馬鋼新建六機(jī)六流方坯連鑄機(jī)出坯系統(tǒng)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

張偉健 劉海清

(馬鋼集團(tuán)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，安徽 馬鞍山 243000)

馬鋼股份一鋼軋總廠原有2套鐵水預(yù)處理裝置，3座120噸頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐，3座LF鋼包精煉爐，1套VD真空脫氣裝置，1套R(shí)H真空精煉裝置。澆鑄系統(tǒng)配備了2臺(tái)CSP連鑄連軋系統(tǒng)，年產(chǎn)200萬(wàn)噸，1臺(tái)單流板坯連鑄機(jī)，年產(chǎn)120萬(wàn)噸，1臺(tái)3機(jī)3流圓坯連鑄機(jī)，年產(chǎn)30萬(wàn)噸。總產(chǎn)量在350萬(wàn)噸左右。

為創(chuàng)新優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，2017年馬鋼決定新建重型H型鋼工程，將H型鋼產(chǎn)品做大做強(qiáng)，進(jìn)一步提升馬鋼的品牌和經(jīng)濟(jì)效益。為此，拆除一鋼軋現(xiàn)有的板坯和圓坯連鑄機(jī)，配套新建80萬(wàn)噸/年重型H型鋼異形坯連鑄機(jī)，一鋼軋煉鋼產(chǎn)能為280萬(wàn)噸/年，較目前產(chǎn)能減少了60～70萬(wàn)噸/年。

為了響應(yīng)國(guó)家政策淘汰30噸轉(zhuǎn)爐煉鋼生產(chǎn)工藝，但配套的棒、線材軋制生產(chǎn)線近期還將存在。為了不降低一鋼軋轉(zhuǎn)爐產(chǎn)能和維持棒、線材軋制生產(chǎn)線能力，考慮在CSP車間西側(cè)新建一臺(tái)六機(jī)六流方坯連鑄機(jī)，向棒、線材軋線提供60萬(wàn)噸/年的坯料。另將該臺(tái)連鑄機(jī)設(shè)置結(jié)晶器和末端電磁攪拌系統(tǒng)，具備今后向馬鋼特鋼公司線材提供150 mm×150 mm特殊鋼方坯的供坯能力。

1 新建六機(jī)六流連鑄機(jī)工藝裝備特點(diǎn)

馬鋼新建六機(jī)六流方坯連鑄機(jī)工程，主要生產(chǎn)鋼種為碳素結(jié)構(gòu)鋼、低合金鋼，年產(chǎn)規(guī)模為60萬(wàn)噸合格鑄坯。

冶煉爐工藝參數(shù)：

轉(zhuǎn)爐：3臺(tái)

平均出鋼量：120 t

冶煉周期：40 min

LF爐：3座

VD爐：1座

RH爐：1座

新建連鑄機(jī)年產(chǎn)量要求達(dá)到60萬(wàn)噸，按1臺(tái)連鑄機(jī)與1臺(tái)轉(zhuǎn)爐產(chǎn)能匹配考慮。新建連鑄機(jī)考慮預(yù)留熱送線。

鑄坯規(guī)格：150 mm×150 mm×12000 mm

1.1 工藝技術(shù)及裝備

(1)鑄機(jī)半徑

鑄機(jī)半徑的大小取決于所生產(chǎn)的鑄坯斷面、鋼種及拉速水平。

在鋼水凝固過(guò)程中，合金元素易聚集在晶粒的前沿，產(chǎn)生成分偏析，形成晶間脆性區(qū)，裂紋敏感性高，矯直過(guò)程易出現(xiàn)裂紋，因此，鑄機(jī)半徑的大小必須滿足鑄坯矯直時(shí)的表面變形率和兩相區(qū)變形率的極限要求。

