結(jié)晶器液面周期性波動(dòng)的成因分析及解決措施

劉 洪 ，黎建全，張 奇，候小光

(1. 中國(guó)重型機(jī)械研究院股份公司，陜西 西安 710032；2. 攀鋼集團(tuán)攀枝花鋼釩有限公司，四川 攀枝花 617062)

結(jié)晶器液面周期性波動(dòng)的成因分析及解決措施

劉 洪1，黎建全2，張 奇1，候小光1

(1. 中國(guó)重型機(jī)械研究院股份公司，陜西 西安 710032；2. 攀鋼集團(tuán)攀枝花鋼釩有限公司，四川 攀枝花 617062)

本文通過(guò)對(duì)某廠直弧型板坯連鑄機(jī)結(jié)晶器液面存在周期性波動(dòng)的原因分析，指出引起該波動(dòng)的主要原因是連鑄機(jī)等間距或近似等間距的輥列布置方式，使得澆鑄過(guò)程中厚度不均勻的坯殼及不均勻的鼓肚受到周期性擠壓導(dǎo)致的，通過(guò)優(yōu)化輥列設(shè)計(jì)，采用非等間距的輥列布置方式能有效解決結(jié)晶器液面周期性波動(dòng)問(wèn)題。

直弧型板坯連鑄機(jī)；結(jié)晶器；液面波動(dòng)；輥列設(shè)計(jì)

0 前言

直弧型板坯連鑄機(jī)型兼顧立彎式和全弧形板坯鑄機(jī)諸多優(yōu)點(diǎn)，從上世紀(jì)90年代末起國(guó)內(nèi)外新建的板坯連鑄機(jī)幾乎全都是直弧型板坯連鑄機(jī)。但隨著板坯連鑄鋼種強(qiáng)度的不斷提高，直弧型板坯連鑄機(jī)在生產(chǎn)高強(qiáng)鋼時(shí)，非常容易出現(xiàn)周期性的結(jié)晶器液位波動(dòng)現(xiàn)象，既影響生產(chǎn)，也不利于保證鑄坯質(zhì)量。針對(duì)這一問(wèn)題，國(guó)內(nèi)相關(guān)廠家和研究機(jī)構(gòu)通過(guò)優(yōu)化結(jié)晶器冷卻、二次冷卻和保護(hù)渣等連鑄工藝，雖然有一定改善，但仍未完全解決。如何根本解決結(jié)晶器液位波動(dòng)問(wèn)題成為目前直弧型板坯連鑄生產(chǎn)高強(qiáng)鋼的關(guān)鍵之一。

某廠板坯連鑄機(jī)建成投產(chǎn)后生產(chǎn)包晶鋼和低合金鋼過(guò)程中，結(jié)晶器液面出現(xiàn)頻繁大幅度波動(dòng)，并由此導(dǎo)致漏鋼預(yù)報(bào)頻繁報(bào)警，澆鑄過(guò)程中被迫頻繁降速或停機(jī)，同時(shí)也嚴(yán)重地影響鑄坯表面質(zhì)量。

1 結(jié)晶器液面周期性波動(dòng)的原因分析

1.1 板坯連鑄機(jī)概況

某國(guó)外引進(jìn)的直弧型板坯連鑄機(jī)，鑄機(jī)基本半徑R8 m，8點(diǎn)彎曲7點(diǎn)矯直，鑄機(jī)長(zhǎng)度30.3 m，設(shè)計(jì)產(chǎn)量100 t/a，鑄流導(dǎo)向區(qū)由1個(gè)彎曲段、6個(gè)圓弧段、1個(gè)矯直段和6個(gè)水平段組成，其中6個(gè)圓弧段可互換布置。其輥列布置參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 直弧型板坯連鑄機(jī)的輥列布置參數(shù)

