立式不銹鋼連鑄機的改造

閻善武，黎軍鋒，韓 波,李 博,楊啟良

(陜西多倫科技發展有限公司，陜西 西安 710043)

0 前言

山西太鋼不銹鋼股份公司因其立式連鑄機設備老舊不能滿足生產需求，對該連鑄機進行了改造。改造后工藝上要求實現“連連鑄”，機械上實現在線切割和連續出坯；液壓上要求完成引錠鏈夾送、拉坯機夾持鑄錠、拉矯輥矯直成形坯、連續斜出坯的傾斜等；電氣上要求引錠鏈自動跟蹤、二冷水自動控制、在線切割和連續出坯的全自動控制。 改造目標是將年產量5萬噸合格不銹鋼坯提高到20萬噸。改造的前提條件是土建基礎不能做大工程，機械設備盡量利舊，以較短的時間實現連鑄機的全面改造。1999年12月該連鑄機全面改造完成，到2001年實際產量已經達到70萬噸。

1 改造前連鑄機的缺陷

1.1 單爐澆鑄和手動水平出坯

改造前，立式不銹鋼板坯連鑄機的原始設計只能實現單爐澆鑄，每次澆鑄一爐鋼水后，結晶器停止工作，托輥下方的回轉出坯裝置從垂直狀態轉換為水平位置，實現水平出坯，再讓出坯裝置的輥道與水平固定輥道銜接，將鑄好的坯子水平輸送到高壓水除鱗裝置中，完成不銹鋼坯的初始去氧化皮。連鑄機主機結構決定了只有停止連鑄澆鋼，才能夠出坯。由于液壓系統經常泄漏和爆管，為防止火災，液壓系統傳動介質采用了水乙二醇。工藝上只能單爐連鑄和手動出坯，因此控制系統基本采用手動操作。

圖1 改造前的連鑄機

1.2 引錠鏈脫落

該連鑄機液壓系統可靠性差，在澆鋼過程中引錠鏈脫落時有發生。改造前，平均每年“掉錠子”3～5次。發生“掉錠子”后，由于鋼水停澆的滯后性，鋼水會直接澆鑄到立式連鑄機的主機上，造成主機嚴重受損；同時損壞夾持在鑄坯上的在線切割機。

1.3 修磨和切割效率低

不銹鋼(包括合金鋼)連鑄坯表面會形成夾雜和微觀裂紋，一般在連鑄坯定尺切割后，送修磨車間進行表面修磨或者銑削加工。修磨機是在磨床上增加了翻轉機構，人工操作連鑄坯的翻轉和調頭，實現連鑄坯六個表面的全覆蓋修磨。修磨機床砂輪消耗大、環境處理費用高、效率低、成品率低。

連鑄機改造前采用了離線火焰切割方式。火焰切割速度低，節奏慢，無法滿足在線的定尺切割，需要二次定尺再切割；火焰切割縫隙的金屬變成了金屬渣無法回收，切割掉到金屬屑降低了連鑄坯的金屬成材率；切割斷面的表面有渣子剩余，需要端部修磨或者銑削加工才能軋制；火焰煙氣排放需要專門的環保設備。

2 改造技術

2.1 在線切割

為了滿足連連鑄的生產工藝，采取多爐連續澆注，增加連鑄機在線切割裝置。不銹鋼板坯在線切割時必須噴射鐵粉，防止噴槍堵塞，受總體工期緊、基礎施工小的限制，在線切割機只能固定在連鑄出來的板坯上，因切割速度和拉坯速度的匹配關系，在線切割鑄坯最大長度≤31 m，離線后再進行軋制定尺切割。

在線切割機(5)完成切割后后，接坯小車(11)快速下降，垂直傾斜油缸(10)驅動垂直傾斜夾坯輥道(9)翻轉500與水平傾斜夾坯輥道(7)對齊，不銹鋼鑄坯(6)被輸送到水平傾斜夾坯輥道(7)，水平傾斜油缸(8)驅動水平傾斜夾坯輥道(7)翻轉40°，使不銹鋼鑄坯(6)轉換為水平狀態，繼續輸出進入輸出輥道。連鑄坯離開后，接坯小車(11)快速返回并接住正在澆筑的“下一個”連鑄坯。

