矩形坯連鑄機(jī)提高拉速研究與生產(chǎn)實(shí)踐

李 軍，張 芳，王立波

（天津市新天鋼聯(lián)合特鋼有限公司，天津 301500）

0 引言

天津市新天鋼聯(lián)合特鋼有限公司（簡(jiǎn)稱聯(lián)合特鋼）煉鋼車廠有三座120 噸轉(zhuǎn)爐，三座120 噸LF 精煉爐，四臺(tái)方、矩形坯連鑄機(jī)，一臺(tái)小板坯連鑄機(jī)，生產(chǎn)鋼種主要以碳素結(jié)構(gòu)鋼、優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼以及低合金結(jié)構(gòu)鋼為主。5 號(hào)方坯連鑄機(jī)于2012 年12月建成投產(chǎn)，原設(shè)計(jì)鑄坯斷面為150mm×150mm 方坯，為適應(yīng)下游客戶的不同需求，煉鋼廠協(xié)同設(shè)計(jì)院于2018 年10 月進(jìn)行技術(shù)改造，增加165mm×225mm 斷面。5 號(hào)連鑄機(jī)改造投產(chǎn)后，拉速控制在1.40m/min，澆注周期32 分鐘。2021 年1 月，在鋼鐵市場(chǎng)利潤(rùn)空間較好的大背景下，聯(lián)合特鋼轉(zhuǎn)變了傳統(tǒng)生產(chǎn)模式，采取低鐵耗快節(jié)奏生產(chǎn)路線。首先開展轉(zhuǎn)爐技術(shù)攻關(guān)，通過裝入制度、供氧強(qiáng)度與出鋼口的優(yōu)化等措施，轉(zhuǎn)爐冶煉周期實(shí)現(xiàn)了由32min 縮短至22min 的新突破。由于轉(zhuǎn)爐冶煉周期大幅縮短，現(xiàn)有5 號(hào)連鑄機(jī)連鑄澆注周期已不能適應(yīng)轉(zhuǎn)爐的生產(chǎn)節(jié)奏，造成連鑄壓鋼時(shí)間長(zhǎng)，溫度損失大，精煉在站時(shí)間長(zhǎng)，電耗增加等一系列問題。

鑒于上述原因，聯(lián)合特鋼在5 號(hào)連鑄機(jī)上開展了提高拉速生產(chǎn)實(shí)踐。因鑄機(jī)提速與鑄坯出結(jié)晶器時(shí)的坯殼厚度、液相穴長(zhǎng)度、二次冷卻強(qiáng)度等因素有著直接關(guān)系，因此在5 號(hào)連鑄機(jī)提速過程中，鑄坯出現(xiàn)了脫方、角部裂紋、鼓肚、凹陷等缺陷。本文對(duì)連鑄提速過程中，鑄坯缺陷產(chǎn)生的機(jī)理進(jìn)行研究，對(duì)5 號(hào)連鑄機(jī)設(shè)備及工藝存在的問題和缺陷進(jìn)行了剖析，在此基礎(chǔ)上提出了改進(jìn)措施。

1 連鑄機(jī)主要工藝參數(shù)及存在的問題

1.1 連鑄機(jī)主要工藝參數(shù)

2018 年10 月技術(shù)改造后的5 號(hào)連鑄機(jī)主要工藝參數(shù)如表1所示。

表1 5號(hào)連鑄機(jī)的主要工藝參數(shù)

1.2 存在的問題

聯(lián)合特鋼5 號(hào)連鑄機(jī)改造后，經(jīng)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)跟蹤發(fā)現(xiàn)，連鑄機(jī)拉速穩(wěn)定在1.4～1.45m/min 時(shí)，能夠獲得較好的鑄坯質(zhì)量，但拉速超過1.45m/min 后，鑄坯質(zhì)量下滑，出現(xiàn)鑄坯鼓肚、脫方、凹陷和裂紋現(xiàn)象（見圖1、圖2）；拉速達(dá)到1.6m/min 時(shí)，鑄坯裂紋漏鋼事故頻發(fā)（漏鋼數(shù)據(jù)見表2），因縱裂紋造成的漏鋼達(dá)到總漏鋼頻次的60%以上，嚴(yán)重影響了生產(chǎn)順行。

表2 鑄坯質(zhì)量缺陷及漏鋼情況

圖1 鑄坯坯殼厚度

圖2 鑄坯縱裂紋

1.3 問題原因分析

分析認(rèn)為，目前造成鑄坯質(zhì)量下滑，甚至漏鋼的主要原因是：

（1）結(jié)晶器內(nèi)坯殼冷卻不均勻，坯殼厚度不均，在二冷區(qū)冷卻不均勻，加劇坯殼的變形，坯殼受到應(yīng)力的作用發(fā)生鼓肚、脫方、凹陷和裂紋的質(zhì)量問題。

