大圓坯連鑄機(jī)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)及裝備水平

張興滿 曹學(xué)欠（中冶京誠(chéng)工程技術(shù)有限公司，北京 100176）

大圓坯連鑄機(jī)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)及裝備水平

張興滿 曹學(xué)欠
（中冶京誠(chéng)工程技術(shù)有限公司，北京 100176）

本文主要介紹了中冶京誠(chéng)（CERI）自主設(shè)計(jì)的大圓坯連鑄機(jī)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，保證鑄坯質(zhì)量所采取的技術(shù)措施、裝備水平等。連鑄機(jī)所采用全程無氧化保護(hù)澆注、大容量中間罐、結(jié)晶器技術(shù)、結(jié)晶器液壓振動(dòng)裝置、電磁攪拌技術(shù)、二冷動(dòng)態(tài)控制及鑄坯保溫措施、鑄坯導(dǎo)向支撐、連續(xù)矯直及拉矯機(jī)、過程檢測(cè)及自動(dòng)控制技術(shù)，確立了中冶京誠(chéng)（CERI）在大圓坯連鑄機(jī)自主設(shè)計(jì)研發(fā)領(lǐng)域的國(guó)內(nèi)領(lǐng)先地位。

大圓坯連鑄 設(shè)計(jì)特點(diǎn) 裝備水平 中冶京誠(chéng)

1　前言

由于連鑄技術(shù)具有顯著的高生產(chǎn)效率、高成材率、高質(zhì)量和低成本的優(yōu)點(diǎn)，近年來我國(guó)的連鑄技術(shù)在成熟生產(chǎn)技術(shù)的應(yīng)用、新技術(shù)的開發(fā)、應(yīng)用基礎(chǔ)研究等方面都得到了迅速發(fā)展。

隨著石油、化工、鐵道等行業(yè)的發(fā)展和連鑄圓坯對(duì)后續(xù)加工的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，市場(chǎng)對(duì)高質(zhì)量大斷面連鑄圓坯的需求強(qiáng)勁增長(zhǎng)。

中冶京誠(chéng)（CERI）在大圓坯連鑄機(jī)的核心技術(shù)領(lǐng)域取得了突破性進(jìn)展，為用戶提供了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的結(jié)晶器液壓振動(dòng)、結(jié)晶器漏鋼預(yù)報(bào)、動(dòng)態(tài)二冷控制等核心技術(shù)和設(shè)備。

2008年12月，中冶京誠(chéng)自行設(shè)計(jì)并制造的弧型半徑R14m的Φ600mm大圓坯連鑄機(jī)一次性熱試成功，標(biāo)志著我國(guó)自主開發(fā)大斷面圓坯連鑄機(jī)的里程碑；2009年5月，江陰興澄特鋼廠弧型半徑R17m的Φ800mm的大圓坯連鑄機(jī)一次熱試成功，成為世界上直徑最大的圓坯連鑄機(jī)；次年10月，Φ900mm大圓坯熱試成功，把記錄再次擴(kuò)大；2011年，Φ1000mm連鑄圓坯研發(fā)成功，再次刷新了記錄，標(biāo)志著我國(guó)大圓坯連鑄技術(shù)水平進(jìn)入了國(guó)際先進(jìn)水平行列。

2　連鑄機(jī)設(shè)計(jì)特點(diǎn)及裝備水平

連鑄過程是一個(gè)鋼水連續(xù)填充、連續(xù)凝固的過程，鑄坯要經(jīng)歷三個(gè)冷卻區(qū)：結(jié)晶器冷卻區(qū)、二次冷卻區(qū)和空冷區(qū)。在這個(gè)過程中，熱量（包括過熱、潛熱和顯熱）通過傳導(dǎo)、對(duì)流、輻射的傳輸方式傳遞出來，鋼從液態(tài)鋼水轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)坯料。

2.1全程無氧化保護(hù)澆注

鋼水的合金元素極易與空氣中的氧反應(yīng)生成氧化物，形成鋼水的二次污染。采取如下保護(hù)澆注工藝，可以防止?jié)蹭撨^程的二次氧化：鋼包和中間罐之間采用長(zhǎng)水口保護(hù)澆注；鋼包滑動(dòng)水口與長(zhǎng)水口連接處吹氬氣密封；中間罐和結(jié)晶器之間采用整體式浸入水口；中間罐內(nèi)采用保護(hù)渣或覆蓋劑；結(jié)晶器內(nèi)采用保護(hù)渣澆注等。

2.2大容量中間罐

采用優(yōu)化設(shè)計(jì)的T型中間罐內(nèi)形有最佳的流場(chǎng)分布，同時(shí)也便于檔渣墻、堰的砌筑；大容量中間罐內(nèi)鋼水有足夠深度保證夾雜物有充分的上浮時(shí)間和更換鋼包時(shí)鋼水液面的穩(wěn)定。

