優(yōu)化輥列解決結(jié)晶器液面波動(dòng)的研究與應(yīng)用

供稿|劉偉芳

內(nèi)容導(dǎo)讀

針對(duì)本鋼煉鋼廠2 號(hào)板坯連鑄機(jī)生產(chǎn)的包晶鋼,結(jié)晶器液面存在波動(dòng)問(wèn)題。通過(guò)分析包晶鋼結(jié)晶器液面出現(xiàn)的周期性波動(dòng)，參考包晶鋼的相變特性，推斷出鋼液在扇形段內(nèi)產(chǎn)生包晶相變反應(yīng)L+δ→γ，使液芯發(fā)生約4%的體積收縮，扇形段內(nèi)鑄坯的液芯容積發(fā)生變化，造成結(jié)晶器液面出現(xiàn)波動(dòng)。結(jié)合本鋼2 號(hào)連鑄機(jī)的生產(chǎn)實(shí)際，其扇形段采用單一輥列設(shè)計(jì)，造成這種液芯容積變化的逐漸疊加，經(jīng)扇形段同一種輥徑及輥間距的共振放大，最終形成結(jié)晶器液面的周期性波動(dòng)。結(jié)果表明：包晶鋼的成分設(shè)計(jì)對(duì)結(jié)晶器液面波動(dòng)有一定的影響；合理控制鋼水過(guò)熱度，能有效的抑制結(jié)晶器液面波動(dòng)。本研究通過(guò)對(duì)鑄機(jī)扇形段輥列進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終解決結(jié)晶器液面波動(dòng)的問(wèn)題。

高效連鑄是連鑄技術(shù)發(fā)展的主要目標(biāo)，近些年，各工廠均在追求著高拉速、高質(zhì)量、高效率、高連澆率，并力爭(zhēng)生產(chǎn)無(wú)缺陷鑄坯[1]。在所有高效連鑄生產(chǎn)過(guò)程中，結(jié)晶器液面的穩(wěn)定程度至關(guān)重要。結(jié)晶器液面出現(xiàn)大范圍的波動(dòng)，勢(shì)必會(huì)影響連鑄的拉速，極大地限制了連鑄機(jī)的高效運(yùn)行，同時(shí)，也將帶來(lái)不小的質(zhì)量隱患。

本鋼煉鋼廠2 號(hào)連鑄機(jī)于2000 年投產(chǎn)，是由奧鋼聯(lián)(VAI) 設(shè)計(jì)的直弧型、連續(xù)彎曲、連續(xù)矯直、小輥徑密排輥的連鑄機(jī)，設(shè)計(jì)板坯生產(chǎn)能力為175 萬(wàn)t/a。自投產(chǎn)以來(lái)，在生產(chǎn)包晶鋼種時(shí)，結(jié)晶器液面頻繁出現(xiàn)波動(dòng)問(wèn)題，極大地限制了拉速的提高，且非常容易引起鑄坯坯殼的卷渣，從而導(dǎo)致鑄坯在后序熱軋工序生產(chǎn)時(shí)出現(xiàn)夾雜缺陷，影響了鑄坯的表面質(zhì)量。

本文從包晶鋼的產(chǎn)品特性、連鑄機(jī)本體設(shè)計(jì)兩方面入手，研究結(jié)晶器液面波動(dòng)所形成的機(jī)理，找出規(guī)律，獲得影響液面波動(dòng)的根本原因，制定相應(yīng)的解決方案，最終解決了包晶鋼結(jié)晶器液面波動(dòng)的問(wèn)題，從而獲得良好的鑄坯質(zhì)量，達(dá)到穩(wěn)定連鑄高效生產(chǎn)的目的。

問(wèn)題現(xiàn)狀

本鋼煉鋼廠2 號(hào)連鑄機(jī)于2000 年投產(chǎn)，2009 年進(jìn)行了第二次設(shè)備改造，增加動(dòng)態(tài)輕壓下功能，同時(shí)對(duì)二冷水控制模型進(jìn)行改進(jìn)，增加了二級(jí)機(jī)動(dòng)態(tài)控制功。鑄機(jī)的相關(guān)技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 2 號(hào)連鑄機(jī)相關(guān)技術(shù)參數(shù)

2 號(hào)連鑄機(jī)出現(xiàn)結(jié)晶器液面波動(dòng)的主要鋼種，以BG380CL、BG420CL、SW400 等碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.09%～0.15%的亞包晶鋼為主[2]。BG380CL 結(jié)晶器液面波動(dòng)情況如圖1 所示，由圖1 可知，波動(dòng)幅度一般在±10 mm，嚴(yán)重時(shí)液面波動(dòng)幅度能達(dá)到±15 mm 以上，并且呈現(xiàn)一定的周期性。

