方坯連鑄機二冷設備改造實踐

張福來

(北京首鋼股份公司，北京 100043)

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設備改造

方坯連鑄機二冷設備改造實踐

張福來

(北京首鋼股份公司，北京 100043)

二次冷卻設備對鑄坯質(zhì)量影響很大。通過對小方坯連鑄生產(chǎn)中的鑄坯質(zhì)量缺陷問題進行分析，經(jīng)過改進結(jié)晶器急冷水環(huán)，優(yōu)化二冷分區(qū)和噴淋管噴嘴分布，提高了鑄坯質(zhì)量，取得了良好的效果。

方坯連鑄；二冷設備；鑄坯質(zhì)量

0 前言

近年來，首鋼煉鋼廠不斷優(yōu)化煉鋼和連鑄工藝，經(jīng)過一系列工藝升級和設備改造，提高了高附加值產(chǎn)品的生產(chǎn)比例。首鋼煉鋼廠某小方坯連鑄機采用全弧形8機8流連鑄機，下裝柔性引錠桿，弧形半徑：R8 000 mm,冶金長度：19.6 m,澆注斷面：130 mm×130 mm,160 mm×160 mm，拉速范圍：0～4 m/min。

連鑄二次冷卻對連鑄坯質(zhì)量起著非常重要的作用，首鋼煉鋼廠針對鑄坯生產(chǎn)中的質(zhì)量問題，經(jīng)過技術(shù)和設備部門的分析研究后，決定對結(jié)晶器水環(huán)、二冷區(qū)分區(qū)、噴嘴分布進行優(yōu)化，引入氣水冷卻，增強產(chǎn)品質(zhì)量保證能力，降低了各類質(zhì)量缺陷，滿足了高檔產(chǎn)品的質(zhì)量要求。

1 二次冷卻設備

二次冷卻設備就是在結(jié)晶器之后，到拉矯機矯直輥這段距離，對鑄坯進行第二次冷卻和支撐導向的裝置，其結(jié)構(gòu)和設計對連鑄機能否生產(chǎn)順利，以及生產(chǎn)的鑄坯質(zhì)量都有著直接的影響。

1.1 二冷設備的作用和要求

二冷設備要求對鑄坯進行均勻的強制冷卻，將鑄坯殼凝固到足夠的厚度。對鑄坯和引錠桿進行支撐和導向，其重要性不亞于結(jié)晶器，它直接影響鑄坯的質(zhì)量、設備的操作和鑄機的作業(yè)率[1]。其主要工藝要求如下：

(1)二次冷卻設備在高溫作用下要具有足夠的強度和剛度，并能采取強制通水冷卻的方法防止其變形。

(2)在結(jié)構(gòu)上，二冷設備各段要能整體快速的更換，具有良好的調(diào)整性能，以適應澆注不同規(guī)格的鑄坯。

(3)支撐和導向設備的結(jié)構(gòu)和參數(shù)要合理，且易于維修和事故處理。

(4)在二次冷卻區(qū)域內(nèi)，對鑄坯要求有足夠的冷卻強度和均勻冷卻，盡可能減小鑄坯的鼓肚和變形以減少鑄坯運行阻力。

(5)合理的分配各段冷卻水量，且能靈活調(diào)節(jié)以適應變更澆注斷面、鋼種、不同澆注溫度和拉坯速度的工藝要求[2]。

2 二次冷卻設備生產(chǎn)中的問題

該連鑄機在生產(chǎn)過程中，由于受到工藝條件、生產(chǎn)操作及設備維護水平等因素的影響，生產(chǎn)極不正常，鑄坯合格率低，鑄坯存在裂紋，中心縮孔等缺陷。導致投產(chǎn)后生產(chǎn)不平穩(wěn)，鑄坯收得率不高。此外，在二冷設備上還存在以下主要問題。

