陽(yáng)春新鋼鐵連鑄高拉速的關(guān)鍵技術(shù)研究及應(yīng)用

郭春光 彭燦鋒 李富帥

(1:廣東省陽(yáng)春新鋼鐵有限責(zé)任公司煉鋼廠 廣東陽(yáng)春 529600; 2:中冶南方連鑄技術(shù)工程有限責(zé)任公司 湖北武漢 430073)

1 前言

陽(yáng)春新鋼鐵煉鋼廠現(xiàn)有120t轉(zhuǎn)爐二座，配有二座CAS站與一座LF精煉爐，三臺(tái)5機(jī)5流連鑄機(jī)，鑄機(jī)主要性能參數(shù)如表1所示。鋼廠為了在現(xiàn)有設(shè)備條件下節(jié)能增效，引用中冶南方連鑄技術(shù)工程有限責(zé)任公司開(kāi)發(fā)的高效連鑄技術(shù)，鑄機(jī)經(jīng)過(guò)多次提速改造后，具備4.3m/min的工作拉速，達(dá)到5.07m/min最高拉速，最大限度的提高了連鑄產(chǎn)能。

高效連鑄技術(shù)對(duì)連鑄設(shè)備及連鑄工藝提出了更高的要求，連鑄結(jié)晶器技術(shù)、二冷關(guān)鍵工藝參數(shù)及相關(guān)冷卻制度的建立、連鑄保護(hù)渣、連鑄水質(zhì)等方面，成為高拉速的限制環(huán)節(jié)。因此，上述問(wèn)題的解決是鑄機(jī)實(shí)現(xiàn)高拉速的重要保障。

本文基于高效小方坯的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐、模型計(jì)算、技術(shù)創(chuàng)新，探討了高效小方坯的設(shè)備設(shè)計(jì)和工藝制定思路，期望能有利于工程設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)。

表1 鑄機(jī)主要性能參數(shù)

2 新技術(shù)的應(yīng)用

2.1 高效結(jié)晶器技術(shù)

高效結(jié)晶器的關(guān)鍵在于強(qiáng)而均勻的冷卻[1]。無(wú)論是VAI的鉆石結(jié)晶器，還是康卡斯特的凸型結(jié)晶器，以及達(dá)涅利的Power-mould結(jié)晶器，其設(shè)計(jì)的根本理念都基于此。如何做到強(qiáng)而均勻的冷卻是實(shí)現(xiàn)高效連鑄的核心。為了解決這個(gè)問(wèn)題，鋼廠與設(shè)計(jì)研究院合作，將理論、設(shè)計(jì)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐相結(jié)合，最終開(kāi)發(fā)出高效結(jié)晶器，并成功地進(jìn)行了工業(yè)化應(yīng)用。高效結(jié)晶器主要有以下幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)：梅花形結(jié)晶器銅管內(nèi)腔、表面刻槽及雙水套技術(shù)及玻璃鋼水套技術(shù)。

2.1.1 梅花形結(jié)晶器銅管的腔型設(shè)計(jì)

梅花形結(jié)晶器銅管是中冶南方連鑄技術(shù)工程有限責(zé)任公司所開(kāi)發(fā)的專利技術(shù)，通過(guò)銅管上布置大量的熱電偶測(cè)溫，如圖1所示，研究結(jié)晶器內(nèi)凝固坯殼與銅管內(nèi)腔的相對(duì)位置關(guān)系，從而設(shè)計(jì)出梅花形的結(jié)晶器銅管內(nèi)部空間曲面腔型，如圖2所示，使得坯殼與銅管之間的換熱更加均勻。

圖1 結(jié)晶器腔型設(shè)計(jì)銅管溫度數(shù)據(jù)采集終端現(xiàn)場(chǎng)截圖

2.1.2 表面刻槽及雙水套技術(shù)

對(duì)于鑄坯角部的二維冷卻，普通水縫式的冷卻不能解決其二維傳熱的問(wèn)題，而高效結(jié)晶器銅管可以通過(guò)角部水通道的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)銅管與鑄坯角部換熱問(wèn)題。此外設(shè)計(jì)采用雙水套式的結(jié)構(gòu)所構(gòu)成的冷卻液通道，即保證了結(jié)晶器與被凝固金屬之間的均勻換熱，又通過(guò)減小金屬液面位置附近的水流面積，提高該位置的冷卻液流速的方法，增加該位置冷卻液與管狀主體之間的換熱系數(shù)，從而降低該位置結(jié)晶器的熱面溫度，減小機(jī)械應(yīng)力及塑性變形。其結(jié)構(gòu)形式如圖3所示。

對(duì)于如何進(jìn)行開(kāi)槽設(shè)計(jì)，研發(fā)團(tuán)隊(duì)采用了有限元計(jì)算的方法，對(duì)不同開(kāi)槽的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，保證開(kāi)槽后的結(jié)晶器銅管在凝固過(guò)程中保持與結(jié)晶器內(nèi)凝固坯殼之間的均勻換熱，從而最終確定設(shè)計(jì)參數(shù)。如圖4所示。

