大倒角結晶器在線熱調寬技術研究與應用

王會玉,高 琦，安領軍，楊拉道,王梓亦

(1.中國重型機械研究院股份公司，陜西 西安 710032；2河鋼集團邯鋼公司一煉鋼廠，河北 邯鄲 056015;3.太原科技大學，山西 太原 030000)

0 前言

邯寶煉鋼廠230 mm×2150 mm雙流板坯連鑄機2008年投產，是承擔河鋼集團高級別汽車鋼、石油管線鋼、微合金高強鋼等品種鋼的核心生產線。生產組織以兌現合同為核心、以客戶需求為理念。連鑄機具備多品種多規格大批量生產能力，但是對于高級別IF汽車鋼，很多合同額屬于小批量，單獨組織澆次則對整個正常節奏帶來很大影響。結晶器在線熱調寬技術[1-2]的應用將極大地提高生產靈活性和合同兌現率，同時能提高連鑄生產作業率，降低生產成本，提高企業產品競爭力。

該連鑄機2011年投入使用大倒角結晶器技術。而應用于大倒角結晶器在線熱調寬技術，國內尚屬空白。通過力學和傳熱學研究以及現場經驗發現，大倒角結晶器在線熱調寬過程中，對錐度變化比較敏感，易產生角裂漏鋼；因此首先需對在線熱調寬過程中工藝參數調寬速度和拉速進行研究，同時優化調寬模型，最后對設備進行改造，提高結晶器窄邊控制精度保證熱調寬技術應用的安全性、穩定性和可靠性。

1 熱調寬過程中工藝參數研究

結晶器熱調寬是連鑄機在澆注過程中通過驅動結晶器窄邊銅板運動來改變結晶器澆注寬度的一種生產過程。結晶器熱調寬過程中的工藝參數包含調寬速度、調寬加速度、軟夾緊力和調寬過程中的拉速，其中最核心的工藝參數是調寬速度和調寬過程中拉速的設定。調寬速度設計太小會增大調寬過程中楔形坯的長度，減小鋼水收得率；調寬速度設計太大又會造成出結晶器口坯殼厚度減小，增大漏鋼風險影響正常生產。因此需對這一參數進行研究。

1.1 調寬速度

調寬速度的研究文獻[3]提出了應用通鋼量守恒定律來計算調寬速度。該文獻提出的通鋼量守恒定律即在結晶器液面保持恒定狀態時，單位時間內從浸入式水口流入結晶器內的鋼水等于結晶器出口流出的鋼水。根據此原則推導出調寬速度表達式如下：

(1)

式中,Vm為調寬速度， mm/min；Vc為拉速，m/min；H為結晶器液面至結晶器銅板底部距離， mm；X為單側調寬距離， mm；

通過式(1)得到了調寬速度與單側調寬距離、結晶器液面至結晶器銅板底部距離和拉速之間的關系?？梢酝ㄟ^此公式來計算每次結晶器熱態調寬速度。

1.2 調寬過程中拉速的設定方法

1.2.1 臨界應變假說[4～6]

結晶器熱調寬技術應用的風險之一是存在調寬過程中由于靠近結晶器角部區域坯殼產生裂紋，最終導致生產過程中發生漏鋼事故，造成生產的中斷。此事故不僅造成設備的損失，同時打亂了原有的生產節奏，降低了連鑄作業率。

文獻[4]中提出了應用臨界應變作為結晶器內坯殼產生裂紋的判定依據,并根據文獻[7]給出了臨界應變計算公式

(2)

1.2.2 拉速設定方法

通過式(2)提供了一種拉速的定量設定方法，結晶器熱態調寬過程中寬邊坯殼中不產生裂紋，即結晶器熱調寬過程中寬邊坯殼拉伸時的應變速率小于臨界應變。文獻[4]推導出的坯殼應變速率

(3)

式中，B為鑄坯寬度， mm。

2 調寬動作模型優化

結晶器熱態調寬的核心是調寬動作模型的設計與優化。調寬動作是通過窄邊銅板旋轉運動與平移運動的組合來完成的。旋轉運動和平移運動組合方式不同就有多種不同調寬動作模型，目前主要包括變速變錐法和變錐平移法[8-9]。變錐平移法是先進行旋轉運動，再進行平移運動，旋轉運動和平移運動是獨立進行的；變速變錐是旋轉運動與平移運動同時進行。根據充分冷卻原則[3]與公式推導可以看出變速變錐調寬過程中窄邊銅板始終與鑄坯貼合，安全性最高，因此大倒角結晶器熱調寬技術采用了此方案。

邯寶連鑄機結晶器調寬機構采用電動形式，即電機通過蝸輪蝸桿減速機驅動結晶器窄邊上、下部絲桿變速變錐運動，實現結晶器窄邊S形調寬。絲桿的移動速度和拉坯速度合理匹配，調寬后的錐度在最后階段一次調整到位。為實現整個調寬過程中結晶器內鑄坯坯殼受力最小，調寬程序根據調寬距離、目標錐度、鑄坯拉速等參數采用不同的優化控制曲線實現這一過程。

