提高四流圓坯連鑄機鑄坯質量的改造實踐

龐 聰，王學東，彭可雕，馮立軍

（1. 成都攀成鋼冶金工程技術有限公司，四川 成都 610303；

2. 攀鋼集團成都鋼釩有限公司，四川 成都 610303）

20 世紀90 年代初，攀鋼集團成都鋼釩有限公司（簡稱攀成鋼）從美國SMS Concast 公司引進了一臺四機四流圓坯連鑄機（簡稱四流機），主要為下游各無縫鋼管軋管機組提供不同規(guī)格的合格鑄坯，其工藝路線為：高爐→80 t 轉爐→80 t LF 爐→四流機→無縫鋼管軋管機組。該鑄機從投產(chǎn)至今已有20 余年，雖然生產(chǎn)一直順行，但其技術裝備水平已落后于國內(nèi)的主流連鑄機水平，易出現(xiàn)鑄坯表面裂紋、凹坑和澆鑄拉漏等問題，導致鑄機作業(yè)率及金屬收得率低、下游鋼管產(chǎn)品競爭力差。因此，為提高鑄坯質量，需對該四流機進行技術改造。

1 鑄坯質量問題分析

1.1 鑄坯質量現(xiàn)狀分析

由于鑄坯表面裂紋、凹坑等質量缺陷，鑄坯的廢品量和軋管的退廢量過大。2013 年，因上述缺陷產(chǎn)生的廢品鑄坯約5 350 t、廢品鋼管約1 700 t。此外，在鋼管進入市場后發(fā)生的質量異議中，有一部分與鑄坯內(nèi)部質量缺陷有關，對企業(yè)影響惡劣。

連鑄坯表面裂紋形成于結晶器內(nèi)，并在二冷區(qū)擴展。鑄坯表面出現(xiàn)裂紋，輕者需要精整，重者會導致漏鋼或鑄坯報廢，既影響連鑄機的生產(chǎn)率，又影響鑄坯的質量。鑄坯表面裂紋的形成原因較為復雜，但總體來講，鋼的高溫力學行為、凝固行為以及鑄機設備運行狀態(tài)是影響裂紋產(chǎn)生的主要因素；而設備運行狀態(tài)，如結晶器振動、浸入式水口參數(shù)、足輥段對弧等，是常被優(yōu)先考慮的因素［1-3］。

冷卻不均勻易引起鑄坯表面收縮不均勻，造成鑄坯表面粗糙，輕者形成裂紋，重者形成凹坑（呈山谷狀的凹陷）［4］。文獻［5-7］指出，鑄坯表面凹坑的產(chǎn)生主要與結晶器結構、鋼水成分、保護渣性能、結晶器振動等有關。

1.2 四流機設備現(xiàn)狀分析

該四流機采用的主要技術包括：鋼水全程無氧化保護澆鑄，采用大容量中間包，高頻小振幅結晶器振動技術，結晶器液面在線監(jiān)測及控制技術，兩點彎曲矯直，在線切割試樣等。

（1） 結晶器振動裝置。

該四流機現(xiàn)有的結晶器振動裝置為帶偏心輪的四連桿機構，采用電機、減速機驅動，通過偏心輪調(diào)節(jié)正弦振動的振幅。該結晶器振動裝置具有以下特點：①可對結晶器振動從角部位置進行支撐，故振動平穩(wěn)且無擺動現(xiàn)象；②振動曲線與澆鑄弧線同屬一個圓心，無任何卡阻現(xiàn)象，不影響鑄坯順利前行［8］。

然而，由于設備陳舊老化及自身結構特點，該裝置存在以下問題：①機構復雜，振幅調(diào)整不便、耗時長，且隨著設備磨損日益嚴重，振幅調(diào)節(jié)精度難以保證，鑄坯表面易出現(xiàn)裂紋、凹坑等缺陷，嚴重時會造成漏鋼；②不能在生產(chǎn)過程中隨拉坯速度變化適時調(diào)節(jié)振幅，且不能實現(xiàn)非正弦振動；③電耗較大。

（2） 結晶器未配置電磁攪拌裝置。

結晶器電磁攪拌可以均勻結晶器內(nèi)鋼水溫度并降低過熱度，改善凝固條件，促進氣體和夾雜物的聚集上浮，從而提高鑄坯質量，擴大鑄坯等軸晶區(qū)，減少鑄坯中心偏析、疏松和縮孔等缺陷［9-10］。目前，該四流機未配置結晶器電磁攪拌裝置，鑄坯質量已不能滿足下游軋管生產(chǎn)要求。

