大倒角結(jié)晶器在線熱調(diào)寬技術(shù)研究與應(yīng)用

王會(huì)玉,高 琦，安領(lǐng)軍，楊拉道,王梓亦

(1.中國重型機(jī)械研究院股份公司，陜西 西安 710032；2河鋼集團(tuán)邯鋼公司一煉鋼廠，河北 邯鄲 056015;3.太原科技大學(xué)，山西 太原 030000)

0 前言

邯寶煉鋼廠230 mm×2150 mm雙流板坯連鑄機(jī)2008年投產(chǎn)，是承擔(dān)河鋼集團(tuán)高級別汽車鋼、石油管線鋼、微合金高強(qiáng)鋼等品種鋼的核心生產(chǎn)線。生產(chǎn)組織以兌現(xiàn)合同為核心、以客戶需求為理念。連鑄機(jī)具備多品種多規(guī)格大批量生產(chǎn)能力，但是對于高級別IF汽車鋼，很多合同額屬于小批量，單獨(dú)組織澆次則對整個(gè)正常節(jié)奏帶來很大影響。結(jié)晶器在線熱調(diào)寬技術(shù)[1-2]的應(yīng)用將極大地提高生產(chǎn)靈活性和合同兌現(xiàn)率，同時(shí)能提高連鑄生產(chǎn)作業(yè)率，降低生產(chǎn)成本，提高企業(yè)產(chǎn)品競爭力。

該連鑄機(jī)2011年投入使用大倒角結(jié)晶器技術(shù)。而應(yīng)用于大倒角結(jié)晶器在線熱調(diào)寬技術(shù)，國內(nèi)尚屬空白。通過力學(xué)和傳熱學(xué)研究以及現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，大倒角結(jié)晶器在線熱調(diào)寬過程中，對錐度變化比較敏感，易產(chǎn)生角裂漏鋼；因此首先需對在線熱調(diào)寬過程中工藝參數(shù)調(diào)寬速度和拉速進(jìn)行研究，同時(shí)優(yōu)化調(diào)寬模型，最后對設(shè)備進(jìn)行改造，提高結(jié)晶器窄邊控制精度保證熱調(diào)寬技術(shù)應(yīng)用的安全性、穩(wěn)定性和可靠性。

1 熱調(diào)寬過程中工藝參數(shù)研究

結(jié)晶器熱調(diào)寬是連鑄機(jī)在澆注過程中通過驅(qū)動(dòng)結(jié)晶器窄邊銅板運(yùn)動(dòng)來改變結(jié)晶器澆注寬度的一種生產(chǎn)過程。結(jié)晶器熱調(diào)寬過程中的工藝參數(shù)包含調(diào)寬速度、調(diào)寬加速度、軟夾緊力和調(diào)寬過程中的拉速，其中最核心的工藝參數(shù)是調(diào)寬速度和調(diào)寬過程中拉速的設(shè)定。調(diào)寬速度設(shè)計(jì)太小會(huì)增大調(diào)寬過程中楔形坯的長度，減小鋼水收得率；調(diào)寬速度設(shè)計(jì)太大又會(huì)造成出結(jié)晶器口坯殼厚度減小，增大漏鋼風(fēng)險(xiǎn)影響正常生產(chǎn)。因此需對這一參數(shù)進(jìn)行研究。

1.1 調(diào)寬速度

調(diào)寬速度的研究文獻(xiàn)[3]提出了應(yīng)用通鋼量守恒定律來計(jì)算調(diào)寬速度。該文獻(xiàn)提出的通鋼量守恒定律即在結(jié)晶器液面保持恒定狀態(tài)時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)從浸入式水口流入結(jié)晶器內(nèi)的鋼水等于結(jié)晶器出口流出的鋼水。根據(jù)此原則推導(dǎo)出調(diào)寬速度表達(dá)式如下：

(1)

式中,Vm為調(diào)寬速度， mm/min；Vc為拉速，m/min；H為結(jié)晶器液面至結(jié)晶器銅板底部距離， mm；X為單側(cè)調(diào)寬距離， mm；

通過式(1)得到了調(diào)寬速度與單側(cè)調(diào)寬距離、結(jié)晶器液面至結(jié)晶器銅板底部距離和拉速之間的關(guān)系?？梢酝ㄟ^此公式來計(jì)算每次結(jié)晶器熱態(tài)調(diào)寬速度。

1.2 調(diào)寬過程中拉速的設(shè)定方法

1.2.1 臨界應(yīng)變假說[4～6]

結(jié)晶器熱調(diào)寬技術(shù)應(yīng)用的風(fēng)險(xiǎn)之一是存在調(diào)寬過程中由于靠近結(jié)晶器角部區(qū)域坯殼產(chǎn)生裂紋，最終導(dǎo)致生產(chǎn)過程中發(fā)生漏鋼事故，造成生產(chǎn)的中斷。此事故不僅造成設(shè)備的損失，同時(shí)打亂了原有的生產(chǎn)節(jié)奏，降低了連鑄作業(yè)率。