此類結(jié)晶器液面波動(dòng)，同一鑄機(jī)的兩鑄流發(fā)生的時(shí)間與波動(dòng)程度并不相同，另外，在同一生產(chǎn)周期(即同一澆次)的前期波動(dòng)并不明顯，澆次中后期波動(dòng)情況加劇，并在澆次結(jié)束前又趨于平穩(wěn)。本文主要從化學(xué)成分、冷卻環(huán)境、輥列設(shè)計(jì)等方面，對(duì)結(jié)晶器液面波動(dòng)的產(chǎn)生原因進(jìn)行分析，并制定相應(yīng)的控制措施。

成因分析

數(shù)據(jù)收集

采集一組生產(chǎn)數(shù)據(jù)，鋼種BG380CL，整個(gè)澆次共計(jì)澆鑄8 爐，每爐采集一組結(jié)晶器液面波動(dòng)的歷史數(shù)據(jù)。BG380CL 的鋼種設(shè)計(jì)成分見(jiàn)表2，實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表2 BG380CL 鋼種設(shè)計(jì)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

表3 BG380CL 成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))及過(guò)熱度 %

記錄顯示：第L1 爐次，液面波動(dòng)周期6 s，波動(dòng)范圍處于±3 mm 之間，屬于正常設(shè)計(jì)范圍。第3 爐次開(kāi)始出現(xiàn)雙波峰情況，即是一個(gè)波峰與另一個(gè)波峰相連，雙波峰之后，再接一個(gè)正常波峰，此時(shí)結(jié)晶器液面波動(dòng)現(xiàn)象開(kāi)始加劇。波動(dòng)周期為18 s，波動(dòng)范圍：-4.2～+3.8 mm，其波動(dòng)變化情況如圖2 所示。

隨著澆鑄時(shí)間增加，第L5 爐次時(shí)，雙波峰與其后正常波峰逐漸呈現(xiàn)靠攏合并趨勢(shì)，波動(dòng)周期18 s，波動(dòng)范圍：-16.5～+10.5 mm。波動(dòng)變化情況如圖3所示，此時(shí)，結(jié)晶器液面波動(dòng)范圍達(dá)到最大值，并延續(xù)至澆次結(jié)束。

需要說(shuō)明的是，在進(jìn)行數(shù)據(jù)收集之前，需要對(duì)連鑄機(jī)生產(chǎn)前的設(shè)備本體進(jìn)行一次較為詳細(xì)的檢查、評(píng)估。因?yàn)槿绻O(shè)備狀態(tài)出現(xiàn)問(wèn)題，如扇形段開(kāi)口度，或者兩輥之間的接弧出現(xiàn)偏差，會(huì)使鑄坯在經(jīng)過(guò)存在問(wèn)題的輥?zhàn)訒r(shí)，出現(xiàn)內(nèi)外應(yīng)力不均勻的情況，從而形成了鋼液回流的問(wèn)題，造成結(jié)晶器液面波動(dòng)。通過(guò)設(shè)備檢修，檢查鑄機(jī)的接弧與開(kāi)口度情況，并未出現(xiàn)偏離標(biāo)準(zhǔn)值的情況，排除了設(shè)備異常影響的因素[3]。

成因分析

鋼水過(guò)熱度

鋼水過(guò)熱度(一般認(rèn)為20 °C 較為合適[4])偏高，會(huì)使出結(jié)晶器時(shí)的坯殼變薄，進(jìn)而使鑄坯抵抗外來(lái)應(yīng)力的能力減弱，易發(fā)生鑄坯鼓肚變形。同時(shí)，鋼水的過(guò)熱度也與鑄坯坯殼的厚度密切相關(guān)。隨著過(guò)熱度的增加，液相穴長(zhǎng)度變長(zhǎng)，液固相間距減小，這主要由于鋼液的過(guò)熱度較高時(shí)，鋼液開(kāi)始凝固時(shí)間增加的幅度變大，過(guò)冷度增加，鋼液凝固的速率很大，鋼液迅速凝固[5]。這會(huì)導(dǎo)致坯殼不均勻，讓鑄坯液芯的鋼液，受扇形段輥擠壓后，有更加明顯的回流傾向，對(duì)結(jié)晶器液面波動(dòng)產(chǎn)生不利的影響。

成分影響

出現(xiàn)波動(dòng)爐次鋼水成分碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.08%～0.09%,錳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.95%～1.01%。此類高錳鋼的碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，位于包晶鋼范圍。一般認(rèn)為，包晶鋼出現(xiàn)的結(jié)晶器液面波動(dòng)，主要源于包晶鋼在凝固過(guò)程中發(fā)生的包晶相變L+δ→γ[6]。

