龐 聰，王學(xué)東，彭可雕，馮立軍

（1. 成都攀成鋼冶金工程技術(shù)有限公司，四川 成都 610303；

2. 攀鋼集團(tuán)成都鋼釩有限公司，四川 成都 610303）

20 世紀(jì)90 年代初，攀鋼集團(tuán)成都鋼釩有限公司（簡稱攀成鋼）從美國SMS Concast 公司引進(jìn)了一臺(tái)四機(jī)四流圓坯連鑄機(jī)（簡稱四流機(jī)），主要為下游各無縫鋼管軋管機(jī)組提供不同規(guī)格的合格鑄坯，其工藝路線為：高爐→80 t 轉(zhuǎn)爐→80 t LF 爐→四流機(jī)→無縫鋼管軋管機(jī)組。該鑄機(jī)從投產(chǎn)至今已有20 余年，雖然生產(chǎn)一直順行，但其技術(shù)裝備水平已落后于國內(nèi)的主流連鑄機(jī)水平，易出現(xiàn)鑄坯表面裂紋、凹坑和澆鑄拉漏等問題，導(dǎo)致鑄機(jī)作業(yè)率及金屬收得率低、下游鋼管產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力差。因此，為提高鑄坯質(zhì)量，需對(duì)該四流機(jī)進(jìn)行技術(shù)改造。

1 鑄坯質(zhì)量問題分析

1.1 鑄坯質(zhì)量現(xiàn)狀分析

由于鑄坯表面裂紋、凹坑等質(zhì)量缺陷，鑄坯的廢品量和軋管的退廢量過大。2013 年，因上述缺陷產(chǎn)生的廢品鑄坯約5 350 t、廢品鋼管約1 700 t。此外，在鋼管進(jìn)入市場(chǎng)后發(fā)生的質(zhì)量異議中，有一部分與鑄坯內(nèi)部質(zhì)量缺陷有關(guān)，對(duì)企業(yè)影響惡劣。

連鑄坯表面裂紋形成于結(jié)晶器內(nèi)，并在二冷區(qū)擴(kuò)展。鑄坯表面出現(xiàn)裂紋，輕者需要精整，重者會(huì)導(dǎo)致漏鋼或鑄坯報(bào)廢，既影響連鑄機(jī)的生產(chǎn)率，又影響鑄坯的質(zhì)量。鑄坯表面裂紋的形成原因較為復(fù)雜，但總體來講，鋼的高溫力學(xué)行為、凝固行為以及鑄機(jī)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)是影響裂紋產(chǎn)生的主要因素；而設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，如結(jié)晶器振動(dòng)、浸入式水口參數(shù)、足輥段對(duì)弧等，是常被優(yōu)先考慮的因素［1-3］。

冷卻不均勻易引起鑄坯表面收縮不均勻，造成鑄坯表面粗糙，輕者形成裂紋，重者形成凹坑（呈山谷狀的凹陷）［4］。文獻(xiàn)［5-7］指出，鑄坯表面凹坑的產(chǎn)生主要與結(jié)晶器結(jié)構(gòu)、鋼水成分、保護(hù)渣性能、結(jié)晶器振動(dòng)等有關(guān)。

1.2 四流機(jī)設(shè)備現(xiàn)狀分析

該四流機(jī)采用的主要技術(shù)包括：鋼水全程無氧化保護(hù)澆鑄，采用大容量中間包，高頻小振幅結(jié)晶器振動(dòng)技術(shù)，結(jié)晶器液面在線監(jiān)測(cè)及控制技術(shù)，兩點(diǎn)彎曲矯直，在線切割試樣等。

（1） 結(jié)晶器振動(dòng)裝置。

該四流機(jī)現(xiàn)有的結(jié)晶器振動(dòng)裝置為帶偏心輪的四連桿機(jī)構(gòu)，采用電機(jī)、減速機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過偏心輪調(diào)節(jié)正弦振動(dòng)的振幅。該結(jié)晶器振動(dòng)裝置具有以下特點(diǎn)：①可對(duì)結(jié)晶器振動(dòng)從角部位置進(jìn)行支撐，故振動(dòng)平穩(wěn)且無擺動(dòng)現(xiàn)象；②振動(dòng)曲線與澆鑄弧線同屬一個(gè)圓心，無任何卡阻現(xiàn)象，不影響鑄坯順利前行［8］。