圖2 內(nèi)腔采用梅花形結(jié)晶器腔型設(shè)計(jì)

圖3 雙水套結(jié)構(gòu)的結(jié)晶器三維視圖1-管狀主體;2-兩分式水套;3-外部水套;4-沉頭螺釘;5-耐磨硬質(zhì)點(diǎn)

圖4 高效結(jié)晶器內(nèi)凝固坯殼之間的均勻換熱

2.1.3 玻璃鋼水套

能夠?qū)崿F(xiàn)高拉速，最重要的一點(diǎn)就是坯殼的均勻形成。而坯殼均勻最重要的保障之一就是水縫的均勻，而水縫即結(jié)晶器銅管與水套之間的間隙，因此保證高精度的水套內(nèi)腔尺寸對(duì)于提高拉速起到了至關(guān)重要的作用。根據(jù)調(diào)研結(jié)果，很多廠家是因?yàn)樗椎募庸ふ`差或安裝問(wèn)題導(dǎo)致水縫不均，從而引起漏鋼、脫方等問(wèn)題。

國(guó)內(nèi)普遍采用焊接和拉拔成型的不銹鋼水套，這種安裝方式降低了水套精度和制造的穩(wěn)定性，從而給提高拉速增加了難度。選用專利產(chǎn)品-玻璃鋼水套替代傳統(tǒng)的不銹鋼水套，大大提高了其銅管的安裝精度，刻槽型銅管與玻璃鋼水套的配合在4-5m/min拉速下的試驗(yàn)下，表現(xiàn)出相當(dāng)穩(wěn)定的生產(chǎn)狀態(tài)，該流次一月內(nèi)在工作拉速4.3-4.5m/min下沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)脫方和漏鋼斷流現(xiàn)象；此外，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)5m/min的拉速時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)驗(yàn)證，同等情況下其使用電攪時(shí)可下調(diào)50A的電流強(qiáng)度；相比于傳統(tǒng)的不銹鋼水套，玻璃鋼水套還具有質(zhì)量輕，阻磁少，不易變形等優(yōu)點(diǎn)。

2.2 超高拉速保護(hù)渣

近年來(lái)，隨著連鑄技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和高效連鑄技術(shù)越來(lái)越受到企業(yè)重視，就實(shí)現(xiàn)高拉速，提高連鑄機(jī)生產(chǎn)效率及鑄坯質(zhì)量開(kāi)展了大量研究。連鑄生產(chǎn)對(duì)保護(hù)渣的使用性能要求很高[2]，小方坯155mm斷面4m/min以上拉速相適應(yīng)的保護(hù)渣研究與應(yīng)用在國(guó)內(nèi)還處于起步階段。

超高拉速保護(hù)渣面臨以下兩個(gè)困難：

1)由于拉速提高，通過(guò)結(jié)晶器的熱流增大，結(jié)晶器內(nèi)原有的熱平衡打破，出口處坯殼變薄，結(jié)晶器所受的摩擦力增大，容易造成鼓肚和漏鋼。

2)由于拉速提高，渣耗量降低，流入結(jié)晶器與坯殼間的液渣形成的渣膜難于滿足結(jié)晶器的潤(rùn)滑要求，使鑄坯產(chǎn)生裂紋缺陷并造成漏鋼事故。

圖5 玻璃鋼水套1-水套；2-夾板；3-法蘭；4-密封圈；5-連接螺栓

由于高拉速的上述特點(diǎn)，從常規(guī)連鑄到高拉速連鑄經(jīng)常遇到兩大難題——漏鋼和鑄坯表面質(zhì)量差，故提出如下幾個(gè)要求：

1)適宜的渣耗量，隨著拉速的提高，保護(hù)渣耗量減小，摩擦力增大，4.1m/min及以上消耗量控制在0.25kg/t～0.35kg/t范圍內(nèi)。

2)良好的潤(rùn)滑性，結(jié)晶器壁與坯殼間的渣膜厚度適宜且分布均勻，以降低結(jié)晶器摩擦力并使其傳熱均勻，從而防止裂紋的產(chǎn)生，保護(hù)渣應(yīng)具有較低的熔點(diǎn)、凝固和結(jié)晶溫度，以保證結(jié)晶器的潤(rùn)滑和傳熱，保護(hù)渣熔點(diǎn)在1020-1040℃、溶速25-30s。

3)有良好的溶解和較強(qiáng)的吸夾雜、適宜的析晶能力，以滿足鋼種熱流要求，故堿度提高至0.85-0.95。

2.3 高效連鑄二冷技術(shù)的應(yīng)用

2.3.1 二冷區(qū)配水的幾個(gè)概念

連鑄過(guò)程是熱量和質(zhì)量的傳輸過(guò)程，高效連鑄大幅度地提高了拉速，很多廠家認(rèn)為加大二冷的配水量使坯殼迅速生產(chǎn)，以避免漏鋼。

