羅 丹

(攀鋼提釩煉鋼廠,四川攀枝花617062)

攀鋼煉鋼廠2#板坯連鑄機(jī)輥列優(yōu)化改造

羅 丹

(攀鋼提釩煉鋼廠,四川攀枝花617062)

通過對(duì)攀鋼煉鋼廠2#板坯連鑄機(jī)在生產(chǎn)過程中存在結(jié)晶器液位周期性波動(dòng)問題的分析,認(rèn)為造成結(jié)晶器液位波動(dòng)的主要原因是弧形段區(qū)域扇形段的輥徑、輥間距完全一樣,造成鑄坯向前運(yùn)動(dòng)過程中液芯容積變化同步進(jìn)行,在較長一段二冷區(qū)內(nèi)波動(dòng)疊加從而引起結(jié)晶器液面波動(dòng)。為了打破液芯容積變化同步的問題,將弧形段1#、2#扇形段輥列重新設(shè)計(jì)、制造和安裝,解決了結(jié)晶器液面波動(dòng)問題。

板坯;連鑄;結(jié)晶器;液面波動(dòng);輥列;優(yōu)化

1 引言

攀鋼煉鋼廠2#板坯連鑄機(jī)是引進(jìn)意大利達(dá)涅利公司關(guān)鍵技術(shù),2003年10投產(chǎn)的直弧形板坯連鑄機(jī),設(shè)計(jì)年產(chǎn)量100萬噸。從投產(chǎn)以來,在生產(chǎn)過程中當(dāng)澆鑄強(qiáng)度較高的專項(xiàng)鋼(如P510L)時(shí),結(jié)晶器液面出現(xiàn)周期性大幅度(最大幅度達(dá)到±30mm以上)波動(dòng),導(dǎo)致漏鋼預(yù)報(bào)頻繁報(bào)警,澆鑄過程中被迫頻繁降速或停機(jī),根本無法維持正常澆注。通過考察全國武鋼、梅鋼等其他鋼鐵公司同類型連鑄機(jī),發(fā)現(xiàn)也存在液面周期性波動(dòng)的問題。雖然各公司都采取了調(diào)節(jié)結(jié)晶器冷卻水、二冷水、優(yōu)化保護(hù)渣等工藝參數(shù),但均無明顯效果。

我廠2#板坯連鑄機(jī)工藝參數(shù)已經(jīng)優(yōu)化,在出現(xiàn)結(jié)晶器液位波動(dòng)時(shí)除采取降低拉速和停機(jī)以外,無其它有效措施。

2 結(jié)晶器液位波動(dòng)原因分析

攀鋼煉鋼廠2#板坯連鑄機(jī)為直弧形連鑄機(jī),鑄機(jī)半徑R=8m,由結(jié)晶器、零號(hào)段(彎曲段)和13臺(tái)扇形段組成,輥?zhàn)泳捎脙煞止?jié)輥。鑄機(jī)輥列布置如圖1所示。

圖1 2#板坯連鑄機(jī)輥列布置圖

2#板坯連鑄機(jī)結(jié)晶器足輥有3對(duì),輥徑為?140mm,輥間距為170mm;零號(hào)段為彎曲段,輥?zhàn)訑?shù)為14對(duì),輥徑為?170mm,輥間距為212mm;1#～6#扇形段為弧形段,每段扇形段輥?zhàn)訑?shù)為6對(duì),輥徑為?230mm,輥間距為277mm,每段扇形段第三根輥為驅(qū)動(dòng)輥;7#扇形段為矯直段,扇形段輥?zhàn)訑?shù)為7對(duì),輥徑為?290mm,輥間距為330mm,第四根輥?zhàn)訛轵?qū)動(dòng)輥;8#～13#扇形段為水平段,每段扇形段輥?zhàn)訑?shù)為7對(duì),輥徑為?290mm,輥間距為330mm,每段扇形段第三根輥為驅(qū)動(dòng)輥。1#～6#扇形段輥列完全一樣,可以互換。