然而，由于設(shè)備陳舊老化及自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，該裝置存在以下問題：①機(jī)構(gòu)復(fù)雜，振幅調(diào)整不便、耗時(shí)長，且隨著設(shè)備磨損日益嚴(yán)重，振幅調(diào)節(jié)精度難以保證，鑄坯表面易出現(xiàn)裂紋、凹坑等缺陷，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成漏鋼；②不能在生產(chǎn)過程中隨拉坯速度變化適時(shí)調(diào)節(jié)振幅，且不能實(shí)現(xiàn)非正弦振動(dòng)；③電耗較大。

（2） 結(jié)晶器未配置電磁攪拌裝置。

結(jié)晶器電磁攪拌可以均勻結(jié)晶器內(nèi)鋼水溫度并降低過熱度，改善凝固條件，促進(jìn)氣體和夾雜物的聚集上浮，從而提高鑄坯質(zhì)量，擴(kuò)大鑄坯等軸晶區(qū)，減少鑄坯中心偏析、疏松和縮孔等缺陷［9-10］。目前，該四流機(jī)未配置結(jié)晶器電磁攪拌裝置，鑄坯質(zhì)量已不能滿足下游軋管生產(chǎn)要求。

由于現(xiàn)有結(jié)晶器振動(dòng)裝置機(jī)構(gòu)復(fù)雜且陳舊老化，不能實(shí)現(xiàn)在線適時(shí)調(diào)節(jié)振幅、調(diào)節(jié)精度差，鑄坯表面易出現(xiàn)凹坑、裂紋等質(zhì)量缺陷，嚴(yán)重時(shí)易出現(xiàn)拉漏現(xiàn)象。此外，由于未配置結(jié)晶器電磁攪拌，一方面不能促進(jìn)保護(hù)渣的熔化，改善鑄坯潤滑，降低拉坯阻力，更重要的是不能改善結(jié)晶器內(nèi)鋼液的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)，易出現(xiàn)中心偏析、疏松和縮孔等質(zhì)量問題。

2 技術(shù)改造方案及實(shí)施

2.1 技術(shù)改造方案

（1） 采用結(jié)晶器電動(dòng)缸振動(dòng)技術(shù)。

目前，帶伺服機(jī)構(gòu)的非正弦振動(dòng)裝置已成為現(xiàn)在連鑄設(shè)備的主流配置，并在國內(nèi)的多條連鑄生產(chǎn)線上應(yīng)用。非正弦振動(dòng)工藝的優(yōu)勢(shì)有：①在正滑脫時(shí)間里，結(jié)晶器向上振動(dòng)的最大速度與拉坯速度之差減小，從而降低結(jié)晶器對(duì)坯殼的摩擦阻力，改善鑄坯的表面振痕；②在負(fù)滑脫時(shí)間里，結(jié)晶器向下振動(dòng)的最大速度與拉坯速度之差增大，作用于坯殼上的壓力增大，有利于對(duì)坯殼的愈合和強(qiáng)制脫模，且負(fù)滑脫時(shí)間短，可以有效地減輕振痕深度，減小坯殼應(yīng)力集中，減少拉裂、拉漏現(xiàn)象，提高鑄坯表面質(zhì)量［11-13］。

常見的非正弦振動(dòng)裝置按動(dòng)力驅(qū)動(dòng)分為電動(dòng)缸振動(dòng)和液壓振動(dòng)兩種。其中，電動(dòng)缸振動(dòng)技術(shù)利用目前成熟先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)字交流伺服控制技術(shù)，由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)生并控制振動(dòng)波形曲線，以電動(dòng)缸為動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，直接驅(qū)動(dòng)振動(dòng)臺(tái)實(shí)現(xiàn)結(jié)晶器的全弧振動(dòng)；具有結(jié)構(gòu)簡單緊湊、運(yùn)行維護(hù)成本低、可在線適時(shí)調(diào)節(jié)振動(dòng)波形曲線，且控制精度高等特點(diǎn)。因此，綜合設(shè)備性能、投資、工程量及工期等多方面因素，確定選用電動(dòng)缸振動(dòng)裝置。