鑄機(jī)半徑還與鑄坯完全凝固所需要的冶金長(zhǎng)度(全凝固長(zhǎng)度)有關(guān)。

根據(jù)所提供產(chǎn)品斷面規(guī)格，綜合以上因素，本連鑄機(jī)半徑取值為8 m即可滿足要求。

(2)全過(guò)程保護(hù)澆注

有效防止鋼水產(chǎn)生二次氧化，是提高鑄坯質(zhì)量的有效手段。

(3)大容量中間罐

經(jīng)過(guò)內(nèi)腔優(yōu)化設(shè)計(jì)的32 t大容量中間罐、液面高度850 mm，有利于鋼水中夾雜物的充分上浮，提高連鑄坯質(zhì)量。

(4)結(jié)晶器及振動(dòng)

采用鍍鉻CuAg管式，銅管長(zhǎng)度900 mm，以適應(yīng)鑄坯的高拉速。

采用板簧結(jié)晶器振動(dòng)結(jié)構(gòu)形式，高頻低振幅，改善了鑄坯表面質(zhì)量。

(5)結(jié)晶器液位控制

結(jié)晶器液面檢測(cè)作用于中間罐塞棒，并反饋到拉矯機(jī)控制，組成一個(gè)完整的閉路控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的最佳澆鑄過(guò)程。

(6)二次冷卻水動(dòng)態(tài)控制

鑄坯二次冷卻水分組輥、一段、二段三個(gè)冷卻區(qū)，全噴水冷卻，并根據(jù)拉坯速度變化進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制，使鑄坯的冷卻更加趨于均勻。

通過(guò)合理的噴嘴布置，使中心和鑄流表面角部冷卻速率差別最小化。

(7)拉坯速度控制

整體機(jī)架五輥連續(xù)拉矯機(jī)，用于引導(dǎo)鑄坯和矯直鑄坯。拉速可調(diào)，以滿足不同鋼種對(duì)拉速的不同要求。

(8)引錠桿

采用分段式鋼板螺栓連接結(jié)構(gòu)，頭部有自適應(yīng)功能的剛性引錠桿，有效地縮短鑄機(jī)長(zhǎng)度。

(9)鑄坯定尺切割

采用火焰切割機(jī)按設(shè)定的定尺長(zhǎng)度進(jìn)行切割，并具有在開(kāi)澆和尾坯處理時(shí)切割頭、尾坯等功能。切割速度～500 mm/min，切割溫度≥750℃。

(10)出坯系統(tǒng)

新建六機(jī)六流方坯連鑄機(jī)出坯系統(tǒng)是本次設(shè)計(jì)的難點(diǎn)，因CSP車間西側(cè)廠房空間緊湊，方坯連鑄機(jī)出坯系統(tǒng)要求布置在27 m×21 m空間內(nèi)，按通常方法設(shè)計(jì)難以實(shí)現(xiàn)。如何在如此緊湊的空間中設(shè)計(jì)出滿足工藝要求的出坯系統(tǒng)是本文著重說(shuō)明的。

(11)自動(dòng)化控制

控制系統(tǒng)采用電控、儀表、計(jì)算機(jī)一體化結(jié)構(gòu)，PLC系統(tǒng)完成電氣自動(dòng)化控制和儀表自動(dòng)化控制。實(shí)現(xiàn)過(guò)程的監(jiān)視、控制、調(diào)節(jié)以及對(duì)設(shè)備各子系統(tǒng)的監(jiān)控。