澆鋼時(shí),鑄坯出結(jié)晶器進(jìn)入二冷區(qū)扇形段后,外部形成一定厚度的坯殼,內(nèi)部仍是鋼水。在扇形段輥?zhàn)拥闹泻万?qū)動(dòng)作用下,鑄坯不斷前進(jìn),同時(shí)受到噴水冷卻,直到完全凝固。由于鑄機(jī)有一定高度,前后輥之間有一定距離,坯殼在內(nèi)部鋼水靜壓力作用下產(chǎn)生變形,向外鼓出即通常所說的“鼓肚”,如圖2所示。

鼓肚的鑄坯在前進(jìn)中受到下一對(duì)輥?zhàn)拥膲嚎s,離開該對(duì)輥?zhàn)雍笥止某鰜?這個(gè)過程在二冷區(qū)許多輥?zhàn)又g同時(shí)不停地進(jìn)行。如果這個(gè)過程是均勻、連續(xù)進(jìn)行的,并且坯殼主要表現(xiàn)為塑性變形,那么兩輥之間的圓弧形鼓肚就是對(duì)稱的。在任意瞬間,扇形段里的鑄坯液芯容積都保持不變或基本不變,這時(shí)在澆鋼和拉坯相平衡的情況下,結(jié)晶器內(nèi)的鋼液面是穩(wěn)定不動(dòng)的,不會(huì)出現(xiàn)液面波動(dòng)[1],如圖3所示。

圖2 鑄坯鼓肚形成示意

圖3 坯殼對(duì)稱鼓肚示意圖

當(dāng)坯殼具有一定的強(qiáng)度或鼓出的坯殼不對(duì)稱時(shí),鼓肚在兩輥之間的鼓出和壓回過程連續(xù)但不均勻,液腔容積隨時(shí)都在發(fā)生變化。扇形段的輥間距若相等,各輥之間的液腔變化就會(huì)同步進(jìn)行,這時(shí)在很長的二次冷卻區(qū)域內(nèi)(如1#～6#段),各輥之間的液腔變化疊加之和會(huì)很大,液面波動(dòng)就會(huì)很大,并呈現(xiàn)出一定節(jié)奏即周期性,液面波動(dòng)一次的周期,就是鑄坯通過兩對(duì)導(dǎo)輥之間的時(shí)間,如圖4所示。

但是,如果一個(gè)扇形段內(nèi)的輥間距差別較大,或一個(gè)扇形段內(nèi)的輥間距雖然相同、但相鄰兩個(gè)扇形段的輥間距差別較大,那么在任意時(shí)刻,在二次冷卻區(qū)域內(nèi)一定長度上的鑄坯凝殼處于有的在鼓起,有的在壓下的非同步狀態(tài)。這樣很多不同周期的變量疊加結(jié)果是大小相抵,近似恒值,其液腔總?cè)莘e沒有什么變化,也沒有什么周期性變化,因此,結(jié)晶器液面就不會(huì)因鑄坯鼓肚而出現(xiàn)波動(dòng),更不會(huì)發(fā)生周期性波動(dòng)。

連鑄坯在二冷區(qū)域1#～6#扇形段內(nèi)冷卻后坯殼厚度和強(qiáng)度已增加較大,在7#～13#扇形段輥?zhàn)又g已表現(xiàn)不出“鼓肚”現(xiàn)象,因此對(duì)結(jié)晶器液面波動(dòng)基本無影響。

圖4 坯殼不對(duì)稱鼓肚示意圖

根據(jù)以上分析,認(rèn)為造成攀鋼2#板坯連鑄機(jī)在生產(chǎn)強(qiáng)度較高的鋼種時(shí)結(jié)晶器液位周期性波動(dòng)的主要原因是弧形段1#～6#段輥徑、輥間距相等,坯殼在輥?zhàn)又g的液腔變化同步進(jìn)行后疊加造成的。為了消除結(jié)晶器液位波動(dòng),必須優(yōu)化輥列,打破弧形段1#～6#段等輥徑、等輥間距的布置形式。

