提高連鑄板坯收得率的工業實踐

秦 聰，余作朋，溫巨文，郭銀濤，吳艷青

（1.河鋼集團唐山不銹鋼有限責任公司，河北063105；2.河北省鍍錫基板技術創新中心，河北063105；3.河鋼集團唐山鋼鐵集團有限責任公司，河北063600）

0 引言

連鑄坯收得率是連鑄生產工序的一項重要技術經濟指標，也是反映連鑄生產綜合管理和技術水平的一項重要指標。提高鑄坯收得率是連鑄工序節能降耗、降本增效，實現綠色環保生產的關鍵環節[1]。為了提高企業效益，需要基于本企業的品種質量要求，研究提高鑄坯收得率的措施。

統計顯示，2019 年下半年唐山不銹鋼公司的鑄坯收得率為97.50%，這與其他企業報道的水平差距較大。雖然不同企業的品種和規格不同，會導致鑄坯收得率存在差異，但是僅97.50%的鑄坯收得率還是明顯偏低。影響鑄坯收得率的因素是多方面的，本文介紹了不銹鋼公司鑄坯生產工藝流程，通過對煉鋼連鑄生產過程鋼鐵料損耗的調查，分析了造成鑄坯收得率低的原因，提出工藝改進措施。

1 鑄坯收得率影響分析

1.1 鑄坯生產工藝流程

唐山不銹鋼公司煉鋼廠主要配有100 t 頂底復吹轉爐2 座、LF 精煉設備3 套、RH 真空循環脫氣精煉爐1 座、（800～1 550）mm×200 mm 直弧型板坯連鑄機3 臺。

板坯連鑄機采用液壓振動、動態輕壓下、動態配水、質量控制系統等先進設備及技術，年總產生能力300 萬噸。板坯連鑄主要產品為：汽車高強鋼、超低碳深沖鋼與高端鍍錫基板系列用板坯。鑄機基本參數見表1。

表1 單臺連鑄機的基本參數

1.2 鑄坯損耗項目

統計顯示，2019 年下半年唐山不銹鋼公司的鑄坯收得率僅為97.50%，與國內其他企業有較大差距，具體見表2 所示。雖然不同企業的品種和規格不同，鑄坯收得率會有所差異，但是97.50%的鑄坯收得率還是明顯偏低。

表2 不同企業鑄坯收得率的比較

影響鑄坯收得率的因素較多，通過對連鑄生產過程鋼鐵料損耗的調查，確定了影響鑄坯收得率的關鍵因素，表3 為唐山不銹鋼公司2019 年下半年鑄坯損耗因素調查情況。由表3 可知，大包剩水、中包大塊、切頭、切尾、切割損失是可以進行有效控制的。

表3 鑄坯損耗因素調查情況（2019 年下半年，鑄坯總產量132 萬t）

1.3 鑄坯損耗原因分析

1.3.1 大包剩余鋼水

生產汽車外板鋼是不銹鋼公司主打產品，由于汽車外板對夾雜物要求較高，為保證鑄坯質量，需要進行剩鋼水操作，基本每爐剩鋼水3～5 t，加上其它普通鋼澆鑄的鋼包剩余，2019 年下半年大包剩鋼水6 300 t。

1.3.2 中包大塊

因連鑄板坯定尺要求為9.5～11.8 m，為達到定尺和勻尺，每個中包鑄余大塊在7～10 t，2019 年下半年中包鑄余6 870 t。

1.3.3 切頭、切尾、換包甩廢損耗

統計顯示，2019 年下半年不銹鋼公司使用中包842 個，平均每個中間包的切頭、切尾重量為8.31 t，主要是為保證開澆頭、尾坯滿足質量要求，減少降判。

1.3.4 切割損耗

不銹鋼公司連鑄現使用的火焰切割槍割嘴有許多弊端，主要是割縫寬（6～8 mm）、割縫不齊、燃氣用量大、割嘴易堵塞等問題。統計顯示，2019 年下半年鑄坯切損量達到0.51～0.68 kg/t，這也是鑄坯收得率低的另一重要原因。

