板坯連鑄機(jī)扇形段框架結(jié)構(gòu)對(duì)輥縫偏差的影響

黃 華，夏春祥，徐李軍，時(shí)朋召

(1.鋼鐵研究總院連鑄技術(shù)國(guó)家工程研究中心，北京 100081；2.唐山燕山鋼鐵有限公司，河北 遷安 064403)

0 前言

在連鑄坯凝固過程中產(chǎn)生的中心偏析和中心疏松將引起鋼材的一系列質(zhì)量問題。對(duì)于高碳線材，中心偏析和疏松將導(dǎo)致拉拔性能降低，拉斷率增大；對(duì)于天然氣輸送管線鋼，氫擴(kuò)散到偏析、疏松處，產(chǎn)生裂紋并擴(kuò)展，最終導(dǎo)致管子破裂；對(duì)于海洋鉆探等結(jié)構(gòu)鋼，中心疏松、偏析會(huì)降低其焊接性能，不宜焊接，甚至開裂等[1-4]。目前，在連鑄坯生產(chǎn)過程中輕壓下技術(shù)是解決該缺陷最直接、最有效、最經(jīng)濟(jì)的措施，輕壓下尤其是動(dòng)態(tài)輕壓下技術(shù)，為了達(dá)到精準(zhǔn)的輥縫控制，對(duì)設(shè)備和控制技術(shù)提出較高的要求[5-7]。本文著重對(duì)不同扇形段框架液壓缸夾緊形式進(jìn)行探討，并結(jié)合韓國(guó)POWER MnC輥縫儀在山東某鋼鐵廠的3臺(tái)板坯連鑄機(jī)、河北某鋼鐵廠的1臺(tái)板坯連鑄機(jī)測(cè)量的數(shù)據(jù)，對(duì)比分析不同扇形段框架夾緊形式下的輥縫偏差產(chǎn)生原因，并為不同的裝備條件采取合理有效的輕壓下參數(shù)提供依據(jù)。

1 中心偏析與中心疏松

在鋼水凝固過程中，溶質(zhì)元素在固-液兩相間再分配，柱狀晶使未凝固溶質(zhì)元素富集，而鼓肚和凝固末端凝固收縮使鑄坯中心產(chǎn)生強(qiáng)大抽吸力。根據(jù)“小鋼錠理論”，如圖1a所示，上部鋼水受晶橋阻隔不能對(duì)下部凝固收縮進(jìn)行補(bǔ)充，枝晶間富集溶質(zhì)向中心流動(dòng)形成中心偏析，鼓肚量小于凝固末端收縮量產(chǎn)生中心疏松。因此，中心偏析與中心疏松主要起因于凝固末端兩相區(qū)凝固收縮[8]。如圖1b所示，輕壓下技術(shù)是通過在連鑄坯液芯末端附近施加壓力產(chǎn)生一定的壓下量來補(bǔ)償鑄坯的凝固收縮量，消除或減少鑄坯收縮形成的內(nèi)部空隙，并促進(jìn)液芯中心富集的溶質(zhì)元素鋼液沿拉坯方向反向流動(dòng)，達(dá)到改善中心疏松和中心偏析的目的[9-11]。

圖1 小鋼錠凝固理論與連鑄坯凝固輕壓下示意圖

2 不同扇形段框架液壓缸夾緊形式與輥縫偏差

本文對(duì)導(dǎo)板式、SMART導(dǎo)柱式、Optimum連桿導(dǎo)柱式、CyberLink導(dǎo)柱式扇形段液壓缸夾緊形式和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的實(shí)際輥縫偏差進(jìn)行了分析。輥縫測(cè)量采用韓國(guó)POWER MnC輥縫儀，其輥縫傳感器使用線性位移傳感器為檢測(cè)元件，輥縫的定義為內(nèi)弧至外弧導(dǎo)輥之間的最小距離。輥縫傳感器在整個(gè)連鑄機(jī)扇形段區(qū)域內(nèi)對(duì)鑄坯寬度方向的6～7個(gè)點(diǎn)進(jìn)行輥縫檢測(cè)，在傳感器通過導(dǎo)輥時(shí)，所有傳感器都將同時(shí)進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)；如果導(dǎo)輥處于良好工作狀態(tài)，所有傳感器測(cè)量得到的數(shù)值應(yīng)該相同。