由于現(xiàn)有結晶器振動裝置機構復雜且陳舊老化，不能實現(xiàn)在線適時調(diào)節(jié)振幅、調(diào)節(jié)精度差，鑄坯表面易出現(xiàn)凹坑、裂紋等質量缺陷，嚴重時易出現(xiàn)拉漏現(xiàn)象。此外，由于未配置結晶器電磁攪拌，一方面不能促進保護渣的熔化，改善鑄坯潤滑，降低拉坯阻力，更重要的是不能改善結晶器內(nèi)鋼液的流場和溫度場，易出現(xiàn)中心偏析、疏松和縮孔等質量問題。

2 技術改造方案及實施

2.1 技術改造方案

（1） 采用結晶器電動缸振動技術。

目前，帶伺服機構的非正弦振動裝置已成為現(xiàn)在連鑄設備的主流配置，并在國內(nèi)的多條連鑄生產(chǎn)線上應用。非正弦振動工藝的優(yōu)勢有：①在正滑脫時間里，結晶器向上振動的最大速度與拉坯速度之差減小，從而降低結晶器對坯殼的摩擦阻力，改善鑄坯的表面振痕；②在負滑脫時間里，結晶器向下振動的最大速度與拉坯速度之差增大，作用于坯殼上的壓力增大，有利于對坯殼的愈合和強制脫模，且負滑脫時間短，可以有效地減輕振痕深度，減小坯殼應力集中，減少拉裂、拉漏現(xiàn)象，提高鑄坯表面質量［11-13］。

常見的非正弦振動裝置按動力驅動分為電動缸振動和液壓振動兩種。其中，電動缸振動技術利用目前成熟先進的計算機技術和數(shù)字交流伺服控制技術，由計算機系統(tǒng)產(chǎn)生并控制振動波形曲線，以電動缸為動力驅動，直接驅動振動臺實現(xiàn)結晶器的全弧振動；具有結構簡單緊湊、運行維護成本低、可在線適時調(diào)節(jié)振動波形曲線，且控制精度高等特點。因此，綜合設備性能、投資、工程量及工期等多方面因素，確定選用電動缸振動裝置。

采用結晶器電動缸振動技術，可實現(xiàn)不同鋼種和拉坯速度條件下選擇最佳的振動特性參數(shù)，在線適時調(diào)節(jié)結晶器振動的波形、頻率和振幅，以獲得合適的正滑脫時間和負滑脫時間，減少坯殼應力集中，減少拉裂、拉漏現(xiàn)象，改善鑄坯振痕，從而提高鑄坯表面質量，減少鑄坯修模量，提高金屬收得率和鑄機作業(yè)率。

（2） 采用結晶器電磁攪拌技術。

結晶器電磁攪拌技術通過定量輸入磁場，控制結晶器內(nèi)鋼水流動、傳熱和凝固，改善結晶器內(nèi)的鋼水流場和溫度場，擴大鑄坯等軸晶區(qū)，減少成分偏析，減輕中心疏松和縮孔，同時促進夾雜物上浮，提高鋼液潔凈度，從而改善鑄坯內(nèi)部質量。

2.2 技術改造實施

基于上述方案，攀成鋼從結晶器振動系統(tǒng)、結晶器總成及新增結晶器電磁攪拌系統(tǒng)等方面對四流機進行改造。

（1） 結晶器振動系統(tǒng)。

結晶器振動裝置采用電動缸非正弦振動裝置，可以實現(xiàn)正弦振動和非正弦振動兩種模式的相互切換，其主要技術參數(shù)見表1。

表1 電動缸非正弦振動裝置主要技術參數(shù)

（2） 結晶器電磁攪拌系統(tǒng)。

結晶器電磁攪拌系統(tǒng)主要技術參數(shù)見表2。在電磁力的作用下，使結晶器內(nèi)鋼水產(chǎn)生正向或逆向旋轉流動，以控制結晶器內(nèi)的鋼液流場和溫度場，從而改善鑄坯質量。

表2 結晶器電磁攪拌系統(tǒng)主要技術參數(shù)

