陽春新鋼鐵高效鑄機改造的實踐

譚杜、龍海山

（陽春新鋼鐵有限責任公司）

摘要：以高拉速為核心的高效連鑄是各鋼廠不斷追求的目標。2000年以來，國內鋼廠大力推廣以高拉速為核心的高效連鑄技術。陽春新鋼鐵廠連鑄機經過多次改造提速后，2018年已達到4.11m/min的較高拉速。在此基礎上，進行了持續研發改進，本文從以下幾方面總結了陽春高拉速的經驗，開發了低粘度、低溶點、高凝固溫度的保護渣；研究了強而均勻的冷卻新型的“雙水套結晶器”；應用了質量輕，阻磁少玻璃鋼水套等。通過系列措施，目前將連鑄小方坯最高拉速提高至5.07m/min。

關鍵詞：小方坯；高效連鑄；二冷；技術創新；設備、工藝；保護渣

                          Tandu , longhaishan

(Yangchun New Iron and Steel)

ABSTRACT: The high-efficiency continuous casting with high casting speed as the core is the target of every steel works. Since 2000, high efficiency continuous casting technology with high casting speed as the core has been popularized in domestic steel mills. The continuous casting machine of Yangchunxin Iron and steel works has reached a higher casting speed of 4.11 m / min in 2018 after several revamping. On this basis, continuous research and development improvements were made. The experience of high casting speed in Yangchun was summarized. The mold flux with low viscosity, low melting point and high solidification temperature was developed A new type of double water jacket mould with strong and uniform cooling was studied, and the glass fiber reinforced plastic (FRP) water jacket with light weight and less magnetic resistance was applied. Through a series of measures, the maximum casting speed of continuous casting billet is increased to 5.07 m / min at present。

Key words: small billet; Efficient continuous casting; Second cold; Technological innovation; Equipment, process; Protection slag

1、前言

陽春新鋼鐵煉鋼廠現有120t轉爐二座，配有二座CAS站與一座LF精煉爐，三臺5機5流連鑄機。其中1#、3#鑄機弧度R9、2#鑄機弧度R8，經過多次提速改造后，具備4.11m/min的工作拉速，最高達到5.07m/min最高拉速，最大限度的提高了連鑄產能。

在連鑄坯與連鑄比大幅度提升的同時，高效連鑄對二冷部分的設備參數提出了更高的要求，并且是硬性指標。比如冶金長度，如果不足則肯定無法實現高拉速，同時結晶器等工藝裝備的匹配、二冷關鍵工藝參數及相關冷卻制度的建立、連鑄保護渣、連鑄水質等方面，也成為高拉速的限制環節。因此，上述問題的解決是鑄機實現高拉速的重要保障。

本文基于高效小方坯的現場實踐、模型計算、技術創新，探討了高效小方坯的設備設計和工藝制定思路，期望能有利于工程設計和現場生產。

2、鑄機主要性能參數

3 、新技術的應用

3.1、高效雙水套結晶器

在過去的幾十年中,連鑄結晶器發展成為一種復雜的高技術產品,其功能是：

1）、高效的熱交換器 雙水套結晶器冷卻水傳熱系數最高達到59739.49w/m.℃ 。

2）、鋼水凝固容器，形成有足夠強度的坯殼和良好的凝固組織。

3）、成型的模具，能生產不同形狀、尺寸的產品。

4）、反應容器，去除非金屬夾雜，控制鑄坯表面質量。

眾多研究人員對這些功能進行研究，主要如下方面開展：

3.1.1結晶器的優化設計

高效結晶器的關鍵在于強而均勻的冷卻。無論是VAI的鉆石結晶器，還是康卡斯特的凸型結晶器，以及達涅利的Power-mould結晶器，其設計的根本理念都基于此，考慮到鋼水凝固過程中彎月面附近的換熱強度遠高于其它位置，因此在銅管設計中將彎月面以及彎月面以下一定距離位置水槽進行處理，減小水槽的通水截面，從而增加該區域的水流速度，最終增強該區域的換熱強度。同時新型“雙水套結晶器”內部仍然還是采用的“梅花形結晶器銅管技術”。

3.1.2、結晶器傳熱模型

    結晶器最重要的功能是將鋼液中的熱量傳出，以確保形成足夠厚的坯殼，使連鑄生產得以實現。其中坯殼與結晶器之間的氣隙熱傳導、結晶器壁面熱傳導猶為關鍵，故通過測試各種連鑄參數變化，如鋼種、拉速、結晶器的溫度變化，以此為模型計算出結晶器與鋼液接觸面上的熱流分布及結晶器溫度場。

    需要采集的信息：

不同位置銅管溫度、鋼種、中間包溫度、拉速、保護渣、結晶器水量及溫差、二冷水等

               圖1 結晶器腔型設計銅管溫度數據采集終端現場截圖

3.12.3、表面刻槽及雙水套技術

對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題，而高效結晶器銅管可以通過角部水通道的設計，實現銅管與鑄坯角部換熱問題. 此外設計采用雙水套式的結構所構成的冷卻液通道，即保證了結晶器與被凝固金屬之間的均勻換熱，又通過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，從而降低該位置結晶器的熱面溫度，減小機械應力及塑性變形。其結構形式如圖3所示。