中間罐稱重系統(tǒng)與鋼包滑動(dòng)水口連鎖，保證澆注過程中中間罐鋼水液面高度穩(wěn)定；渦流液面檢測(cè)系統(tǒng)和塞棒伺服系統(tǒng)閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)結(jié)晶器鋼水液位自動(dòng)控制，改善鑄坯表面質(zhì)量；采用中間罐連續(xù)測(cè)溫技術(shù)，確保連鑄機(jī)生產(chǎn)穩(wěn)定，提高鑄坯內(nèi)部質(zhì)量。

2.3結(jié)晶器技術(shù)

在結(jié)晶器設(shè)計(jì)上，采用內(nèi)表面鍍硬鉻的管式結(jié)晶器和2排足輥支撐裝置。結(jié)晶器冷卻水采用快速連接板方式自動(dòng)連接。針對(duì)大斷面圓坯凝固收縮特點(diǎn)做了如下研發(fā)工作：

（1）選擇最佳的水縫結(jié)構(gòu)和銅管的支撐方式，通過溫度場(chǎng)計(jì)算和分析，選擇最佳的冷卻水量，使銅管上下的溫度分布更加均勻，最大溫差控制在2～6℃以內(nèi)；

（2）采用高剛度的結(jié)晶器水箱設(shè)計(jì)，使銅管在全長(zhǎng)范圍內(nèi)獲得有效的固定支撐，確保澆注過程中足夠的穩(wěn)定性，以獲得最佳的鑄坯表面質(zhì)量；

（3）結(jié)晶器銅管采用捏合拋物線錐度以適應(yīng)鑄坯的收縮，使鑄坯在結(jié)晶器內(nèi)達(dá)到最佳的冷卻并形成最佳的坯殼厚度；

（4）結(jié)晶器銅管內(nèi)表面采用鍍硬鉻技術(shù)，提高銅管的使用壽命。

2.4結(jié)晶器液壓振動(dòng)裝置

結(jié)晶器液壓振動(dòng)裝置由內(nèi)、外弧兩個(gè)單獨(dú)立的振動(dòng)單元和一個(gè)振動(dòng)底座組成，其振幅為0～±7.5mm、頻率30～350cpm、非正弦系數(shù)可在0～0.4之間內(nèi)調(diào)整。通過在線調(diào)整液壓振動(dòng)參數(shù)可控制負(fù)滑脫時(shí)間在最佳范圍之間，改善鑄坯表面振痕深度，提高鑄坯表面質(zhì)量，改善結(jié)晶器潤(rùn)滑，減少漏鋼。該裝置技術(shù)的先進(jìn)性及特點(diǎn)如下：

圖1　典型工程工藝流程圖

表1　電磁攪拌的冶金作用與效果

表2　大圓坯連鑄機(jī)主要工程業(yè)績(jī)表

（1）采用計(jì)算機(jī)仿真和有限元方法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，保證系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行；

（2）采用無磨損設(shè)計(jì)，無易損件和潤(rùn)滑點(diǎn)，維修工作量小；

（3）采用高精度的預(yù)應(yīng)力板簧導(dǎo)向，各向的偏差小（≤ 0.10mm）；

（4）可在線根據(jù)拉速變化自動(dòng)調(diào)整振幅、頻率；

（5）通過設(shè)定非正弦系數(shù)，獲得正弦和非正弦振動(dòng)波形；

（6）工作過程中動(dòng)態(tài)監(jiān)視振動(dòng)參數(shù)；

（7）對(duì)坯殼與銅管之間的摩擦力監(jiān)測(cè)及潤(rùn)滑狀態(tài)分析；

（8）安裝方便，不需要額外的調(diào)試。

2.5電磁攪拌技術(shù)

對(duì)大斷面圓坯，為了盡可能獲得穩(wěn)定優(yōu)良的冶金效果，改善鑄坯的表面質(zhì)量和內(nèi)部質(zhì)量（中心疏松和偏析），連鑄機(jī)基本都配置了結(jié)晶器電磁攪拌系統(tǒng)（MEMS）和凝固末端電磁攪拌系統(tǒng)（FEMS），部分連鑄機(jī)還配置了鑄流電磁攪拌系統(tǒng)（SEMS）。其中，鑄流電磁攪拌和末端電磁攪拌位置可根據(jù)澆注斷面的不同連續(xù)調(diào)整位置。如表1所示。

2.6二次動(dòng)態(tài)控制及鑄坯保溫措施

連鑄二冷區(qū)的冷卻是決定鑄坯質(zhì)量的重要因素，這就要求對(duì)二次冷卻參數(shù)進(jìn)行控制，使鑄坯表面溫度在拉坯方向上均勻下降，并且要滿足鑄坯凝固冷卻的冶金準(zhǔn)則，完成彎曲矯直過程，生產(chǎn)出質(zhì)量合格的連鑄坯。

中冶京誠(chéng)（CERI）根據(jù)凝固傳熱計(jì)算模型對(duì)圓坯的二冷設(shè)計(jì)做了總體研發(fā)設(shè)計(jì)，并在最后冷卻區(qū)后至拉矯機(jī)前對(duì)鑄坯采取保溫措施：