（3） 結晶器總成。

現(xiàn)有結晶器總成由于未安裝電磁攪拌裝置，不能同時支撐結晶器振動裝置和電磁攪拌裝置，因此對結晶器總成（含部分規(guī)格的結晶器）進行改造。改造后，結晶器為單錐度弧形銅管，采用高磷銅材質，長度700 mm。

四流機改造前后的主要技術參數(shù)對比見表3。

表3 四流機改造前后的主要技術參數(shù)對比

3 技術改造實施效果

實踐證明：通過改造結晶器振動裝置、增設結晶器電磁攪拌裝置等技術措施，使鑄坯質量得到顯著改善。

（1） 鑄坯表面裂紋、凹坑等缺陷明顯減少。

統(tǒng)計了改造前（2014 年7—8 月）和改造后（2014 年9—10 月）共計1 600 余爐鋼水的鑄坯質量情況，鑄坯表面缺陷統(tǒng)計如圖1 所示。從圖1 可以看出：出現(xiàn)凹坑的鑄坯數(shù)量明顯減少，出現(xiàn)表面裂紋的鑄坯從改造前的3 支（2014 年7 月）降低至改造后的0 支（2014 年10 月）。

（2） 漏鋼率明顯降低。

由于容易引起漏鋼現(xiàn)象的表面缺陷明顯減少，使漏鋼率由改造前的0.18%降至改造后的0.07%。

（3） 鑄坯等軸晶率顯著提高。

鑄坯中柱狀晶比較發(fā)達，易導致冷卻不均，凝固過程中常發(fā)生“搭橋”現(xiàn)象，阻礙凝固收縮后的鋼水補充，最終在鑄坯中心形成疏松和縮孔。鑄坯中等軸晶所占比例（即等軸晶率）可以反映鑄坯內(nèi)部質量情況，等軸晶率越高，柱狀晶越不發(fā)達，中心疏松、縮孔等內(nèi)部缺陷越輕。表4 為不同鋼種、規(guī)格鑄坯使用電磁攪拌前后的等軸晶率對比。從表4 可以看出：在同等條件下，相對于未使用電磁攪拌，使用電磁攪拌的鑄坯中心等軸晶面積明顯增加，鑄坯等軸晶率顯著提高。

圖1 2014 年四流機改造前后鑄坯表面缺陷統(tǒng)計（7—8 月改造前，9—10 月改造后）

表4 使用電磁攪拌前后的鑄坯等軸晶率對比

4 結論與展望

4.1 結 論

（1） 針對鑄坯易出現(xiàn)表面裂紋、凹坑和澆鑄易拉漏等問題，通過分析并結合生產(chǎn)實踐發(fā)現(xiàn)：由于現(xiàn)有結晶器振動裝置機構復雜且陳舊老化，不能實現(xiàn)在線適時調(diào)節(jié)振幅，調(diào)節(jié)精度差，且未配置結晶器電磁攪拌裝置，鑄坯表面質量和內(nèi)部質量較差。

（2） 采用電動缸振動、結晶器電磁攪拌等技術，可改善鑄坯表面和內(nèi)部質量。

（3） 改造后，鑄坯表面裂紋、凹坑的數(shù)量明顯減少，漏鋼率明顯降低，鑄坯中心等軸晶率顯著提高，驗證了技術改造措施的正確性。

4.2 展 望

本次技術改造新增設了電磁攪拌裝置，通過控制結晶器內(nèi)鋼液的流場和溫度場達到了改善鑄坯內(nèi)部質量和表面質量的目的。然而，由于Φ350 mm結晶器斷面最大，且700 mm 的長度仍較短，其上部的鋼液流動過強，易出現(xiàn)鋼液翻渣現(xiàn)象。建議開展以下兩方面的專題研究，以優(yōu)化出合理的電磁攪拌參數(shù)：

（1） 對設有結晶器電磁攪拌的鋼液流場和溫度場進行數(shù)理模擬，找出電流、頻率對Φ350 mm 結晶器內(nèi)鋼液流場和溫度場的影響規(guī)律，并優(yōu)化出合理的電流和頻率。

（2） 根據(jù)電磁攪拌裝置生產(chǎn)廠家已有經(jīng)驗數(shù)據(jù)進行工業(yè)試驗研究，優(yōu)化出適應于生產(chǎn)的電流和頻率。

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