由表1可以看出，該板坯連鑄機(jī)的彎曲段和圓弧段的輥列布置有等間距和近似等間距的特點(diǎn)。

1.2 結(jié)晶器液位波動(dòng)現(xiàn)象

該板坯連鑄機(jī)澆鑄低合金鋼時(shí)，時(shí)常發(fā)生因結(jié)晶器液面波動(dòng)大而被迫調(diào)整拉速的現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致鑄坯表面質(zhì)量不穩(wěn)定，澆注L245MB管線鋼過(guò)程結(jié)晶器液位波動(dòng)情況如圖1所示。由圖1可見(jiàn)，澆注過(guò)程中結(jié)晶器液位呈周期性波動(dòng)，波動(dòng)最大值達(dá)到了±30 mm以上，難以維持正常的澆鑄。

圖1 典型結(jié)晶器液位波動(dòng)圖Fig.1 Typical mould level fluctuation diagram

1.3 結(jié)晶器液位波動(dòng)產(chǎn)生原因

在正常澆注過(guò)程中，結(jié)晶器作為一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡體，在單位時(shí)間內(nèi)只要能夠保證流入的鋼水體積等于拉出的鑄坯體積就能保證結(jié)晶器內(nèi)的液位穩(wěn)定。一旦流入或拉出的任何一方偏離了平衡，就會(huì)導(dǎo)致結(jié)晶器液位波動(dòng)，此時(shí)可以通過(guò)將液位自動(dòng)控制系統(tǒng)切換到手動(dòng)控制來(lái)判斷造成液位波動(dòng)的方向。由此，可將結(jié)晶器液位波動(dòng)分為兩類：一類為通過(guò)手動(dòng)控制可以緩解的結(jié)晶器液位波動(dòng)；一類為手動(dòng)和自動(dòng)均不能消除或緩解的液位波動(dòng)。

第一類液位波動(dòng)主要是由于鋼水質(zhì)量較差，造成水口或塞棒堵塞，而引起的來(lái)鋼量不穩(wěn)定造成的，這類液位波動(dòng)特點(diǎn)就是結(jié)晶器液位波動(dòng)幅度變化較大，且周期不確定，通過(guò)手動(dòng)控制可以部分緩解，另外通過(guò)對(duì)澆注完畢的水口和塞棒進(jìn)行觀察，可以看到水口堵塞或塞棒結(jié)瘤等現(xiàn)象，改進(jìn)這類液位波動(dòng)必須從改進(jìn)鋼水質(zhì)量著手。

第二類液位波動(dòng)呈周期性變化，主要是由于鑄坯在輥道中的凝固特點(diǎn)造成的。帶有液芯的鑄坯在連鑄機(jī)中運(yùn)行時(shí)，在鋼水靜壓力作用下，凝固的坯殼在兩個(gè)導(dǎo)輥之間始終存在不同程度的鼓肚，當(dāng)鼓肚到達(dá)下一個(gè)輥?zhàn)訒r(shí)又被壓回到正常厚度，如此反復(fù)作用，鑄坯坯殼始終存在一個(gè)鼓出、壓回的循環(huán)過(guò)程[1]，如圖2所示。拉坯過(guò)程中，當(dāng)輥?zhàn)又g鑄坯鼓肚量不均勻時(shí)，坯殼鼓出、壓回的過(guò)程會(huì)引起鑄坯內(nèi)液芯容積發(fā)生變化，從而導(dǎo)致結(jié)晶器液面波動(dòng)。