3 輥列優(yōu)化方案

為了打破2#板坯連鑄機(jī)扇形段1#～6#段等輥徑、等輥間距的布置形式,使二次冷卻區(qū)域內(nèi)一定長度上的鑄坯凝殼處于有的在鼓起,有的在壓下的非同步狀態(tài),從而改善結(jié)晶器的液面波動(dòng),可以選擇兩段扇形段重新布置輥列。重新布置輥列的原則是:設(shè)備改造應(yīng)盡可能地減少成本;噴嘴、液壓缸等配套件盡量與現(xiàn)有通用;改造后的扇形段安裝基礎(chǔ)不變,與現(xiàn)有扇形段具有互換性;扇形段傳動(dòng)輥軸線位置不做改動(dòng),能與現(xiàn)有傳動(dòng)裝置連接;維修區(qū)設(shè)備不做改動(dòng)。

3.1 改變扇形段輥列的方案

方案一:不改變輥?zhàn)訑?shù)量,將2#、4#、6#自由輥徑減小到?200mm,且調(diào)整輥間距變?yōu)?62mm。(如圖5)

圖5 方案一

方案二:減少一對(duì)輥?zhàn)?驅(qū)動(dòng)輥和自由輥徑變?yōu)?260 mm,輥間距變?yōu)?39mm。(如圖6)

圖6 方案二

方案三:增加一對(duì)輥?zhàn)?所有輥徑變?yōu)?200mm,輥間距變?yōu)?36和260mm。(如圖7)

方案四:增加一對(duì)輥,驅(qū)動(dòng)輥輥徑保持不變?yōu)?230,自由輥徑變?yōu)?190 mm,輥間距變?yōu)?29和249.5mm。(如圖8)

3.2 四種方案扇形段的基本參數(shù)

四種改造方案扇形段的基本參數(shù)見表1所示。

3.3 四種方案優(yōu)缺點(diǎn)比較

四種改造方案優(yōu)缺點(diǎn)比較見表2所示。

圖7 方案三

圖8 方案四

由于重新布置輥列的扇形段安裝在連鑄機(jī)弧形區(qū)域的1#、2#扇形段上,生產(chǎn)過程中鑄坯溫度高、坯殼較薄。根據(jù)鑄坯鼓肚量計(jì)算公式[2]:

式中:α為考慮鑄坯寬度的形狀系數(shù);η為α的修正系數(shù),對(duì)于一般板坯可取αη=1;ρ為鋼水的密度;q為坯殼端點(diǎn)所受的載荷;B為鑄坯的寬度;x為兩輥間任意鼓肚量的位置;l為輥間距;I為梁的截面慣性矩;Ee是坯殼彈性模量;t為鑄坯通過一個(gè)輥間距的時(shí)間。由上式可以得出輥間距增大,鑄坯鼓肚量隨之增大。

表1 扇形段基本參數(shù)

表2 方案優(yōu)缺點(diǎn)比較表

經(jīng)過比較分析,認(rèn)為方案一、方案二輥間距太大,鑄坯會(huì)產(chǎn)生較大的鼓肚而影響鑄坯質(zhì)量或造成漏鋼事故,所以不能采用。方案三和方案四都是減小了輥間距,有利于防止鑄坯鼓肚,同時(shí)打亂了輥間距規(guī)律,能夠滿足改造要求。但比較而言,方案四不用改動(dòng)傳動(dòng)裝置,而且驅(qū)動(dòng)輥直徑較大,承載能力較強(qiáng),因此選用方案四,在2#板坯連鑄機(jī)弧形區(qū)間的1#、2#扇形段,按方案四重新設(shè)計(jì)制造、安裝上線,打破原鑄機(jī)1#～6#扇形段等輥徑、等輥間距的輥列布置形式。