2.1 二冷設備的主要問題分析

(1)該鑄機結(jié)晶器下方帶急冷水環(huán)，水環(huán)有8個噴嘴,每個噴嘴距離鑄坯距離為94 mm，對鑄坯進行噴水冷卻，水環(huán)噴嘴噴水量約為6.6 L/min。根據(jù)要求，鑄坯出結(jié)晶器后由于表面溫度高,坯殼薄，噴水量要大，要迅速增加坯殼厚度。但從生產(chǎn)實際情況來看，水環(huán)冷卻強度不夠且不均勻，滿足不了坯殼厚度增長的需要，生產(chǎn)過程中易造成漏鋼事故[7]。

(2)二冷區(qū)主要分為二段水冷，一段空冷，分區(qū)不合理，導致二冷水分配不能滿足鑄坯冷卻需要，由于鑄坯在二冷區(qū)始終處于“冷卻-回熱”的交替狀態(tài)，且二冷分區(qū)前二段噴水區(qū)域噴嘴間距較大，而二冷區(qū)三段為空冷區(qū)域，導致鑄坯在二冷室運行過程中冷卻不均勻，鑄坯表面存在回熱現(xiàn)象。尤其在高拉速條件下，方坯中心偏析和疏松嚴重，中心縮孔等級較高，影響了鑄機生產(chǎn)效率。

(3)噴淋管上噴嘴設置間隔距離較大且均勻進行分布，且噴嘴選型和出水角度不合理，噴嘴出水形狀為全錐形，外圈水量相對強，中心區(qū)域水量相對弱，且噴嘴容易堵塞，常使得鑄坯角部冷卻強，表面冷卻不均勻, 不符合鑄坯凝固過程要求,易形成鑄坯缺陷(如內(nèi)部裂紋，角裂，鼓肚等)。

3 二冷設備改造措施

據(jù)此,首鋼煉鋼廠結(jié)合上述二冷設備的主要問題分析,在二冷設備上進行了以下改造措施。

3.1 結(jié)晶器水環(huán)改造

結(jié)晶器急冷水環(huán)由方形改為八角形，增加了定位裝置，便于現(xiàn)場快速更換。增加了水環(huán)噴嘴數(shù)量，改變了噴嘴型號。將結(jié)晶器水環(huán)噴嘴由單層改為上下雙層,噴嘴數(shù)量由8個改為16個，型號由原來的PZ6080QZ噴嘴改為PZ4745QZ2噴嘴,噴嘴距離坯面距離由原來94 mm改為100 mm。合理的分配了噴水冷卻強度和均勻度，從而保證了鑄坯出結(jié)晶器后有足夠的坯殼厚度。根據(jù)主控室的數(shù)據(jù)顯示,改造后的冷卻水量由原來的50～60 L/min,提高到了98～119 L/min，提高了冷卻強度和冷卻均勻度。

3.2 二冷分區(qū)及配水室改造

通常二冷區(qū)冷卻系統(tǒng)設計應滿足如前所述的工藝要求，鑄坯在凝固過程中，隨著坯殼厚度的增加傳到鑄坯表面的熱量減少，二冷區(qū)各區(qū)域的噴水量應隨著坯殼厚度的增加而連續(xù)逐步降低。生產(chǎn)實踐中通常將二冷區(qū)分為若干分區(qū)，總水量按工藝要求定比例分配給各區(qū)[10]。此次改造重新劃分二冷區(qū)三個冷卻分區(qū)，二區(qū)長度延長了548 mm，增加一個噴水三區(qū)，替代原來的空冷區(qū)域，改造后一區(qū)采用全水冷卻，二、三區(qū)均采用氣水冷卻[8]。增加了整個二冷區(qū)域的冷卻長度，各區(qū)長度為Ⅰ區(qū)1 434 mm,Ⅱ區(qū)2 538 mm,Ⅲ區(qū)2 664 mm，如圖1所示。

圖1 鑄坯表面?zhèn)鳠崃垦貪沧⒎较蚍植紙DFig.1 Billet surface heat transfer distribution

由于增加了二冷氣霧冷卻，需要對原有的兩個配水室進行改造，由于需要增加了壓縮空氣管路，為此增加了空氣過濾和干燥站。為改善水質(zhì)在二冷水進水總管上增加了反沖洗過濾器，減少了由于水質(zhì)問題導致的噴嘴堵塞。