圖2 帶液芯的鑄坯在輥?zhàn)又g的運(yùn)行示意圖Fig.2 Slab with liquid core running in the rollers

當(dāng)澆注碳當(dāng)量為包晶鋼時(shí)，凝固過(guò)程中存在包晶反應(yīng)(δFe+L→γFe)，并伴隨著劇烈的體積收縮(約0.38%)。若包晶反應(yīng)發(fā)生在結(jié)晶器，銅板與坯殼之間因坯殼收縮而存在氣隙，氣隙存在的地方冷卻效果不好導(dǎo)致該處坯殼較薄[2]。也就是說(shuō)，在澆注包晶鋼時(shí)，結(jié)晶器出口處的坯殼厚度會(huì)存在先天的不均勻性。坯殼厚度的不均勻?qū)е妈T坯在輥?zhàn)又g鼓肚量的不均勻，即坯殼較薄處鼓肚量較大，坯殼較厚處鼓肚量較小。根據(jù)上面帶液芯的鑄坯在輥?zhàn)又g運(yùn)行過(guò)程的描述和圖2所示，鼓肚的不均勻會(huì)導(dǎo)致液芯容積變化，從而引起結(jié)晶器液面波動(dòng)。當(dāng)輥?zhàn)娱g距相同時(shí)(輥列為等間距或近似等間距排列)，坯殼鼓出、壓回的過(guò)程就帶有節(jié)奏性，反映在結(jié)晶器液面上表現(xiàn)為液面周期性波動(dòng)。因此在澆注包晶鋼和低合金高強(qiáng)鋼時(shí)，結(jié)晶器液面對(duì)等間距或近似等間距的輥列布置方式特別敏感。

2#板坯連鑄機(jī)結(jié)晶器液面波動(dòng)主要有兩個(gè)特點(diǎn)，一是在澆注低合金包晶鋼時(shí)會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)，二是波動(dòng)呈現(xiàn)出明顯周期性。這兩個(gè)特點(diǎn)與前面的分析剛好吻合，另外結(jié)晶器液位波動(dòng)一般在澆鑄前期就已開(kāi)始，對(duì)包次結(jié)束后的水口和塞棒進(jìn)行觀察也未發(fā)現(xiàn)有嚴(yán)重的堵塞和結(jié)瘤現(xiàn)象。

因此分析認(rèn)為，引起2#板坯連鑄機(jī)結(jié)晶器液面周期性波動(dòng)的主要誘因是等間距或近似等間距的輥列布置方式。

2 扇形段輥列布置的改進(jìn)

分析引起結(jié)晶器液面周期性波動(dòng)的原因，由2#板坯連鑄機(jī)的輥列布置可知弧形區(qū)等間距輥?zhàn)訑?shù)量最多(6×6=36對(duì))，因此可通過(guò)改變?cè)搮^(qū)域扇形段輥?zhàn)拥呐帕蟹绞絹?lái)打亂坯殼擠壓的周期性，使液芯的容積變化在扇形段之間有所平衡和補(bǔ)償，減少液芯容積變化的幅度，從而解決結(jié)晶器的液面波動(dòng)。在拉坯過(guò)程中因弧形區(qū)鑄坯往往帶有液芯，改變靠近結(jié)晶器的扇形段的輥?zhàn)娱g距更有效果。根據(jù)凝固計(jì)算結(jié)果，靠近結(jié)晶器的扇形段1和扇形段2的平均鼓肚量較大，因此確定改造扇形段1和扇形段2。

在保持原扇形段的結(jié)構(gòu)形式不變的情況下，保持傳動(dòng)輥輥徑不變(φ230 mm)，增加一對(duì)自由輥，將自由輥輥徑由φ230 mm變?yōu)棣?90 mm。改造后輥列布置參數(shù)見(jiàn)表2，扇形段輥列布置圖如圖3所示。

為應(yīng)盡可能的降低設(shè)備改造成本，做出以下設(shè)計(jì)：噴嘴、液壓缸等配套件盡量與現(xiàn)有設(shè)備通用；改造后的扇形段和現(xiàn)有扇形段應(yīng)具有互換性；扇形段輥?zhàn)佣押福簧刃味蝹鲃?dòng)裝置不做改動(dòng)；維修區(qū)設(shè)備不做改動(dòng)。

表2 改造后圓弧區(qū)輥列布置參數(shù)

