定重切割技術(shù)在小方坯連鑄機上的應(yīng)用

供稿|周從銳，熊良友，吳建軍，康欣蕾，張立強

內(nèi) 容 導(dǎo) 讀

為了研究切割之后鑄坯質(zhì)量如何穩(wěn)定，本文通過實際稱重數(shù)據(jù)分析以及生產(chǎn)實踐探索出，由于受到結(jié)晶器磨損、拉速以及澆注溫度等因素的影響，傳統(tǒng)的定尺切割模式下鑄坯質(zhì)量波動較大，不能滿足軋鋼工序的要求。通過采用移動吊籃式和托舉式稱重兩種方式對定重切割進行了嘗試，并比較出兩種稱重方式在相同質(zhì)量波動下的穩(wěn)定性。結(jié)果表明，定重切割技術(shù)可以提高鑄坯質(zhì)量穩(wěn)定性，軋材定尺率提高約1%，降低生產(chǎn)成本。

當(dāng)今世界鋼鐵企業(yè)的競爭愈發(fā)激烈，為了迎合市場發(fā)展需求，大多數(shù)企業(yè)通過采取調(diào)整產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的方法來降低成本。但是受結(jié)晶器磨損、拉速、澆注溫度、冷卻等因素的影響，相同定尺切割下的鑄坯，質(zhì)量存在較大差異[1]。連鑄坯切割一般是小方坯連鑄機生產(chǎn)的最后一道工藝環(huán)節(jié)，業(yè)內(nèi)一般采用火焰切割以定尺方式給下道工序供坯，火焰切割采用的介質(zhì)屬?；罚杩紤]燃燒介質(zhì)爆炸的安全風(fēng)險和環(huán)保風(fēng)險[2]。火焰切割方式作為最古老的熱切割方式，其具有成本較低的優(yōu)勢，但是在薄板切割方面仍存有一定的缺陷。

不管連鑄坯的截面尺寸是否變化，依然按照定尺長度為切割依據(jù)[3]，而軋鋼工序是以鋼坯質(zhì)量為主要標準進行軋制，質(zhì)量波動越大，軋鋼的定尺率控制越難。長期以來，受到某些工藝條件的限制，連鑄坯都是以定尺切割的。連鑄坯經(jīng)過軋制后，會產(chǎn)生一些非定尺材，非定尺材越少，成品材收得率越高。傳統(tǒng)純定尺切割模式下的鑄坯質(zhì)量波動較大，隨著精細化軋制的發(fā)展，難以滿足下道工序要求。

在軋鋼工序中，存在諸多因素，會影響其能源消耗[4]。因此，為確保切割后鑄坯質(zhì)量穩(wěn)定，定重切割技術(shù)逐漸得到應(yīng)用。小方坯由傳統(tǒng)的定尺切割到定重切割的轉(zhuǎn)變，促進了軋制生產(chǎn)工藝水平的提升。該技術(shù)應(yīng)用之后，達到了對于方坯管理的智能操作。軋制坯料是物理的形變過程，鋼材的定尺成材率不僅僅與軋制坯料的尺寸有關(guān)，同時坯料的質(zhì)量對其影響也十分重要。鑄坯定重切割技術(shù)，滿足高效率、低成本連鑄連軋的生產(chǎn)需要[5]，鋼坯定重切割技術(shù)可以優(yōu)化冶金行業(yè)工藝控制情況，并且可以減少在工藝過程中所產(chǎn)生的損耗，柳鋼也進行了一些嘗試，借鑒其他鋼廠的經(jīng)驗，在生產(chǎn)過程中進一步優(yōu)化改進，持續(xù)提升鑄坯定重技術(shù)的創(chuàng)效能力，使小方坯定重切割精度合格率顯著提高，并通過反饋控制手段，研發(fā)出適合當(dāng)前的連鑄坯定重切割技術(shù)，進一步提高軋材定尺率并且降低生產(chǎn)成本，迎合了當(dāng)今節(jié)能減排的需要，促進了生產(chǎn)管理水平的提升，也為企業(yè)創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟回報，但隨著低成本運行模式的逐漸深入，需要我們繼續(xù)深挖潛力，獲取更大的經(jīng)濟效益。

鑄坯切割現(xiàn)狀

影響鑄坯質(zhì)量的因素

對于影響鑄坯質(zhì)量的因素可以分為幾點：設(shè)備因素、拉速、工藝影響因素以及結(jié)晶器磨損情況[6]，其中設(shè)備因素會直接影響切割的精度，在使用中了解到，影響鑄坯質(zhì)量的首要因素是拉速波動，當(dāng)拉速處于大幅度波動的情況下，將會導(dǎo)致鑄坯定重調(diào)節(jié)模式不好控制，工藝影響因素會使同樣長度的鑄坯質(zhì)量不同，而結(jié)晶器磨損情況也會影響到鑄坯的質(zhì)量，所以需要通過減少連鑄機拉速和結(jié)晶器壽命對鑄坯質(zhì)量的影響來穩(wěn)定生產(chǎn)工藝。在實際的生產(chǎn)過程當(dāng)中，同等長度的坯料質(zhì)量不一致會讓定尺坯進行軋制時產(chǎn)生大量的廢料。因此在連鑄生產(chǎn)過程中，鑄坯質(zhì)量的確定對于企業(yè)來說十分重要。我們通過對鑄坯質(zhì)量進行重點分析，同時分析了定重切割和定尺切割，從而對切割方式進行了優(yōu)化并且提高了定尺率。為了確保穩(wěn)定的鑄坯質(zhì)量，通過保證連鑄坯的斷面和長度，穩(wěn)定生產(chǎn)工藝以及改進連鑄坯稱重系統(tǒng)來實現(xiàn)[7]。