2 生產工藝改進措施

2.1 減少大包剩水措施

2.1.1 鋼包異形包底

不銹鋼公司現有鋼包底部為平面結構，增加了大包澆注末期旋渦卷渣的臨界高度，在剩鋼水量一定時，下渣量較大，下渣量一定時，剩水量多，此平面結構包底既不利于提高鋼水收得率，又不利于鋼水質量。為此，開發了異形包底堆砌結構，水口座磚附近的包底較沖擊區高出50 mm，較非沖擊區高出100 mm，有效的減少了鋼包剩余鋼水。異形包底結構示意圖如圖1 所示。

圖1 異形包底結構示意圖

2.1.2 大包下渣檢測系統的升級改造

不銹鋼公司采用的是振動式下渣檢測系統。系統存在以下問題：硬件過于分散，不利于維護；軟件界面過于復雜，不利于分析問題；傳感器陳舊，預報和漏報率高。為此，對下渣系統檢測進行了升級改造。

（1）整合模塊，減少現場模塊數量，方便界面維護優化，軟件界面友好優化；

（2）增加攝像儀，對著長水口和中包液面接觸區域進行時時監控，防止出現意外下渣，并與振動報警協同判段；

（3）現場增加顯示器，方便現場操作工人獲知上包澆鋼時間，本包澆鋼時間，中包液位控制的狀態，傳感器振動狀態，沖擊區域狀態，中包覆蓋濟情況；

（4）傳感器升級，提高傳感器靈敏度。

下渣檢測系統升級后，下渣報警準確率由62.8%提高到了92.5%，既減輕了大包下渣幾率，又減少了鋼包剩余鋼水。

2.2 減少中包大塊措施

2.2.1 鑄坯定尺優化

通過與軋鋼工序技術論證，將鑄坯定尺范圍由9.5～11.8 m 擴大到8.8～12.1 m，這樣增加了勻尺操作的靈活性，中包大塊可以控制在6.5～8 t，減少了中包大塊重量，提高了連鑄坯的收得率。另外，為了降低崗位勻尺計算偏差，使勻尺效果達到最優化，還自主開發了自動勻尺計算模型。

2.2.2 中包壽命提高

對普通中包干式料和定型預制件材質進行提升，使中包壽命由19.5 h 提升到32 h，較普通中間包使用數量減少了至少50%，有效降低了中包大塊和頭尾甩坯數量。

2.3 頭坯、尾坯甩坯優化

2.3.1 非穩態澆注過程的潔凈度評價方法

通常造成鑄坯表面缺陷的主要因素為鋼液氧含量偏高[2]。鋼中氧在凝固過程中會形成氧化物夾雜，氧化夾雜物在鋼液中不斷聚集、長大、上浮，大顆夾雜比小粒徑夾雜更容易上浮去除。因此鋼中全氧含量既代表了鋼中夾雜物數量，又可以作為評價鋼潔凈度的指標[3，4]。

為了指導優化非穩態鑄坯甩坯長度，對頭、尾坯不同位置處的非金屬夾雜物含量進行了分析。以典型的低碳鋼（成分見表4）作為研究對象，選取4個頭坯和4 個尾坯，在開澆頭坯、停澆尾坯的側面沿拉坯方向距端頭每隔0.5m 取1 個40 mm×40 mm×200 mm 的試樣（如圖2 所示），分別取5 個試樣，共40 個試樣。每個試樣分別在距板坯上、下表面20 mm 處經車削加工成兩種尺寸類型的試樣：一個為直徑5 mm 的棒狀樣，采用美國力可ON836 型氧氮分析儀分析全氧、氮含量（T.O、N）；另一個為直徑30 mm、高度25 mm 的圓柱樣，將試樣的圓截面磨拋光亮后，采用ASPEX 夾雜物全自動掃描電鏡對夾雜物數量、尺寸進行檢測分析，每個試樣的檢測面積均為100 mm2。另外，采用依斯拉表面檢測系統，對甩坯優化方案后的熱軋板卷表面質量的控制情況進行評價。

表4 低碳家電板鋼水成分 /wt%

圖2 取樣示意圖（圖中取樣個數僅為示意）

2.3.2 氧氮含量分析結果

圖3 所示為頭坯不同長度T.O、N 含量，由圖3可見，平均T.O 和T.N 含量隨著距頭部距離增加呈明顯下降的趨勢，當距頭部2.0 m 以后，T.O 和T.N 含量幾乎不隨距離的增加而變化。圖4 所示為尾坯不同長度T.O、N 含量，由圖4 可見，平均T.O 和T.N 含量隨著距尾部距離增加呈明顯下降的趨勢，當距尾部1.0 m 后，T.O 和T.N 含量幾乎不隨距離的增加而變化。

