高效連鑄結晶器雙排足輥的應用及改進

龍海山、譚杜、聶金喜

（陽春新鋼鐵有限責任公司）

摘要：陽春新鋼鐵初始設計規模為年產240萬噸，但隨著鋼鐵行業新技術的涌現及智能制造在鋼鐵行業中的應用，以致我廠煉鋼轉爐能力明顯大于連鑄能力，為迫切解決當前平衡關系，陽春新鋼鐵煉鋼廠組織開展高效連鑄機研究，其中針對連鑄拉速進一步提升，通過在原基礎上增加一排結晶器足輥及現場使用過程中不斷改進優化，實現符合我廠高效連鑄結晶器生產，達到鑄機在高拉速條件下，對鑄坯形成有效支撐、夾持作用，，解決了高拉速下，漏鋼及鑄坯質量脫方問題。

關鍵詞：高拉速、脫方、漏鋼

Longhaishan, tandu，niejinxi

(Yangchun New Iron and Steel)

Abstract: the initial design scale of Yangchun new steel is 2.4 million tons per year. However, with the emergence of new technologies in the steel industry and the application of Intelligent Manufacturing in the steel industry, the converter capacity of our plant is significantly greater than the continuous casting capacity. In order to solve the current balance relationship urgently, Yangchun new steel plant organized and carried out the research on high-efficiency continuous casting machine. In view of the further improvement of continuous casting speed, through the On the basis of the original design, a row of mould foot rollers are added and continuous improvement and optimization are carried out on the site to meet the requirements of high-efficiency continuous casting mould production in our plant, so that the caster can effectively support and hold the billet under the condition of high casting speed, and the problems of steel leakage and billet quality off square under the condition of high casting speed are solved.

Key words: high drawing speed, square breaking and steel leakage

一、引言

陽春新鋼鐵根據總體規劃，一期（1#、2#連鑄機）年生產能力為117萬噸合格連鑄坯, 二期（1#、2#、3#連鑄機）年生產能力為240萬噸合格連鑄坯。2017年鑄坯斷面由150mm*150mm改造為155mm*155mm及多次提速改造后，具備年產300萬噸能力；2019年與中冶連鑄共同研究高效雙水套結晶器，為進一步提高鑄機拉速及解決高拉速下漏鋼、鑄坯質量問題，確定了結晶器雙排足輥使用方案及在使用過程中改進優化過程，使鑄機正常拉速控制在4.28m/min,最高拉速突破至5.07m/min水平，由此陽春新鋼鐵具備年產360萬噸以上能力。

二、未改造前狀況

  我廠結晶器為弧形管式結晶器，初始設計下部帶一組足輥（四面各一個輥子）足輥直徑Ø80 ，采用自潤滑軸承,足輥材質1Cr18Ni9Ti，設計最高拉速為3.4m/min，在2017年斷面改造、拉速提至3.8m/min時，只對結晶器足輥支座尺寸進行調整，故改造后產生漏鋼和脫方問題較為突出，嚴重影響鑄機產能的發揮，因此針對此問題，通過現場分析，進行持續性攻關。

       圖1：  脫方鑄坯                        圖2：   角部裂紋漏鋼

三、 理論計算模型

有限元方法處理

建立如下局部坐標系統：

圖3： 有限元單元網格

單元形函數為：

靜力學平衡位移方程的弱形式由用權函數乘以位移方程式(7)得出：

位移在節點上的表達式為：

其中剛度矩陣(stiffness matrix)的定義為：

在區域邊界上，作為一種已知外加源，表面力為：

質量矩陣(mass matrix)為：

重力項可以寫成：

經過利用有限元法，編制三維有限元計算程序，可以根據不同工況的幾何、溫度以及力學條件參數進行變形量的計算，進而確定鑄坯變形、夾持長度等設計量。

以某鋼廠為例，其幾何計算條件如下：

表1：計算參數

經過部分溫度邊界條件，經過溫度長計算后，溫度計算結果如下：

表2：計算結果

圖4：正常輥距下變形量云圖分布

圖5：模擬非夾持情況下變形量云圖分布

   為解決鑄機高拉速條件下，漏鋼事故和鑄坯質量問題，通過以上計算、推導，確定了雙排結晶器足輥推行方案。

三、雙排結晶器足輥的現場應用

    結晶器足輥對鑄坯起導向支撐作用，出結晶器的高溫薄殼鑄坯如得不到及時冷卻和支撐，在鋼液靜壓力極易產生鼓肚、變形，故漏鋼常常發生在這一段，同時高拉速下鑄坯較薄坯殼得到支撐及夾持作用，鑄坯脫方直接影響下道工序軋制，因此足輥的作用顯而易見。