3 調寬控制流程

結晶器熱調寬操作控制流程是依據調寬動作模型和調寬工藝參數合理設計調寬操作流程，實現板坯連鑄機結晶器熱調寬功能。設計調寬操作流程時要綜合考慮多方面的因素，不僅要考慮調寬操作自身的需求，而且還要與用戶交流考慮連鑄生產操作的習慣。調寬操作流程包括調零設定和調寬操作兩個部分。調零設定主要是生產前的調試準備，對檢測元件進行零點標定。調寬操作是進行調寬的所有操作步驟的總和。調寬操作流程圖和調零設定如圖2、3所示。

圖2 調寬操作流程圖

圖3 調零設定流程圖

調寬最大距離應根據后續軋鋼生產要求的定尺坯長度、調寬速度和拉速多項因素來綜合考慮。根據最小定尺坯長度和調寬時最低拉速計算一塊定尺坯的澆鑄時間，根據澆鑄時間計算在最低調寬速度下，改變鑄坯寬度的值，即為寬度調整最大距離。調寬距離常規是50 mm的整數倍，預留人工輸入調寬距離的功能。在程序設計時要屏蔽錯誤的調寬輸入數據，操作畫面如圖4、圖5所示。

圖4 調寬操作畫面

圖5 調寬參數輸入畫面

4 設備改造情況

4.1 驅動形式改造

邯寶煉鋼廠230 mm×2150 mm雙流板坯連鑄機原始設計調寬驅動裝置伺服電機安裝在澆注平臺開口處，通過萬向聯軸器連接蝸輪蝸桿減速機驅動絲杠進行平移運動，如圖6右側所示。此種驅動形式中間環節較多，隨著設備使用年限的增加，設備的控制精度降低。通過改造驅動形式，采用電機直接連接蝸輪蝸桿減速機驅動絲杠進行平移運動來提高設備控制精度，如圖6左側所示。

圖6 結晶器窄邊驅動裝置

4.2 液壓閥臺改造

原設計液壓閥臺控制采用開關閥，僅實現生產準備過程中對結晶器寬邊銅板的打開和關閉。而結晶器熱調寬過程中結晶器要實現軟加緊功能，即調寬過程中減小寬邊銅板的夾緊力，通過減小夾緊力減小窄邊銅板移動過程中對寬邊銅板的磨損，提高寬邊銅板使用壽命。為實現結晶器軟加緊功能對液壓閥臺進行設計改造，采用比例閥控制系統，如圖7所示，實現根據澆注斷面對軟夾緊力進行無級控制。

圖7 比例閥系統

5 大倒角結晶器熱調寬實驗及工業化投用

5.1 第一次熱試條件與要求

第一次試熱鋼種為低碳鋼，試驗斷面及目標錐度如表1所示。

5.2 設備性能及可靠性

整個熱調寬過程中調寬電機電流運行平穩無過載；調寬液壓閥臺控制軟夾緊力精度準確，結晶器角縫0.1 mm，銅板表面無劃傷；通過監控畫面看到結晶器四個銅板面熱流穩定無異常。

5.3 鑄坯質量及調寬尺寸

熱態鑄坯調寬過渡區域規則對稱如圖8所示；鑄坯外觀規則，無滲鋼、無擠壓、無鼓肚，酸洗無裂紋，調寬過度坯冷坯外觀如圖9所示。每次調寬尺寸無偏差，調寬量準確，鑄坯斷面調整50 mm后測量鑄坯尺寸如圖10所示。

表1 試驗斷面及目標錐度

圖8 調寬過度坯

圖9 調寬過渡坯冷坯外觀

圖10 調寬過寬度尺寸

2016年1月29日大倒角結晶器在線熱調寬技術在邯寶煉鋼廠230 mm×2150 mm雙流板坯連鑄機第一流上第一次熱試成功，隨后又連續熱試三次全部成功，鑄坯表面無滲鋼，側面無鼓肚，角部無凹陷，且調寬精度在±1 mm之內。

通過對邯寶煉鋼廠230 mm×2150 mm雙流連鑄機改造實現了該鑄機兩流熱調寬系統的同時應用，2018年三月根據排產計劃大倒角結晶器熱調寬技術已應用9次，實現了該技術的工業常態化應用。

6 結束語

邯寶煉鋼廠大倒角結晶器熱調寬技術應用是我國自主研發的熱調寬程序實現大倒角結晶器調寬的首次應用，填補了國內技術空白。同時該項技術的應用也是對外商提供的熱調寬程序的一次改造和替換。

新技術的應用必須要有扎實的理論研究作為基礎，但從理論研究到工程應用還需要考驗工程師的智慧，只有結合具體實際情況，對熱調寬系統的模型和工藝參數進行優化和合理設計才能取得技術應用的成功。

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