提高連鑄板坯收得率的工業(yè)實(shí)踐

秦 聰，余作朋，溫巨文，郭銀濤，吳艷青

（1.河鋼集團(tuán)唐山不銹鋼有限責(zé)任公司，河北063105；2.河北省鍍錫基板技術(shù)創(chuàng)新中心，河北063105；3.河鋼集團(tuán)唐山鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司，河北063600）

0 引言

連鑄坯收得率是連鑄生產(chǎn)工序的一項(xiàng)重要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，也是反映連鑄生產(chǎn)綜合管理和技術(shù)水平的一項(xiàng)重要指標(biāo)。提高鑄坯收得率是連鑄工序節(jié)能降耗、降本增效，實(shí)現(xiàn)綠色環(huán)保生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[1]。為了提高企業(yè)效益，需要基于本企業(yè)的品種質(zhì)量要求，研究提高鑄坯收得率的措施。

統(tǒng)計(jì)顯示，2019 年下半年唐山不銹鋼公司的鑄坯收得率為97.50%，這與其他企業(yè)報(bào)道的水平差距較大。雖然不同企業(yè)的品種和規(guī)格不同，會(huì)導(dǎo)致鑄坯收得率存在差異，但是僅97.50%的鑄坯收得率還是明顯偏低。影響鑄坯收得率的因素是多方面的，本文介紹了不銹鋼公司鑄坯生產(chǎn)工藝流程，通過(guò)對(duì)煉鋼連鑄生產(chǎn)過(guò)程鋼鐵料損耗的調(diào)查，分析了造成鑄坯收得率低的原因，提出工藝改進(jìn)措施。

1 鑄坯收得率影響分析

1.1 鑄坯生產(chǎn)工藝流程

唐山不銹鋼公司煉鋼廠主要配有100 t 頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐2 座、LF 精煉設(shè)備3 套、RH 真空循環(huán)脫氣精煉爐1 座、（800～1 550）mm×200 mm 直弧型板坯連鑄機(jī)3 臺(tái)。

板坯連鑄機(jī)采用液壓振動(dòng)、動(dòng)態(tài)輕壓下、動(dòng)態(tài)配水、質(zhì)量控制系統(tǒng)等先進(jìn)設(shè)備及技術(shù)，年總產(chǎn)生能力300 萬(wàn)噸。板坯連鑄主要產(chǎn)品為：汽車高強(qiáng)鋼、超低碳深沖鋼與高端鍍錫基板系列用板坯。鑄機(jī)基本參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 單臺(tái)連鑄機(jī)的基本參數(shù)

1.2 鑄坯損耗項(xiàng)目

統(tǒng)計(jì)顯示，2019 年下半年唐山不銹鋼公司的鑄坯收得率僅為97.50%，與國(guó)內(nèi)其他企業(yè)有較大差距，具體見(jiàn)表2 所示。雖然不同企業(yè)的品種和規(guī)格不同，鑄坯收得率會(huì)有所差異，但是97.50%的鑄坯收得率還是明顯偏低。

表2 不同企業(yè)鑄坯收得率的比較

影響鑄坯收得率的因素較多，通過(guò)對(duì)連鑄生產(chǎn)過(guò)程鋼鐵料損耗的調(diào)查，確定了影響鑄坯收得率的關(guān)鍵因素，表3 為唐山不銹鋼公司2019 年下半年鑄坯損耗因素調(diào)查情況。由表3 可知，大包剩水、中包大塊、切頭、切尾、切割損失是可以進(jìn)行有效控制的。

表3 鑄坯損耗因素調(diào)查情況（2019 年下半年，鑄坯總產(chǎn)量132 萬(wàn)t）

1.3 鑄坯損耗原因分析

1.3.1 大包剩余鋼水

生產(chǎn)汽車外板鋼是不銹鋼公司主打產(chǎn)品，由于汽車外板對(duì)夾雜物要求較高，為保證鑄坯質(zhì)量，需要進(jìn)行剩鋼水操作，基本每爐剩鋼水3～5 t，加上其它普通鋼澆鑄的鋼包剩余，2019 年下半年大包剩鋼水6 300 t。

