（秦皇島首鋼長(zhǎng)白機(jī)械有限責(zé)任公司，河北 秦皇島 066311）

方坯高效連鑄關(guān)鍵技術(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)與應(yīng)用

牟桂梅

（秦皇島首鋼長(zhǎng)白機(jī)械有限責(zé)任公司，河北 秦皇島 066311）

通過分析方坯連鑄高拉速特點(diǎn)，對(duì)方坯高效連鑄關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，成功實(shí)現(xiàn)了首鋼等多家鋼廠方坯連鑄機(jī)的高效化改造。

方坯；高效連鑄；高拉速；關(guān)鍵技術(shù)；優(yōu)化設(shè)計(jì)

近代連鑄機(jī)以高拉速為重要特征，高效連鑄技術(shù)是以高拉速為核心，以高質(zhì)量為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)高作業(yè)率、高連澆率的連鑄系統(tǒng)技術(shù)，直接關(guān)系著鋼材產(chǎn)品的質(zhì)量、成本和產(chǎn)量。通過分析方坯連鑄高拉速特點(diǎn)，首鋼等多家鋼廠成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)方坯高效連鑄關(guān)鍵技術(shù)的優(yōu)化改造。

一、方坯高效連鑄技術(shù)優(yōu)化

1．高效結(jié)晶器技術(shù)

在高速澆鑄條件下，由于拉速提高后使得結(jié)晶器銅壁內(nèi)凝固坯殼厚度減薄，坯殼與結(jié)晶器銅壁之間摩擦力增大，引起漏鋼事故增加。因此要求結(jié)晶器具有高冷卻強(qiáng)度且導(dǎo)熱均勻，保證結(jié)晶器銅管出口坯殼具有足夠強(qiáng)度且厚度均勻，使其能夠承受鋼水靜壓力，以避免漏鋼。通過對(duì)結(jié)晶器銅管長(zhǎng)度、結(jié)晶器冷卻水強(qiáng)度、結(jié)晶器銅管倒錐度關(guān)鍵技術(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，有效提高了結(jié)晶器傳熱效率。

(1)適當(dāng)延長(zhǎng)結(jié)晶器銅管長(zhǎng)度

在高速澆鑄條件下，拉速增加，鋼水在結(jié)晶器銅管內(nèi)停留時(shí)間縮短，單位重量鋼水帶走的潛熱減少，凝固坯殼厚度減薄。作為一次冷卻，在相同拉速下結(jié)晶器銅管越長(zhǎng)，出結(jié)晶器銅管坯殼越厚，澆鑄安全性越好。因此要求延長(zhǎng)坯殼在結(jié)晶器銅壁內(nèi)的有效冷卻長(zhǎng)度和時(shí)間，設(shè)計(jì)上適當(dāng)延長(zhǎng)結(jié)晶器銅管長(zhǎng)度，增加坯殼凝固時(shí)間，目前高效結(jié)晶器銅管長(zhǎng)度一般設(shè)計(jì)在900～1000mm。

(2)提高結(jié)晶器冷卻水強(qiáng)度

目前連鑄生產(chǎn)普遍采用水縫管式結(jié)晶器結(jié)構(gòu)，為適應(yīng)高拉速下結(jié)晶器銅壁內(nèi)熱流的增加，改善結(jié)晶器傳熱效果，確保結(jié)晶器銅管出口具有足夠的坯殼厚度，要求提高結(jié)晶器冷卻水強(qiáng)度，主要在水質(zhì)、水溫度、水流速、水縫基本參數(shù)方面優(yōu)化設(shè)計(jì)。

①水質(zhì)：軟水pH=7～8，硬度小于1°Dh。如結(jié)晶器銅管冷面結(jié)水垢，高熱阻引起銅管溫度升高，導(dǎo)致銅管變形。

②水溫度：進(jìn)水溫度低于40℃，進(jìn)出水溫差為6～10℃，最大也不能超過12℃。進(jìn)出水溫差穩(wěn)定，利于坯殼均勻生長(zhǎng)。

③水流速：方坯結(jié)晶器冷卻水流速在9～12m/s，水壓必須控制在0．5～0．66MPa，提高水壓可加大流速，利于高拉速，防止銅管變形。

④水縫：高效連鑄采用高精度窄水縫設(shè)計(jì)，水縫寬度一般取3．5～4mm，窄水縫能提高冷卻水的流速，高精度水縫可改善水流的均勻性。

為保證結(jié)晶器水縫精度，采用擠壓成型銅水套、爆炸成型水套，其內(nèi)腔尺寸和形狀精度高，保證冷卻水流速均勻。另外結(jié)晶器水套的制造和安裝精度直接影響水縫均勻性，避免由此導(dǎo)致的水縫尺寸不一致，造成結(jié)晶器銅管周邊冷卻不均，影響鑄坯質(zhì)量。