連鑄坯的質(zhì)量可以用下式(1)來表達[8]：

式中：m為連鑄坯質(zhì)量，kg；s為連鑄坯斷面，m2；l為連鑄坯長度，m；ρ為連鑄坯密度，kg/m3。

連鑄坯存在的質(zhì)量缺陷會對鋼材軋制質(zhì)量產(chǎn)生重大影響[9]，從式(1)中可以看出凡是影響到鑄坯斷面尺寸、鑄坯長度和鋼坯密度均會影響到連鑄坯單支質(zhì)量。因此，即使是相同定尺切割的鑄坯其質(zhì)量也可能相差較大。對于連鑄坯來說，其質(zhì)量主要表現(xiàn)在表面質(zhì)量、潔凈程度和內(nèi)部質(zhì)量方面。如今，隨著軋制要求越來越高，這就需要大程度地提高連鑄坯質(zhì)量，從而使后續(xù)軋制結(jié)果達到更高要求。

鑄坯尺寸控制要求

對于鑄坯合理尺寸的確定，應(yīng)該以連鑄機與小型連軋機均能達到高產(chǎn)和低耗為原則[10]。通過軋制出優(yōu)質(zhì)鋼材從而保證鋼材各方面性能良好，為此提高了軋機的生產(chǎn)能力，同時降低了能源損耗。

目前柳鋼連鑄方坯的尺寸控制執(zhí)行地是YB/T2011—2014《連續(xù)鑄鋼方坯和矩形坯》標準[11]5.1.2 “根據(jù)需方要求，連鑄坯長度可按定尺或非定尺交貨，定尺長度允許偏差為+80 mm”，這個長度允許偏差是比較大的，其它尺寸控制要求見表1。

表1 連鑄方坯和矩形坯的尺寸及允許偏差 mm

長度尺寸比標準控制限更加嚴格，可以從以下兩個方面分析，一是加熱爐的推鋼、掉鋼問題，二是對成材率的要求。市場經(jīng)濟要求成品材趨于在確保質(zhì)量和質(zhì)量允差的前提下全定尺交貨，因此企業(yè)如何在確保質(zhì)量條件下，減少生產(chǎn)中的金屬切除率、提高金屬的收得率，成為企業(yè)獲得高收益的重要手段和方法。從要求的允許數(shù)據(jù)可以看出，即使切割后的方坯尺寸符合標準要求，不同支的方坯質(zhì)量也可能存在較大偏差。雖然各支鋼坯長度相同，但是其質(zhì)量并不相同，這會增加鋼坯在軋制過程中的浪費[12]。

鑄坯尺寸是軋制成材率控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對于傳統(tǒng)的定尺切割來說，連鑄坯因為某些因素出現(xiàn)的斷面變化會使鑄坯尺寸不好控制，這就要求提高其控制精度，從而提高成材率。

定尺切割下的鑄坯質(zhì)量

提高定尺率，主要措施為穩(wěn)定鋼坯質(zhì)量、負差控制、過程鋼坯損耗和控制短尺長度[13]。隨機選取同一鑄機，不同生產(chǎn)日期，相同定尺切割下的20支鑄坯進行離線稱重，所得的數(shù)據(jù)如下圖1所示。

從圖1可以看出，20支鑄坯中，最小質(zhì)量為2119 kg，最大質(zhì)量為2137 kg，最大偏差達到18 kg與期望質(zhì)量相比，有50%的鑄坯質(zhì)量超過±5 kg的范圍。所以能否實現(xiàn)鋼坯的定重切割就變成提高軋制成材率和定尺率的主要障礙[14]。

圖1 不同支方坯稱重質(zhì)量明細

定重切割技術(shù)的嘗試

單純依靠定尺滿足不了提高軋機成材率的需要[15]。為解決定尺控制下鑄坯質(zhì)量相差較大的問題，我廠計劃應(yīng)用定重切割技術(shù)。各廠定重切割技術(shù)其原理基本類似，均是利用稱重設(shè)備得出鑄坯實際質(zhì)量，與目標質(zhì)量進行對比，然后反饋給定尺切割系統(tǒng)指導(dǎo)下一支鑄坯的切割長度。如何找到影響鋼坯定重切割的主要因素，并綜合考慮多種因素的作用結(jié)果，提高鋼坯定重切割的智能化，對提高鋼坯切割精度有較高的工程價值。定重切割可以提高成材率以及坯料尺寸控制[16]。各家所不同就是稱重設(shè)備和方式有所區(qū)別。我廠就先后嘗試過兩種不同稱重設(shè)備和方式下的定重切割技術(shù)。一種為移動吊籃式稱重，一種為固定托舉式稱重。切損量越小，成材率越高；切損量越穩(wěn)定，越有利于定尺率提升。

