張 敏 鐘 鵬 徐 鋼

（馬鋼股份公司）

0 前言

隨著鋼鐵行業(yè)同質(zhì)化競爭愈加激烈，不斷降低成本、提高鑄坯品質(zhì)是各大鋼鐵企業(yè)增強競爭力的工作重點，也是國內(nèi)鋼鐵企業(yè)在世界領(lǐng)域內(nèi)發(fā)展的必然趨勢。在連鑄生產(chǎn)中鑄坯切割是一個重要的環(huán)節(jié)，其目的是將鑄坯切割成定尺，以滿足后道工序裝爐條件和客戶產(chǎn)品卷重的要求。因此，為確?；鹧媲懈顧C的穩(wěn)定，要求火焰切割機必須具備以下優(yōu)異性能：切割可靠性高，確保鑄機順利生產(chǎn)；切割面平滑，掛渣少，為軋鋼工序提供無毛刺的坯料；割縫盡量小，以減少金屬切割損耗；氧、燃?xì)庀纳?，?jié)能減排。

馬鋼連鑄火焰切割機自從2007 年運營以來，一直存在割縫大、割面不齊、割縫下部掛渣嚴(yán)重等缺點。割縫大和割面不齊（需下線修整）都會造成鑄坯成材率低，掛渣嚴(yán)重時，毛刺去除不干凈，經(jīng)常會造成熱軋卷異物壓入，卷子降級改判。通過改造及工藝優(yōu)化，解決了上述問題。

1 原工藝條件存在的問題

自2007 年投產(chǎn)至2011 年，馬鋼一直采用自產(chǎn)高焦煤氣作為火切機燃?xì)?，盡管在維護和管理方面采取了多項措施，但是火焰切割情況仍不夠理想。主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）割縫寬度在 8 ～ 10 mm，偶有近 12 mm的割縫出現(xiàn)。對比同行業(yè)，先進企業(yè)的割縫一般為4 ～6 mm。割縫較大，切損較大，減少了金屬收得率；

（2）切割面有上部塌邊、下部掛渣現(xiàn)象（如圖1 所示），割縫過大勢必會產(chǎn)生過多的熔渣，造成毛刺過大，降低了去毛刺機的有效去除率；

（3）采用煤氣作為燃?xì)饨橘|(zhì)，雜質(zhì)多，火切機管路堵塞故障多發(fā)，割嘴、止火器和減壓閥備件消耗多，時有因火切機故障導(dǎo)致鑄機停機發(fā)生。

圖1 煤氣切割后的鑄坯割縫形貌

2 原因分析

火焰切割是一個熱加工過程，給火焰切割提供能量的主要是鑄坯切割時自身燃燒產(chǎn)生的熱量。在切割鑄坯時，燃?xì)馊紵A(yù)熱鑄坯，鑄坯表面局部溫度升高到燃點溫度，此時鋼與高速氧氣噴嘴噴出的氧氣產(chǎn)生燃燒從而切開鑄坯。

火焰切割的條件：（1）金屬預(yù)熱到燃點溫度，與氧氣燃燒；（2）燃點必須低于熔化溫度，不同含碳量鋼種的燃點和熔點如圖2 所示（例如含碳量 0.1% 的鋼，燃點在 1 155 ℃，熔點在 1 526 ℃）；（3）氧化物的熔化溫度必須低于被切割金屬的燃點溫度；（4）燃燒熱盡可能高。

圖2 不同含碳量鋼的燃點溫度曲線

實驗發(fā)現(xiàn)火焰切割是靠鐵氧化為主要作用(約占2/3)，熔化作為輔助作用(約占1/3)的。根據(jù)上述火焰切割的機理可以發(fā)現(xiàn)，影響切割表面質(zhì)量的因素主要包括燃?xì)夥N類、切割氧氣純度、壓力、流量、氧流形狀、切割速度、角度、火焰調(diào)整、預(yù)熱火焰能率、割嘴與鑄坯距離等。

3 采取措施

3.1 介質(zhì)改造

馬鋼現(xiàn)場有兩種氣體作為選擇，一種是現(xiàn)階段切割使用的轉(zhuǎn)爐煤氣，雜質(zhì)多，容易導(dǎo)致管路和噴嘴堵塞，造成切割面不均勻；另一種是天然氣，天然氣作為燃料時，燃燒速度慢、熱值適中，切割連鑄坯非常適合。

為了清除現(xiàn)場煤氣的雜質(zhì)，對煤氣管道進行了改造，增加了兩套400 目的過濾器，但是使用效果并不理想，難以有效去除細(xì)小的顆粒雜質(zhì)，未能從根本上解決管路堵塞問題。引進天然氣作為切割燃?xì)猓鹎袡C狀況明顯得到改善。天然氣屬于潔凈能源，幾乎沒有雜質(zhì)，介質(zhì)管路、閥件的堵塞故障大大降低，割嘴孔道內(nèi)壁結(jié)垢的現(xiàn)象基本消除；切割面平整，割縫的平均值由原來的10 mm減小到8 mm 左右，顯著減少了切損。

