陽春新鋼鐵連鑄高拉速的關(guān)鍵技術(shù)

研究及應(yīng)用

郭春光、彭燦鋒、李富帥

（陽春新鋼鐵有限責(zé)任公司）

摘要：本文總結(jié)了高效連鑄技術(shù)的成就，深入討論了結(jié)晶器銅管、結(jié)晶器水套、保護(hù)渣、二冷工藝等一些工藝因素和新技術(shù)對(duì)提高連鑄高效生產(chǎn)的作用，同時(shí)就如何提高連鑄高效生產(chǎn)，結(jié)合我廠實(shí)際情況，通過系列的研究和技術(shù)應(yīng)用，將連鑄小方坯最高拉速提高至5.07m/min。

關(guān)鍵詞：小方坯；高效連鑄；二冷；技術(shù)創(chuàng)新；設(shè)備、工藝；保護(hù)渣

Research and Application of Key Technologies for High Speed Continuous Casting of Yangchun New Iron and Steel

Guo Chunguang, Peng Canfeng, Li Fushuai
(Yangchun New Iron and Steel)

Abstract: This paper summarizes the achievements of high efficiency continuous casting technology, discusses in depth some technological factors such as mould copper tube, mould water sleeve, mould powder, second cooling process and other new technologies to improve the high efficiency of continuous casting production, and how to improve the high efficiency of continuous casting. According to the actual situation of my factory, the maximum speed of continuous casting billet is increased to 5.07 m/min through the research and technology applications.

Key words: billet; Efficient continuous casting; Second cooling; Technological innovation; Equipment, process; Mould powder

1、前言

陽春新鋼鐵煉鋼廠現(xiàn)有120t轉(zhuǎn)爐二座，配有二座CAS站與一座LF精煉爐，三臺(tái)5機(jī)5流連鑄機(jī)，鑄機(jī)主要性能參數(shù)如表1所示。鋼廠為了在現(xiàn)有設(shè)備條件下節(jié)能增效，引用先進(jìn)的高效連鑄技術(shù)，使得鑄機(jī)經(jīng)過多次提速改造后，具備4.11m/min的工作拉速，達(dá)到5.07m/min最高拉速，最大限度的提高了連鑄產(chǎn)能。

高效連鑄技術(shù)對(duì)連鑄設(shè)備及連鑄工藝提出了更高的要求，連鑄結(jié)晶器技術(shù)、二冷關(guān)鍵工藝參數(shù)及相關(guān)冷卻制度的建立、連鑄保護(hù)渣、連鑄水質(zhì)等方面，成為高拉速的限制環(huán)節(jié)。因此，上述問題的解決是鑄機(jī)實(shí)現(xiàn)高拉速的重要保障。

本文基于高效小方坯的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐、模型計(jì)算、技術(shù)創(chuàng)新，探討了高效小方坯的設(shè)備設(shè)計(jì)和工藝制定思路，期望能有利于工程設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)。

表1  鑄機(jī)主要性能參數(shù)

2 、新技術(shù)的應(yīng)用

2.1、高效結(jié)晶器技術(shù)

高效結(jié)晶器的關(guān)鍵在于強(qiáng)而均勻的冷卻。無論是VAI的鉆石結(jié)晶器，還是康卡斯特的凸型結(jié)晶器，以及達(dá)涅利的Power-mould結(jié)晶器，其設(shè)計(jì)的根本理念都基于此。如何做到強(qiáng)而均勻的冷卻是實(shí)現(xiàn)高效連鑄的核心。為了解決這個(gè)問題，鋼廠與設(shè)計(jì)研究院合作，將理論、設(shè)計(jì)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐相結(jié)合，最終開發(fā)出高效結(jié)晶器，并成功地進(jìn)行了工業(yè)化應(yīng)用。高效結(jié)晶器主要有以下幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)：梅花形結(jié)晶器銅管內(nèi)腔、表面刻槽及雙水套技術(shù)及玻璃鋼水套技術(shù)。

2.1.1梅花形結(jié)晶器銅管的腔型設(shè)計(jì)

 梅花形結(jié)晶器銅管是中冶連鑄所開發(fā)的專利技術(shù)，通過銅管上布置大量的熱電偶測(cè)溫，如圖1所示，研究結(jié)晶器內(nèi)凝固坯殼與銅管內(nèi)腔的相對(duì)位置關(guān)系，從而設(shè)計(jì)出梅花形的結(jié)晶器銅管內(nèi)部空間曲面腔型，如圖2所示，使得坯殼與銅管之間的換熱更加均勻。

2.1.2、表面刻槽及雙水套技術(shù)

