凝固末端大壓下連鑄機(jī)總體技術(shù)

張 奇，孫吉旭，楊拉道，劉俊平

(1.中國(guó)重型機(jī)械研究院股份公司，陜西 西安 710032；2.日照鋼鐵有限公司，山東 日照 276806)

0 前言

連鑄坯在生產(chǎn)過程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)中心偏析和中心疏松等內(nèi)部缺陷，而凝固末端大壓下技術(shù)是解決上述缺陷行之有效的方法。隨著連鑄機(jī)采用凝固末端大壓下技術(shù)后，原先的控制方法及其生產(chǎn)工藝等總體技術(shù)已經(jīng)無法滿足連鑄機(jī)的控制和生產(chǎn)要求，常常會(huì)出現(xiàn)諸如漏鋼、停滯坯、結(jié)晶器彎月面波動(dòng)等問題，造成嚴(yán)重生產(chǎn)事故。本文在總結(jié)連鑄機(jī)設(shè)計(jì)及研究經(jīng)驗(yàn)和生產(chǎn)實(shí)踐的基礎(chǔ)上，對(duì)凝固末端大壓下連鑄機(jī)控制模式及其生產(chǎn)工藝參數(shù)等總體技術(shù)進(jìn)行了研究，為指導(dǎo)研究和工業(yè)生產(chǎn)提供參考。

1 連鑄機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)模式

連鑄機(jī)在采用凝固末端大壓下技術(shù)前，其輥縫在整個(gè)澆鑄周期內(nèi)維持不變，生產(chǎn)和控制要求比較簡(jiǎn)單，分為準(zhǔn)備模式、送引錠模式、保持模式、鑄造模式和拉尾坯模式等5種運(yùn)轉(zhuǎn)模式。但是在連鑄機(jī)采取凝固末端大壓下技術(shù)后，其輥縫要根據(jù)澆鑄周期內(nèi)的不同階段的實(shí)際生產(chǎn)狀況進(jìn)行智能調(diào)整，必須重新劃分連鑄機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)模式以適應(yīng)生產(chǎn)和控制要求。

1.1 新的運(yùn)轉(zhuǎn)模式劃分

為適應(yīng)連鑄機(jī)生產(chǎn)和控制要求，本文重新劃分連鑄機(jī)為維修模式、測(cè)量模式、準(zhǔn)備模式、送引錠模式、點(diǎn)動(dòng)送引錠模式、保持模式、引錠拉坯模式、鑄造模式、中間包更換模式、拉尾坯模式、重拉坯模式和復(fù)合拉尾坯模式等12種運(yùn)轉(zhuǎn)模式[1]。

1.2 運(yùn)轉(zhuǎn)模式與扇形段控制方式關(guān)系

運(yùn)轉(zhuǎn)模式及其相互轉(zhuǎn)化關(guān)系如圖1所示。為了提高鑄坯內(nèi)部質(zhì)量，適應(yīng)生產(chǎn)工藝和控制的需求，本文提出了智能大壓下、靜態(tài)輥縫壓下、自然收縮輥縫、開環(huán)控制壓下、零點(diǎn)標(biāo)定和功能測(cè)試等六種扇形段控制方式，其與運(yùn)轉(zhuǎn)模式的關(guān)系如表1所示。

圖1 連鑄機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)模式及其相互關(guān)系

表1 連鑄機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)模式與扇形段控制方式的關(guān)系

1.3 壓下控制方式

凝固末端壓下控制分為位置控制和壓力控制，如圖2所示，位置控制是指扇形段對(duì)鑄坯施以較大壓力使鑄坯變形，直至達(dá)到并保持在目標(biāo)輥縫，使智能大壓下得以有效實(shí)施；壓力控制方式是指扇形段以一定的設(shè)定壓力壓向鑄坯，使鑄坯發(fā)生形變，直到鑄坯抗力與扇形段壓下力達(dá)到平衡。壓力控制方式的實(shí)施，避免了鑄坯溫度較低時(shí)強(qiáng)行壓下造成的鑄坯質(zhì)量問題，同時(shí)保護(hù)了設(shè)備。

圖2 壓下控制方式

1.4 輥縫類型

為了適應(yīng)生產(chǎn)需求，如圖3所示，將輥縫分為智能大壓下輥縫、靜態(tài)壓下輥縫、自然收縮輥縫和平行輥縫四種。

圖3 輥縫類型

圖3中智能大壓下輥縫是在生產(chǎn)過程中，根據(jù)凝固末端位置的變化實(shí)時(shí)調(diào)整壓下位置和輥縫的一種控制方法；靜態(tài)壓下輥縫是根據(jù)鋼種、固定拉速設(shè)定好輥縫，在隨后的澆注中保持不變的一種控制方法；自然收縮輥縫是根據(jù)鑄坯冷卻凝固特性，不含有強(qiáng)制壓下的一種輥縫控制方法；平行輥縫是所有扇形段的輥縫都為同一數(shù)值，其值一般比結(jié)晶器窄面出口大5～8 mm。

2 智能壓下工藝參數(shù)

2.1 壓下總量和壓下區(qū)間

壓下量要完全補(bǔ)償鋼液在壓下區(qū)間內(nèi)凝固的體積收縮量，實(shí)現(xiàn)低固相區(qū)溶質(zhì)偏析鋼液的擠壓排出與高固相區(qū)縮孔缺陷的有效焊合。本文通過研究鋼種凝固收縮率的特性，并結(jié)合生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出的壓下量計(jì)算方法見表2。

