精度比較高，生產(chǎn)實踐中應用效果顯著。

3．結(jié)晶器鋼水液面控制技術(shù)

在高速澆鑄條件下，拉速越高，結(jié)晶器液面波動越大，容易產(chǎn)生卷渣及夾雜物造成鑄坯缺陷，高拉速連鑄要求結(jié)晶器鋼水液面具有較高的穩(wěn)定性。使用結(jié)晶器液面控制系統(tǒng)，能保證結(jié)晶器內(nèi)鋼水液面穩(wěn)定保持在預定高度上，可有效避免結(jié)晶器溢流和漏鋼，同時提高連鑄機作業(yè)率。

現(xiàn)連鑄生產(chǎn)上的結(jié)晶器鋼水液面控制通常使用同位素法，銫同位素137和射線探測器安裝在結(jié)晶器的兩邊，直接測量鋼水的高度值，測量精確度高，穩(wěn)定性好，目前結(jié)晶器鋼水液面控制技術(shù)可使液面穩(wěn)定在±3mm。

結(jié)晶器鋼水液面高度設(shè)計原則：液面距結(jié)晶器銅管頂端距離在80～120mm之間，距離過小使結(jié)品器銅管頂部應力較大，距離過大使坯殼在結(jié)晶器銅壁內(nèi)停留時間變短。

4．高效結(jié)晶器保護渣技術(shù)

在高速澆鑄條件下，由于拉速提高使得結(jié)晶器保護渣用量相對減少，使坯殼與結(jié)晶器銅壁之間發(fā)生粘結(jié)，導致漏鋼的可能性增加。因此要求使用新型保護渣，即高效連鑄結(jié)晶器選擇的保護渣與高拉速相適用，應具有低黏度、低熔點、高熔化速度和良好的吸收夾雜物性能，具體特性以下。

(1)在高拉速或拉速變化較大時，能保持足夠的消耗量，避免發(fā)生粘結(jié)漏鋼。

(2)結(jié)晶器銅壁與坯殼之間渣膜厚度適宜、分布均勻，以降低結(jié)晶器摩擦力，且散熱均勻。

(3)具有適當?shù)娜墼鼘雍穸龋乐垢呃贂r熔渣供應不足。

(4)要有良好的溶解、吸收夾雜物能力，且吸收夾雜物后物理性能穩(wěn)定。

選擇高效連鑄結(jié)晶器保護渣的關(guān)鍵是在高速澆鑄時確保保護渣的消耗量，提高結(jié)晶器銅壁潤滑性能，使凝固坯殼均勻生成，保證高質(zhì)量鑄坯。

5．高效結(jié)晶器電磁攪拌技術(shù)

在高效澆鑄條件下，高速的鋼流干擾結(jié)晶器液面穩(wěn)定性，加劇保護渣卷入皮下，又能將鋼中夾雜物被鋼流帶入較深的液相穴內(nèi)，惡化鋼的清潔性。高效連鑄生產(chǎn)中普遍應用結(jié)晶器電磁攪拌技術(shù)，有助于提高鋼水的純凈度，減少偏析、縮孔，改善鑄坯凝固結(jié)構(gòu)，提高鑄坯的表面質(zhì)量和內(nèi)部質(zhì)量，利于提高拉速。其安裝位置的設(shè)計原則是在保護澆鑄方式條件下，通常攪拌器鐵芯上緣距離銅管上緣約300～450mm。

6．多點矯直技術(shù)

在高效連鑄中，高拉速鑄坯的液芯長度很長，需要采用帶液芯矯直，此時鑄坯在兩相區(qū)界面處坯殼的強度和允許的變形率極低。如采用低效澆鑄的一點彎曲矯直容易產(chǎn)生裂紋，采用多點矯直可以把集中一點的應變量分散到多個點完成，將矯直點的變形率控制在允許范圍之內(nèi)，消除了鑄坯產(chǎn)生內(nèi)裂的可能性，提高鑄坯質(zhì)量。高效連鑄普遍應用多點矯直技術(shù)，采用多點矯直機實現(xiàn)連鑄高效率。

通過對上述關(guān)鍵技術(shù)的優(yōu)化設(shè)計與應用，成功對首鋼等多家鋼廠方坯連鑄機進行了高效化改造，有效提高了連鑄生產(chǎn)效率，同時優(yōu)化了連鑄生產(chǎn)結(jié)構(gòu)。

二、結(jié)論

第一，方坯高效連鑄關(guān)鍵技術(shù)包括高效結(jié)晶器、高精度結(jié)晶器振動裝置、結(jié)晶器鋼水液面控制、高效結(jié)晶器保護渣、結(jié)晶器電磁攪拌及多點矯直技術(shù)。其中高效結(jié)晶器是高效連鑄的核心技術(shù)。

第二，通過對方坯高效連鑄關(guān)鍵技術(shù)的優(yōu)化設(shè)計，實現(xiàn)連鑄高拉速，成功實現(xiàn)方坯連鑄機高效化改造。

[1] 干勇．現(xiàn)代連續(xù)鑄鋼實用手冊[M]．北京：冶金工業(yè)出版社，2010．

[2] 中國冶金報社．連續(xù)鑄鋼500問[M]．北京：冶金工業(yè)出版社，2004．

[3] 史宸興． 實用連鑄冶金技術(shù)[M]．北京：冶金工業(yè)出版社，2005．

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1671-0711（2014）05-0061-02

2014-03-07）