2.1 導(dǎo)板式液壓夾緊扇形段

導(dǎo)板式液壓夾緊扇形段如圖2所示，其框架夾緊與輥縫調(diào)整裝置主要是由夾緊液壓缸、輥縫調(diào)整裝置、油缸缸頭、上下鉸接軸、連接連桿等部分構(gòu)成。夾緊液壓缸的缸頭通過上鉸接軸與連桿鉸接，連桿通過下鉸接軸與下框架鉸接。當(dāng)夾緊液壓缸活塞桿伸出時(shí)，整個(gè)上框架包括自由輥和活動(dòng)梁上的驅(qū)動(dòng)輥同時(shí)抬起，使輥縫增大；當(dāng)夾緊液壓缸活塞桿縮回時(shí)輥縫減小[12-13]。

圖2 導(dǎo)板式扇形段示意圖

目前德國(guó)西馬克-德馬格(SMS-Demag)公司、國(guó)內(nèi)某研究院采用該種扇形段液壓夾緊形式，該形式由于連桿兩端采用鉸接方式連接，在實(shí)現(xiàn)扇形段輥縫調(diào)節(jié)過程中可降低作用在液壓缸上的徑向力，扇形段上框架能夠完成直線與轉(zhuǎn)動(dòng)的復(fù)合運(yùn)動(dòng)，滿足連鑄機(jī)鑄軋所要求的大錐度輥縫。

河北某鋼鐵廠6#直弧形板坯連鑄機(jī)為國(guó)內(nèi)某研究院設(shè)計(jì)，鑄機(jī)1機(jī)2流，基本半徑9.5 m，板坯規(guī)格為230 mm×(700～1550) mm，連鑄機(jī)最大工作拉速1.6 m/ min；直弧段共17對(duì)3分節(jié)輥，1～13扇形段為7對(duì)2分節(jié)輥，結(jié)構(gòu)為導(dǎo)板式液壓夾緊形式。從圖3輥縫儀測(cè)得數(shù)據(jù)可以看出，直弧段為離線對(duì)弧與輥縫標(biāo)定，輥縫在目標(biāo)±0.5 mm范圍內(nèi)；1～9扇形段輥縫實(shí)際值與目標(biāo)值偏差最大為-3.0 mm。

圖3 導(dǎo)板式液壓扇形段輥縫

該形式由于連桿兩端采用鉸接方式連接，扇形段上框架能夠完成直線與轉(zhuǎn)動(dòng)的復(fù)合運(yùn)動(dòng)，滿足連鑄機(jī)鑄軋所要求的大錐度輥縫，其單個(gè)扇形段最大壓下量50 mm。隨著CSP、ESP等連鑄連軋以及特厚板連鑄機(jī)的推廣，該形式扇形段能夠滿足鑄軋功能和重壓下功能；但上框架不穩(wěn)定，處于浮動(dòng)狀態(tài)，輥縫精度差，需要通過輥縫偏差補(bǔ)償來彌補(bǔ)該形式造成的缺陷[14]。

2.2 SMART導(dǎo)柱式液壓夾緊扇形段

奧地利奧鋼聯(lián)(VAI)公司SMART液壓扇形段結(jié)構(gòu)如圖4所示，驅(qū)動(dòng)輥的升降由一個(gè)傳動(dòng)液壓缸實(shí)現(xiàn)，升降和夾緊由4個(gè)配有內(nèi)置式位移傳感器的定位液壓缸完成。扇形段由一個(gè)上部框架和一個(gè)下部框架構(gòu)成，兩個(gè)框架通過安裝在上部框架上的4個(gè)定位液壓缸夾持固定在一起。夾緊液壓缸的缸桿固定在導(dǎo)柱上，通過導(dǎo)柱的彎曲變形作用，可實(shí)現(xiàn)4臺(tái)液壓缸不對(duì)稱小位移移動(dòng)。VAI SMART扇形段帶有遠(yuǎn)程控制裝置，4個(gè)位置調(diào)整液壓缸對(duì)扇形段的開口度和輥縫進(jìn)行遠(yuǎn)程設(shè)定，利用標(biāo)準(zhǔn)閥定位的準(zhǔn)確性可以實(shí)現(xiàn)±0.1 mm控制精度[15-16]。

圖4 S MART扇形段示意圖

山東某鋼鐵廠2#立彎形VAI板坯連鑄機(jī)，鑄機(jī)1機(jī)2流，基本半徑9.5 m，板坯規(guī)格為230 mm× max.1950 mm，連鑄機(jī)最大工作拉速1.5 m/ min；直弧段共17對(duì)分節(jié)輥，SMART液壓扇形段1～13為7對(duì)分節(jié)輥。從圖5輥縫儀測(cè)得數(shù)據(jù)可以看出，直弧段為離線對(duì)弧與輥縫標(biāo)定，輥縫在目標(biāo)±0.5 mm范圍內(nèi)；扇形段輥縫測(cè)量過程中采用平行輥縫模式，1～7扇形段輥縫實(shí)際值與設(shè)定目標(biāo)值偏差為±0.5 mm，8～9扇形段為矯直段，為了避免損壞輥縫儀特將扇形段抬起，因此輥縫波動(dòng)較大。