文獻(xiàn)[4]中提出了應(yīng)用臨界應(yīng)變作為結(jié)晶器內(nèi)坯殼產(chǎn)生裂紋的判定依據(jù),并根據(jù)文獻(xiàn)[7]給出了臨界應(yīng)變計(jì)算公式

(2)

1.2.2 拉速設(shè)定方法

通過式(2)提供了一種拉速的定量設(shè)定方法，結(jié)晶器熱態(tài)調(diào)寬過程中寬邊坯殼中不產(chǎn)生裂紋，即結(jié)晶器熱調(diào)寬過程中寬邊坯殼拉伸時(shí)的應(yīng)變速率小于臨界應(yīng)變。文獻(xiàn)[4]推導(dǎo)出的坯殼應(yīng)變速率

(3)

式中，B為鑄坯寬度， mm。

2 調(diào)寬動(dòng)作模型優(yōu)化

結(jié)晶器熱態(tài)調(diào)寬的核心是調(diào)寬動(dòng)作模型的設(shè)計(jì)與優(yōu)化。調(diào)寬動(dòng)作是通過窄邊銅板旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與平移運(yùn)動(dòng)的組合來完成的。旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和平移運(yùn)動(dòng)組合方式不同就有多種不同調(diào)寬動(dòng)作模型，目前主要包括變速變錐法和變錐平移法[8-9]。變錐平移法是先進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，再進(jìn)行平移運(yùn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和平移運(yùn)動(dòng)是獨(dú)立進(jìn)行的；變速變錐是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與平移運(yùn)動(dòng)同時(shí)進(jìn)行。根據(jù)充分冷卻原則[3]與公式推導(dǎo)可以看出變速變錐調(diào)寬過程中窄邊銅板始終與鑄坯貼合，安全性最高，因此大倒角結(jié)晶器熱調(diào)寬技術(shù)采用了此方案。

邯寶連鑄機(jī)結(jié)晶器調(diào)寬機(jī)構(gòu)采用電動(dòng)形式，即電機(jī)通過蝸輪蝸桿減速機(jī)驅(qū)動(dòng)結(jié)晶器窄邊上、下部絲桿變速變錐運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)結(jié)晶器窄邊S形調(diào)寬。絲桿的移動(dòng)速度和拉坯速度合理匹配，調(diào)寬后的錐度在最后階段一次調(diào)整到位。為實(shí)現(xiàn)整個(gè)調(diào)寬過程中結(jié)晶器內(nèi)鑄坯坯殼受力最小，調(diào)寬程序根據(jù)調(diào)寬距離、目標(biāo)錐度、鑄坯拉速等參數(shù)采用不同的優(yōu)化控制曲線實(shí)現(xiàn)這一過程。

3 調(diào)寬控制流程

結(jié)晶器熱調(diào)寬操作控制流程是依據(jù)調(diào)寬動(dòng)作模型和調(diào)寬工藝參數(shù)合理設(shè)計(jì)調(diào)寬操作流程，實(shí)現(xiàn)板坯連鑄機(jī)結(jié)晶器熱調(diào)寬功能。設(shè)計(jì)調(diào)寬操作流程時(shí)要綜合考慮多方面的因素，不僅要考慮調(diào)寬操作自身的需求，而且還要與用戶交流考慮連鑄生產(chǎn)操作的習(xí)慣。調(diào)寬操作流程包括調(diào)零設(shè)定和調(diào)寬操作兩個(gè)部分。調(diào)零設(shè)定主要是生產(chǎn)前的調(diào)試準(zhǔn)備，對檢測元件進(jìn)行零點(diǎn)標(biāo)定。調(diào)寬操作是進(jìn)行調(diào)寬的所有操作步驟的總和。調(diào)寬操作流程圖和調(diào)零設(shè)定如圖2、3所示。

圖2 調(diào)寬操作流程圖

圖3 調(diào)零設(shè)定流程圖

調(diào)寬最大距離應(yīng)根據(jù)后續(xù)軋鋼生產(chǎn)要求的定尺坯長度、調(diào)寬速度和拉速多項(xiàng)因素來綜合考慮。根據(jù)最小定尺坯長度和調(diào)寬時(shí)最低拉速計(jì)算一塊定尺坯的澆鑄時(shí)間，根據(jù)澆鑄時(shí)間計(jì)算在最低調(diào)寬速度下，改變鑄坯寬度的值，即為寬度調(diào)整最大距離。調(diào)寬距離常規(guī)是50 mm的整數(shù)倍，預(yù)留人工輸入調(diào)寬距離的功能。在程序設(shè)計(jì)時(shí)要屏蔽錯(cuò)誤的調(diào)寬輸入數(shù)據(jù)，操作畫面如圖4、圖5所示。