對(duì)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(jié)晶器銅管可以通過角部水通道的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)銅管與鑄坯角部換熱問題. 此外設(shè)計(jì)采用雙水套式的結(jié)構(gòu)所構(gòu)成的冷卻液通道，即保證了結(jié)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(shù)，從而降低該位置結(jié)晶器的熱面溫度，減小機(jī)械應(yīng)力及塑性變形。其結(jié)構(gòu)形式如圖3所示。

對(duì)于如何進(jìn)行開槽設(shè)計(jì)，研發(fā)團(tuán)隊(duì)采用了有限元計(jì)算的方法，對(duì)不同開槽的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，保證開槽后的結(jié)晶器銅管在凝固過程中保持與結(jié)晶器內(nèi)凝固坯殼之間的均勻換熱，從而最終確定設(shè)計(jì)參數(shù)。如圖4所示。

2.1.3、玻璃鋼水套

能夠?qū)崿F(xiàn)高拉速，最重要的一點(diǎn)就是坯殼的均勻形成。而坯殼均勻最總要的保障之一就是水縫的均勻，而水縫即結(jié)晶器銅管與水套之間的間隙，因此保證高精度的水套內(nèi)腔尺寸對(duì)于提高拉速起到了至關(guān)重要的作用。根據(jù)我們調(diào)研的結(jié)果，很多廠家就是因?yàn)樗�套的加工誤差或安裝問題導(dǎo)致水縫不均，從而引起漏鋼、脫方等問題。

國內(nèi)普遍采用焊接和拉拔成型的不銹鋼水套，這種安裝方式降低了水套精度和制造的穩(wěn)定性，從而給提高拉速增加了難度。我們選用了專利產(chǎn)品-玻璃鋼水套替代傳統(tǒng)的不銹鋼水套，大大提高了其銅管的安裝精度，刻槽型銅管與玻璃鋼水套的配合在4-5m/min拉速下的試驗(yàn)下，表現(xiàn)出相當(dāng)穩(wěn)定的生產(chǎn)狀態(tài)，當(dāng)流次一月內(nèi)在工作拉速4.3-4.5m/min下沒有出現(xiàn)過脫方和漏鋼斷流現(xiàn)象；此外，通過現(xiàn)場(chǎng)5m/min的拉速時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)驗(yàn)證，同等情況下其使用電攪時(shí)可下調(diào)50A的電流強(qiáng)度；相比于傳統(tǒng)的不銹鋼水套，玻璃鋼水套還具有質(zhì)量輕，阻磁少，不易變形等優(yōu)點(diǎn)。

2.2、超高拉速保護(hù)渣

近年來，隨著連鑄技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和高效連鑄技術(shù)越來越受到企業(yè)重視，就實(shí)現(xiàn)高拉速，提高連鑄機(jī)生產(chǎn)效率及鑄坯質(zhì)量開展了大量研究。從宏觀來看：保護(hù)渣對(duì)鑄坯表面質(zhì)量的影響在于表面縱裂紋、表面夾渣，卷渣造成的皮下夾渣；從微觀來看：調(diào)整保護(hù)渣各成份組成對(duì)控制保護(hù)渣熔速，傳熱能力，結(jié)晶溫度的影響至為重要。

超高拉速保護(hù)渣的有以下兩個(gè)特點(diǎn)：

1）、由于拉速提高，通過結(jié)晶器的熱流增大，結(jié)晶器內(nèi)原有的熱平衡打破，出口處坯殼變薄，結(jié)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(jié)晶器與坯殼間的液渣形成的渣膜難于滿足結(jié)晶器的潤滑要求 ，使鑄坯產(chǎn)生裂紋缺陷并造成漏鋼事故。

   由于高拉速的上述特點(diǎn)，從常規(guī)連鑄到高拉速連鑄經(jīng)常遇到兩大難題——漏鋼和鑄坯表面質(zhì)量差，故提出如下幾個(gè)要求：

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

2）、良好的潤滑性，結(jié)晶器壁與坯殼間的渣膜厚度適宜且分布均勻，以降低結(jié)晶器摩擦力并使其傳熱均勻，從而防止裂紋的產(chǎn)生，保護(hù)渣應(yīng)具有較低的熔點(diǎn)、凝固和結(jié)晶溫度，以保證結(jié)晶器的潤滑和傳熱，我廠保護(hù)渣熔點(diǎn)在1020-1040℃、溶速25-30s。

3）、有良好的溶解和較強(qiáng)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0.85-0.95。

2.3、高效連鑄二冷技術(shù)的應(yīng)用

2.3.1、二冷區(qū)配水的幾個(gè)概念

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

  二冷配水的設(shè)計(jì)中，傳熱系數(shù)是最重要的參數(shù)，二冷區(qū)的傳熱系數(shù)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(shù)，而冷卻水的溫度和鑄坯表面溫度直接影響傳熱系數(shù)。