圖5 S MART液壓扇形段輥縫

VAI SMART導(dǎo)柱式液壓扇形段在壓下時(shí)，扇形段出入口輥縫需要適時(shí)動(dòng)態(tài)變化，這樣就使導(dǎo)桿產(chǎn)生彎曲變形，如果彎曲變形超過導(dǎo)桿的安全范圍，會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)桿的損壞，因此該扇形段適用于無輕壓下功能的常規(guī)輥縫模式、小錐度輥縫收縮的動(dòng)態(tài)輕壓下模式。在采用動(dòng)態(tài)輕壓下模式時(shí)可采用多段壓下累積變形達(dá)到消除或減輕鑄坯芯部質(zhì)量差的效果[17-18]。

2.3 Optimum連桿導(dǎo)柱式液壓加緊扇形段

意大利達(dá)涅利公司(DANIELI)開發(fā)的Optimum液壓夾緊扇形段結(jié)構(gòu)如圖6所示，上下框架通過液壓缸、導(dǎo)向柱、連桿連接，液壓缸缸筒與上框架法蘭連接，活塞桿與導(dǎo)向柱螺紋連接，導(dǎo)向柱通過連桿與下框架連接。

圖6 Optimum扇形段示意圖

每個(gè)扇形段的人口側(cè)和出口側(cè)各設(shè)置2個(gè)液壓缸，實(shí)現(xiàn)扇形段的抬起和壓下動(dòng)作；扇形段出口側(cè)為雙銷連桿，使上框架相對(duì)下框架能傾斜移動(dòng)，允許扇形段延伸及旋轉(zhuǎn)；扇形段入口側(cè)的兩個(gè)連桿可以轉(zhuǎn)動(dòng)且承受鑄流方向的剪切分力。驅(qū)動(dòng)輥安裝在扇形段的中間位置處，這樣的驅(qū)動(dòng)布置可確保任意時(shí)刻驅(qū)動(dòng)輥與鑄坯之間存在最大的牽引力[19]。

山東某鋼鐵廠4#直弧形DANIELI板坯連鑄機(jī)，鑄機(jī)1機(jī)1流，板坯規(guī)格為300 mm×(1 800～2 300)mm，連鑄機(jī)工作拉速0.9～1.4 m/min。直弧段共16對(duì)分節(jié)輥；1～13扇形段為7對(duì)3～4分節(jié)輥，其結(jié)構(gòu)為Optimum液壓夾緊形式。從圖7輥縫儀測(cè)得數(shù)據(jù)可以看出，0號(hào)段進(jìn)出口實(shí)際輥縫值與目標(biāo)值接近，而5～13#輥縫偏差較大，判斷為彎曲段離線對(duì)弧引起的；扇形段測(cè)量輥縫值與目標(biāo)輥縫值偏差在±0.5 mm以內(nèi)，測(cè)量輥縫出現(xiàn)的峰值為避免驅(qū)動(dòng)輥壓到輥縫儀上而抬起保護(hù)時(shí)輥縫。

圖7 Optimum液壓扇形段輥縫

DANIELI Optimum連桿導(dǎo)柱式液壓扇形段具有良好的剛性和可靠性，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好，出口連桿為雙銷連桿，允許扇形段上框架作微量移動(dòng)，扇形段進(jìn)口和出口輥縫可根據(jù)輕壓下工藝的需要自動(dòng)設(shè)置。這種形式的扇形段離線裝配精度±0.05 mm，設(shè)計(jì)在線輥縫精度高達(dá)±0.1 mm。

2.4 CyberLink導(dǎo)柱式液壓夾緊扇形段

德國(guó)西馬克-德馬格(SMS-Demag)公司CyberLink扇形段包含4個(gè)帶壓力和位移傳感器的液壓缸，通過液壓缸的動(dòng)作來實(shí)現(xiàn)扇形段開口度的調(diào)節(jié)，這種僅有上框架和下框架而沒有側(cè)框架的扇形段結(jié)構(gòu)，通過兩根導(dǎo)桿來引導(dǎo)上框架的運(yùn)動(dòng)，相對(duì)于普通扇形段來說極大的簡(jiǎn)化了設(shè)備結(jié)構(gòu)，如圖8所示。