1.3.2 中包大塊

因連鑄板坯定尺要求為9.5～11.8 m，為達(dá)到定尺和勻尺，每個(gè)中包鑄余大塊在7～10 t，2019 年下半年中包鑄余6 870 t。

1.3.3 切頭、切尾、換包甩廢損耗

統(tǒng)計(jì)顯示，2019 年下半年不銹鋼公司使用中包842 個(gè)，平均每個(gè)中間包的切頭、切尾重量為8.31 t，主要是為保證開(kāi)澆頭、尾坯滿足質(zhì)量要求，減少降判。

1.3.4 切割損耗

不銹鋼公司連鑄現(xiàn)使用的火焰切割槍割嘴有許多弊端，主要是割縫寬（6～8 mm）、割縫不齊、燃?xì)庥昧看?、割嘴易堵塞等?wèn)題。統(tǒng)計(jì)顯示，2019 年下半年鑄坯切損量達(dá)到0.51～0.68 kg/t，這也是鑄坯收得率低的另一重要原因。

2 生產(chǎn)工藝改進(jìn)措施

2.1 減少大包剩水措施

2.1.1 鋼包異形包底

不銹鋼公司現(xiàn)有鋼包底部為平面結(jié)構(gòu)，增加了大包澆注末期旋渦卷渣的臨界高度，在剩鋼水量一定時(shí)，下渣量較大，下渣量一定時(shí)，剩水量多，此平面結(jié)構(gòu)包底既不利于提高鋼水收得率，又不利于鋼水質(zhì)量。為此，開(kāi)發(fā)了異形包底堆砌結(jié)構(gòu)，水口座磚附近的包底較沖擊區(qū)高出50 mm，較非沖擊區(qū)高出100 mm，有效的減少了鋼包剩余鋼水。異形包底結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。

圖1 異形包底結(jié)構(gòu)示意圖

2.1.2 大包下渣檢測(cè)系統(tǒng)的升級(jí)改造

不銹鋼公司采用的是振動(dòng)式下渣檢測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)存在以下問(wèn)題：硬件過(guò)于分散，不利于維護(hù)；軟件界面過(guò)于復(fù)雜，不利于分析問(wèn)題；傳感器陳舊，預(yù)報(bào)和漏報(bào)率高。為此，對(duì)下渣系統(tǒng)檢測(cè)進(jìn)行了升級(jí)改造。

（1）整合模塊，減少現(xiàn)場(chǎng)模塊數(shù)量，方便界面維護(hù)優(yōu)化，軟件界面友好優(yōu)化；

（2）增加攝像儀，對(duì)著長(zhǎng)水口和中包液面接觸區(qū)域進(jìn)行時(shí)時(shí)監(jiān)控，防止出現(xiàn)意外下渣，并與振動(dòng)報(bào)警協(xié)同判段；

（3）現(xiàn)場(chǎng)增加顯示器，方便現(xiàn)場(chǎng)操作工人獲知上包澆鋼時(shí)間，本包澆鋼時(shí)間，中包液位控制的狀態(tài)，傳感器振動(dòng)狀態(tài)，沖擊區(qū)域狀態(tài)，中包覆蓋濟(jì)情況；

（4）傳感器升級(jí)，提高傳感器靈敏度。

下渣檢測(cè)系統(tǒng)升級(jí)后，下渣報(bào)警準(zhǔn)確率由62.8%提高到了92.5%，既減輕了大包下渣幾率，又減少了鋼包剩余鋼水。

2.2 減少中包大塊措施

2.2.1 鑄坯定尺優(yōu)化

通過(guò)與軋鋼工序技術(shù)論證，將鑄坯定尺范圍由9.5～11.8 m 擴(kuò)大到8.8～12.1 m，這樣增加了勻尺操作的靈活性，中包大塊可以控制在6.5～8 t，減少了中包大塊重量，提高了連鑄坯的收得率。另外，為了降低崗位勻尺計(jì)算偏差，使勻尺效果達(dá)到最優(yōu)化，還自主開(kāi)發(fā)了自動(dòng)勻尺計(jì)算模型。

2.2.2 中包壽命提高

對(duì)普通中包干式料和定型預(yù)制件材質(zhì)進(jìn)行提升，使中包壽命由19.5 h 提升到32 h，較普通中間包使用數(shù)量減少了至少50%，有效降低了中包大塊和頭尾甩坯數(shù)量。