(3)設(shè)計(jì)合理的結(jié)晶器銅管倒錐度，減少氣隙熱阻影響

拉速提高后，結(jié)晶器銅管內(nèi)腔幾何形狀應(yīng)適應(yīng)鑄坯的凝固收縮規(guī)律，使鑄坯與結(jié)晶器銅壁始終盡可能良好接觸，抑制氣隙產(chǎn)生，傳熱增加且均勻穩(wěn)定，角部坯殼能和中部坯殼一樣均勻生長(zhǎng)。設(shè)計(jì)連續(xù)錐度或多錐度結(jié)晶器銅管能滿足這些要求，如拋物線型錐度結(jié)晶器、鉆石型結(jié)晶器、凸型結(jié)晶器、曲面結(jié)晶器等高效結(jié)晶器，均能減小坯殼與結(jié)晶器銅壁之間的氣隙熱阻，尤其是減小角部氣隙熱阻，增加傳熱效率，顯著提高拉速。倒錐度根據(jù)澆鑄鋼種的收縮系數(shù)確定，對(duì)于不同鋼種、不同斷面，應(yīng)有不同的倒錐度。

2．高精度結(jié)晶器振動(dòng)技術(shù)

高效連鑄振動(dòng)裝置通過提高振動(dòng)精度實(shí)現(xiàn)高效率，其優(yōu)化設(shè)計(jì)主要包括振動(dòng)機(jī)構(gòu)硬件及振動(dòng)形式、振動(dòng)工藝參數(shù)軟件兩方面。

板簧式結(jié)晶器振動(dòng)機(jī)構(gòu)有半板簧、全板簧類型，由于是無軸承的振動(dòng)機(jī)構(gòu)，基本無磨損，具有使用性能穩(wěn)定、運(yùn)動(dòng)精度高、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，適于高效連鑄生產(chǎn)使用。

在高速澆鑄條件下，為了保證結(jié)晶器銅壁內(nèi)初生坯殼不因摩擦力增大而破壞以及保證保護(hù)渣的良好填充性和足夠消耗量，要求結(jié)晶器振動(dòng)形式具備的條件是：正滑脫時(shí)間稍長(zhǎng)些及結(jié)晶器上升時(shí)，坯殼與結(jié)晶器銅壁之間的相對(duì)速度小些，即上升速度稍慢些。對(duì)于非正弦波振動(dòng)方式，在結(jié)晶器振動(dòng)過程中，上升運(yùn)動(dòng)比下降運(yùn)動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)，即具有較長(zhǎng)的正滑脫時(shí)間，結(jié)晶器振動(dòng)速度與拉速之差較小，坯殼與結(jié)晶器銅壁的摩擦有所減輕，并且可使液態(tài)保護(hù)渣膜向出口方向擴(kuò)展，有利于保護(hù)渣向結(jié)晶器銅壁與凝固坯殼之間縫隙的滲透，從而改善潤(rùn)滑效果，提高鑄坯質(zhì)量，因此非正弦波振動(dòng)更適合高拉速連鑄。

非正弦波振動(dòng)方式是通過液壓或電動(dòng)機(jī)械伺服驅(qū)動(dòng)振動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的，液壓振動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置具有可在線調(diào)整振幅、振頻、波形等功能，振動(dòng)精度高，穩(wěn)定性更好，同時(shí)可提高鑄坯的質(zhì)量，振動(dòng)裝置壽命長(zhǎng)，故障率低。電動(dòng)機(jī)械伺服驅(qū)動(dòng)采用電機(jī)變頻來改變結(jié)晶器振動(dòng)的頻率，成本較低，均可實(shí)現(xiàn)高頻、小振幅振動(dòng)。

目前高效連鑄中的高精度振動(dòng)裝置，采用板簧式結(jié)晶器振動(dòng)機(jī)構(gòu)，其驅(qū)動(dòng)裝置通過液壓或電動(dòng)機(jī)械伺服驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)非正弦波振動(dòng)方式，振動(dòng)精度比較高，生產(chǎn)實(shí)踐中應(yīng)用效果顯著。

3．結(jié)晶器鋼水液面控制技術(shù)

在高速澆鑄條件下，拉速越高，結(jié)晶器液面波動(dòng)越大，容易產(chǎn)生卷渣及夾雜物造成鑄坯缺陷，高拉速連鑄要求結(jié)晶器鋼水液面具有較高的穩(wěn)定性。使用結(jié)晶器液面控制系統(tǒng)，能保證結(jié)晶器內(nèi)鋼水液面穩(wěn)定保持在預(yù)定高度上，可有效避免結(jié)晶器溢流和漏鋼，同時(shí)提高連鑄機(jī)作業(yè)率。

現(xiàn)連鑄生產(chǎn)上的結(jié)晶器鋼水液面控制通常使用同位素法，銫同位素137和射線探測(cè)器安裝在結(jié)晶器的兩邊，直接測(cè)量鋼水的高度值，測(cè)量精確度高，穩(wěn)定性好，目前結(jié)晶器鋼水液面控制技術(shù)可使液面穩(wěn)定在±3mm。