2.2 傾斜出坯

將原立式連鑄機設計的水平出坯改造為傾斜出坯，并且做到連續出坯，出坯過程中連鑄機不用停止澆注。

圖2 改造后的連鑄機

傾斜出坯與原來的水平出坯的主要區別是，水平出坯效率低，出坯占用空間距離結晶器很近，水平出坯的期間必須停止澆鋼；而傾斜出坯的出坯傾斜點遠離結晶器，在傾斜出坯過程中可以繼續澆鋼。

2.3 夾送托輥

該機鑄坯的主要規格是1280×160，鑄坯在線切割時的的最大長度31 m，而鑄坯及其夾持在鑄坯上的在線切割機合計重量達到50 t。原連鑄機采用一對拉坯對夾1#托輥(2)和一對拉矯對夾2#托輥(3)夾送鑄坯，改造后新增加一對拉矯對夾3#托輥(4)，使二冷區的夾坯托輥達到三對。依據噴水冷卻區坯殼厚度計算，改造前一對拉坯托輥允許夾持力可達1 800 kN，改造后三對托輥的夾持力分別達到2 600 kN。采用了“一對拉坯托輥”和 “兩對拉矯托輥”，拉矯托輥不但完成拉矯作用，單獨一對拉矯托輥也能夠夾持住最重的連鑄坯。而且三對輥道中心位置可調，形成三點反彎曲的矯直，提高鑄坯的平直度。在保證拉坯夾送托輥剛度和疲勞壽命的前提下，盡量加大拉坯夾送托輥的直徑；在夾送托輥上方設置濾網，防止氧化皮等雜質進入夾送托輥和鑄坯之間；將夾送托輥回轉軸上的旋轉密封選用耐高溫氟橡膠，托輥與連鑄坯之間的摩擦系數在0.21～0.27之間。

2.4 出料輥道

傾斜出坯過程中，使用了變頻控制的接坯小車快速下降，為后續的繼續澆注的連鑄坯留出空間，接坯小車配合斜出坯裝置將連鑄坯傾斜，連鑄坯傾斜輸送后離開接坯小車；出坯裝置繼續傾斜使連鑄坯變為水平狀態，并放置在水平出料輥道上。出料輥道上設置對中夾緊立輥道，對中連鑄坯后，送出連鑄坯。

2.5 液壓控制系統

立式連鑄機是否“掉錠子”，主要取決于拉坯和拉矯托輥夾持鑄錠的可靠性。由于不銹鋼鑄錠表面的凸凹度大，因此托輥夾持工作中輥縫變化大；由于鑄錠帶有余溫和冷卻水的噴濺，托輥和鑄錠之間的摩擦系數是變化的，因此對夾持力的確定帶來了難度。

鑄坯的夾持壓力是確保拉坯和拉矯托輥可靠夾持鑄坯的保證。新增加的一對拉矯3#托輥和老托輥壓下缸活塞直徑從原設計φ200 mm設計變更為φ225 mm，液壓系統壓力從15 MPa提高到18 MPa，確保新增拉矯托輥獨立夾持鑄坯時的安全系數。

連鑄機改造后的液壓控制系統(圖3)：(1)將三組拉坯拉矯托輥的三組液壓缸使用三組液壓源，各自獨立控制，互不影響，這種安排把掉坯子的事故的概率從1/n提高到1/n3；(2)設置先導式液壓鎖保證拉坯拉矯托輥夾緊液壓缸夾緊腔的壓力，同時設置活塞保壓蓄能器通過開關閥與夾緊腔直連，事故時可以快速斷開；(3)夾緊液壓缸采用了中間鉸軸結構，中間鉸軸與缸體是一個整體鍛件加工出來的，防止液壓缸故障；(4)每路夾緊液壓缸夾緊腔設置一套斷流閥，夾緊腔管路突然斷裂或者接頭崩斷，斷流閥自動關閉，防止拉坯拉矯托輥夾緊液壓缸夾緊腔壓力丟失，避免泵站蓄能器壓力油大量泄漏。

