板坯連鑄機(jī)的升級(jí)改造及其結(jié)晶器在線熱調(diào)寬

裘 喆，白 斌，吳 鐵，李玉斌，谷世群，王春光

(中鋼設(shè)備有限公司煉鋼工程部，北京 100080)

0 前言

由中鋼設(shè)備有限公司承建的土耳其某鋼廠雙流板坯連鑄機(jī)自2009年底熱試并投入商業(yè)運(yùn)行以后，設(shè)備運(yùn)行良好。此后，應(yīng)用戶要求，中鋼設(shè)備有限公司又對(duì)該連鑄機(jī)進(jìn)行了升級(jí)改造，增大了鑄坯斷面尺寸(鑄坯斷面由170 mm×880 mm增大到190 mm×1015 mm)，并增加了結(jié)晶器在線熱調(diào)寬功能。這一改造項(xiàng)目于2011年7月20日一次熱負(fù)荷試車成功并隨即投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)。該鋼廠連鑄機(jī)改造項(xiàng)目，用較小的投資獲得了產(chǎn)能的大幅度提升，并通過在線熱調(diào)寬技術(shù)的應(yīng)用使該企業(yè)能更好的適應(yīng)小批量、多規(guī)格的產(chǎn)品需求，是板坯連鑄領(lǐng)域升級(jí)改造的一次成功實(shí)踐，具有重要的推廣價(jià)值。

1 改造的基本要求

該鋼廠煉鋼生產(chǎn)工藝路線采用的是EAF-LFCCM短流程。改造前的基本配置是:一臺(tái)130 t電弧爐，最大出鋼量150 t，冶煉周期為50～52 min;一臺(tái)130 t鋼包精煉爐，冶煉周期 ＜50 min;一臺(tái)雙流板坯連鑄機(jī)，170 mm×425～800 mm，預(yù)留(150～200)mm×(425～880)mm，年產(chǎn)1100000 t合格板坯。隨著土耳其經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，原鋼廠的產(chǎn)能不能滿足市場(chǎng)的需求，用戶提出在原設(shè)備的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，并首先完成了電弧爐部分的改造，改造后單爐產(chǎn)量達(dá)175 t，冶煉速度縮短至47 min，連鑄機(jī)的產(chǎn)能成為全廠的瓶頸。用戶要求結(jié)合連鑄機(jī)的實(shí)際情況，將連鑄機(jī)生產(chǎn)的斷面范圍由原來的170 mm×425～880 mm擴(kuò)大到190 mm×425～1015 mm，同時(shí)將結(jié)晶器在線停機(jī)調(diào)寬改為在線熱態(tài)調(diào)寬。基本要求是:

(1)連鑄機(jī)的基礎(chǔ)不變動(dòng);

(2)各變動(dòng)的設(shè)備與基礎(chǔ)框架的連接位置和尺寸不變動(dòng);

(3)各變動(dòng)設(shè)備與其相關(guān)不變動(dòng)設(shè)備的連接位置和尺寸不變動(dòng);

(4)在校核各設(shè)備介質(zhì)用量的基礎(chǔ)上維持公輔系統(tǒng)不變化;

(5)盡量確保新設(shè)計(jì)設(shè)備與改造設(shè)計(jì)設(shè)備的互換性;

(6)基于現(xiàn)有設(shè)備改造為主，部分核心設(shè)備重新設(shè)計(jì)制造。

2 關(guān)鍵設(shè)備設(shè)計(jì)改造方案

2.1 結(jié)晶器改造

原結(jié)晶器為170 mm×425～800 mm在線停機(jī)調(diào)寬結(jié)晶器，調(diào)寬機(jī)構(gòu)為蝸輪蝸桿和普通螺桿－螺母?jìng)鲃?dòng)系統(tǒng)。板坯尺寸增加到190 mm×425～1015 mm后，寬窄邊銅板和背板等主要部件的尺寸均不能滿足新產(chǎn)品規(guī)格的要求，且調(diào)寬機(jī)構(gòu)精度不能滿足在線熱調(diào)寬的要求，提出重新設(shè)計(jì)結(jié)晶器。新設(shè)計(jì)結(jié)晶器考慮新的板坯尺寸及在線熱調(diào)寬的功能。