圖8 CyberLink扇形段結(jié)構(gòu)示意圖

該結(jié)構(gòu)形式在上框架設(shè)計(jì)有一個(gè)懸吊機(jī)構(gòu)，在澆鑄過程中可對(duì)上框架自動(dòng)進(jìn)行對(duì)中，這種結(jié)構(gòu)允許上框架低頻低幅振動(dòng)，且上框架末輥?zhàn)鳛轵?qū)動(dòng)輥，無須額外的提升橫梁。Cyber Tracking可以在線檢測(cè)最終凝點(diǎn)和鑄流固-液態(tài)區(qū)的液態(tài)部分；Cyber Taper可以在線檢測(cè)優(yōu)化的輥縫和進(jìn)行錐度調(diào)整，消除了因輥縫太寬造成的幾何形狀和質(zhì)量問題[20]。

山東某鋼鐵廠3#直弧形SMS-Demag板坯連鑄機(jī)，鑄機(jī)1機(jī)1流，基本半徑6.67 m，板坯規(guī)格為150 mm×(2 000～3 250)mm，連鑄機(jī)最大工作拉速2 m/min。直弧段共16對(duì)分節(jié)輥；1～7扇形段為7對(duì)4分節(jié)輥，其結(jié)構(gòu)為CyberLink液壓加緊形式。從圖9輥縫儀測(cè)得數(shù)據(jù)可以看出，直弧段為離線對(duì)弧與輥縫標(biāo)定，輥縫在目標(biāo)±0.5 mm范圍內(nèi)；扇形段輥縫測(cè)量過程中采用平行輥縫模式，1～5扇形段輥縫實(shí)際值與目標(biāo)值偏差最大為-1.5 mm，6～7扇形段輥縫實(shí)際值與目標(biāo)值偏差減小，7扇形段最后1對(duì)輥為驅(qū)動(dòng)輥抬起。

圖9 CyberLink液壓扇形段輥縫

SMS-Demag CyberLink扇形段基本優(yōu)化思路同Optimum扇形段相似，均是是通過由扇形段液壓缸傳感器反饋回來的信息對(duì)鑄坯的最終凝固點(diǎn)位置進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，從而準(zhǔn)確地給出輕壓下實(shí)施的區(qū)域和相應(yīng)的輕壓下率，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)輕壓下。CyberLink扇形段簡(jiǎn)化了扇形段的結(jié)構(gòu)，允許上部框架周期性低頻低幅振動(dòng)，可在澆鑄條件發(fā)生變化時(shí)快速地反映出鑄坯凝固狀態(tài)的相應(yīng)變化，從而實(shí)現(xiàn)真正意義上的完全動(dòng)態(tài)輕壓下技術(shù)。

從現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)數(shù)據(jù)來看，彎曲段由于采用固定輥縫形式，在離線對(duì)弧精度保證的前提下，其輥縫偏差基本都能滿足設(shè)計(jì)和生產(chǎn)要求；而扇形段框架夾緊結(jié)構(gòu)的不同，對(duì)測(cè)量輥縫數(shù)據(jù)產(chǎn)生較大的影響。

3 結(jié)論

通過對(duì)導(dǎo)板式、S MART導(dǎo)柱式、Optimum連桿導(dǎo)柱式、CyberLink導(dǎo)柱式扇形段液壓缸夾緊形式的結(jié)構(gòu)對(duì)比，研究并現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證了不同夾緊形式下的輥縫值偏差，得出如下結(jié)果：

(1)導(dǎo)板式液壓夾緊形式扇形段適用于鑄軋功能和“重壓下”要求的大錐度輥縫，單個(gè)扇形段壓下量參數(shù)可以設(shè)置較大值；

(2)SMART導(dǎo)柱式液壓扇形段適用于無輕壓下功能的常規(guī)輥縫模式、小錐度輥縫收縮的動(dòng)態(tài)輕壓下模式，在采用動(dòng)態(tài)輕壓下模式時(shí)可采用多段壓下累積變形達(dá)到消除或減輕鑄坯芯部質(zhì)量差的效果；

(3)Optimum連桿導(dǎo)柱式液壓扇形段在線輥縫精度高，對(duì)離線裝配精度要求嚴(yán)格，采用動(dòng)態(tài)輕壓下時(shí)應(yīng)用實(shí)際液相穴末端位置監(jiān)測(cè)ALCE M系統(tǒng)，能較好的改善鑄坯芯部質(zhì)量；

(4)CyberLink扇形段上部框架周期性低頻低幅振動(dòng)，通過由扇形段液壓缸傳感器反饋回來的信息對(duì)鑄坯的最終凝固點(diǎn)位置進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的完全動(dòng)態(tài)輕壓下技術(shù)。