4 改造扇形段強(qiáng)度驗(yàn)算

4.1 扇形段框架及驅(qū)動(dòng)輥強(qiáng)度

按照方案四,改造的新扇形段安裝基礎(chǔ)、外形尺寸、驅(qū)動(dòng)輥直徑、驅(qū)動(dòng)輥軸承型號(hào)等均與現(xiàn)場(chǎng)使用的原扇形段完全一致。現(xiàn)場(chǎng)使用的扇形段經(jīng)過多年的使用后,驗(yàn)證其強(qiáng)度完全能夠滿足使用要求。

4.2 自由輥強(qiáng)度

新扇形段自由輥輥徑由?230 mm改造為?190 mm,需要進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算。自由輥受力如圖9所示。

圖9 扇形段自由輥受力圖

輥?zhàn)邮艿捷S端軸承對(duì)輥?zhàn)酉蛏系闹瘟?以及鋼水對(duì)輥?zhàn)酉蛳碌匿撍o壓力。這里假設(shè)鋼水對(duì)輥?zhàn)拥撵o壓力為均布載荷。這里針對(duì)扇形段2#段的最后一個(gè)輥?zhàn)舆M(jìn)行分析,這對(duì)輥?zhàn)邮艿降匿撍o壓力最大。

鋼水靜壓力

F=ρghS=173.6KN

式中:ρ為鋼水比重;h為鋼水液面到輥面的高度,h=7 348.1mm;S為板坯的寬度與輥間距的乘積,S=229×1 350mm2。

此時(shí),所受最大彎矩Mmax=FL/8;

最大彎曲應(yīng)力σmax=Mmax/W= 32.7Mpa;＜[σ];最大撓度υmax=5FL3/ 384EI=0.119mm;小于設(shè)計(jì)規(guī)范要求的最大撓度小于1mm[3-4]。

式中:L為鑄坯最大寬度1 350mm;W為自由輥抗彎截面系數(shù);W=πd3/32(d為自由輥直徑);E為自由輥彈性模量;I為截面慣性矩I=πd4/64(d為自由輥直徑)。

通過計(jì)算,將自由輥輥徑改為?190 mm是安全的。

4.3 自由輥軸承選用

根據(jù)如前計(jì)算自由輥承受的最大鋼水靜壓力F=ρghS=173.6KN,單個(gè)軸承承受的徑向載荷P=F/2=86.8KN;軸承轉(zhuǎn)速n≤25r/min;預(yù)期壽命L10h=100 000h[4]。根據(jù)公式C=(P/ft)*(60n L10h/106)1/ε

式中:ft——軸承溫度系數(shù),取0.6[4]; ε——軸承壽命指數(shù),滾子軸承ε=10/3。

計(jì)算出軸承應(yīng)具有的額定動(dòng)載荷為650KN?？紤]扇形段軸承使用在高溫環(huán)境及輥?zhàn)訉?duì)中誤差,根據(jù)軸承手冊(cè),自由輥軸承選用24020 C4型號(hào)軸承是合適的。

5 使用效果

攀鋼煉鋼廠2#板坯連鑄機(jī)改造后的扇形段于2009年12月31日上線使用。澆鑄各種鋼種時(shí),結(jié)晶器液面非常平穩(wěn),特別是在澆鑄過去液面周期性波動(dòng)特別大的鋼種時(shí),液面也非常穩(wěn)定,液面波動(dòng)小于±3mm。輥列改造前后,澆鑄相同P510L鋼種時(shí)結(jié)晶器液面實(shí)時(shí)截圖如圖10、圖11所示。