3.2 切割操作參數(shù)對切割的影響

馬鋼內(nèi)部氧氣為管道氧，純度是不可控因素。但是，切割氧氣壓力、切割速度、火焰調(diào)整和割嘴到鑄坯的距離作為可控因素，其直接影響火焰的尺寸和溫度，進而影響割縫的表面質(zhì)量和割縫大小。

3.2.1 氧氣壓力對切割速度的影響

切割氧氣壓力對切割質(zhì)量有很大的影響。過低，會使切割過程中的氧化反應(yīng)減慢，切割產(chǎn)生的氧化物熔渣吹不掉，在割縫背面形成難以清除的熔渣粘粘物（毛刺），甚至不能將鑄坯割穿。

隨著切割氧氣壓力的增加，氧氣流量增加，氧化反應(yīng)速度加快，切割厚度也隨之增加。但壓力增大到一定值，切割厚度達到最大值后，再增加壓力，切割厚度反而會減小。同時，過大的切割氧氣壓力并不能提高切割速度，反而會使割縫變大，切割斷面質(zhì)量下降，掛渣難清，增加了切割后毛刺的去除難度。

不同割嘴在不同切割氧壓力下的切割速度如圖3 所示。由此可見壓力過小或過大對切割速度都有影響。

圖3 氧氣壓力對切割速度的影響

3.2.2 氧氣流量對切割速度的影響

以12 mm 鋼板切割為例，隨著氧氣流量的增加，切割速度會增加，但超過一個臨界值后切割速度反而會降低，如圖4 所示。因此，對于板坯來說存在一個最佳氧流量，此時不但切割速度最高，而且切割質(zhì)量也最好。

圖4 氧氣流量對切割速度的影響

3.2.3 鑄坯溫度對切割速度的影響

在使用一種割嘴時，燃?xì)?、氧氣參?shù)一定時，切割速度與鑄坯溫度和成分有關(guān)。FRAMAG 公司在火切機操作手冊里給出了目前使用割嘴與鑄坯溫度相對應(yīng)的切割速度如圖5 所示。

圖5 不同鑄坯溫度對應(yīng)的切割速度

在操作中，操作工可以根據(jù)鑄坯實際溫度、厚度進行選擇調(diào)整。目前生產(chǎn)230 mm 厚度的鑄坯時，切割溫度約在800 ℃，根據(jù)圖5 理論切割速度約為430 mm/min。

3.2.4 鑄坯成分對切割速度的影響

現(xiàn)場跟蹤發(fā)現(xiàn)，生產(chǎn)不同鋼種時，切割速度需要根據(jù)現(xiàn)場實際情況進行調(diào)整，尤其是切割高Cr鋼時，Cr 含量高達4.7%，割速慢而且煙大。研究發(fā)現(xiàn)，鑄坯含碳量對切割速度的影響較大，其他對切割速度有影響的成分是：錳Mn、鎳Ni、鉻Cr、鏌Mo、釩V。合金元素對切割速度的影響可以折合為碳的影響量，引入碳當(dāng)量的值，把所有元素的影響折合為單純碳的影響，公式為：

不同碳當(dāng)量下合適的切割速度如圖6 所示。

圖6 碳當(dāng)量對切割速度的影響

目前馬鋼四鋼軋板坯連鑄主要生產(chǎn)的鋼種及碳當(dāng)量見表1。

表1 常見鋼種碳當(dāng)量

現(xiàn)場結(jié)合圖6 和表1 選取合適的切割速度，例如低合金鋼的碳當(dāng)量為0.38，約等于0.4，選取的切割速度約為理論切割速度的93%，實際切割速度約為400 mm/min；超低碳鋼的碳當(dāng)量為0.07，選取的切割速度約為理論切割速度的98%，實際切割速度約為 421 m/min。

切割速度直接影響切割的穩(wěn)定性和質(zhì)量。過快，使切割面產(chǎn)生凹陷和掛渣的缺陷，甚至不能切透，致使切割中斷，無法將鑄坯切斷。過慢，導(dǎo)致切面上部融化塌邊，下緣產(chǎn)生圓角，割縫過大，向下排出的氧化熔渣和熔化金屬形成大的毛刺，給毛刺清除帶來困難。

速度的降低會明顯增加介質(zhì)的消耗。切割速度可以根據(jù)熔渣從切口排除的狀況進行判斷并調(diào)整。正常的切割過程切割氧流相對垂直的割槍來說稍微偏后一個角度，對應(yīng)的位移成為后拖量，可以根據(jù)這個量來判斷切割速度是否合適。