（2）鑄坯出結(jié)晶器坯殼厚度不足，出結(jié)晶器后出現(xiàn)裂紋時(shí)，易出現(xiàn)裂紋漏鋼。

針對(duì)以上問題，煉鋼廠開展技術(shù)攻關(guān)，對(duì)連鑄機(jī)相關(guān)設(shè)備和工藝進(jìn)行了優(yōu)化改造，以解決提高拉速帶來的質(zhì)量和生產(chǎn)事故問題。

2 設(shè)備及工藝改進(jìn)

2.1 結(jié)晶器優(yōu)化

2.1.1 結(jié)晶器錐度優(yōu)化

結(jié)晶器被譽(yù)為連鑄機(jī)的心臟，而銅管倒錐度作為結(jié)晶器的關(guān)鍵參數(shù)之一，對(duì)鑄坯質(zhì)量有著重要影響。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)情況，試用了凸面形銅管，即上部?jī)?nèi)腔銅壁面向外凸出，往下沿整個(gè)結(jié)晶器長(zhǎng)度方向上逐漸變?yōu)槠矫?。凸面形銅管上部凸面區(qū)傳熱效率高，角部氣隙小，能使坯殼與結(jié)晶器盡可能保持良好接觸。坯殼向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，逐漸冷卻收縮并自然過渡到平面，結(jié)晶器下部壁面呈平面，正好適應(yīng)了坯殼自身的自然收縮，結(jié)晶器傳熱效率大為改善。生產(chǎn)中通過數(shù)據(jù)收集，發(fā)現(xiàn)結(jié)晶器隨著過鋼量的增加，鑄坯坯殼均勻增厚，溫度梯度減少，熱應(yīng)力降低，縱裂指數(shù)降低，有利于提高鑄坯質(zhì)量。優(yōu)化前后結(jié)晶器弧面變化如圖3。

圖3 結(jié)晶器弧面變化

2.1.2 結(jié)晶器水縫精度控制

結(jié)晶器的冷卻效果與結(jié)晶器水縫的寬度密切相關(guān)。原結(jié)晶器銅管與水套之間的水縫寬度是通過水套上的螺釘調(diào)節(jié)固定。結(jié)晶器銅管壁厚為15.5mm，在澆鋼過程中，銅管壁在高溫和鋼水靜壓力作用下易發(fā)生變形，造成水縫發(fā)生變化，影響到鑄坯凝固收縮。

為保證水縫精度，對(duì)結(jié)晶器水套進(jìn)行了改進(jìn)，改進(jìn)情況如圖4 所示。在水套寬面中下部中心線上增加3 個(gè)螺釘頂絲，結(jié)晶器裝入水套后，通過原螺釘調(diào)節(jié)水縫并固定，在通過增加的頂絲頂住結(jié)晶器寬面銅板，在澆鑄過程中，當(dāng)銅管受高溫和鋼水靜壓力作用發(fā)生向外變形時(shí)，頂絲能夠頂住銅管，避免銅管變形，保證水縫的精度，確保銅管冷卻的均勻性。

圖4 水套改進(jìn)前后對(duì)比

2.1.3 結(jié)晶器足輥改造

結(jié)晶器足輥不僅對(duì)引錠頭進(jìn)入結(jié)晶器起到導(dǎo)向作用，而且對(duì)出結(jié)晶器的高溫坯殼提供支撐，對(duì)減少鑄坯鼓肚和漏鋼事故起到重要作用，同時(shí)能夠減輕對(duì)結(jié)晶器銅管下口的磨損，有利于提高銅管使用壽命。

原結(jié)晶器零段足輥為兩排密排輥，提高拉速后，出結(jié)晶器的坯殼厚度減薄，較薄的坯殼得不到有效的支撐和夾持，在鋼水靜壓力作用下極易產(chǎn)生鼓肚、脫方等缺陷。

因此，對(duì)結(jié)晶器足輥進(jìn)行了改造，改造情況如圖5 所示。將結(jié)晶器零段足輥由2 排密排輥改為6排密排輥，使坯殼出結(jié)晶器后獲得有效的支撐和夾持，有利于控制鑄坯缺陷的產(chǎn)生。

圖5 足輥改進(jìn)前后對(duì)比

2.2 二冷區(qū)優(yōu)化

帶有液芯的鋼坯出結(jié)晶器后進(jìn)入二冷區(qū)，冷卻水直接噴在鑄坯表面，使鋼坯進(jìn)一步冷卻凝固。二冷區(qū)冷卻方式、冷卻水分配與控制、噴嘴結(jié)構(gòu)對(duì)鑄坯的表面質(zhì)量均會(huì)產(chǎn)生影響。一般要求鋼坯表面冷卻速度不大于200℃，拉坯方向回溫不超過100℃。

原5 號(hào)連鑄機(jī)二冷二段及三段取消了冷卻噴淋，鑄坯在二冷區(qū)的冷卻主要是通過一段的噴淋水冷卻和進(jìn)入二段以后的輻射傳熱。提高拉速后，鑄坯溫度升高，原二冷區(qū)冷卻能力不能滿足要求。增加1段水量，造成1段冷卻速度過大，二段后回溫超過100℃，易發(fā)生裂紋缺陷。