(1)窄邊調(diào)整機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與選型。為滿足在線熱調(diào)寬的功能需求，提高窄邊移動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)精度，需綜合考慮機(jī)械傳動(dòng)副各環(huán)節(jié)產(chǎn)生機(jī)械間隙的因素并加以消除，從而實(shí)現(xiàn)多次往復(fù)的結(jié)晶器調(diào)寬和調(diào)錐。選擇高精度擺線行星減速機(jī)，具有較小的體積、較大的傳動(dòng)比和較高的傳動(dòng)精度，可以讓前置伺服驅(qū)動(dòng)裝置工作在最佳的性能區(qū)間并實(shí)現(xiàn)精密傳動(dòng);選擇精密梯形絲杠機(jī)構(gòu)做導(dǎo)桿，保證絲杠、傳動(dòng)精度都較高，以使機(jī)構(gòu)往復(fù)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械間隙積累降到更低;導(dǎo)桿通過帶鎖緊螺釘?shù)那蛐谓嵌h(huán)與窄邊連接，與傳動(dòng)的鉸接相比機(jī)械間隙更小。調(diào)寬機(jī)構(gòu)如圖1所示。

(2)寬邊夾緊機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與選型。結(jié)晶器寬邊夾緊裝置由碟簧夾緊，在調(diào)寬過程中通過液壓缸壓力克服一部分碟簧夾緊力，使寬邊處于軟夾緊狀態(tài)，軟夾緊力為碟簧彈力和液壓缸壓力二者的差值，取值通常由壓力差值乘以某個(gè)系數(shù)確定。在此取值下，窄邊在熱調(diào)寬移動(dòng)過程中不劃傷銅板，同時(shí)又能保證寬窄邊銅板之間間隙近似為零，不至于發(fā)生漏鋼。同時(shí)，為實(shí)現(xiàn)更為可靠的軟加緊，四個(gè)寬邊夾緊裝置的夾緊力須可獨(dú)立精準(zhǔn)控制，以實(shí)現(xiàn)寬邊夾緊力隨連鑄板坯寬度的變化而變化。此處，蝶簧在一定時(shí)期內(nèi)彈性性能的穩(wěn)定性至關(guān)重要，否則若碟簧在使用一段時(shí)間后由于剛度變化，寬邊軟夾緊力隨之變化，如不能及時(shí)調(diào)整液壓缸的壓力或更換新碟簧，則容易引起漏鋼事故。因此，此處選擇彈性性能要與設(shè)計(jì)完全符合，且剛性相對(duì)較好的蝶簧。

圖1 調(diào)寬機(jī)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of width adjustment mechanism

(3)結(jié)晶器窄邊足輥設(shè)計(jì)。鑄坯在出結(jié)晶器下口時(shí)坯殼很薄，極容易受到外界干擾而發(fā)生漏鋼。在熱調(diào)寬過程中，為降低錐度調(diào)大時(shí)窄邊足輥對(duì)坯殼的壓力，須設(shè)計(jì)可以避讓的窄邊足輥裝置。

通過提高窄邊調(diào)整機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)精度、寬邊夾緊裝置的合理設(shè)計(jì)及窄邊足輥的避讓設(shè)計(jì)，該結(jié)晶器很好地滿足了在線熱調(diào)寬功能的需要，調(diào)寬過程平穩(wěn)，鑄坯尺寸公差滿足要求。