(12)其他工藝配置：

1)回轉(zhuǎn)臺(tái)帶升降及稱重功能，上設(shè)鋼包加蓋裝置；

2)采用大包下渣檢測(cè)；

3)中間罐采用連續(xù)測(cè)溫；

4)中間罐車帶升降及稱重功能；

5)采用外置式結(jié)晶器電磁攪拌裝置；

6)全板簧電動(dòng)缸驅(qū)動(dòng)振動(dòng)裝置；

7)鑄坯二冷區(qū)采用自動(dòng)控制的氣水霧化噴淋冷卻；

8)預(yù)留末端電磁攪拌裝置安裝位置；

9)方坯自動(dòng)火焰切割機(jī)，變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)返回；

10)配置液壓步進(jìn)翻轉(zhuǎn)冷床；

11)所有液壓驅(qū)動(dòng)裝置共用兩個(gè)液壓站(主液壓站和出坯液壓站)；

12)弧形區(qū)設(shè)備采用油氣潤(rùn)滑，輥道和出坯系統(tǒng)為干油集中潤(rùn)滑。

1.2 工藝布置

新建六機(jī)六流方坯連鑄機(jī)布置在現(xiàn)有CSP車間中間罐維修跨內(nèi)，將現(xiàn)有CSP中間罐維修設(shè)施搬遷至CSP設(shè)備維修跨，CSP設(shè)備維修設(shè)施全部搬遷至其他車間。連鑄機(jī)生產(chǎn)的坯料通過(guò)50/10 t吊車從在連鑄收集臺(tái)架上直接裝車頻繁倒運(yùn)至中板廠現(xiàn)有成品跨內(nèi)，由鐵路運(yùn)至二鋼軋連鑄車間第二出坯跨內(nèi)，供長(zhǎng)材北區(qū)的棒材和線材軋機(jī)。

2 設(shè)計(jì)要解決的技術(shù)問(wèn)題

出坯系統(tǒng)是連鑄機(jī)的重要組成部分，直接影響到連鑄坯的外部質(zhì)量。出坯系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要滿足工藝出坯節(jié)奏，同時(shí)要滿足工藝對(duì)鑄坯的冷卻和矯直的要求。

新建六機(jī)六流方坯連鑄機(jī)受場(chǎng)地限制，出坯系統(tǒng)要求布置在現(xiàn)有27 m×21 m緊湊的廠房空間內(nèi)，如果采用“推鋼機(jī)/撈鋼機(jī)—分鋼裝置—步進(jìn)冷床—收集臺(tái)架”或“熱送輥道—推鋼機(jī)/撈鋼機(jī)—分鋼裝置—步進(jìn)冷床—收集臺(tái)架”等傳統(tǒng)方法設(shè)計(jì)，步進(jìn)翻轉(zhuǎn)冷床的長(zhǎng)度將無(wú)法滿足工藝對(duì)鑄坯的冷卻和矯直的生產(chǎn)要求。

3 設(shè)計(jì)方案

本次設(shè)計(jì)的出坯系統(tǒng)工藝設(shè)備主要包括：熱送輥道、對(duì)齊推鋼機(jī)、升降擋板、步進(jìn)翻轉(zhuǎn)冷床一、過(guò)渡輥道、固定擋板、步進(jìn)翻轉(zhuǎn)冷床二、收集臺(tái)架、安全擋板和紅外集群等組成，見(jiàn)圖1[1]。

1—熱送輥道；2—對(duì)齊推鋼機(jī)；3—升降擋板；4—步進(jìn)翻轉(zhuǎn)冷床一；5—過(guò)渡輥道；6—固定擋板；7—步進(jìn)翻轉(zhuǎn)冷床二；8—收集臺(tái)架；9—安全擋板。

(1)熱送輥道：用于接收和輸送橫向移鋼機(jī)移送來(lái)的定尺鑄坯，熱送輥道將定尺鑄坯移送到升降擋板端頭。

主要技術(shù)參數(shù)：

型式：?jiǎn)为?dú)傳動(dòng)，變頻

驅(qū)動(dòng)電機(jī)：5.5 kW

輥面線速度：0.1～1.15 m/s

輥?zhàn)娱g距：～1500 mm

輥?zhàn)訑?shù)量：22個(gè)/流，單獨(dú)傳動(dòng)

(2)對(duì)齊推鋼機(jī)：用于將熱送輥道上鑄坯對(duì)齊推送到步進(jìn)翻轉(zhuǎn)冷床一的上鋼位置。

主要技術(shù)參數(shù)：

對(duì)齊推鋼裝置數(shù)量：2套

型式：液壓驅(qū)動(dòng)

