某鋼廠板坯連鑄機冷卻系統優化

劉 瑜

（寶鋼工程技術集團有限公司，上海 201900）

引言

國內某鋼廠板坯連鑄機上一次改造于2005 年，隨著十幾年的生產，連鑄主線及公輔的設備已經有嚴重的老化現象，設備開始出現不同程度變形，存在維護難度大、維護周期長、設備精度降低等問題，逐漸不能滿足連鑄穩定運行的要求，引起鑄坯質量不穩定，鑄坯裂紋等缺陷的增多，總體質量開始下滑[1-2]。該連鑄機以生產高等級汽車面板為主，這些鋼種表面及內部質量要求高，并且市場對產品質量的要求越來越高，目前連鑄機的裝備水平已相對落后，限制了品種的提升。

1 存在的問題

1.1 板坯質量問題

改造前的連鑄機由于設備老化、精度不夠等，在生產品種鋼時，產品質量存在諸多問題，主要表現有三個方面。

（1）夾雜（渣）、氣泡缺陷。該連鑄機最突出的表面質量問題是夾雜（渣）、氣泡缺陷，主要出現在板坯的上表皮下和板坯側面位置。

（2）中心裂紋問題。該連鑄機澆鑄的板坯易發生中心裂紋，嚴重制約了汽車板產品的合同交付。

（3）低碳微合金鋼、包晶鋼、中碳鋼角橫裂。該連鑄機原生產的鋼種包含了低碳微合金鋼、包晶鋼、中碳鋼，在生產這類鋼種時，板坯經常會發生角裂的情況。為避免這類鋼種的判廢或降級，目前在生產低碳微合金鋼、包晶鋼、中碳鋼等鋼種時，采用下線后手工清理的處理方式。但是手工清理費時費力，平均清理一塊有缺陷的板坯需要0.5 h，嚴重影響鋼廠的整體物流。

1.2 裝備相對落后且噴嘴容易堵塞

該連鑄機改造前的裝備水平還停留在十多年前，隨著改造后輥列設計、扇形段結構形式的改變，二冷水、氣，二冷分區均發生改變。二冷水、氣的管線需要進行更新升級，管線布局也需要進行優化設計。

由于連鑄濁循環為開路循環，在經歷長時間的生產、維修后，濁循環水中含有一定的懸浮物質。同時，二冷壓縮空氣中也含有一定量的油脂和水分。而且，由于原噴嘴孔徑較小，經常發生噴嘴堵塞的情況，造成冷卻不均勻，影響板坯質量。因此過濾系統也需要進行升級[3-4]。

合理高效的連鑄機冷卻系統設計，不僅可以保證產品質量，同時也能提高設備壽命。

1.3 工程改造施工時間短

本連鑄機改造項目的主線及配套公輔設施的施工計劃為59天，而之前類似工程的改造周期為89天，對于施工內容來說，時間短、難度高，要求冷卻系統的配管在施工前要做大量的預制工作，且施工容錯空間少[5-6]，不允許在施工過程中進行大量的返工。

2 優化方案

2.1 二冷分區及水量優化

該連鑄機原來采用的是多點彎曲矯直技術，改造后采用連續彎曲矯直技術。連續彎曲矯直輥列可以減小彎曲矯直力及由彎曲矯直力產生的拉坯阻力。坯殼受到的拉應力相對降低，可以防止內裂產生。同時，輥列設計中最主要特點是采用小輥徑密排輥列，可以有效減少板坯在凝固過程中的鼓肚變形，從而提高板坯的內部質量。

對應于輥列的優化，二冷分區和水量也重新進行的優化設計，為了實現更好的冷卻效果，降低能耗，同時為了適應不同鋼種規格的要求，采用了汽水冷卻與幅切相結合的二冷方案，改造后的二冷分區如圖1所示。

圖1 連鑄機改造后分區

改造后的冷卻系統分區和回路的設計更為合理，不僅擁有更好的冷卻效果，用水量也有明顯的降低，其中結晶器冷卻水系統水量降低25%，設備冷卻水Line-1 系統水量降低9%，設備冷卻水Line-2系統水量降低15%，二冷水系統水量降低4%。在提高板坯質量的同時，降低噸鋼的生產成本。改造前后用水量對如圖2所示。