3.3 火焰的影響

火焰分為氧化焰、中性焰和還原焰，如圖7 所示。

圖7 不同狀態(tài)的火焰區(qū)分

正?；鹧娴奶卣魇窃谄溥€原區(qū)沒有自由氧和活性碳，有三個明顯的區(qū)域，焰芯有鮮明的輪廓，切割效果最好。氧化焰是在氧氣過剩的情況下產(chǎn)生的，其焰芯呈圓錐形，長度明顯縮短，輪廓也不清楚，亮度是暗淡的。如果使用氧化焰進行切割，將會使切割質(zhì)量明顯惡化。還原焰是在天然氣過剩的情況下產(chǎn)生的，其焰芯沒有明顯的輪廓，其焰芯的末端有綠色的邊緣，按照這綠色的邊緣來判斷有過剩的燃?xì)?；還原區(qū)異常的明亮，幾乎和焰芯混為一體；外焰呈黃色。當(dāng)天然氣過剩時，火焰發(fā)黃，這是由于火焰中天然氣燃燒缺乏必需的氧氣造成的。

預(yù)熱火焰的能量大小與切割速度、切口質(zhì)量密切相關(guān)。隨著板厚增大和切割速度的加快，火焰的能量也應(yīng)隨之增強，但又不能太強，尤其在割厚板時，金屬燃燒產(chǎn)生的反應(yīng)熱增大，加強了對切割點前沿的預(yù)熱能力。這時，過強的預(yù)熱火焰將使切口上邊緣嚴(yán)重熔化，塌邊；太弱的預(yù)熱火焰，又會使鋼板得不到足夠的能量，減低切割速度，甚至造成切割過程中斷。預(yù)熱火焰的強弱與切割速度的關(guān)系是相互制約的。一般來說，使用中性焰可以獲得較好的切割質(zhì)量?；鹧娴暮线m長度是板厚的1.2 倍以上。通過多次的實驗得出了合理的參數(shù)設(shè)定值，具體見表2。

表2 火切機介質(zhì)參考壓力

3.4 割嘴高度的影響

過高和過低的割嘴高度都會對切割質(zhì)量造成影響。割嘴高度過高，會造成切割風(fēng)線不夠集中，割縫大；過小容易濺渣回火。通過摸索發(fā)現(xiàn)，切割氧氣壓力大小的不同，對距離的要求也不一樣。在使用較低壓力時，適當(dāng)調(diào)小高度可以得到高壓力同等的效果。一般取80 ～100 mm 的距離，可以適當(dāng)?shù)慕档颓懈钛鯕鈮毫?，降低氧氣消耗，一般?0.85 ～ 0.90 MPa。

3.5 優(yōu)化割嘴

優(yōu)化割嘴內(nèi)腔形狀，選用性能更好的割嘴。采用拉瓦爾噴管型割嘴，可以將切割氧氣流加速到超音速狀態(tài)，控制切割氣流的現(xiàn)狀，減小割縫寬度。

通過選用合適的割嘴減小割縫寬度是行之有效的。目前使用的PB0400N 割嘴過大，此型號割嘴適合切割厚度在400 mm 左右的鑄坯，而馬鋼現(xiàn)場鑄坯厚度在 230 mm 和 250 mm，拉速1.2 m 左右，選用PB0300N 的割嘴就可以滿足使用要求。

PB0400N 與 PB0300N 割嘴對比如圖 8 所示，切割氧氣窄喉截面直徑由4 mm 同比例縮小到3 mm。重新選型后的割嘴經(jīng)過試用后效果明顯提升，割縫寬度能夠達到5 ～7 mm。

圖8 不同孔徑的割嘴對比

5 改造效果

圖9 優(yōu)化后的割縫和切割面

通過介質(zhì)改造和切割參數(shù)的優(yōu)化、噴嘴改型后，割縫與以前相比有了明顯改善。割縫寬度目前穩(wěn)定控制在5 ～7 mm，大約每年可減少689.6萬元的割損。同時割縫的減小，氧化和融化的金屬減少，切割渣毛刺隨之減少，明顯提高了去毛刺機的毛刺去除率，降低了去毛刺機的負(fù)載，減少了錘刀損耗,如圖9 所示。在使用天然氣的前期，壓力調(diào)整較高，一般在0.08 ～0.1 MPa 左右。通過攻關(guān)活動開展降低為0.4 ～0.6 MPa。在同樣的通徑下壓力的降低意味著流量也相應(yīng)減少，降低了燃?xì)獾南?。?jù)港華燃?xì)馓峁┑臄?shù)據(jù)到2019 年12 月為止共計消耗燃?xì)?5.6 萬m3，合計生產(chǎn)鑄坯約830 萬噸，折合噸鋼消耗燃?xì)饧s0.12 m3。這一數(shù)據(jù)達到先進企業(yè)的指標(biāo)。