連鑄坯內(nèi)部缺陷大部分在凝固末端的兩相區(qū)產(chǎn)生，因此，應(yīng)該在柱狀晶二次晶臂的相互交叉區(qū)域施加壓下，同時(shí)要避開裂紋敏感區(qū)。連鑄坯凝固末端兩相區(qū)如圖4所示。

表2 壓下量計(jì)算方法[1]

圖4 連鑄坯凝固末端兩相區(qū)示意圖

如圖4所示，A區(qū)兩相區(qū)內(nèi)固相率較小，上游鋼液在鋼水靜壓力作用下向其區(qū)域流動(dòng)，可以補(bǔ)償凝固收縮形成的空隙；B區(qū)鋼液由于在樹枝狀晶的兩相區(qū)中流動(dòng)阻力的增加，鋼液凝固收縮形成的空隙不能被充分補(bǔ)償，富集偏析元素鋼液向中心流動(dòng)、匯集，形成中心偏析；在C區(qū)內(nèi)枝晶網(wǎng)把殘余濃縮鋼液封閉起來，得不到前沿鋼液的補(bǔ)充。因此，壓下實(shí)施區(qū)間應(yīng)在圖4中的B區(qū)。

生產(chǎn)實(shí)踐表明，固相率fs<0.3時(shí)中心疏松和中心偏析幾乎沒有發(fā)生，當(dāng)fs>0.7時(shí)壓下基本不起作用，最佳壓下區(qū)域位于鑄坯中心固相率0.3～0.7的位置。

2.2 壓下率

壓下率與鑄坯的固相率分布和密度有關(guān)，壓下率與最大偏析度的關(guān)系如圖5所示。從圖5中可以看出，在壓下率為1.0～1.2 mm/m時(shí)偏析指數(shù)小于1.05。

圖5 偏析度與壓下率間的關(guān)系

在實(shí)際生產(chǎn)中，控制輥縫的最小單位是扇形段，用壓下量除以壓下區(qū)間長(zhǎng)度，即平均壓下率更有實(shí)際意思，通常，板坯的平均壓下率約為1 mm/m。

3 結(jié)晶器窄面上、下口尺寸

本文從鑄坯凝固特性、消除中心偏析和疏松的壓下量要求和符合后續(xù)工序要求等三個(gè)方面來研究，并結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)來確定結(jié)晶器窄面上、下口尺寸。

3.1 碳鋼連鑄機(jī)

MDs=1.028D+Δt

(1)

MDx=1.020D+Δt

(2)

式中，D為板坯名義厚度，mm；MDs為連鑄機(jī)窄面上口尺寸，mm；MDs為連鑄機(jī)窄面下口尺寸，mm；Δt為經(jīng)驗(yàn)值，5～8 mm。

3.2 不銹鋼連鑄機(jī)

MDs=1.025D+Δb

(3)

MDx=1.019D+Δb

(4)

式中，Δb為經(jīng)驗(yàn)值，對(duì)于不銹鋼連鑄機(jī)，無輕壓下，Δb=1.5～4 mm。

4 扇形段輥縫零點(diǎn)標(biāo)定與綜合彈性系數(shù)測(cè)試

扇形段輥縫零點(diǎn)是遠(yuǎn)程輥縫控制的基礎(chǔ)，直接影響到扇形段輥縫精確度。由于生產(chǎn)過程中，扇形段的受力狀態(tài)不斷變化，導(dǎo)致扇形段實(shí)際輥縫也隨之變化，這就要求事先精確測(cè)量出扇形段剛度，通過動(dòng)態(tài)補(bǔ)償扇形段彈性變形來消除所引起的輥縫變化。

4.1 扇形段輥縫零點(diǎn)標(biāo)定

本文提出了一種通過專用標(biāo)定塊來標(biāo)定扇形段零點(diǎn)的方法，如圖6所示，在扇形段入口和出口輥?zhàn)又虚g分別插入兩個(gè)標(biāo)定塊，標(biāo)定塊在圓弧半徑上的長(zhǎng)度等于輥列主半徑與公用內(nèi)弧半徑的差。為了使標(biāo)定塊弧面能與扇形段輥?zhàn)颖砻媪己媒佑|，標(biāo)定塊圓弧半徑比扇形段輥?zhàn)拥陌霃酱? mm。

圖6 扇形段標(biāo)定零點(diǎn)

4.2 扇形段剛度測(cè)試

通過對(duì)控制扇形段夾緊液壓缸的壓力，測(cè)試扇形段的變形，推導(dǎo)出連桿系數(shù)。表3為某鋼廠連鑄機(jī)扇形段8測(cè)量結(jié)果。

表3 某鋼廠連鑄機(jī)扇形段8測(cè)量值

根據(jù)表3的測(cè)量結(jié)果，得出扇形段壓力與位移傳感器的位移關(guān)系如圖7所示。

圖7 連鑄機(jī)扇形段壓力與位移關(guān)系

5 結(jié)束語

市場(chǎng)對(duì)鋼鐵產(chǎn)品的質(zhì)量、性能、規(guī)格、尺寸等提出更高的技術(shù)要求，大力推動(dòng)了連鑄凝固末端大壓下技術(shù)的發(fā)展。本文討論了連鑄機(jī)地運(yùn)轉(zhuǎn)模式、扇形段控制方式、壓下控制方式、輥縫類型、智能壓下工藝參數(shù)，以及結(jié)晶器窄面上、下口尺寸和扇形段輥縫零點(diǎn)標(biāo)定與綜合彈性系數(shù)測(cè)試的研究等問題，為科技研究和工業(yè)生產(chǎn)提供了參考。