圖2 連鑄機改造前后水量對比表

2.2 噴嘴及過濾器優化

由于濁環水和壓縮空氣中存在一定的雜質，經常造成噴嘴的堵塞，從而造成二冷區冷卻不均勻，引發板坯出現裂紋等質量的問題。所以，防止噴嘴堵塞不僅可以提高鑄坯質量，還能提高連鑄機的澆鑄穩定性，提高作業率，是產量提升必須要解決的問題。

該連鑄機的改造從增加二級過濾，和選用高效噴嘴兩方面同時進行優化，以實現更優的過濾和噴嘴防堵效果。

改造前的二冷水、二冷氣只有一級過濾系統，且過濾精度不足，二冷系統存在長時間連澆生產后由于水中含有雜質，造成噴嘴堵塞率高的情況。改造后的二冷水系統，管路中采用二級過濾方案，選用先進的全自動清洗管道過濾器，一級過濾精度為200 μm，二級過濾精度為100 μm，二冷氣體的過濾精度為1 μm，有效的過濾水中雜質。選用的高效噴嘴通過優化噴嘴設計，在保證冷卻效果的情況下，更不容易堵塞,保證冷卻的穩定。改造后的過濾器如圖3所示。

圖3 全自動清洗管道過濾器外形圖

二級過濾和高效噴嘴的配合，可以將二冷水長時間運行后的噴嘴堵塞率控制在3%以內，有效提升產品質量。

2.3 進行三維設計

在連鑄機改造之前，連鑄機冷卻系統的管線設計采用二維CAD 圖的設計模式，這樣的設計模式不夠直觀，且無法進行碰撞檢查，尤其本項目為改造項目，還需要綜合考慮原有的設施及管道造成的干涉，造成二維是設計的難度增加。同時，管線設計過程中與電氣、建筑、設備、儀表、結構等多個專業的具有交界面，接口復雜，需要反復核對。而且，無法進行自動材料統計，更難以進行管道預置的工作。在連鑄機冷卻系統這樣復雜的管線布局中，容易造成后期施工過程的反復修改，不僅影響工期，也增加了施工成本。

該連鑄機的冷卻系統管線采用三維設計，可以輕松實現空間布局清晰，原先許多復雜的空間關系在二維圖紙上無法表達，通過三維就可清晰的展現出各個管道及設備的空間關系；同時，通過三維設計，在設計交底階段也可以讓更多的人更為直觀地看到最終的結果是什么樣的，如果業主和施工單位有不同的意見，在前期就可以進行修改，避免后期的返工。而且三維軟件也可以更為準確地進行材料量統計,軟件可以自動統計材料量，施工成本的精細化，施工單位也可以在前期在工廠進行大量的模塊化預制，到現場進行組裝，停機施工時僅需要進行整體安裝工作，大大縮短停機改造的工期，為業主創造利潤。三維設計如圖4所示：

圖4 連鑄管線三維設計圖（二冷配水）

3 成果及結論

改造后的連鑄機通過輥列優化、二冷分區優化提高了冷卻系統的能力；通過選用高效噴嘴，增加二級過濾等手段，提高了冷卻系統的穩定性；通過管線的三維設計，提高了管線的模塊化預制，縮短了工期，實現了降本增效的目標。具體成果如下：

（1）提升板坯質量：改善中心裂紋，夾雜（渣）、氣泡缺陷，角橫裂等問題。低碳鋼中心偏析≤2.0 級的比例穩定在95%以上（曼內斯曼標準）；中心裂紋塊數＜5塊/月；熱送率≥75%。

（2）降低噴嘴堵塞率。改造后的二冷噴嘴堵塞率控制在3%以內。

（3）優化施工方案，提高施工進度。通過大量的前期管道的預制工作，減少停機施工時間，將項目的整體施工時間由89天減少為59天。