                           圖6：足輥示意圖

2019年陽春新鋼鐵連鑄機高效雙水套結晶器研制完成，預進行5.0m/min以上拉速試驗，為發揮高效雙水套結晶器最大潛力，對結晶器雙排足輥再進行如下改進。

（1）、高效鑄機生產，對初生產坯殼的支撐是提高拉速之重要輔助，將足輥的長度尺寸由原來了135mm，改為148mm，為出結晶器鑄坯提供了更好的支撐條件；加強了出結晶器鑄坯冷卻的均勻性；足輥的竄動量減小，保證了鑄坯正常運行軌跡，同時鑄坯脫方得到明顯改善，保證了高拉速條件下，鑄坯質量穩定。

（2）、高效鑄機生產，各設備尺寸精度是提高拉速之保障，而原設計軸承支座因焊接部位較多，易造成在焊接過程中，鋼板受熱應力影響，尺寸發生偏移，直接影響足輥四個面的精度，導致鑄坯出結晶器后，失去原設計支撐、夾持作用，故通過改變足輥支座設計方式，減少足輥支座鋼板的數量，重點對四面足輥鋼板的改進，有效解決了足輥尺寸精度問題，保證下高拉速條件下，鑄坯四面支撐一致。

（3）、高效鑄機生產，出結晶器后坯殼均勻生長是提高拉速之關鍵，針對下線結晶器銅管下口四面磨損不均勻，造成鑄坯冷卻不均勻問題，通過改變原結晶器下口調整標準，由結晶器銅管下口尺寸等于足輥尺寸，調整為結晶器銅管下口尺寸小于足輥尺寸，同時為使效果達到最佳，發揮雙排各自作用，第一排結晶器足輥調整尺寸按小于結晶器銅管0.05mm控制、第二排結晶器足輥調整尺寸按小于結晶器銅管0.02mm控制，通過以上改進，銅管下口四面磨損均勻，利于提升結晶器通鋼量及鑄坯下端坯殼均勻傳熱，同時鑄坯經足輥擠壓后，表面水膜被瞬間擠破，出結晶器后初生坯殼經過二冷一區時，二冷水能均勻分布在鑄坯各面，不受水膜阻礙。

（4）、高效鑄機生產，備件的材質是提高拉速之基礎，原足輥材質為1Cr18Ni9Ti，無表面調質處理，重新改質為足輥母材4Cr2WMoVsi，表面噴涂10mm碳化鎢加工后熱處理調質提高了硬度，杜絕了表面開裂，對鑄坯表面質量影響。

四、應用及改進效果

1、 生產斷流的控制：結晶器雙排足輥應用、改進投入使用后，鑄機斷流次數明顯減少，達到投產后前所未有的水平。

單鑄機先上線：3#鑄機7月斷流2次、8月斷流1次，無結晶器或工藝原因影響。

2、 生產成本控制：使用結晶器雙排足輥后，結晶器銅管下口四面磨損均勻，結晶器通鋼量由單排足輥平均7000t，提高至目前平均10000t以上，最高通鋼量達到17000t，有效節約了生產噸鋼成本。

3、 鑄坯質量控制：結晶器安裝雙排足輥及對所存在問題改進后，在高拉速生產下、全程無脫方，較大的提升了鑄機生產效率。

4、 生產產能提升：安裝結晶器雙排足輥后，拉速在原來的基礎上提升0.5m/min，每月鑄機澆鑄時間共計平均為42650min，每月可在原基礎上增加產量約42000t以上。

參考文獻

[1]   蔡開科等著  連鑄結晶器  北京：冶金工業出版社，2008：1～9

[2]   蔡開科，程士富.連續鑄鋼原理與工藝[M].北京：冶金工業出版社，1994：62-63.

[3] 史宸興. 實用連鑄冶金技術[M]. 北京：冶金工業出版社，1998:323.

[4] 《The Making,Shaping and Treating of Steel,11th Edition — Casting Volume》，第15章“The Design of Flat and Long Products Casters”，國際鋼鐵協會出版.

[5] 劉洪波,張曉峰,錢亮. 三維蠕變有限元鼓肚計算系統開發與應用[J]. 連鑄，2015,41(3):54.

作者簡介：

1、龍海山，男，大學學歷，鋼鐵冶金工程師。地址：廣東省陽春市潭水鎮南山工業園陽春新鋼鐵有限公司。

2、譚杜，男，2010年湖南工業大學鋼鐵冶金專業畢業，本科學歷，冶金技術工程師。地址：廣東省陽春市潭水鎮南山工業園陽春新鋼鐵有限公司。

3、聶金喜，男，東北大學機電一體化專業，大專學歷，機械助理工程師。地址：廣東省陽春市潭水鎮南山工業園陽春新鋼鐵有限公司。