對于如何進行開槽設計，研發團隊采用了有限元計算的方法，對不同開槽的設計參數進行優化，保證開槽后的結晶器銅管在凝固過程中保持與結晶器內凝固坯殼之間的均勻換熱，從而最終確定設計參數。如圖4所示。

圖2 雙水套結構的結晶器三維視圖

1-管狀主體  2-兩分式水套  3-外部水套  4-沉頭螺釘５-耐磨硬質點　６-縱向通道

圖3 高效結晶器內凝固坯殼之間的均勻換熱

3.2、玻璃鋼水套

眾所周知，結晶器銅管與不銹鋼水套的內腔形狀要求具有一定的弧度和錐度，使精度成型較為困難。在現有技術中結晶器不銹鋼水套多采用先折彎、校形再機加工，最后焊接成形工藝，由于不銹鋼水套材料特性及加工工藝的原因，故傳統水套的內部尺寸精度很難保證，因此，選用了玻璃鋼水套替代傳統的不銹鋼水套。此外，相比于傳統的不銹鋼水套，玻璃鋼水套還具有質量輕，阻磁少，安裝方便等優點。

                    圖4 玻璃鋼水套

3.3、超高拉速保護渣

近年來，隨著連鑄技術的進一步發展和高效連鑄技術越來越受到企業重視，就實現高拉速，提高連鑄機生產效率及鑄坯質量開展了大量研究，但少有關于小方坯高拉速保護渣方面的報道。

3.3.1、超高拉速保護渣的特點及要求

1）、由于拉速提高，通過結晶器的熱流增大，結晶器內原有的熱平衡打破，出口處坯殼變薄，結晶器所受的摩擦入增大，容易造成鼓肚和漏鋼。

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

   由于高拉速的上述特點，從常規連鑄到高拉速連鑄常常遇到兩大難題——漏鋼和鑄坯表面質量差，故提出如下幾個要求：

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

2）、良好的潤滑性，結晶器壁與坯殼間的渣膜厚度適宜且分布均勻，以降低結晶器摩擦力并使其傳熱均勻，從而防止裂紋的產生，保護渣應具有較點的溶點、凝固和結晶溫度，以保證結晶器的潤滑和傳熱，我廠保護渣溶點在1020℃、溶速23s。

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

                          圖5  鑄坯低倍樣

4、二冷設計因素

4.1、二冷區配水的幾個概念

    連鑄過程是熱量和質量的傳輸過程，高效連鑄大幅度地提高了拉速，很多廠家認為加大二冷的配水量使坯殼迅速生產，以避免漏鋼的現象發生。

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

4.2、二冷區間改造驗證

1）、一區噴嘴內孔直徑由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45 m3/h。

2）、將三區水條前端共計8個噴嘴劃分至二區，增大其二區水量，彌補鑄機上段冷卻強度，而三區水量富余得到減少，同時四區水條增長，噴嘴數量由12個增加至20個。

4.3、二冷配水

我廠以生產普碳鋼為主，故配水方式采用強冷卻方式，增大冷卻凝固系數，縮短凝固時間，因此在同樣的冶金長度下，可提高拉速，也就提高了連鑄機生產率。強冷卻的比水量為1.7～1.9L/kg。

三臺鑄機：結晶器冷卻水壓力達1.0MPa，二次冷卻水采用高壓、全水噴淋冷卻，供水壓力達2.0MPa以上，鑄機二冷水壓水1.75MPa以上，比水量達2.5l/kg。

研究表明：高效、高拉速連鑄機必須采取強冷卻方式，同時要增加冷卻段的長度，而不是單純增加水量，國外新建的連鑄機一般選用較大弧形半徑，而我廠連鑄機已受限制，故只能通過此方式進行改變，事實證明對提高連鑄的產量和鑄坯內部質量有很大好處。

5、足輥長度確定

  結晶器足輥位于結晶器下方，隨結晶器振動臺一起做振動仿弧運動，為高溫鑄坯作支撐和導向作用。

基于此，提出足輥長度選擇建議：

（1） 對于130×130mm方坯，建議一對足輥；

（2） 對于155×155mm方坯，拉速大于4.0m/min，建議二對足輥；

（3） 對于165×165mm方坯，拉速大于3m/min，建議二對足輥。

同時從理論上分析，雙排足輥有利于結晶器銅管的保護以及鑄流的順暢，但是由于方坯連鑄容易漏鋼，一旦漏鋼事故發生，帶足輥的結晶器很難清理，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。而我廠高拉速鑄機，采用雙排足輥后，大大提高了坯殼生長的均勻性，減小了漏鋼幾率，鑄坯脫方明顯減少，同時在一定程度上也大幅度的延長了銅管壽命。

6、結論

1）本文通過實踐和計算，總結出了高效小方坯連鑄機設備、工藝設計相關指標，包括足輥個數、二冷形式、二冷配水水量要求、保護渣理化指標、噴嘴的選型等；

2）通過了連鑄高拉速鑄機的改造、研究，為后續高效鑄機進一步提速，提供了指導方向，同時多項新技術的開發，在實際現場生產中取得了較好效果，將目前小方坯最高拉速提高到5.07m/min水平。

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]   王雅貞  張巖編著  北京：冶金工業出版社，2010：480～485、59

[3]    劉成信著  連鑄噴嘴特性測試與分析  2007年泛珠三角II省(區)煉鋼連鑄學會論文專輯

[4]   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.

作者簡介：

1、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。

2、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。