圖10 輥列改造前液面波動(dòng)截圖

圖11 輥列改造后液面波動(dòng)截圖

改造扇形段從2009年12月31日使用至2010年5月12日正常下線檢修,檢查扇形段框架、輥?zhàn)娱_口度等,均未發(fā)現(xiàn)存在明顯變形,開口度精度在0.2mm,內(nèi)外弧度精度在0.5mm以內(nèi)。改造扇形段完全能夠滿足連鑄機(jī)使用強(qiáng)度要求。

6 經(jīng)濟(jì)效益

通過輥列優(yōu)化改造后,澆鑄汽車大梁鋼(P510L)、管線鋼等專項(xiàng)鋼種時(shí)結(jié)晶器液面非常穩(wěn)定,使過去不能澆鑄或難以正常拉速澆鑄的鋼種實(shí)現(xiàn)正常澆鑄,增加了2#板坯連鑄機(jī)產(chǎn)品品種、結(jié)構(gòu),對(duì)公司整體產(chǎn)生經(jīng)營創(chuàng)造巨大經(jīng)濟(jì)效益。

7 結(jié)論

攀鋼2#板坯連鑄機(jī)弧形區(qū)域1#～6#扇形段等輥徑、等輥間距布置是造成澆鑄強(qiáng)度較高的低合金鋼種時(shí)結(jié)晶器液面波動(dòng)的主要原因。通過改變連鑄機(jī)1#、2#扇形段輥?zhàn)訑?shù)量和輥徑,打破2#板坯連鑄機(jī)弧形區(qū)域1#～6#扇形段等輥徑、等輥間距的輥列形式,較好地解決了結(jié)晶器液面周期性波動(dòng)問題。改造后的扇形段強(qiáng)度能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)使用要求。攀鋼2#板坯連鑄機(jī)輥列優(yōu)化改造對(duì)全國同類型連鑄機(jī)解決類似問題具有很好的借鑒作用。

由于受檢測(cè)條件和理論知識(shí)限制,針對(duì)扇形段輥徑、輥間距對(duì)結(jié)晶器液面波動(dòng)的影響只進(jìn)行了定性分析,今后將有意識(shí)收集相關(guān)數(shù)據(jù),為連鑄機(jī)研究學(xué)者提供一些基礎(chǔ)數(shù)據(jù),以便建立相關(guān)理論模型,定量分析輥徑、輥間距等對(duì)結(jié)晶器液面的影響,為連鑄機(jī)設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。

[1] 程乃良,楊拉道,等.板坯連鑄結(jié)晶器液面周期性波動(dòng)的探討[J].煉鋼.2009,25(6).

[2] 王巖,趙美,常國威.連鑄板坯鼓肚量的計(jì)算[J].遼寧工學(xué)院學(xué)報(bào),2005,25(1).

[3] 劉明延,李平.板坯連鑄機(jī)設(shè)計(jì)與計(jì)算[M].機(jī)械工業(yè)出版社,1990.

[4] 徐灝.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)第一卷[M].機(jī)械工業(yè)出版社,1991.

Panzhihua Iron and Steel Mill 2#Slab Caster Roll Out Optimized Transformation

LUO Dan
(Vanadium Recovery&Steelmaking Plant of PZH Steel,Panzhihua 617062 Sicha,China)

Through the analysis of Panzhihua Iron and Steel Mill No.2 slab caster mold level presence of cyclical fluctuations in the production process,Considered the main cause of mold level fluctuation is curved section area segments of roller diameter,roller spacing exactly the same, Slab caused during the forward movement of liquid core volume change simultaneously,In the secondary cooling zone longer period fluctuations superimposed causing mold level fluctuations. To break the liquid core volume change synchronization problems,The curved section 1#,2#segments roll out re-design,manufacture and installation,to solve the problem of mold level fluctuation.

slab;casting;mold;level fluctuation;roll out;optimization

TF341 TF777

:B

1001-5108(2015)03-0056-06

羅丹,高級(jí)工程師,主要從事冶金設(shè)備管理。