由圖3、圖4 可見。與正常鑄坯相比：頭坯的T.N含量有大幅度的提高，而尾坯中的T.N 含量變化不大，這表明連鑄開澆過程中鋼水的二次氧化比較嚴重，澆鑄末期的保護澆鑄水平與穩態澆鑄階段相差不大，鋼水的二次氧化比較輕微；頭、尾坯中的T.O均有不同程度的上升，造成T.O 升高的原因是渣子的卷入，另外，根據不同澆鑄階段T.N 含量的變化可知，開澆過程中鋼水二次氧化嚴重也是頭坯中T.O升高的原因之一[5]。

圖3 頭坯不同澆注長度T.O、N 含量

圖4 尾坯不同澆注長度T.O、N 含量

2.3.3 夾雜物數量分析結果

采用ASPEX 掃描電鏡觀察試樣100 mm2的面積，未發現≥50 μm 的顯微夾雜物。頭坯不同澆注長度每平方毫米面積上2～50 μm 的顯微夾雜物數量如圖5 所示，由圖5 可見，其顯微夾雜物數量隨澆注長度增加而減少，頭坯0.5 m 時夾雜物數量為17.68 個/mm2，為正常鑄坯夾雜物數量的2.40～2.58倍，頭坯長度到2.0 m 時，顯微夾雜物數量基本與穩態鑄坯水平持平[6]。

圖5 頭坯不同澆注長度夾雜物數量

尾坯不同澆注長度顯微夾雜物數量如圖6 所示，由圖6 可見，其顯微夾雜數量隨澆注長度增加而增加，尾坯5 m 時夾雜物數量為16.61 個/mm2，為正常鑄坯夾雜數量的2.70～2.96 倍。尾坯澆注長度到4.0 m 時，尾坯中的顯微夾雜物數量基本與穩態鑄坯水平持平。

圖6 尾坯不同澆注長度夾雜物數量

2.3.4 甩坯優化措施實施

在頭尾坯潔凈度分布規律研究的基礎上，對頭坯、尾坯甩廢制度進行優化。深沖鋼、冷軋鍍錫板等表面質量要求較高鋼種，開澆頭坯甩廢長度由3 m降低為2 m；結構鋼等表面要求較低的鋼種，開澆頭坯甩廢長度由3 m 降低為1.5 m；另外，為了降低頭坯甩廢重量，每個澆次盡量從小斷面開始排產。尾坯甩廢長度也由1.5～2 m 降低至1 m。

為了保證甩廢制度優化后，熱卷質量的穩定性，對優化后的頭坯和尾坯進行了大量的試軋（試軋量約1 200 噸），用依斯拉表面檢測儀檢測熱軋板卷表面質量合格率為100%，滿足質量要求。

2.4 切割縫優化

為降低鑄坯切割損失，對連鑄機火切機割槍割嘴進行改造，采用節能型割槍割嘴，這種割嘴噴出的火焰束高度集中，切割端面光滑、割縫小，可有效降低鑄坯割損，提高鑄坯質量，兩種割槍割嘴效果對比如表5、圖7 所示。

圖7 兩種割槍切割端面效果對比圖

表5 現有與節能割槍割嘴效果對比表

3 經濟效益分析

通過上述措施的實施，唐山不銹鋼公司2020年1～4 月份的鑄坯收得率逐月提高，至2020 年4月鑄坯收得率已提高至98.72%，相較2019 年下半年的97.5%，提高了1.22 個百分點（見圖8），年創效可達到近2 000 萬元。

圖8 1～4 月份鑄坯收得率對比圖

4 結語

本文對唐山不銹鋼公司連鑄生產過程鑄坯收得率低的原因進行了分析和歸納，確定了大包剩余鋼水、中包鑄余大塊，鑄坯切頭、切尾、換包甩廢和切割損耗等方面是影響鑄坯收得率的關鍵環節。

通過鋼包采用異形包底、大包下渣檢測系統升級改造、鑄坯定尺優化、中包壽命提高、頭坯和尾坯甩坯優化、切割縫優化等措施，鑄坯收得率由2019 年下半年的97.5%提高至98.72%，達到和超過了國內其他企業鑄坯收得率的水平，降低了連鑄生產制造成本，公司每年可以獲得2 000 萬元的經濟效益。