采用結(jié)晶器電動(dòng)缸振動(dòng)技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)不同鋼種和拉坯速度條件下選擇最佳的振動(dòng)特性參數(shù)，在線適時(shí)調(diào)節(jié)結(jié)晶器振動(dòng)的波形、頻率和振幅，以獲得合適的正滑脫時(shí)間和負(fù)滑脫時(shí)間，減少坯殼應(yīng)力集中，減少拉裂、拉漏現(xiàn)象，改善鑄坯振痕，從而提高鑄坯表面質(zhì)量，減少鑄坯修模量，提高金屬收得率和鑄機(jī)作業(yè)率。

（2） 采用結(jié)晶器電磁攪拌技術(shù)。

結(jié)晶器電磁攪拌技術(shù)通過定量輸入磁場(chǎng)，控制結(jié)晶器內(nèi)鋼水流動(dòng)、傳熱和凝固，改善結(jié)晶器內(nèi)的鋼水流場(chǎng)和溫度場(chǎng)，擴(kuò)大鑄坯等軸晶區(qū)，減少成分偏析，減輕中心疏松和縮孔，同時(shí)促進(jìn)夾雜物上浮，提高鋼液潔凈度，從而改善鑄坯內(nèi)部質(zhì)量。

2.2 技術(shù)改造實(shí)施

基于上述方案，攀成鋼從結(jié)晶器振動(dòng)系統(tǒng)、結(jié)晶器總成及新增結(jié)晶器電磁攪拌系統(tǒng)等方面對(duì)四流機(jī)進(jìn)行改造。

（1） 結(jié)晶器振動(dòng)系統(tǒng)。

結(jié)晶器振動(dòng)裝置采用電動(dòng)缸非正弦振動(dòng)裝置，可以實(shí)現(xiàn)正弦振動(dòng)和非正弦振動(dòng)兩種模式的相互切換，其主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 電動(dòng)缸非正弦振動(dòng)裝置主要技術(shù)參數(shù)

（2） 結(jié)晶器電磁攪拌系統(tǒng)。

結(jié)晶器電磁攪拌系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)見表2。在電磁力的作用下，使結(jié)晶器內(nèi)鋼水產(chǎn)生正向或逆向旋轉(zhuǎn)流動(dòng)，以控制結(jié)晶器內(nèi)的鋼液流場(chǎng)和溫度場(chǎng)，從而改善鑄坯質(zhì)量。

表2 結(jié)晶器電磁攪拌系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)

（3） 結(jié)晶器總成。

現(xiàn)有結(jié)晶器總成由于未安裝電磁攪拌裝置，不能同時(shí)支撐結(jié)晶器振動(dòng)裝置和電磁攪拌裝置，因此對(duì)結(jié)晶器總成（含部分規(guī)格的結(jié)晶器）進(jìn)行改造。改造后，結(jié)晶器為單錐度弧形銅管，采用高磷銅材質(zhì)，長度700 mm。

四流機(jī)改造前后的主要技術(shù)參數(shù)對(duì)比見表3。

表3 四流機(jī)改造前后的主要技術(shù)參數(shù)對(duì)比

3 技術(shù)改造實(shí)施效果

實(shí)踐證明：通過改造結(jié)晶器振動(dòng)裝置、增設(shè)結(jié)晶器電磁攪拌裝置等技術(shù)措施，使鑄坯質(zhì)量得到顯著改善。