圖4 調(diào)寬操作畫面

圖5 調(diào)寬參數(shù)輸入畫面

4 設(shè)備改造情況

4.1 驅(qū)動(dòng)形式改造

邯寶煉鋼廠230 mm×2150 mm雙流板坯連鑄機(jī)原始設(shè)計(jì)調(diào)寬驅(qū)動(dòng)裝置伺服電機(jī)安裝在澆注平臺(tái)開口處，通過萬向聯(lián)軸器連接蝸輪蝸桿減速機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠進(jìn)行平移運(yùn)動(dòng)，如圖6右側(cè)所示。此種驅(qū)動(dòng)形式中間環(huán)節(jié)較多，隨著設(shè)備使用年限的增加，設(shè)備的控制精度降低。通過改造驅(qū)動(dòng)形式，采用電機(jī)直接連接蝸輪蝸桿減速機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠進(jìn)行平移運(yùn)動(dòng)來提高設(shè)備控制精度，如圖6左側(cè)所示。

圖6 結(jié)晶器窄邊驅(qū)動(dòng)裝置

4.2 液壓閥臺(tái)改造

原設(shè)計(jì)液壓閥臺(tái)控制采用開關(guān)閥，僅實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)準(zhǔn)備過程中對結(jié)晶器寬邊銅板的打開和關(guān)閉。而結(jié)晶器熱調(diào)寬過程中結(jié)晶器要實(shí)現(xiàn)軟加緊功能，即調(diào)寬過程中減小寬邊銅板的夾緊力，通過減小夾緊力減小窄邊銅板移動(dòng)過程中對寬邊銅板的磨損，提高寬邊銅板使用壽命。為實(shí)現(xiàn)結(jié)晶器軟加緊功能對液壓閥臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)改造，采用比例閥控制系統(tǒng)，如圖7所示，實(shí)現(xiàn)根據(jù)澆注斷面對軟夾緊力進(jìn)行無級控制。

圖7 比例閥系統(tǒng)

5 大倒角結(jié)晶器熱調(diào)寬實(shí)驗(yàn)及工業(yè)化投用

5.1 第一次熱試條件與要求

第一次試熱鋼種為低碳鋼，試驗(yàn)斷面及目標(biāo)錐度如表1所示。

5.2 設(shè)備性能及可靠性

整個(gè)熱調(diào)寬過程中調(diào)寬電機(jī)電流運(yùn)行平穩(wěn)無過載；調(diào)寬液壓閥臺(tái)控制軟夾緊力精度準(zhǔn)確，結(jié)晶器角縫0.1 mm，銅板表面無劃傷；通過監(jiān)控畫面看到結(jié)晶器四個(gè)銅板面熱流穩(wěn)定無異常。

5.3 鑄坯質(zhì)量及調(diào)寬尺寸

熱態(tài)鑄坯調(diào)寬過渡區(qū)域規(guī)則對稱如圖8所示；鑄坯外觀規(guī)則，無滲鋼、無擠壓、無鼓肚，酸洗無裂紋，調(diào)寬過度坯冷坯外觀如圖9所示。每次調(diào)寬尺寸無偏差，調(diào)寬量準(zhǔn)確，鑄坯斷面調(diào)整50 mm后測量鑄坯尺寸如圖10所示。

表1 試驗(yàn)斷面及目標(biāo)錐度

圖8 調(diào)寬過度坯

圖9 調(diào)寬過渡坯冷坯外觀

圖10 調(diào)寬過寬度尺寸

2016年1月29日大倒角結(jié)晶器在線熱調(diào)寬技術(shù)在邯寶煉鋼廠230 mm×2150 mm雙流板坯連鑄機(jī)第一流上第一次熱試成功，隨后又連續(xù)熱試三次全部成功，鑄坯表面無滲鋼，側(cè)面無鼓肚，角部無凹陷，且調(diào)寬精度在±1 mm之內(nèi)。

通過對邯寶煉鋼廠230 mm×2150 mm雙流連鑄機(jī)改造實(shí)現(xiàn)了該鑄機(jī)兩流熱調(diào)寬系統(tǒng)的同時(shí)應(yīng)用，2018年三月根據(jù)排產(chǎn)計(jì)劃大倒角結(jié)晶器熱調(diào)寬技術(shù)已應(yīng)用9次，實(shí)現(xiàn)了該技術(shù)的工業(yè)常態(tài)化應(yīng)用。

6 結(jié)束語

邯寶煉鋼廠大倒角結(jié)晶器熱調(diào)寬技術(shù)應(yīng)用是我國自主研發(fā)的熱調(diào)寬程序?qū)崿F(xiàn)大倒角結(jié)晶器調(diào)寬的首次應(yīng)用，填補(bǔ)了國內(nèi)技術(shù)空白。同時(shí)該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用也是對外商提供的熱調(diào)寬程序的一次改造和替換。

新技術(shù)的應(yīng)用必須要有扎實(shí)的理論研究作為基礎(chǔ)，但從理論研究到工程應(yīng)用還需要考驗(yàn)工程師的智慧，只有結(jié)合具體實(shí)際情況，對熱調(diào)寬系統(tǒng)的模型和工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化和合理設(shè)計(jì)才能取得技術(shù)應(yīng)用的成功。

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