包晶轉(zhuǎn)變是發(fā)生在兩固相中，體心立方的初生相，轉(zhuǎn)變?yōu)槊芘帕降陌啵捎谥旅芏仍黾?，在沒(méi)有新的鋼液補(bǔ)充下，就會(huì)引起鑄坯內(nèi)部的收縮[7]，使保護(hù)渣流入不均勻，結(jié)晶器傳熱不均衡，坯殼比較薄弱。在二冷區(qū)內(nèi)，鋼水靜壓力導(dǎo)致鑄坯在兩個(gè)輥?zhàn)又虚g產(chǎn)生鼓肚，坯殼薄弱區(qū)域表現(xiàn)更為明顯。

通過(guò)統(tǒng)計(jì)某廠全年生產(chǎn)共計(jì)116 爐結(jié)晶器液面波動(dòng)爐次，分析碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)應(yīng)爐數(shù)間的比例關(guān)系。這里定義結(jié)晶器液面波動(dòng)正常范圍為：?jiǎn)挝粫r(shí)間(s)±3.0 mm，超出此范圍定義為結(jié)晶器液面異常波動(dòng)。得出以下的規(guī)律，見(jiàn)表4。

表4 結(jié)晶器液面波動(dòng)與碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)關(guān)系

從表4 可知：產(chǎn)生結(jié)晶器液面波動(dòng)的碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.07%～0.13%之間，越是靠近0.12%～0.13%位置，包晶相變?cè)矫黠@，后續(xù)鋼種設(shè)計(jì)時(shí)，需要盡可能的避免碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍在此期間內(nèi)，向靠近0.08%的低碳范圍進(jìn)行設(shè)計(jì)。需要注意的是，在實(shí)際的鋼種設(shè)計(jì)時(shí)，為了滿足細(xì)化晶粒，或者后序熱軋產(chǎn)品的力學(xué)性能，勢(shì)必會(huì)加入一些微合金，而其它合金元素對(duì)包晶相變的影響，也是必須要考慮進(jìn)去的。通過(guò)合理的成分微調(diào)可有效降低包晶轉(zhuǎn)變率,降低亞包晶鋼高溫相變收縮程度[8]。

相關(guān)研究表明：合金元素的加入可以使Fe-C 二元平衡相圖包晶反應(yīng)區(qū)域產(chǎn)生變化，且不同元素間又存在著相互作用，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)要考慮這些影響因素[9]。

輥列影響

通過(guò)計(jì)算固定拉速(1.0 m/min)下，液面波動(dòng)周期(6 s 一個(gè)短周期，18 s 一個(gè)長(zhǎng)周期)，與扇形段輥周長(zhǎng)、輥間距之間進(jìn)行比較。足輥的直徑為150 mm，扇形段輥直徑為300 mm。

由表5 可知：在波動(dòng)初期，足輥每轉(zhuǎn)動(dòng)2/9 圈，扇形段輥每轉(zhuǎn)動(dòng)1/9 圈，即出現(xiàn)一次小范圍波動(dòng)；隨著波動(dòng)程度加劇，到了澆次的后期，足輥每轉(zhuǎn)動(dòng)2/3 圈，扇形段輥每轉(zhuǎn)動(dòng)1/3 圈，即出現(xiàn)一次較大范圍的波動(dòng)。

表5 BG380CL 波動(dòng)周期與輥徑關(guān)系

鑄坯鼓肚時(shí)產(chǎn)生泵吸效應(yīng)，導(dǎo)致結(jié)晶器液面迅速下降，結(jié)晶器液面控制系統(tǒng)會(huì)向結(jié)晶器充填鋼水。同時(shí)隨拉坯進(jìn)行，鼓肚區(qū)域到兩個(gè)輥?zhàn)又虚g被壓縮，液相穴內(nèi)鋼水也向結(jié)晶器內(nèi)填充鋼水，使液面迅速上漲，使結(jié)晶器內(nèi)坯殼生長(zhǎng)更不均勻[10]。

由于某廠鑄機(jī)足輥輥列與輥徑只有一種，隨著鑄坯澆注的進(jìn)行，形成連續(xù)的變形。上述過(guò)程每形成一次，就會(huì)擠壓鑄坯液芯向上運(yùn)動(dòng)一次，波動(dòng)情況就會(huì)越來(lái)越劇烈。如此反復(fù)，形成共振效應(yīng)，使結(jié)晶器液面波動(dòng)迅速加劇。一般情況下，發(fā)生此類波動(dòng)，會(huì)進(jìn)行鑄坯拉速的調(diào)整，而拉速變化越大，整個(gè)結(jié)晶器內(nèi)鋼液的流速變化越明顯，最終造成結(jié)晶器液面波動(dòng)逐漸嚴(yán)重的情況。