二冷配水的設(shè)計(jì)中，傳熱系數(shù)是最重要的參數(shù)，二冷區(qū)的傳熱系數(shù)受大量因素所影響，如噴嘴形式、噴嘴與鑄坯的距離、水量、水壓等方面。通過(guò)水流密度影響傳熱系數(shù)，而冷卻水的溫度和鑄坯表面溫度直接影響傳熱系數(shù)。

2.3.2 二冷區(qū)間改造驗(yàn)證

1)一區(qū)噴嘴內(nèi)孔直徑由4.8mm改為5.4mm，噴嘴噴射角度由75度改為65度，水量由25m3/h提高至45m3/h。

2)將三區(qū)水條前端共計(jì)8個(gè)噴嘴劃分至二區(qū)，增大其二區(qū)水量，彌補(bǔ)鑄機(jī)上段冷卻強(qiáng)度，而三區(qū)水量富余得到減少，同時(shí)四區(qū)水條增長(zhǎng)，噴嘴數(shù)量由12個(gè)增加至20個(gè)。

2.3.3 二冷配水

因以生產(chǎn)普碳鋼為主，故配水方式采用強(qiáng)冷卻方式，增大冷卻凝固系數(shù)，縮短凝固時(shí)間，在同樣的冶金長(zhǎng)度下，提高拉速，也就提高了連鑄機(jī)生產(chǎn)率。強(qiáng)冷卻的比水量為1.7～1.9L/kg。

三臺(tái)鑄機(jī)：結(jié)晶器冷卻水壓力達(dá)1.0MPa，二次冷卻水采用高壓、全水噴淋冷卻，供水壓力達(dá)2.0MPa以上，鑄機(jī)二冷水壓在1.75MPa以上，比水量達(dá)1.9l/kg。

拉速提高后，通過(guò)增加冷卻段長(zhǎng)度，改善噴嘴霧化狀態(tài)，全部采用自動(dòng)配水模式，通過(guò)專業(yè)設(shè)計(jì)配水參數(shù)再根據(jù)生產(chǎn)時(shí)間情況進(jìn)行微調(diào)，控制拉矯機(jī)坯溫為100-1080℃[3]

2.4 雙排足輥的應(yīng)用

結(jié)晶器足輥位于結(jié)晶器下方，隨結(jié)晶器振動(dòng)臺(tái)一起做振動(dòng)仿弧運(yùn)動(dòng)，為高溫鑄坯作支撐和導(dǎo)向作用。利用三維有限元方法，給出了鼓肚量計(jì)算的方式，具體的粘彈性蠕變模型建立、有限元處理方法、邊界處理等見(jiàn)文獻(xiàn)[4]。在三維蠕變有限元鼓肚計(jì)算系統(tǒng)開(kāi)發(fā)基礎(chǔ)上，結(jié)合小方坯提拉速實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，給出了一套確定足輥長(zhǎng)度的方法、工具和標(biāo)準(zhǔn)，來(lái)指導(dǎo)足輥長(zhǎng)度設(shè)計(jì)，一方面適當(dāng)?shù)淖爿侀L(zhǎng)度用來(lái)保證高拉速下鑄坯形狀和質(zhì)量，另一方面盡可能少的足輥又能降低生產(chǎn)的維護(hù)量。

同時(shí)從理論上分析，雙排足輥有利于結(jié)晶器銅管的保護(hù)以及鑄流的順暢，但是由于方坯連鑄容易漏鋼，一旦漏鋼事故發(fā)生，帶足輥的結(jié)晶器很難清理，很多鋼廠并不愿意采用多排足輥而采用單排甚至不用足輥。高拉速鑄機(jī)，采用雙排足輥后，大大提高了坯殼生長(zhǎng)的均勻性，減小了漏鋼幾率，鑄坯脫方明顯減少，同時(shí)在一定程度上也大幅度的延長(zhǎng)了銅管壽命。

表2 二冷段數(shù)據(jù)

表3 銅管使用狀況數(shù)據(jù)跟蹤表

通過(guò)采用上述高效連鑄新技術(shù)，使得陽(yáng)春新鋼鐵連鑄生產(chǎn)取得高效穩(wěn)定的生產(chǎn)效果，鑄機(jī)平均拉速穩(wěn)定在4.11m/min，最大拉速達(dá)到5.07m/min。鋼產(chǎn)量由2016年的260萬(wàn)噸增加到2018年的320萬(wàn)噸，2019年將達(dá)到345萬(wàn)噸，產(chǎn)量的增加使得企業(yè)獲得巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

3 結(jié)論

1)本文通過(guò)實(shí)踐和計(jì)算，總結(jié)出了高效小方坯連鑄機(jī)設(shè)備、工藝設(shè)計(jì)相關(guān)指標(biāo)，包括足輥個(gè)數(shù)、二冷形式、二冷配水水量要求、保護(hù)渣理化指標(biāo)、噴嘴的選型等；

2)通過(guò)連鑄高拉速鑄機(jī)的改造、研究，為后續(xù)高效鑄機(jī)進(jìn)一步提速，提供了指導(dǎo)方向，同時(shí)多項(xiàng)新技術(shù)的開(kāi)發(fā)，在實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)中取得了較好效果，將小方坯最高拉速提高到5.07m/min水平。