2.2 扇形段改造

扇形段框架是由鋼板焊接而成的結(jié)構(gòu)件，用于支撐導(dǎo)向輥。框架主要承受通過支撐導(dǎo)向輥傳遞來的鼓肚力、輥?zhàn)优c高溫鑄坯反復(fù)接觸引起的熱應(yīng)力、設(shè)備自重和拉坯力、夾緊油缸的夾緊力等。矯直段框架還承受鑄坯的矯直力。這些復(fù)雜的載荷作用于框架之上，且框架長(zhǎng)期在高溫和水蒸汽的惡劣環(huán)境下工作，要求框架要有足夠的剛度和強(qiáng)度。因此，扇形段能否改造，主要取決于扇形段框架改造的難易程度。從節(jié)約投資和保證質(zhì)量?jī)蓚€(gè)方面考慮制訂改造方案。

(1)彎曲段重新設(shè)計(jì)。當(dāng)坯寬的名義尺寸增加至1015 mm時(shí)，熱坯寬度為1040 mm。原彎曲段輥身長(zhǎng)度為980 mm，不能滿足要求。若直接在原彎曲段上進(jìn)行改造，由于施焊點(diǎn)較多，完成后各定位尺寸難以控制，且彎曲段處于上部，坯殼較薄，對(duì)弧精度要求非常高，改造風(fēng)險(xiǎn)較大。因此，在校核內(nèi)外弧框架的基礎(chǔ)上，重新設(shè)計(jì)完整的彎曲段及噴淋架。

(2)扇形段1～4改造。首先校核各段上下框架的強(qiáng)度和剛度能否滿足生產(chǎn)增寬增厚的鑄坯要求。然后將各段的輥?zhàn)蛹娱L(zhǎng)，以確保對(duì)鑄坯全寬度上都有完善的支承。輥身加長(zhǎng)后，需要配套改造內(nèi)外弧框架。具體方案是將框架外側(cè)用于安裝軸承座的鋼板塊切掉，按照新輥?zhàn)虞S承的位置焊上新的鋼板塊并加工出軸承座安裝基準(zhǔn)面。由于軸承座位置變化，原來焊接在框架上的冷卻水管也必須割掉后重新焊接，并重新設(shè)計(jì)噴淋架。

(4)扇形段5～6重新設(shè)計(jì)。扇形段5～6為矯直段。由于鑄坯須進(jìn)行高溫連續(xù)矯直，為保證鑄坯的質(zhì)量，在鑄坯經(jīng)過該區(qū)域時(shí)，鑄坯內(nèi)、外弧整個(gè)寬度上都應(yīng)受到輥?zhàn)拥某C直力，原有的輥身長(zhǎng)度只有930 mm，不能滿足要求。且由于承受更大的矯直力，框架的強(qiáng)度和剛度都已接近臨界值，因此重新設(shè)計(jì)完整的5、6號(hào)扇形段及噴淋架。

(3)扇形段7～10改造。扇形段7～10位于水平段，原有的框架保持不變，原來的輥身長(zhǎng)度930 mm也保持不變。這樣在生產(chǎn)1015 mm寬度時(shí)板坯兩外側(cè)會(huì)伸出到輥身以外，但不影響鑄坯質(zhì)量。

另外，按照190 mm厚度重新設(shè)計(jì)制造各扇形段夾緊裝置中的調(diào)整墊板組，以滿足生產(chǎn)新的190 mm厚度板坯的要求。從彎曲段到1～10號(hào)扇形段內(nèi)的所有引錠桿導(dǎo)向件都進(jìn)行了修改或重新設(shè)計(jì)。

2.3 其他部分的改造

根據(jù)生產(chǎn)190 mm×1015 mm鑄坯的要求，重新加工制造了所有噴淋系統(tǒng)，設(shè)定了新的一次、二次冷卻模式，改造了引錠桿、引錠桿對(duì)中及去毛刺機(jī)等相關(guān)設(shè)備，增加了新的熱調(diào)寬電控系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)，增加了新的漏鋼預(yù)報(bào)系統(tǒng)，修改了一級(jí)、二級(jí)控制系統(tǒng)。