圖3 改造后扇形段1和扇形段2的輥列布置圖Fig.3 The roll arrangement layout of seg.1 and seg.2 after reform

3 改造效果

根據(jù)上述改進(jìn)方案，設(shè)計(jì)并制造了三個(gè)優(yōu)化改進(jìn)扇形段，并于開(kāi)展了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用試驗(yàn)，期間共生產(chǎn)5 815爐，其中低合金高強(qiáng)鋼125爐，1.5萬(wàn)t，打通了2#板坯連鑄低合金鋼的技術(shù)瓶頸。在澆注試驗(yàn)過(guò)程中，結(jié)晶器液位穩(wěn)定，未出現(xiàn)液位波動(dòng)問(wèn)題。

2#板坯連鑄機(jī)扇形段改造后，澆鑄過(guò)程結(jié)晶器液位基本穩(wěn)定，無(wú)論是低合金鋼還是普碳鋼、低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼、超低碳鋼和電工鋼，結(jié)晶器液位波動(dòng)均控制±4 mm以內(nèi)，未出現(xiàn)波動(dòng)，各鋼種正常澆注過(guò)程中，結(jié)晶器液位波動(dòng)情況統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表3，改造前后典型爐次液位波動(dòng)情況見(jiàn)圖4。由表3和圖4可見(jiàn)，試驗(yàn)過(guò)程中，改造扇形段后結(jié)晶器液位波動(dòng)現(xiàn)象基本消除，絕大多數(shù)時(shí)，結(jié)晶器液位波動(dòng)值在±3 mm以內(nèi)，澆鑄穩(wěn)定順行。

表3 改造扇形段后各鋼種結(jié)晶器液位波動(dòng)情況統(tǒng)計(jì)

圖4 改造前后結(jié)晶器液位波動(dòng)情況Fig.4 The level fluctuation before and after the reform

4 結(jié)論

(1)造成2#板坯連鑄機(jī)結(jié)晶器液位周期性波動(dòng)的主要原因?yàn)樵撨B鑄機(jī)等間距的輥列布置方式。

(2)澆鑄過(guò)程中坯殼厚度的不均勻性始終存在，坯殼厚度不均勻?qū)е铝瞬痪鶆蚬亩牵痪鶆蚬亩窃诘乳g距或近似等間距的導(dǎo)輥中運(yùn)行時(shí)受到周期性擠壓導(dǎo)致了結(jié)晶器液面周期性波動(dòng)。

(3)澆鑄包晶鋼或亞包晶鋼時(shí)不均勻鼓肚會(huì)進(jìn)一步加劇，因此液面周期性波動(dòng)更加明顯。

(4)優(yōu)化板坯連鑄機(jī)輥列設(shè)計(jì)，采用非等間距輥列布置方式可打亂坯殼擠壓的周期性，使液芯的容積變化在圓弧區(qū)得到平衡和補(bǔ)償，從而避免結(jié)晶器液面周期性波動(dòng)。

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Research on the mold level cyclical fluctuations in slab caster

LIU Hong1, LI Jian-quan2, ZHANG Qi1, HOU Xiao-guang1

(1.China National Heavy Machinery Research Institute Co.,Ltd.,; 2.Panzhihua steel & Vanadium Co.,Ltd.,Pansteel Group，Panzhihua 617062，china)

This paper analyzes the causes of the mold level cyclical fluctuations in the vertical curved continuous slab caster. It points out that the main cause lies in the equidistant or approximately equidistant arrangement of the rollers, which makes the shell of uneven thickness and the non-uniformity bulgingextruded periodically. By optimizing the design of the roll arrangement and adopting the non-equal interval arrangement, the problem of the mold level cyclical fluctuations can be effectively solved.

vertical curved continuous slab caster; mold; level fluctuation; roll arrangement design

2016-04-08；

2016-05-02

劉洪(1970-)，男，高級(jí)工程師，主要從事冶金裝備。

TF777

A

1001-196X(2016)06-0031-04