結(jié)晶器鋼水液面高度設(shè)計(jì)原則：液面距結(jié)晶器銅管頂端距離在80～120mm之間，距離過小使結(jié)品器銅管頂部應(yīng)力較大，距離過大使坯殼在結(jié)晶器銅壁內(nèi)停留時(shí)間變短。

4．高效結(jié)晶器保護(hù)渣技術(shù)

在高速澆鑄條件下，由于拉速提高使得結(jié)晶器保護(hù)渣用量相對(duì)減少，使坯殼與結(jié)晶器銅壁之間發(fā)生粘結(jié)，導(dǎo)致漏鋼的可能性增加。因此要求使用新型保護(hù)渣，即高效連鑄結(jié)晶器選擇的保護(hù)渣與高拉速相適用，應(yīng)具有低黏度、低熔點(diǎn)、高熔化速度和良好的吸收夾雜物性能，具體特性以下。

(1)在高拉速或拉速變化較大時(shí)，能保持足夠的消耗量，避免發(fā)生粘結(jié)漏鋼。

(2)結(jié)晶器銅壁與坯殼之間渣膜厚度適宜、分布均勻，以降低結(jié)晶器摩擦力，且散熱均勻。

(3)具有適當(dāng)?shù)娜墼鼘雍穸?，防止高拉速時(shí)熔渣供應(yīng)不足。

(4)要有良好的溶解、吸收夾雜物能力，且吸收夾雜物后物理性能穩(wěn)定。

選擇高效連鑄結(jié)晶器保護(hù)渣的關(guān)鍵是在高速澆鑄時(shí)確保保護(hù)渣的消耗量，提高結(jié)晶器銅壁潤(rùn)滑性能，使凝固坯殼均勻生成，保證高質(zhì)量鑄坯。

5．高效結(jié)晶器電磁攪拌技術(shù)

在高效澆鑄條件下，高速的鋼流干擾結(jié)晶器液面穩(wěn)定性，加劇保護(hù)渣卷入皮下，又能將鋼中夾雜物被鋼流帶入較深的液相穴內(nèi)，惡化鋼的清潔性。高效連鑄生產(chǎn)中普遍應(yīng)用結(jié)晶器電磁攪拌技術(shù)，有助于提高鋼水的純凈度，減少偏析、縮孔，改善鑄坯凝固結(jié)構(gòu)，提高鑄坯的表面質(zhì)量和內(nèi)部質(zhì)量，利于提高拉速。其安裝位置的設(shè)計(jì)原則是在保護(hù)澆鑄方式條件下，通常攪拌器鐵芯上緣距離銅管上緣約300～450mm。

6．多點(diǎn)矯直技術(shù)

在高效連鑄中，高拉速鑄坯的液芯長(zhǎng)度很長(zhǎng)，需要采用帶液芯矯直，此時(shí)鑄坯在兩相區(qū)界面處坯殼的強(qiáng)度和允許的變形率極低。如采用低效澆鑄的一點(diǎn)彎曲矯直容易產(chǎn)生裂紋，采用多點(diǎn)矯直可以把集中一點(diǎn)的應(yīng)變量分散到多個(gè)點(diǎn)完成，將矯直點(diǎn)的變形率控制在允許范圍之內(nèi)，消除了鑄坯產(chǎn)生內(nèi)裂的可能性，提高鑄坯質(zhì)量。高效連鑄普遍應(yīng)用多點(diǎn)矯直技術(shù)，采用多點(diǎn)矯直機(jī)實(shí)現(xiàn)連鑄高效率。

通過對(duì)上述關(guān)鍵技術(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)與應(yīng)用，成功對(duì)首鋼等多家鋼廠方坯連鑄機(jī)進(jìn)行了高效化改造，有效提高了連鑄生產(chǎn)效率，同時(shí)優(yōu)化了連鑄生產(chǎn)結(jié)構(gòu)。

二、結(jié)論

第一，方坯高效連鑄關(guān)鍵技術(shù)包括高效結(jié)晶器、高精度結(jié)晶器振動(dòng)裝置、結(jié)晶器鋼水液面控制、高效結(jié)晶器保護(hù)渣、結(jié)晶器電磁攪拌及多點(diǎn)矯直技術(shù)。其中高效結(jié)晶器是高效連鑄的核心技術(shù)。

第二，通過對(duì)方坯高效連鑄關(guān)鍵技術(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)連鑄高拉速，成功實(shí)現(xiàn)方坯連鑄機(jī)高效化改造。

[1] 干勇．現(xiàn)代連續(xù)鑄鋼實(shí)用手冊(cè)[M]．北京：冶金工業(yè)出版社，2010．

[2] 中國(guó)冶金報(bào)社．連續(xù)鑄鋼500問[M]．北京：冶金工業(yè)出版社，2004．

[3] 史宸興． 實(shí)用連鑄冶金技術(shù)[M]．北京：冶金工業(yè)出版社，2005．

TF777.2

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1671-0711（2014）05-0061-02

2014-03-07）