3.3 噴淋管噴嘴優(yōu)化分布

根據(jù)澆注工藝要求,二冷區(qū)的作用主要是使鑄坯快速凝固,并承受最小的熱應力。根據(jù)生產(chǎn)實踐經(jīng)驗,由于鑄坯液芯在二冷區(qū)的凝固速度與時間的平方根成反比,因而二冷區(qū)噴水量也應大致按時間平方根的倒數(shù)成比例遞減。故鑄坯各段的水量可參照下式計算[4]：

Q0：Q1：Q2：Q3=1l0∶1l1∶1l2∶1l3

(1)

Q=Q0+Q1+Q2+Q3

(2)

聯(lián)立式(1)和式(2)可求任意一段的冷卻水量

Qi=Q×1li1l0∶1l1∶1l2∶1l3

(3)

式中：Q0、Q1、Q2、Q3分別為各區(qū)冷卻水量，t/h；Q為二冷總水量，t/h；l0、l1、l2、l3、li分別為各區(qū)中心至結(jié)晶器彎月面的距離，m；i=0～3。

從式(3)可以看出,鑄坯中心離結(jié)晶器彎月面的距離越近,要求的噴水量越大。在采用噴淋管冷卻的連鑄機中,為達到相類似的要求,可通過噴嘴排列密度的不同來實現(xiàn)鑄坯冷卻曲線的要求[11]。

通過以上分析后認為現(xiàn)二冷區(qū)的噴嘴排布不太合理，噴嘴數(shù)量偏少且分布間距偏大(見表1)，應增加噴嘴排列密度，提高鑄坯冷卻均勻度，以減小鑄坯溫度梯度。經(jīng)優(yōu)化后，原0區(qū)、1區(qū)噴嘴數(shù)量保持不變，2區(qū)立管下端延長，此區(qū)增加2排噴嘴(改后共計36個，原28個)，增加冷卻3區(qū)，此區(qū)噴嘴共計24個(見表2)。目的是縮短噴淋冷卻間距，降低每個噴嘴冷卻區(qū)域的冷卻強度，從而減小鑄坯回溫速率，降低鑄坯內(nèi)部裂紋產(chǎn)生。

同時由于鑄機原二冷區(qū)噴嘴為純水噴嘴，根據(jù)現(xiàn)使用型號，噴嘴出水的錐面直徑大于鑄坯寬度15 mm左右，造成鑄坯角部冷卻強度大，面部冷卻相對偏弱，同時由于有時噴嘴容易堵塞，帶來的質(zhì)量隱患較大。通對優(yōu)化，二冷2、3區(qū)采用氣水噴嘴，增加了噴嘴密度(由原來84個，增加到116個)，噴嘴型號改變見表1和表2。由于更換后的噴嘴不易堵塞，噴出的水滴直徑小，速度高，且分布更均勻，提高了鑄坯冷卻均勻度，減小了鑄坯表面溫度回升。

同時也對噴嘴到坯距離、角度進行了調(diào)整，使冷卻水更均勻打在鑄坯上。以降低鑄坯角部冷卻強度并提高冷卻均勻度。噴嘴到坯距離比較見表1和表2。0區(qū)噴嘴縮小出水角度至70°(原80°)，2區(qū)噴嘴縮小出水角度至70°(原75°)，冷卻水基本可全部打到鑄坯表面。改造后二冷區(qū)各區(qū)水量之比為：15.8∶33.5∶33.7∶17。經(jīng)較長時間的生產(chǎn)檢驗,改造后的二冷配水滿足了生產(chǎn)的需要。

表1 原二冷分區(qū)與噴嘴

表2 改造后二冷分區(qū)與噴嘴

3.4 二冷配水優(yōu)化

在對方坯二冷系統(tǒng)進行優(yōu)化后，重新修訂了二冷水控制模型和配水表。其數(shù)學模型如下所示：

Qi=(aiv2+biv+ci)+di(ΔT-27)+Fi

式中：Qi為二冷某一冷卻區(qū)水量，L/min；V為拉速，m/min；i為二冷分區(qū)序號；a、b、c為優(yōu)化后回歸獲得的系數(shù)；d為系數(shù)，與鋼水過熱度有關(guān)；F為系數(shù)，與不同季節(jié)二冷水溫有關(guān)。