解決方案

鋼種設(shè)計(jì)避開(kāi)純包晶區(qū)

通過(guò)降低碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，將碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.07%～0.13%的純包晶鋼，轉(zhuǎn)變質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.06%～0.09%的亞包晶鋼，再加入微量的V、Nb、Ti 等合金元素，實(shí)現(xiàn)微合金化[11]，保證熱軋力學(xué)性能的要求。表6所示，為本鋼某牌號(hào)SPHT2 成分設(shè)計(jì)，調(diào)整后的鑄坯，在熱軋軋制后，滿足客戶需求。

表6 某牌號(hào)SPHT2 成分設(shè)計(jì)調(diào)整(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

合理控制鋼水過(guò)熱度

通過(guò)精煉工序的穩(wěn)定冶煉，進(jìn)行中間包鋼水溫度的調(diào)控，保證溫度均勻。目標(biāo)過(guò)熱度控制在25 °C以內(nèi)，同時(shí)爐次間的溫度差別不應(yīng)過(guò)大。本鋼所用的鋼包罐的容量為180 t，在連續(xù)使用的過(guò)程，需要注意鋼包罐的熱周轉(zhuǎn)時(shí)間，并使用鋼包罐保溫材料，一般可使鋼包包殼溫度降低50 °C 以上，同時(shí)，需要爐外精煉的相關(guān)工序做到精細(xì)控制。

制定扇形段輥徑改造方案

本鋼針對(duì)2 號(hào)連鑄機(jī)輥列布置相對(duì)單一的問(wèn)題，對(duì)鑄機(jī)設(shè)備進(jìn)行了改造，如圖4 所示，在未改造前，結(jié)晶器足輥、扇形段0 段輥徑、扇形段輥徑，直徑分別為100、150 和300 mm 3 種單一輥徑，且結(jié)晶器下口的足輥數(shù)量為3 對(duì)，使得鑄坯出結(jié)晶器時(shí)，經(jīng)過(guò)了較長(zhǎng)的一段足輥冷卻時(shí)間，使得鑄坯芯部鋼液更有機(jī)會(huì)形成周期性的泵吸效應(yīng)。

通過(guò)設(shè)備改造，如圖5 所示，結(jié)晶器足輥、扇形段0 段輥徑、扇形段輥徑分別改為100 mm、120 和160 mm(0 段)、300 mm 4 種輥徑。結(jié)晶器足輥的數(shù)量減成1 對(duì)，0 段輥的數(shù)量增加為17 對(duì)。改造之后，鑄坯芯部鋼液，在出結(jié)晶器之后，經(jīng)過(guò)足輥、0 段前、后兩段，分別經(jīng)過(guò)了不同的輥列布置，以達(dá)到抵消結(jié)晶器液面波動(dòng)帶來(lái)的周期性影響。

效果

(1)攻關(guān)進(jìn)行前，生產(chǎn)BG380CL 的中包過(guò)熱度為29 °C，攻關(guān)后，平均中包過(guò)熱度為25 °C。減小了鋼水與銅板的溫差、降低板坯殼層的熱應(yīng)力和收縮應(yīng)力，而降低過(guò)熱度本身又能增加凝固速率，進(jìn)一步減少在薄殼中的應(yīng)力和開(kāi)裂可能性。

(2)輥徑改造后，跟蹤生產(chǎn)BG380CL 及同類的包晶鋼，共計(jì)100 爐次，波動(dòng)發(fā)生的頻率由原來(lái)的88%，降低至目前的5.0%以下，基本解決了包晶鋼結(jié)晶器液面波動(dòng)的問(wèn)題。

結(jié)論

(1)通過(guò)成分優(yōu)化設(shè)計(jì)，避開(kāi)純包晶區(qū)，并對(duì)鋼水過(guò)熱度進(jìn)行合理控制，能夠有效緩解包晶鋼結(jié)晶器液面波動(dòng)的問(wèn)題，但無(wú)法完全解決此類問(wèn)題。

(2)通過(guò)研究輥間距、輥徑與波動(dòng)周期的關(guān)系，推斷出相同的輥徑，促使結(jié)晶器液面波動(dòng)形成共振效應(yīng)，從而指導(dǎo)了鑄機(jī)設(shè)備改造方向。通過(guò)改變扇形段輥徑，以及適當(dāng)調(diào)整足輥數(shù)量，抵消結(jié)晶器液面波動(dòng)在扇形段形成的共振，達(dá)到最終解決包晶鋼結(jié)晶器液面波動(dòng)的目的。