因此對(duì)二冷段進(jìn)行了優(yōu)化改造。將二冷1 段噴嘴型號(hào)由3775 改為7467；增加了二段、三段冷卻，二段、三段采用氣霧噴嘴，噴嘴型號(hào)為5795。優(yōu)化后，鋼坯在二冷段內(nèi)均勻冷卻，避免了局部降溫劇烈和鑄坯回溫過高造成的鑄坯缺陷。

2.3 保護(hù)渣性能優(yōu)化

結(jié)晶器保護(hù)渣在連鑄工藝中有著重要的作用，保護(hù)渣加入結(jié)晶器后，吸收高溫鋼水提供的熱量，迅速在鋼液面上形成液渣層。連鑄過程中，液態(tài)保護(hù)渣隨著結(jié)晶器的振動(dòng)從彎月面處流入結(jié)晶器和坯殼間的縫隙中，進(jìn)而不斷消耗。保護(hù)渣在連鑄結(jié)晶器中起到保溫、防氧化、改善傳熱和吸收夾雜物的作用。

煉鋼廠5 號(hào)連鑄機(jī)主要生產(chǎn)品種為Q235B，其成分如表3所示。保護(hù)渣優(yōu)化前后的指標(biāo)如表4所示。由表4 可以看出，優(yōu)化后保護(hù)渣堿度提高了0.13，熔點(diǎn)降低了19℃，粘度提高了0.454Pa/s，容速減少5s。優(yōu)化前保護(hù)渣渣耗達(dá)到0.6kg/t，優(yōu)化后保護(hù)渣耗量0.35kg/t。

表3 Q235B化學(xué)成分

表4 保護(hù)渣優(yōu)化前后的指標(biāo)對(duì)比

通過降低熔點(diǎn)、提高粘度控制保護(hù)渣的液態(tài)渣膜厚度，改善保護(hù)渣的在結(jié)晶器和坯殼間的均勻性，改善保護(hù)渣的潤(rùn)滑性能和導(dǎo)熱性能，提高了鑄坯表面質(zhì)量。生產(chǎn)實(shí)踐表明，優(yōu)化后的保護(hù)渣性能滿足生產(chǎn)要求。

2.4 澆鑄工藝優(yōu)化及管理改進(jìn)

鋼水溫度是決定連鑄澆鑄是否順利的關(guān)鍵因素，同時(shí)在很大程度上決定了連鑄坯的質(zhì)量，過高或過低的溫度都會(huì)帶來不利影響。提高拉速后，連鑄生產(chǎn)節(jié)奏加快，鋼水在中包內(nèi)的停留時(shí)間減少，因此，需要對(duì)中包溫度的過熱度進(jìn)行調(diào)整，過熱度由原來的15～30℃調(diào)整為10～25℃。合理控制結(jié)晶器進(jìn)出水溫度，進(jìn)水溫度控制在30～35℃之間，結(jié)晶器進(jìn)出水溫差控制在6～8℃之間，使結(jié)晶器坯殼冷卻均勻。

在生產(chǎn)實(shí)踐中由于水嘴堵塞、漏水等問題導(dǎo)致二冷水供應(yīng)不理想也是鑄坯質(zhì)量控制不穩(wěn)定的原因之一，噴嘴的日常維護(hù)尤為重要，因此，煉鋼廠內(nèi)對(duì)噴嘴維護(hù)制定了相關(guān)的管理要求，做到定期維護(hù)、更換異常噴嘴。

3 生產(chǎn)實(shí)踐效果

改進(jìn)后的鑄坯質(zhì)量情況如表5 所示。通過生產(chǎn)設(shè)備的改進(jìn)和工藝的優(yōu)化及管理改進(jìn)，煉鋼廠的5 號(hào)連鑄機(jī)拉速穩(wěn)步提升，由優(yōu)化前的1.6m/min 提高到2.0m/min，鑄坯合格率由改進(jìn)前的97.8%提高到99.6%，縱裂漏鋼次數(shù)降低至0 次，月產(chǎn)量由原來的10萬噸提高到13.5萬噸。

表5 鑄坯質(zhì)量情況

4 結(jié)語

針對(duì)聯(lián)合特鋼5 號(hào)連鑄機(jī)提高拉速帶來的鑄坯鼓肚、脫方、凹陷和裂紋等質(zhì)量問題，煉鋼廠組織了鑄機(jī)相關(guān)設(shè)備和工藝優(yōu)化改造技術(shù)攻關(guān)，取得很好的效果，達(dá)到了在保障質(zhì)量的前提下提高拉速的目的。

（1）通過對(duì)結(jié)晶器銅管、足輥、二冷區(qū)等的改造及保護(hù)渣性能和冶煉工藝的優(yōu)化，為連鑄提高拉速創(chuàng)造了條件；

（2）設(shè)備改進(jìn)及工藝優(yōu)化后，連鑄機(jī)拉速由原來的1.45m/min 提高到2.0m/min，月產(chǎn)量由10 萬噸提高到現(xiàn)在的13.5萬噸；

（3）鑄坯合格率由原來的97.8%提高到99.2%，縱裂漏鋼降低至0次。