（1） 鑄坯表面裂紋、凹坑等缺陷明顯減少。

統(tǒng)計(jì)了改造前（2014 年7—8 月）和改造后（2014 年9—10 月）共計(jì)1 600 余爐鋼水的鑄坯質(zhì)量情況，鑄坯表面缺陷統(tǒng)計(jì)如圖1 所示。從圖1 可以看出：出現(xiàn)凹坑的鑄坯數(shù)量明顯減少，出現(xiàn)表面裂紋的鑄坯從改造前的3 支（2014 年7 月）降低至改造后的0 支（2014 年10 月）。

（2） 漏鋼率明顯降低。

由于容易引起漏鋼現(xiàn)象的表面缺陷明顯減少，使漏鋼率由改造前的0.18%降至改造后的0.07%。

（3） 鑄坯等軸晶率顯著提高。

鑄坯中柱狀晶比較發(fā)達(dá)，易導(dǎo)致冷卻不均，凝固過程中常發(fā)生“搭橋”現(xiàn)象，阻礙凝固收縮后的鋼水補(bǔ)充，最終在鑄坯中心形成疏松和縮孔。鑄坯中等軸晶所占比例（即等軸晶率）可以反映鑄坯內(nèi)部質(zhì)量情況，等軸晶率越高，柱狀晶越不發(fā)達(dá)，中心疏松、縮孔等內(nèi)部缺陷越輕。表4 為不同鋼種、規(guī)格鑄坯使用電磁攪拌前后的等軸晶率對(duì)比。從表4 可以看出：在同等條件下，相對(duì)于未使用電磁攪拌，使用電磁攪拌的鑄坯中心等軸晶面積明顯增加，鑄坯等軸晶率顯著提高。

圖1 2014 年四流機(jī)改造前后鑄坯表面缺陷統(tǒng)計(jì)（7—8 月改造前，9—10 月改造后）

表4 使用電磁攪拌前后的鑄坯等軸晶率對(duì)比

4 結(jié)論與展望

4.1 結(jié) 論

（1） 針對(duì)鑄坯易出現(xiàn)表面裂紋、凹坑和澆鑄易拉漏等問題，通過分析并結(jié)合生產(chǎn)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)：由于現(xiàn)有結(jié)晶器振動(dòng)裝置機(jī)構(gòu)復(fù)雜且陳舊老化，不能實(shí)現(xiàn)在線適時(shí)調(diào)節(jié)振幅，調(diào)節(jié)精度差，且未配置結(jié)晶器電磁攪拌裝置，鑄坯表面質(zhì)量和內(nèi)部質(zhì)量較差。

（2） 采用電動(dòng)缸振動(dòng)、結(jié)晶器電磁攪拌等技術(shù)，可改善鑄坯表面和內(nèi)部質(zhì)量。

（3） 改造后，鑄坯表面裂紋、凹坑的數(shù)量明顯減少，漏鋼率明顯降低，鑄坯中心等軸晶率顯著提高，驗(yàn)證了技術(shù)改造措施的正確性。

4.2 展 望

本次技術(shù)改造新增設(shè)了電磁攪拌裝置，通過控制結(jié)晶器內(nèi)鋼液的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)達(dá)到了改善鑄坯內(nèi)部質(zhì)量和表面質(zhì)量的目的。然而，由于Φ350 mm結(jié)晶器斷面最大，且700 mm 的長度仍較短，其上部的鋼液流動(dòng)過強(qiáng)，易出現(xiàn)鋼液翻渣現(xiàn)象。建議開展以下兩方面的專題研究，以優(yōu)化出合理的電磁攪拌參數(shù)：

（1） 對(duì)設(shè)有結(jié)晶器電磁攪拌的鋼液流場(chǎng)和溫度場(chǎng)進(jìn)行數(shù)理模擬，找出電流、頻率對(duì)Φ350 mm 結(jié)晶器內(nèi)鋼液流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的影響規(guī)律，并優(yōu)化出合理的電流和頻率。

（2） 根據(jù)電磁攪拌裝置生產(chǎn)廠家已有經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行工業(yè)試驗(yàn)研究，優(yōu)化出適應(yīng)于生產(chǎn)的電流和頻率。

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