二冷采用結(jié)晶器足輥區(qū)全水冷卻，活動(dòng)段區(qū)氣水霧化冷卻。針對(duì)用戶生產(chǎn)鑄坯的不同斷面和鋼種，分別采用超強(qiáng)、強(qiáng)、中、弱、超弱五種水表進(jìn)行冷卻。二冷控制系統(tǒng)采用按拉速參數(shù)動(dòng)態(tài)控制方式進(jìn)行控制，冷卻水按照一定比例分配給不同的冷卻區(qū)，同時(shí)，系統(tǒng)中還嵌入了中間罐鋼水過熱度參數(shù)。冷卻區(qū)域上部噴嘴采取特殊布置方式以獲得最佳的冷卻效果。經(jīng)過多年的生產(chǎn)實(shí)踐，形成了很有特色的二冷水控制模式－準(zhǔn)動(dòng)態(tài)控制，加上優(yōu)化的噴嘴布置與選型，能很好地保證鑄坯的表面和內(nèi)部質(zhì)量。

凝固末期，由于圓坯宏觀幾何形狀的原因，斷面四周方向上的溫度分布更加均勻，中心部位徑向長(zhǎng)度上含鋼液量少，坯殼增長(zhǎng)速度越來越快。為了保證鑄坯進(jìn)入矯直區(qū)前溫度要≥860℃，最后冷卻區(qū)后至拉矯機(jī)前采取了均熱保溫措施。

2.7鑄坯導(dǎo)向支撐

由于圓坯自身的特點(diǎn)，其導(dǎo)向段的支撐與大方坯相比結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單。因此，大圓坯連鑄機(jī)的導(dǎo)向段設(shè)計(jì)，采用活動(dòng)段和多個(gè)固定段相結(jié)合的設(shè)計(jì)方案。

活動(dòng)段隨澆注斷面更換，采取四周輥?zhàn)訆A持以保證鑄坯的運(yùn)行穩(wěn)定及引錠桿的導(dǎo)向。該段噴嘴采用環(huán)形交叉布置以達(dá)到最佳的冷卻效果。固定段的設(shè)計(jì)則適應(yīng)不同的澆注斷面，滿足澆注各種斷面前提下大大簡(jiǎn)化了設(shè)備結(jié)構(gòu)。

2.8連續(xù)矯直及拉矯機(jī)

為有效降低鑄坯在矯直時(shí)表面及兩相區(qū)的矯直應(yīng)變和應(yīng)力，中冶京誠(chéng)（CERI）采用連續(xù)矯直技術(shù)，選取較長(zhǎng)的矯直區(qū)，有效地降低在矯直區(qū)產(chǎn)生的矯直變形。通過優(yōu)化設(shè)計(jì)和計(jì)算，在澆注大斷面圓坯時(shí)，保證鑄坯表面和兩相區(qū)的最大變形速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于產(chǎn)生裂紋的臨界值。

為滿足不同斷面大圓坯的矯直及克服矯直過程中產(chǎn)生的矯直反力，在矯直區(qū)和水平段上每流配置5~9架拉矯機(jī)，并通過控制系統(tǒng)確保各拉矯機(jī)的負(fù)荷分布均衡。

2.9過程檢測(cè)及自動(dòng)控制技術(shù)

采用三電一體化設(shè)計(jì)，按工藝過程控制要求，實(shí)現(xiàn)對(duì)整條生產(chǎn)線的自動(dòng)、半自動(dòng)、手動(dòng)控制。應(yīng)用可靠的過程檢測(cè)及自動(dòng)控制技術(shù)，如鋼水連續(xù)測(cè)溫、鋼包和中間罐稱重、振動(dòng)式下渣檢測(cè)、結(jié)晶器液位檢測(cè)與控制、結(jié)晶器液壓振動(dòng)、二冷動(dòng)態(tài)控制、質(zhì)量跟蹤等，并對(duì)輔助系統(tǒng)工況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和歷史趨勢(shì)記錄。

大圓坯連鑄機(jī)采用了技術(shù)先進(jìn)的過程檢測(cè)及自動(dòng)控制技術(shù)，應(yīng)用在多個(gè)鋼鐵企業(yè)的連鑄項(xiàng)目上。實(shí)踐證明，上述技術(shù)設(shè)計(jì)合理、運(yùn)行穩(wěn)定、可控精度高、操作維護(hù)簡(jiǎn)便，為高質(zhì)量大圓坯連鑄機(jī)提供了可靠保障。

3　大圓坯連鑄機(jī)工藝流程圖（圖1）

4　結(jié)語

上述連鑄機(jī)，設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)良好，其裝備水平處于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先、國(guó)際先進(jìn)的地位。連鑄機(jī)的控制模型，運(yùn)行穩(wěn)定、界面友好、操作方便。連鑄機(jī)所采用的核心工藝設(shè)備由中冶京誠(chéng)（CERI）自主設(shè)計(jì)、研發(fā)、供貨，確立了中冶京城工程技術(shù)有限公司在大圓坯連鑄機(jī)自主設(shè)計(jì)研發(fā)領(lǐng)域的國(guó)內(nèi)領(lǐng)先地位。如表2所示。