稱重方法

吊籃式稱重法，當(dāng)鋼坯由輸送輥道運至電子秤位置時，啟動移動稱重系統(tǒng)提升鑄坯進行稱重，稱重傳感器將質(zhì)量信息傳輸給稱重儀表，儀表將稱重數(shù)值傳送給定尺系統(tǒng)進行機械修正。該方式主要問題是稱重時間長，需要30～50 s，稱重過程吊籃容易擺動，稱重數(shù)據(jù)波動較大，長時間吊起鑄坯，鑄坯容易彎曲變形，如果時間過長，彎曲變形的鑄坯無法進入加熱爐而造成廢坯，示意圖如圖2。

托舉式稱重法，該系統(tǒng)布置和工作流程與圖2所示大致類似，所不同主要是稱重裝置由吊籃式稱重改為托舉式稱重。其優(yōu)勢是每一個流均裝有稱重設(shè)備，可以實現(xiàn)對每支鑄坯進行稱重。且稱重裝置是固定稱重精度也較高。目前，存在的問題是部分鋼廠只是進行稱重，通過定尺系統(tǒng)機械修正無法達到效果，還導(dǎo)致資源的浪費和成本的增加[17-18]。定重切割技術(shù)需要與定重智能模型緊密結(jié)合，可保障定重技術(shù)指標的穩(wěn)定，實現(xiàn)效益最大化。

圖2 移動吊籃式稱重下的定重系統(tǒng)布置及工作示意圖

實踐應(yīng)用情況

采用合適的工藝、實用的裝置對于提高定尺、定重控制水平和軋制成材率非常重要，工藝對鑄坯稱重方式的選擇有突出的地位。

稱重數(shù)據(jù)準確性。用同一支標準砝碼坯在兩種稱重設(shè)備上進行多次稱重，所稱得質(zhì)量與標準砝碼坯質(zhì)量相比，不管是吊籃式還是托舉式，均可控制在0.1%～0.2%范圍之內(nèi)。鑄坯定重切割，明顯提高成材率等關(guān)鍵技術(shù)經(jīng)濟指標[19]。

定重切割后鑄坯質(zhì)量的穩(wěn)定性。通常來說，對定重切割控制有影響的因素包含幾個方面：(1)設(shè)備切割精度；(2)長度測量裝置的故障率和精確程度；(3)稱重測量裝置的故障率和精確程度。投用以上兩種定重切割方式，隨機選取相同定重目標質(zhì)量切割后的20支鑄坯進行離線稱重，所得的數(shù)據(jù)如下圖3所示。

通過圖3數(shù)據(jù)可以分析出，在相同的鑄坯質(zhì)量波動情況下，利用托舉式稱重比吊籃式稱重更為穩(wěn)定。在連鑄機上使用定重切割系統(tǒng)，顯著地提高了鑄坯單重控制精度及軋機軋制成材率。

圖3 定重坯質(zhì)量偏差范圍統(tǒng)計

設(shè)備運行穩(wěn)定性。連鑄產(chǎn)品的質(zhì)量取決于鋼的質(zhì)量[20]。將兩種稱重設(shè)備不間斷投用3個月，發(fā)現(xiàn)移動吊籃式稱重設(shè)備比固定式托舉式稱重設(shè)備發(fā)生的故障次數(shù)要多30%，主要是吊籃式稱重使用過程中，兩頭跨坐在龍門架上的行走齒輪發(fā)生跳齒，行走不同步而卡死。相較于固定托舉式稱重而言，稱重頻率較低。托舉式稱重布置在輥道下方，易積氧化鐵皮等，可進行優(yōu)化設(shè)計，采用動態(tài)清零去皮等方式，避免氧化鐵皮等脫落物對稱重的影響。

結(jié)論

(1)對比定尺切割連鑄坯與定重切割連鑄坯生產(chǎn)過程，從結(jié)果可以分析出定尺率、成材率明顯提高。

(2)采用鑄坯定重切割可明顯提高軋制成材率與定尺率，從而提升企業(yè)整體經(jīng)濟效益，并且定重切割技術(shù)可以優(yōu)化冶金行業(yè)工藝控制，減少在工藝生產(chǎn)過程中所產(chǎn)生的定尺切損率，提高鑄坯質(zhì)量穩(wěn)定性，并進一步提高軋材定尺率，降低生產(chǎn)成本。

(3)各種定重切割技術(shù)其原理基本類似，隨稱重設(shè)備的不同而有所區(qū)別。就文中所嘗試的兩種定重技術(shù)而言，固定托舉式稱重設(shè)備的運行穩(wěn)定性及定重合格率要更好，更能滿足生產(chǎn)工藝要求。