對噴嘴優(yōu)化分布及配水優(yōu)化后的鑄坯表面溫度及坯殼厚度進行了數(shù)值模擬，在不同拉速下使用130 mm×130 mm斷面的方坯，對鑄坯凝固過程進行了仿真和優(yōu)化計算，獲得了方坯各表面中心溫度在拉坯方向上的變化規(guī)律[9]。數(shù)據(jù)顯示鑄坯表面回溫較小，鑄坯冷卻均勻(見圖2)達到了較好的二次冷卻效果。圖中的5根豎線分別代表結(jié)晶器出口和0區(qū)至3區(qū)末端位置。

圖2 鑄坯表面溫度變化模擬Fig.2 Simulation of billet surface temperature change

從外弧坯殼厚度增長曲線可以看出：鑄坯出結(jié)晶器后，在二冷區(qū)8 m弧范圍內(nèi)，隨著拉坯距離的逐漸增加，坯殼厚度逐漸增加。同時內(nèi)弧，外弧和側(cè)面表面中心溫度趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定在900℃左右，溫度波動較小，如圖2中所示。由此可知在二冷各區(qū)冷卻強度與鑄坯表面放熱基本達到平衡，鑄坯表面溫度波動較小或回升很小，這對保證鑄坯質(zhì)量特別是防止凝固前沿中間環(huán)節(jié)裂紋特別有好處[5-6]。由此可知二冷區(qū)域經(jīng)過優(yōu)化后，達到了較好的二次冷卻效果。

4 二冷改造后評價

經(jīng)過對二冷設備改造后12個月內(nèi)的鑄坯質(zhì)量低倍檢驗，共統(tǒng)計1281塊試樣。結(jié)果如下表3、表4所示，檢驗結(jié)果表明：鑄坯質(zhì)量獲得明顯改善。所生產(chǎn)的SWRH82B鋼種，其中心疏松、裂紋和縮孔小于和等于2級的達97.74%,小于和等于1級的達87%以上。其皮下裂紋平均為0.25級,角部裂紋平均為0.07級,說明二冷改造后已基本消除了以前的表面裂紋現(xiàn)象，鑄坯的質(zhì)量達到了改造要求。

表3 低倍情況

表4 縮孔情況

5 結(jié)束語

自改造完成投產(chǎn)以來，二冷設備運行穩(wěn)定，工藝效果明顯，鑄坯質(zhì)量達到了改造目標的要求。通過改造結(jié)晶器水環(huán)結(jié)構(gòu)，調(diào)整二冷各區(qū)分布長度與噴淋管噴嘴分布，改造了東西兩個配水室，使用了水冷與氣水冷卻相結(jié)合的方式。經(jīng)過計算機仿真優(yōu)化計算顯示鑄坯二次冷卻均勻，鑄坯表面溫度更穩(wěn)定。對鑄坯內(nèi)部裂紋和縮孔有了極大改善，基本消除了表面裂紋現(xiàn)象。經(jīng)生產(chǎn)實踐證明,經(jīng)過二冷設備改造后，鑄坯質(zhì)量合格率明顯提高，合格率提高了0.23%。拉速也有所提高，隨之產(chǎn)量得到較大提高，經(jīng)濟效益明顯。

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Revamp on secondary cooling equipment for billet casting machine

ZHANG Fu-lai

(Beijing ShouGang Company Limited, Beijing, 100043, China)

The secondary cooling equipment has great impact on billet quality. Through the analysis of the billet quality defects during billet production, after improving the cooling water ring of the mold, the secondary cooling zones and the nozzles distribution of the spray header, it improved the billet quality, and achieved good results.

billet casting; secondary cooling equipment; billet quality

2014-06-23；

2014-07-18

張福來(1984-)，男，北京首鋼股份公司工程師，主要從事連鑄設備管理工作。

TP777.2

A

1001-196X(2015)01-0084-05