武鋼連鑄二冷水系統(tǒng)分析與改進(jìn)

劉 洋，魯新義，胡念慈，吳 英，聞 臻，陳 瑋

(1.武漢鋼鐵(集團(tuán))公司研究院，湖北 武漢，430080；2.武漢鋼鐵股份有限公司燒結(jié)廠，湖北 武漢，430083)

隨著鋼鐵生產(chǎn)技術(shù)的快速發(fā)展，連鑄技術(shù)已經(jīng)被越來越多的鋼鐵企業(yè)采用[1]。武漢鋼鐵(集團(tuán))公司(以下簡稱武鋼)于2003年從奧鋼聯(lián)集團(tuán)公司引進(jìn)一臺具有國際先進(jìn)水平的寬板坯連鑄機(jī)[2]用于冷軋硅鋼、汽車鋼板的生產(chǎn)。隨著高強(qiáng)度、高性能鋼種的不斷開發(fā)，對連鑄機(jī)鑄坯冷卻效果提出了越來越高的要求，原連鑄機(jī)二冷水系統(tǒng)冷卻效果控制精度明顯達(dá)不到要求，該生產(chǎn)線上的大量鑄坯產(chǎn)生邊角裂紋，每年鑄坯廢品量和改判量高達(dá)2000 t左右，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)1000多萬元。

為挽回直接經(jīng)濟(jì)損失，進(jìn)一步提高生產(chǎn)效益，本項目組對該連鑄二冷水系統(tǒng)進(jìn)行了系統(tǒng)分析與改進(jìn)。

1 二冷水系統(tǒng)工作流程簡介

武鋼寬板坯連鑄機(jī)生產(chǎn)線分為兩個鑄流，每一鑄流分別由立彎段(零段)、彎曲段(1～6段)、直線段(7～8段)和水平段(9～14段)組成，共有15個扇形段。鑄坯上部(彎曲半徑小)稱為內(nèi)弧，鑄坯下部(彎曲半徑大)稱為外弧。立彎段、彎曲段、直線段及水平段內(nèi)弧采用氣霧[3]冷卻，水平段外弧采用水冷卻。二冷水系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

整個二冷區(qū)域共劃分為10個區(qū)域，每一區(qū)域均要求實現(xiàn)二冷水單獨控制。其中，5～8區(qū)除了按內(nèi)外弧分別控制外，還將內(nèi)外弧上4排噴槍分為中心部和擴(kuò)展部分別進(jìn)行控制。鑄坯寬度方向噴嘴分布如圖2所示。

圖1 二冷水系統(tǒng)示意圖Fig.1 Secondary cooling water system

圖2 鑄坯寬度方向噴嘴分布Fig.2 Nozzle distribution in slab width direction

2 系統(tǒng)冷卻現(xiàn)狀分析

某種意義上講連鑄技術(shù)就是冷卻技術(shù)[4]。鋼水從澆注到鑄坯成材需經(jīng)過一次冷卻和二次冷卻[5]。一次冷卻由結(jié)晶器完成冷卻成型；二次冷卻是通過噴淋水的冷卻作用來加速鑄坯內(nèi)部熱量的傳遞，傳熱量占板坯全部凝固傳熱的60%，此時鑄坯側(cè)面和弧面冷卻不均勻或冷卻速度過大均會產(chǎn)生三角區(qū)裂紋或其他質(zhì)量缺陷，因此，二次冷卻效果對鑄坯質(zhì)量有直接影響作用，合理調(diào)控冷卻水量、提高冷卻控制精度對提高二冷區(qū)鑄坯質(zhì)量和生產(chǎn)效率有重要意義[6]。

2.1 壓縮空氣控制系統(tǒng)分析

為保證壓縮空氣控制系統(tǒng)氣壓控制穩(wěn)定，系統(tǒng)需分為多個控制支路按區(qū)域進(jìn)行調(diào)節(jié)。對壓縮空氣控制系統(tǒng)分析發(fā)現(xiàn)，連鑄機(jī)5～8區(qū)中心區(qū)與9～10區(qū)內(nèi)弧共用一趟氣路(見圖3)，每個區(qū)均未設(shè)單獨控制裝置，從總氣源到每個控制區(qū)管路長短不一，每根管路壓差損耗不一，所引起的回路氣壓控制不穩(wěn)，因而制約了冷卻效果的精確控制。因此，管路氣壓控制不穩(wěn)、不能實行氣壓分區(qū)調(diào)節(jié)影響了系統(tǒng)冷卻效果的精確控制，這是導(dǎo)致鑄坯邊角裂紋的主要原因。

圖3 壓縮空氣控制系統(tǒng)Fig.3 Compressed air control system

2.2 噴淋水控制系統(tǒng)分析

要避免鑄坯因局部過冷導(dǎo)致邊角裂紋等質(zhì)量缺陷，須保證鑄坯在冷卻過程中沿鑄坯寬度方向上各區(qū)域有足夠小的溫差。通過對連鑄機(jī)噴淋水控制系統(tǒng)分析發(fā)現(xiàn)，連鑄機(jī)矯直段、彎曲段5～8區(qū)內(nèi)外弧中心區(qū)、擴(kuò)展區(qū)共用1臺水量調(diào)節(jié)閥(見圖4)，致使該區(qū)域不能實行水量分區(qū)調(diào)節(jié)，從而導(dǎo)致鑄坯寬度方向上溫差高達(dá)100 ℃以上。分析結(jié)果表明，不能分別控制中心部和擴(kuò)展部水流量是導(dǎo)致鑄坯邊角裂紋的又一主要原因。