2.3..2、二冷區(qū)間改造驗(yàn)證

1）、一區(qū)噴嘴內(nèi)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(qū)水條前端共計(jì)8個(gè)噴嘴劃分至二區(qū)，增大其二區(qū)水量，彌補(bǔ)鑄機(jī)上段冷卻強(qiáng)度，而三區(qū)水量富余得到減少，同時(shí)四區(qū)水條增長，噴嘴數(shù)量由12個(gè)增加至20個(gè)。

2.3..3、二冷配水

我廠以生產(chǎn)普碳鋼為主，故配水方式采用強(qiáng)冷卻方式，增大冷卻凝固系數(shù)，縮短凝固時(shí)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(jī)生產(chǎn)率。強(qiáng)冷卻的比水量為1.7～1.9L/kg。

三臺(tái)鑄機(jī)：結(jié)晶器冷卻水壓力達(dá)1.0MPa，二次冷卻水采用高壓、全水噴淋冷卻，供水壓力達(dá)2.0MPa以上，鑄機(jī)二冷水壓水1.75MPa以上，比水量達(dá)1.9l/kg。

表2   二冷段數(shù)據(jù)

研究表明：高效、高拉速連鑄機(jī)必須采取強(qiáng)冷卻方式，同時(shí)要增加冷卻段的長度，而不是單純?cè)黾铀�量，國外新建的連鑄機(jī)一般選用較大弧形半徑，而我廠連鑄機(jī)已受限制，故只能通過此方式進(jìn)行改變，事實(shí)證明對(duì)提高連鑄的產(chǎn)量和鑄坯內(nèi)部質(zhì)量有很大好處。

2.4、多排足輥的應(yīng)用

結(jié)晶器足輥位于結(jié)晶器下方，隨結(jié)晶器振動(dòng)臺(tái)一起做振動(dòng)仿弧運(yùn)動(dòng)，為高溫鑄坯作支撐和導(dǎo)向作用。在三維蠕變有限元鼓肚計(jì)算系統(tǒng)開發(fā)基礎(chǔ)上，結(jié)合小方坯提拉速實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，給出了一套確定足輥長度的方法、工具和標(biāo)準(zhǔn)，來指導(dǎo)足輥長度設(shè)計(jì)，一方面適當(dāng)?shù)淖爿侀L度用來保證高拉速下鑄坯形狀和質(zhì)量，另一方面盡可能少的足輥又能降低生產(chǎn)的維護(hù)量。

同時(shí)從理論上分析，雙排足輥有利于結(jié)晶器銅管的保護(hù)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(fā)生，帶足輥的結(jié)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(jī)，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(shí)在一定程度上也大幅度的延長了銅管壽命。

表3   銅管使用狀況數(shù)據(jù)跟蹤表

通過采用上述高效連鑄新技術(shù)，使得陽春新鋼鐵連鑄生產(chǎn)取得高效穩(wěn)定的生產(chǎn)效果，鑄機(jī)平均拉速穩(wěn)定在4.11m/min，最大拉速達(dá)到5.07m/min，如圖6所示。鋼產(chǎn)量由2016年的260萬噸增加到2018年的320萬噸，2019年將達(dá)到345萬噸，產(chǎn)量的增加使得企業(yè)獲得巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

3、結(jié)論

1）本文通過實(shí)踐和計(jì)算，總結(jié)出了高效小方坯連鑄機(jī)設(shè)備、工藝設(shè)計(jì)相關(guān)指標(biāo)，包括足輥個(gè)數(shù)、二冷形式、二冷配水水量要求、保護(hù)渣理化指標(biāo)、噴嘴的選型等；

2）通過了連鑄高拉速鑄機(jī)的改造、研究，為后續(xù)高效鑄機(jī)進(jìn)一步提速，提供了指導(dǎo)方向，同時(shí)多項(xiàng)新技術(shù)的開發(fā)，在實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)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(xiàn)

[1]   蔡開科等著  連鑄結(jié)晶器  北京：冶金工業(yè)出版社，2008：1～9

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

[3]   劉成信著  連鑄噴嘴特性測(cè)試與分析  2007年泛珠三角II省(區(qū))煉鋼連鑄學(xué)會(huì)論文專輯

作者簡(jiǎn)介：

郭春光，男，2016年畢業(yè)于東北大學(xué)治金工程專業(yè)，本科，地址：廣東省陽春市潭水鎮(zhèn)南山工業(yè)園陽春新鋼鐵有限公司。

彭燦鋒，男，2013年畢業(yè)于武漢科技大學(xué)治金工程專業(yè)，碩士研究生，地址：廣東省陽春市潭水鎮(zhèn)南山工業(yè)園陽春新鋼鐵有限公司。

李富帥，男，2003年畢業(yè)于同濟(jì)大學(xué)固體力學(xué)專業(yè)，博士，地址：北京市朝陽區(qū)曙光西里28號(hào)中冶大廈。