新一代中間包水口快換機(jī)構(gòu)SEM2100的應(yīng)用實(shí)踐①

陳海燕， 張奇毅， 裴曉星， 張劍鋒， 宋延成， 徐國慶

(江陰興澄特種鋼鐵有限公司，江蘇 江陰　214432)

1　概　述

隨著連鑄機(jī)生產(chǎn)能力的提高，中間包的使用壽命不斷提高，但下水口的使用壽命卻不能與中間包同步，中包下水口的使用壽命成為影響生產(chǎn)節(jié)奏、連鑄機(jī)作業(yè)率及連鑄坯合格率的主要因素之一。而20世紀(jì)90年代末發(fā)展起來的快換中包水口技術(shù)提供了一種有效的解決方案：改善了由于下水口在中包耐火材料使用壽命周期內(nèi)的早期損壞以及單只中包多爐連澆的次數(shù)受到限制的問題；利用水口快換機(jī)構(gòu)，多次快速更換下水口，達(dá)到下水口與中包耐火材料使用壽命的最佳匹配，使得中包鋼水收得率、連鑄機(jī)作業(yè)率和質(zhì)量合格率及其穩(wěn)定性得到進(jìn)一步提高，耐火材料消耗進(jìn)一步降低。

目前國內(nèi)鋼廠[1-5]基本上都采用中間包水口快換技術(shù)，水口快換技術(shù)雖然已經(jīng)應(yīng)用多年，但是仍存在一些問題，如無法確保快換水口與中間包上水口之間的密封效果；不具有換裝水口過程中的附加保護(hù)；安裝和操作繁瑣；運(yùn)行和維護(hù)成本高等缺點(diǎn)。

圖1　使用中的SEM2100水口快換機(jī)構(gòu)

江陰興澄特種鋼鐵有限公司特板廠(以下簡稱“興澄特鋼特板廠”)2009年6月和9月，先后投產(chǎn)了2臺一機(jī)一流板坯連鑄機(jī)；自投產(chǎn)以來，連鑄一直使用由某公司設(shè)計和提供的新型中間包水口快換機(jī)構(gòu)SEM2100，如圖1所示。經(jīng)過2年多的使用跟蹤和性能測試，表明該系統(tǒng)除了具備一般快換機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)外，在提高保護(hù)澆注耐火材料間密封性，操作安全性和安裝、維護(hù)現(xiàn)場適應(yīng)性等方面有著優(yōu)良的表現(xiàn)，同時延長了主要部件的維護(hù)周期和降低了綜合運(yùn)行成本；該系統(tǒng)不僅提高了連鑄機(jī)的生產(chǎn)利用率，還完善了對現(xiàn)場操作人員安全和健康的保障。

2　連鑄機(jī)主要參數(shù)

興澄特鋼特板廠2臺一機(jī)一流板坯連鑄機(jī)參數(shù)如表1所示。

表1　連鑄機(jī)主要參數(shù)

(續(xù)表1)

3　SEM2100水口快換系統(tǒng)的特點(diǎn)

3.1　雙行程液壓缸的采用

目前國內(nèi)連鑄機(jī)上多數(shù)使用的中包水口快換機(jī)構(gòu)，包含的液壓缸是單行程的；在水口快換時，需要將盲板取下，這意味著在快換過程中如果塞棒失效，將無法關(guān)斷鋼流。2008年，某鋼廠曾發(fā)生過一次非常嚴(yán)重的結(jié)晶器溢流事故，而導(dǎo)致這一事故的主要原因就是在快換結(jié)束重新開澆后，盲板還未放入機(jī)構(gòu)中，塞棒失控從而使鋼流無法關(guān)斷。盡管這類事故發(fā)生的幾率非常低，但一旦發(fā)生后果非常嚴(yán)重。因此，SEM2100機(jī)構(gòu)的一個重要特點(diǎn)就是在任何狀況下都確保能夠關(guān)斷鋼流；將原用的單行程液壓缸設(shè)計成雙行程液壓缸，在類似緊急情況下，可以將正在澆鋼的水口沿快換方向移動一定距離以便在不使用盲板的情況下也能關(guān)斷鋼流。