圖4 連鑄機(jī)噴淋水控制系統(tǒng)Fig.4 Control system of spray water for the caster

2.3 噴嘴特性分析

對不同水、氣壓力條件下噴嘴水流量和氣流量進(jìn)行測量，繪制成噴嘴壓力/流量特性測量曲線如圖5所示。從圖5中發(fā)現(xiàn)水氣配比規(guī)律如下：①當(dāng)氣壓一定時，隨著水壓的升高，水流量逐步增大，氣流量逐漸減小；②當(dāng)氣壓設(shè)定為0.1 MPa時，水壓最大為0.4 MPa；③當(dāng)水壓超過0.4 MPa時，水壓就會抑制氣流，使二冷水無法形成氣霧，導(dǎo)致水-氣噴嘴變成水噴嘴。上述情況說明，噴嘴流量調(diào)節(jié)方法不當(dāng)也是影響二冷水冷卻效果的一個原因。

圖5 噴嘴壓力/流量特性曲線Fig.5 Nozzle pressure /flow characteristic curve

3 系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計與改進(jìn)

3.1 壓縮空氣控制系統(tǒng)設(shè)計改進(jìn)

分別在9區(qū)、10區(qū)增設(shè)1路DN65不銹鋼管，并在其上安裝調(diào)節(jié)閥及壓力檢測器，以實現(xiàn)5～8區(qū)中心區(qū)與9～10區(qū)氣壓的單獨控制和調(diào)節(jié)。此外，還在5～7區(qū)和8區(qū)擴(kuò)展區(qū)分別加裝1臺DN80調(diào)節(jié)閥及壓力檢測器，以實現(xiàn)5～7區(qū)、8區(qū)中心區(qū)和擴(kuò)展區(qū)氣壓的單獨控制和精確調(diào)節(jié)，從而穩(wěn)定回路壓差。

3.2 噴淋水系統(tǒng)設(shè)計改進(jìn)

在每一鑄流5I(5區(qū)中心區(qū))、5O(5區(qū)擴(kuò)展區(qū))、6I、6O、7I、7O、8I、8O上各增添1臺調(diào)節(jié)閥及流量計(如圖6)，通過調(diào)節(jié)閥合理調(diào)節(jié)管道內(nèi)水流量，通過流量計實時反饋管道流量，通過信號反饋控制系統(tǒng)控制調(diào)節(jié)閥的開度，使管道水流量理論值與實際值相吻合。

圖6 5～8區(qū)噴淋水控制系統(tǒng)改進(jìn)圖Fig.6 Optimized control system of spray water in Zones 5～8

3.3 水、氣配比方式改進(jìn)

通過檢測分析，中心區(qū)與邊部區(qū)水流量控制最佳方式為： ①中心水量=原水量×50%×影響系數(shù)；②邊部水量=中心水量×{最小寬度配水比值+[(實際寬度-最小寬度) ×(最大寬度比值-最小寬度比值)/(最大寬度-最小寬度)]}×影響系數(shù)；③影響系數(shù)輸入范圍為0.65～1.25。對二冷水、氣配比量進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)后的水、氣配比如表1所示。

表1 改進(jìn)后的水、氣配比Table 1 Improved water gas ratio

3.4 效果分析

二冷水系統(tǒng)改進(jìn)前后連鑄機(jī)生產(chǎn)情況統(tǒng)計如表2所示。由表2中可看出，二冷水系統(tǒng)改進(jìn)后，鑄坯廢品量、改判量大為降低，其他各項生產(chǎn)統(tǒng)計指標(biāo)明顯好于改進(jìn)前相應(yīng)指標(biāo)，二冷水系統(tǒng)改進(jìn)后的效果極為顯著。

表2 二冷水系統(tǒng)改進(jìn)前后連鑄機(jī)生產(chǎn)情況統(tǒng)計Table 2 Caster production statistics before and after improvement of system of secondary cooling water

4 結(jié)論

(1)由于二冷水壓縮空氣壓力控制不穩(wěn)，不能實現(xiàn)噴淋水、氣的自由調(diào)控，以及由于噴嘴流量調(diào)節(jié)方法不當(dāng)使得鑄坯寬度方向上溫差較大，其結(jié)果導(dǎo)致了鑄坯邊角裂紋。

(2)解進(jìn)方法是調(diào)整壓縮空氣控制方式，在支路上安裝調(diào)節(jié)閥、壓力檢測器及流量計，優(yōu)化調(diào)整二冷水、氣配比參數(shù)，最終實現(xiàn)二冷水系統(tǒng)冷卻效果的精確控制。

(3)二冷水系統(tǒng)改進(jìn)后的效果極為顯著，鑄坯廢品量、改判量大為降低，備件更換量明顯減小。

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