液壓缸數(shù)量：2個(gè)/套

液壓缸參數(shù)：?80 mm/?56 mm-850 mm

工作壓力：16 MPa

(3)升降擋板：用于在熱送輥道尾部停止鑄坯。為了便于今后能夠延長(zhǎng)熱送輥道，直接將鑄坯熱送到軋線，采用的是升降擋板而非固定擋板。

主要技術(shù)參數(shù)：

型式：液壓驅(qū)動(dòng)

液壓缸參數(shù)：?63 mm/?45 mm-250 mm

工作壓力：16 MPa

(4)步進(jìn)翻轉(zhuǎn)冷床一：用于冷卻和矯直鑄坯。采用液壓步進(jìn)式冷床，鑄坯在步進(jìn)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)鑄坯翻轉(zhuǎn)和冷卻等。

主要技術(shù)參數(shù)：

冷床結(jié)構(gòu)型式：液壓升降橫移式

冷床有效尺寸：10350 mm×12000 mm

步進(jìn)行程：～450 mm

升降行程：～235 mm

步進(jìn)齒條：間距1800 mm，7組

固定齒條：間距1800 mm，7組

(5)過(guò)渡輥道：用于將鑄坯從步進(jìn)翻轉(zhuǎn)冷床一運(yùn)輸?shù)讲竭M(jìn)翻轉(zhuǎn)冷床二的上鋼位置。

主要技術(shù)參數(shù)：

型式：?jiǎn)为?dú)傳動(dòng)，變頻

驅(qū)動(dòng)電機(jī)：1.1 kW

輥面線速度：0.1～1.15 m/s

輥?zhàn)娱g距：～1800 mm

輥?zhàn)訑?shù)量：13個(gè)/流，單獨(dú)傳動(dòng)

(6)固定擋板：用于防止熱送輥道和過(guò)渡輥道反轉(zhuǎn)造成安全事故。

(7)步進(jìn)翻轉(zhuǎn)冷床二：用于冷卻和矯直鑄坯。采用液壓步進(jìn)式冷床，鑄坯在步進(jìn)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)鑄坯翻轉(zhuǎn)和冷卻等。

主要技術(shù)參數(shù)：

冷床結(jié)構(gòu)型式：液壓升降橫移式

冷床有效尺寸：8100 mm×12000 mm

步進(jìn)行程：～450 mm

升降行程：～235 mm

步進(jìn)齒條：間距1800 mm，7組

固定齒條：間距1800 mm，7組

(8)收集臺(tái)架：用于輸送和收集由步進(jìn)翻轉(zhuǎn)冷床二送來(lái)的鑄坯，采用液壓拉鋼式撥爪收集成組，然后由出坯跨行車用磁盤吊從冷床上吊起，放到鑄坯貯存區(qū)，以使鑄坯完全冷卻下來(lái)。

主要技術(shù)參數(shù)：

驅(qū)動(dòng)液壓缸數(shù)量：2個(gè)

液壓缸：?160 mm/?110 mm-725 mm

小車行程：～1440 mm

(9)安全擋板：在冷床區(qū)域出現(xiàn)堵坯或者故障時(shí)，安全擋板升起，阻止鑄坯進(jìn)入冷床區(qū)，由橫移機(jī)將鑄坯推到事故臺(tái)架。