3.2　錐面密封接口設(shè)計

中包水口快換后上、下滑板間的密封性成為問題的關(guān)鍵，如果密封性不佳，容易形成連鑄坯缺陷，如皮下氣孔和內(nèi)部夾渣等。通常快換機(jī)構(gòu)板間都采用氬封，為了保證氬封效果，需要在澆鋼過程中連續(xù)實(shí)時監(jiān)測上水口和下水口之間氬封的背壓和流量，而這一點(diǎn)由于設(shè)備自身以及操作人員的原因難以有效實(shí)施；加之機(jī)構(gòu)在吹氬管路和上水口連接方式如果存在不足之處，就會導(dǎo)致空氣被吸入澆鋼通道中污染鋼水，有些情況下還會導(dǎo)致相關(guān)耐火材料工作面及內(nèi)部的嚴(yán)重氧化，甚至出現(xiàn)異常侵蝕、穿鋼等極端惡性事故。如圖2所示，當(dāng)前許多機(jī)構(gòu)采用接頭連接的方式，在冷態(tài)時固定好的接頭在澆鋼過程中受熱后容易發(fā)生松動，這可能會導(dǎo)致空氣從此處被吸入澆鋼通道中。

圖2　連接方式

SEM2100吹氬管路采用錐面密封的接口一直固定在機(jī)構(gòu)上，無需經(jīng)常拆卸。機(jī)構(gòu)上用來固定上水口的氬氣夾緊裝配，通過與上水口上的石墨墊密封圈相配合，可以使其與吹氬系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)嵌入式無縫連接，極大地通過機(jī)構(gòu)改善了各耐火材料元件間的密封效果。

3.3　現(xiàn)場適應(yīng)性好、操作安全性高

液壓缸的安裝位置避開了結(jié)晶器的正上方，安裝在機(jī)構(gòu)的后側(cè)，消除液壓缸和管路因熱輻射而產(chǎn)生漏油的可能性，同時顯著提高了操作人員的操作方便性和對結(jié)晶器周邊的觀察視野和范圍，為快換中包水口提供了更大的空間，使得操作更為方便。

3.4　維修成本降低

水口快換機(jī)構(gòu)同時提供二路氬氣氣源和一路壓縮空氣氣源；氬氣用于密封，而壓縮空氣用于冷卻機(jī)構(gòu)。有了壓縮空氣的冷卻，機(jī)構(gòu)的抗熱性、彈簧的使用壽命得到顯著提高，維修的成本和維修量降低。

4　SEM2100水口快換系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用

4.1　快換機(jī)構(gòu)實(shí)際密封效果

快換機(jī)構(gòu)吹氬主要為了板間氬封以及防止水口內(nèi)部結(jié)瘤。為了防止過多的氬氣進(jìn)入澆鋼通道中，造成結(jié)晶器液面過度翻動以及鋼水的吸氣，從而產(chǎn)生連鑄坯的表面質(zhì)量問題(表面裂紋和皮下氣孔)，一般情況下，背壓為20 kPa時氬氣流量小于8 L/min。SEM2100機(jī)構(gòu)與其他快換機(jī)構(gòu)相比較，對防止空氣吸入、避免干擾氣體吹入和達(dá)到流量精確控制方面表現(xiàn)減良好。在開澆前將下水口安裝到機(jī)構(gòu)上，打開塞棒和氬氣，剛開始時氬氣流量比較大，當(dāng)管路內(nèi)吹滿氬氣后流量會逐漸小，在澆鋼過程中氬氣流量小于3 L/min。水口快換后，氬氣的流量會再次明顯上升，然后恢復(fù)到快換前的小流量，這表明該新機(jī)構(gòu)氣密性能是非常好的。

4.2　水口快換使用的幾種情形

(1)水口已經(jīng)達(dá)到其使用壽命，正常澆注情況下按計劃快換水口。

目前，興澄特鋼特板廠投產(chǎn)8年，板材品種當(dāng)初還偏低，還沒達(dá)滿負(fù)荷生產(chǎn)。一個澆次的計劃爐數(shù)不是很多，每個月快換水口的澆次一般只有3～4個澆次。通常情況下，水口的使用壽命為4～5 h，當(dāng)計劃爐數(shù)超過10爐時，便組織快換中包水口。從投產(chǎn)至今，快換水口的成功率達(dá)到100%，從未因快換水口而發(fā)生事故或者因快換水口失敗而中斷生產(chǎn)，表明該套新機(jī)構(gòu)穩(wěn)定性較好。

(2)澆注過程中，由于烘烤以及耐火材料本身的原因?qū)е滤陂_裂或穿孔。

連鑄生產(chǎn)過程中，由于下水口發(fā)生異常，如水口局部侵蝕嚴(yán)重或水口結(jié)瘤，會對生產(chǎn)順行和穩(wěn)定造成極大干擾或形成重大潛在風(fēng)險；如果沒有中包水口快換系統(tǒng)，只能停澆。

2013年5月，在厚板的生產(chǎn)過程中，澆注到第3爐時，水口因材質(zhì)原因發(fā)生開裂，當(dāng)時計劃爐數(shù)為9爐。為了完成計劃，生產(chǎn)班當(dāng)機(jī)立斷換上了免烘烤水口，同時馬上離線烘烤一個下水口，在第4爐將免烘烤水口換下。一個澆次內(nèi)兩次快換水口，確保了生產(chǎn)計劃的完成，為企業(yè)挽回了損失。