3 改造設(shè)備與原設(shè)備的互換性

為最大限度的節(jié)約投資，避免浪費(fèi)，本改造工作考慮了改造前后設(shè)備的互換性，以使未改造設(shè)備如結(jié)晶器、矯直段仍然能夠繼續(xù)使用直至壽命終結(jié)。為保證設(shè)備前后的互換性，重點(diǎn)考慮了如下幾個(gè)方面:

(1)新設(shè)計(jì)的在線熱調(diào)寬電控系統(tǒng)能滿足原結(jié)晶器在線停機(jī)調(diào)寬的要求;

(2)新設(shè)計(jì)的在線調(diào)寬液壓系統(tǒng)能滿足原結(jié)晶器在線停機(jī)調(diào)寬的要求;

(3)增加新的漏鋼預(yù)報(bào)系統(tǒng)，同時(shí)保留原漏鋼預(yù)報(bào)系統(tǒng)，以適應(yīng)原結(jié)晶器的使用。

4 生產(chǎn)實(shí)踐及效益分析

該連鑄機(jī)改造后于2011年7月20日首次熱負(fù)荷試車，成功生產(chǎn)出190 mm×1000 mm的合格鑄坯。8月22日正式通過了業(yè)主的驗(yàn)收考核。在熱調(diào)寬驗(yàn)收階段分別對(duì)每臺(tái)結(jié)晶器進(jìn)行了由寬變窄(815～715 mm)、由窄變寬(800～900 mm)及同一澆次內(nèi)三次不連續(xù)調(diào)寬(815～715 mm，715～615 mm，615～525 mm)共計(jì)5次調(diào)寬。調(diào)寬速度為10～20 mm/min，調(diào)寬過程中拉坯速度為1.0～1.6 m/min，均順利通過考核，鑄坯質(zhì)量良好，在整個(gè)熱調(diào)寬過程中無一次漏鋼事故，得到了業(yè)主的高度評(píng)價(jià)。鑄機(jī)改造前后的產(chǎn)能對(duì)比見表1。

表1 鑄機(jī)改造前后的產(chǎn)能對(duì)比Tabel 1 Correlation table of production capacity before and after modification

766/min 50～52 47精煉設(shè)備/t 130 LF 175處理周期/min ≤50 ≤47全年日歷工作天數(shù)/d 365 365電爐全年有效作業(yè)天數(shù)/d 310 310連鑄機(jī)準(zhǔn)備時(shí)間/min 45 45連澆爐數(shù)/爐 12－18 ＞40連鑄金屬收得率/% 96.5～97 96.5～97連鑄平均澆注周期/min 40－48 40－48鑄機(jī)年工作天數(shù)/d 310 310鑄機(jī)作業(yè)率/% 85.00 85.00連鑄機(jī)的年產(chǎn)量/t 1，104，636 1，543，冶煉周期

通過計(jì)算可知，當(dāng)年作業(yè)天數(shù)為310天時(shí)，該雙流板坯連鑄機(jī)的生產(chǎn)能力由過去的1.1百萬t提高到1.5百萬t。

5 結(jié)論

由于本改造項(xiàng)目基于市場(chǎng)的不斷擴(kuò)大及對(duì)小批量、多規(guī)格的產(chǎn)品需求，從降本增效出發(fā)，用最小的投資使鑄機(jī)增產(chǎn)達(dá)40%，同時(shí)將我國(guó)自主研發(fā)的首套在線熱調(diào)寬結(jié)晶器調(diào)寬系統(tǒng)推向生產(chǎn)實(shí)踐。整個(gè)改造過程沒有影響正常生產(chǎn)，且保證了新舊設(shè)備的互換使用，最大限度的降低了改造成本，取得了良好的經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益。

［1］ 劉明延，李平，欒興家．板坯連鑄機(jī)設(shè)計(jì)與計(jì)算［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1990．

［2］ 蔡開科．連鑄結(jié)晶器［M］．北京:冶金工業(yè)出版社，2008．

［3］ 陳明遠(yuǎn)．我國(guó)自主研發(fā)的板坯連鑄在線調(diào)寬裝置首次投入使用［J］．重型機(jī)械，2012(1):76．