圖3 改造前后托輥的液壓控制原理

液壓系統中采用了液壓同步馬達通過一對液壓缸，控制出料輥道上(用于連鑄坯對中的夾緊)立輥道，液壓同馬達回路中設置了返程清零功能，即每次液壓缸回程后，兩個回程腔全部充分進油，讓一對夾緊立輥道返程到機械原點，下次在進行對中的位置誤差時，只有液壓同步馬達的一次誤差，而不會累計繼承以前對中誤差。

2.6 電氣自動化

電氣控制使用了西門子S5系列PLC，控制內容主要包括(1)中間包及結晶器的液面控制；(2)結晶器伺服振動控制；(3)引錠鏈跟蹤控制；(4)結晶器電磁攪拌；(5)拉坯和拉矯輥道電機變頻速度控制；(6)二冷水閥門開口度的模擬量控制；(7)接坯小車電機變頻控制；(8)拉坯和拉矯托輥液壓缸控制及輥道的變頻控制；(9)斜出坯傾斜油缸的比例控制；(10)水平出坯對夾輥道的液壓缸控制；(11)液壓站控制；(12)潤滑系統控制；(13)結晶器冷卻水控制；(14)設備凈循環冷卻水的控制，在線切割機獨立控制，PLC只需要發出開始與停止指令即可。

電氣系統配置了上位計算機，主要畫面包括(1)中間包升降位置及滑動水口開度；(2)結晶器冷卻水流量狀態；(3)二冷水畫面；(4)拉坯和拉矯托輥速度及夾緊壓力；(5)在線切割機狀態；(6)出坯設備狀態；(7)液壓泵站壓力和流量及泵閥工作狀態。

中間包液面控制采用了包及鋼水精密稱重的檢測方法，通過液面檢測數據控制鋼包滑動水口的開口度；結晶器的液面檢測采用了放射性同位素檢測，根據液面位置控制中間包滑動水口開口度控制，而滑動水口采用了伺服電動缸控制。

結晶器伺服振動控制采用了伺服電機與偏心輪控制，振動模式為非正弦的高頻低幅曲線。引錠鏈跟蹤控制，使用獨立的測量輥(帶絕對值編碼器)測量引錠鏈的位置，避免驅動輥打滑帶來的測量誤差。

結晶器電磁攪拌主要是利用水冷線圈在結晶器區域形成低頻的電磁場，幫助鋼水的均勻化促進鋼渣上浮。

2.7 發展方向

在條件允許的前提下，將新增拉矯托輥改造為重壓下托輥，其功能包括：(1)利用連鑄余熱形成鑄坯的初次塑性變形，減少后續的熱變形，減少熱加工持續時間而降低生產成本；(2)保持重壓下托輥能夠獨立夾持住最重的連鑄坯的能力，為防止“掉坯子”增加一道保險。

連鑄斜出坯后熱銑削是發展的出路，主要優點包括：(1)熱銑削，消耗的功率小；(2)沒有揚塵污染；(3)銑削刀具壽命是冷銑削的兩倍以上；(4)熱銑削機床造價低，運行費用低。采用熱銑削后，取消現在的高壓水清除工藝。

在線熱剪切機完全克服了火焰切割的缺點，主要優點有：(1)根據生產安排，隨機定尺；(2)剪切效率高；(3)端面鉗壓的斜坡有利于熱軋機的咬入；(4)端面斷面不需要修磨或者銑削加工；(5)沒有切割的渣子，提高連鑄坯金屬成材率。

3 結束語

太鋼不銹的立式不銹鋼連鑄機改造之后，在三班連續作業，產量提高1倍的生產條件下，沒有發生掉鏈子和掉坯子的生產事故。設備的可靠性和自動化水平提高，生產效率和成材率也大幅提高，隨著各種不銹鋼連鑄工藝數據的累計，為后續的重復生產和新鋼種開發提供了大量的參考數據。