4.3　應(yīng)用效果

新一代快換系統(tǒng)在密封上采取了錐面密封的方式，密封效果好，在小流量吹氬條件下能達(dá)到很好的密封效果。經(jīng)過分析有效試驗(yàn)爐數(shù)的連鑄缺陷指數(shù)，連鑄缺陷率控制在較低的水平。

(1)皮下氣孔。 對采用快換水口的爐次的連鑄坯進(jìn)行清理檢查，快換后的連鑄坯氣孔數(shù)>10個的出現(xiàn)比例為0%，基本上沒有皮下氣孔、針孔出現(xiàn)。

(2)低倍結(jié)果。快換水口連鑄坯的低倍組織檢查，從投產(chǎn)到現(xiàn)在，很少有內(nèi)部夾雜出現(xiàn)(包括氧化鋁夾雜和硅酸鹽夾雜)，到目前為止共檢查了1207個低倍試樣，發(fā)現(xiàn)有內(nèi)部夾渣的只有1個，出現(xiàn)率為0.08%。

4.4　應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)

4.4.1連鑄平臺現(xiàn)場操作經(jīng)驗(yàn)

(1)快換液壓缸操作安全、方便，得益于新設(shè)計安裝在中間包車上的懸掛裝置。

(2)在機(jī)構(gòu)上安裝和拆卸快換液壓缸安全、方便。

(3)用氣動夾鉗放入和移走浸入式水口安全、方便。

(4)快換時間短，整個快換過程小于2 s，確保了連鑄坯的表面質(zhì)量。

(5)下水口推桿的導(dǎo)向裝置抗灰塵和濺渣的能力強(qiáng)。

(6)使用過的下水口快換板面和澆鋼通道內(nèi)沒有發(fā)現(xiàn)偏蝕的現(xiàn)象，這是因?yàn)榇祟悪C(jī)構(gòu)通過設(shè)計保證了上水口在機(jī)構(gòu)內(nèi)精確定位和上、下水口之間的準(zhǔn)確對中。

4.4.2中間包準(zhǔn)備區(qū)的操作經(jīng)驗(yàn)

(1)上水口在機(jī)構(gòu)內(nèi)定位方便、準(zhǔn)確。

(2)在中間包準(zhǔn)備區(qū)使用電動升級小車安裝和拆卸水口快換機(jī)構(gòu)方便、安全。

(3)機(jī)構(gòu)安裝螺栓拆卸方便。

(4)不再需要每個澆次后測量彈簧壓力(使用壽命長和抗熱性好的材料)。

(5)沒有因熱變形而損壞的機(jī)構(gòu)。

(6)在翻包時，上水口分離方便。

4.4.3維修

與以前的系統(tǒng)相比較，SEM2100機(jī)構(gòu)的維修量明顯減少；每隔6～8周做一次預(yù)防性維護(hù)，主要檢查以下部分：彈簧壓力、 推桿的磨損狀況、 主框架的變形、 驅(qū)動裝置。如圖3所示，顯示了新一代機(jī)構(gòu)SEM2100與前一代機(jī)構(gòu)的維護(hù)周期對比，可見SEM2100的維護(hù)周期遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過前一代，大大降低了維修成本和工人的勞動強(qiáng)度。

圖3　機(jī)構(gòu)維護(hù)周期對比

5　結(jié)束語

興澄特鋼特板廠投產(chǎn)以來，經(jīng)項(xiàng)目初期冷調(diào)試和熱試以及8年多生產(chǎn)實(shí)踐證明，該SEM2100水口快換機(jī)構(gòu)較好地滿足了連鑄各項(xiàng)生產(chǎn)技術(shù)要求，展現(xiàn)出良好的綜合使用性能，尤其是提高了耐火材料接縫處氣密效果，確保了連鑄坯的表面質(zhì)量，并具有更加完善的控流保護(hù)措施；測試和使用中還發(fā)現(xiàn)該機(jī)構(gòu)具有操作靈活，裝卸方便，易于維護(hù)和保障安全等特點(diǎn)。正是基于對現(xiàn)場易用性，技術(shù)功能和使用安全方面的改進(jìn)，以及促進(jìn)運(yùn)行和維護(hù)成本的降低，使整個連鑄生產(chǎn)效率獲得進(jìn)一步提升成為現(xiàn)實(shí)，相信隨著特板煉鋼廠產(chǎn)量的上升，SEM2100水口快換機(jī)構(gòu)的優(yōu)勢會越來越凸顯出來。

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