2.3 頭坯、尾坯甩坯優(yōu)化

2.3.1 非穩(wěn)態(tài)澆注過(guò)程的潔凈度評(píng)價(jià)方法

通常造成鑄坯表面缺陷的主要因素為鋼液氧含量偏高[2]。鋼中氧在凝固過(guò)程中會(huì)形成氧化物夾雜，氧化夾雜物在鋼液中不斷聚集、長(zhǎng)大、上浮，大顆夾雜比小粒徑夾雜更容易上浮去除。因此鋼中全氧含量既代表了鋼中夾雜物數(shù)量，又可以作為評(píng)價(jià)鋼潔凈度的指標(biāo)[3，4]。

為了指導(dǎo)優(yōu)化非穩(wěn)態(tài)鑄坯甩坯長(zhǎng)度，對(duì)頭、尾坯不同位置處的非金屬夾雜物含量進(jìn)行了分析。以典型的低碳鋼（成分見(jiàn)表4）作為研究對(duì)象，選取4個(gè)頭坯和4 個(gè)尾坯，在開(kāi)澆頭坯、停澆尾坯的側(cè)面沿拉坯方向距端頭每隔0.5m 取1 個(gè)40 mm×40 mm×200 mm 的試樣（如圖2 所示），分別取5 個(gè)試樣，共40 個(gè)試樣。每個(gè)試樣分別在距板坯上、下表面20 mm 處經(jīng)車削加工成兩種尺寸類型的試樣：一個(gè)為直徑5 mm 的棒狀樣，采用美國(guó)力可ON836 型氧氮分析儀分析全氧、氮含量（T.O、N）；另一個(gè)為直徑30 mm、高度25 mm 的圓柱樣，將試樣的圓截面磨拋光亮后，采用ASPEX 夾雜物全自動(dòng)掃描電鏡對(duì)夾雜物數(shù)量、尺寸進(jìn)行檢測(cè)分析，每個(gè)試樣的檢測(cè)面積均為100 mm2。另外，采用依斯拉表面檢測(cè)系統(tǒng)，對(duì)甩坯優(yōu)化方案后的熱軋板卷表面質(zhì)量的控制情況進(jìn)行評(píng)價(jià)。

表4 低碳家電板鋼水成分 /wt%

圖2 取樣示意圖（圖中取樣個(gè)數(shù)僅為示意）

2.3.2 氧氮含量分析結(jié)果

圖3 所示為頭坯不同長(zhǎng)度T.O、N 含量，由圖3可見(jiàn)，平均T.O 和T.N 含量隨著距頭部距離增加呈明顯下降的趨勢(shì)，當(dāng)距頭部2.0 m 以后，T.O 和T.N 含量幾乎不隨距離的增加而變化。圖4 所示為尾坯不同長(zhǎng)度T.O、N 含量，由圖4 可見(jiàn)，平均T.O 和T.N 含量隨著距尾部距離增加呈明顯下降的趨勢(shì)，當(dāng)距尾部1.0 m 后，T.O 和T.N 含量幾乎不隨距離的增加而變化。

由圖3、圖4 可見(jiàn)。與正常鑄坯相比：頭坯的T.N含量有大幅度的提高，而尾坯中的T.N 含量變化不大，這表明連鑄開(kāi)澆過(guò)程中鋼水的二次氧化比較嚴(yán)重，澆鑄末期的保護(hù)澆鑄水平與穩(wěn)態(tài)澆鑄階段相差不大，鋼水的二次氧化比較輕微；頭、尾坯中的T.O均有不同程度的上升，造成T.O 升高的原因是渣子的卷入，另外，根據(jù)不同澆鑄階段T.N 含量的變化可知，開(kāi)澆過(guò)程中鋼水二次氧化嚴(yán)重也是頭坯中T.O升高的原因之一[5]。

圖3 頭坯不同澆注長(zhǎng)度T.O、N 含量

圖4 尾坯不同澆注長(zhǎng)度T.O、N 含量

2.3.3 夾雜物數(shù)量分析結(jié)果

采用ASPEX 掃描電鏡觀察試樣100 mm2的面積，未發(fā)現(xiàn)≥50 μm 的顯微夾雜物。頭坯不同澆注長(zhǎng)度每平方毫米面積上2～50 μm 的顯微夾雜物數(shù)量如圖5 所示，由圖5 可見(jiàn)，其顯微夾雜物數(shù)量隨澆注長(zhǎng)度增加而減少，頭坯0.5 m 時(shí)夾雜物數(shù)量為17.68 個(gè)/mm2，為正常鑄坯夾雜物數(shù)量的2.40～2.58倍，頭坯長(zhǎng)度到2.0 m 時(shí)，顯微夾雜物數(shù)量基本與穩(wěn)態(tài)鑄坯水平持平[6]。

圖5 頭坯不同澆注長(zhǎng)度夾雜物數(shù)量

尾坯不同澆注長(zhǎng)度顯微夾雜物數(shù)量如圖6 所示，由圖6 可見(jiàn)，其顯微夾雜數(shù)量隨澆注長(zhǎng)度增加而增加，尾坯5 m 時(shí)夾雜物數(shù)量為16.61 個(gè)/mm2，為正常鑄坯夾雜數(shù)量的2.70～2.96 倍。尾坯澆注長(zhǎng)度到4.0 m 時(shí)，尾坯中的顯微夾雜物數(shù)量基本與穩(wěn)態(tài)鑄坯水平持平。

圖6 尾坯不同澆注長(zhǎng)度夾雜物數(shù)量

2.3.4 甩坯優(yōu)化措施實(shí)施

在頭尾坯潔凈度分布規(guī)律研究的基礎(chǔ)上，對(duì)頭坯、尾坯甩廢制度進(jìn)行優(yōu)化。深沖鋼、冷軋鍍錫板等表面質(zhì)量要求較高鋼種，開(kāi)澆頭坯甩廢長(zhǎng)度由3 m降低為2 m；結(jié)構(gòu)鋼等表面要求較低的鋼種，開(kāi)澆頭坯甩廢長(zhǎng)度由3 m 降低為1.5 m；另外，為了降低頭坯甩廢重量，每個(gè)澆次盡量從小斷面開(kāi)始排產(chǎn)。尾坯甩廢長(zhǎng)度也由1.5～2 m 降低至1 m。

為了保證甩廢制度優(yōu)化后，熱卷質(zhì)量的穩(wěn)定性，對(duì)優(yōu)化后的頭坯和尾坯進(jìn)行了大量的試軋（試軋量約1 200 噸），用依斯拉表面檢測(cè)儀檢測(cè)熱軋板卷表面質(zhì)量合格率為100%，滿足質(zhì)量要求。

2.4 切割縫優(yōu)化

為降低鑄坯切割損失，對(duì)連鑄機(jī)火切機(jī)割槍割嘴進(jìn)行改造，采用節(jié)能型割槍割嘴，這種割嘴噴出的火焰束高度集中，切割端面光滑、割縫小，可有效降低鑄坯割損，提高鑄坯質(zhì)量，兩種割槍割嘴效果對(duì)比如表5、圖7 所示。

圖7 兩種割槍切割端面效果對(duì)比圖

表5 現(xiàn)有與節(jié)能割槍割嘴效果對(duì)比表

3 經(jīng)濟(jì)效益分析

通過(guò)上述措施的實(shí)施，唐山不銹鋼公司2020年1～4 月份的鑄坯收得率逐月提高，至2020 年4月鑄坯收得率已提高至98.72%，相較2019 年下半年的97.5%，提高了1.22 個(gè)百分點(diǎn)（見(jiàn)圖8），年創(chuàng)效可達(dá)到近2 000 萬(wàn)元。

圖8 1～4 月份鑄坯收得率對(duì)比圖

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)唐山不銹鋼公司連鑄生產(chǎn)過(guò)程鑄坯收得率低的原因進(jìn)行了分析和歸納，確定了大包剩余鋼水、中包鑄余大塊，鑄坯切頭、切尾、換包甩廢和切割損耗等方面是影響鑄坯收得率的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

通過(guò)鋼包采用異形包底、大包下渣檢測(cè)系統(tǒng)升級(jí)改造、鑄坯定尺優(yōu)化、中包壽命提高、頭坯和尾坯甩坯優(yōu)化、切割縫優(yōu)化等措施，鑄坯收得率由2019 年下半年的97.5%提高至98.72%，達(dá)到和超過(guò)了國(guó)內(nèi)其他企業(yè)鑄坯收得率的水平，降低了連鑄生產(chǎn)制造成本，公司每年可以獲得2 000 萬(wàn)元的經(jīng)濟(jì)效益。