(10)紅外集群：用于跟蹤和檢測(cè)鑄坯的位置，實(shí)現(xiàn)出坯系統(tǒng)的自動(dòng)控制。

出坯系統(tǒng)的工藝控制流程：

鑄坯在熱送輥道上運(yùn)輸，在紅外集群的控制下，熱送輥道減速和停止，同時(shí)對(duì)齊推鋼機(jī)通過(guò)液壓推桿將熱送輥道上定尺鑄坯對(duì)齊推送到步進(jìn)翻轉(zhuǎn)冷床一上鋼位置，定尺鑄坯通過(guò)步進(jìn)翻轉(zhuǎn)冷床一，通過(guò)液壓升降步進(jìn)冷床齒板進(jìn)行分鋼和步進(jìn)；在紅外集群的控制下，根據(jù)鑄坯數(shù)量完成規(guī)定的上升、向前、下降和退回運(yùn)動(dòng)周期，將定尺鑄坯輸送到過(guò)渡輥道；過(guò)渡輥道在紅外集群的控制下，將定尺鑄坯移送到升降擋板端頭；在紅外集群的控制下，過(guò)渡輥道減速和停止，同時(shí)定尺鑄坯通過(guò)步進(jìn)翻轉(zhuǎn)冷床二，通過(guò)液壓升降步進(jìn)冷床齒板升降步進(jìn)將鑄坯移送到收集臺(tái)架；收集臺(tái)架在紅外集群的控制下，通過(guò)液壓拉鋼將定尺鑄坯成組收集后，用磁盤吊吊出下線運(yùn)輸?shù)杰堜撥囬g。

4 設(shè)計(jì)特點(diǎn)

與傳統(tǒng)方法設(shè)計(jì)的方坯連鑄機(jī)出坯系統(tǒng)相比，新建六機(jī)六流方坯連鑄機(jī)出坯系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：

(1)出坯系統(tǒng)設(shè)置步進(jìn)翻轉(zhuǎn)冷床一和步進(jìn)翻轉(zhuǎn)冷床二兩套液壓驅(qū)動(dòng)升降步進(jìn)冷床，保證了定尺鑄坯冷卻時(shí)間，鑄坯在收集臺(tái)架通過(guò)液壓拉鋼將定尺鑄坯成組收集后，鑄坯溫度滿足磁盤吊吊出下線要求。

(2)步進(jìn)翻轉(zhuǎn)冷床一和步進(jìn)翻轉(zhuǎn)冷床二采用液壓驅(qū)動(dòng)升降步進(jìn)冷床，鑄坯隨冷床升降步進(jìn)運(yùn)動(dòng)，在步進(jìn)升降過(guò)程中實(shí)現(xiàn)自動(dòng)翻轉(zhuǎn)，從而增大鑄坯的冷卻面積，提高了鑄坯的冷卻速度和均勻冷卻效果，避免了鑄坯變形；同時(shí)由于鑄坯的自動(dòng)翻轉(zhuǎn)，使鑄坯實(shí)現(xiàn)自動(dòng)矯直。

(3)步進(jìn)翻轉(zhuǎn)冷床的四個(gè)同步升降液壓缸采用柱塞同步馬達(dá)、比例閥、平衡閥、單向節(jié)流閥和行程開(kāi)關(guān)等控制，實(shí)現(xiàn)了四個(gè)升降液壓缸的同步；兩個(gè)同步橫移液壓缸采用帶閥芯位置反饋的比例閥、液控單向閥和液壓缸內(nèi)置傳感器等控制，實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)橫移液壓缸的同步。

(4)熱送輥道采用長(zhǎng)輥道設(shè)計(jì)，每組輥道由一臺(tái)減速電機(jī)進(jìn)行獨(dú)立驅(qū)動(dòng)；生產(chǎn)中當(dāng)某一臺(tái)減速電機(jī)出現(xiàn)故障，只影響到對(duì)應(yīng)長(zhǎng)輥道轉(zhuǎn)動(dòng)，其它輥道可繼續(xù)工作，并通過(guò)在計(jì)算減速電機(jī)能力時(shí)加大服務(wù)系數(shù)，以保證生產(chǎn)不受影響。

(5)對(duì)齊推鋼機(jī)的液壓缸設(shè)置內(nèi)置線性傳感器，最大行程滿足六根鑄坯推出輥道和進(jìn)入步進(jìn)翻轉(zhuǎn)冷床一入口處，同時(shí)能夠控制4～6根鑄坯不同運(yùn)行要求。同時(shí)對(duì)齊推鋼機(jī)采用液壓缸設(shè)置內(nèi)置線性傳感器、調(diào)速閥、平衡閥、液控單向閥和對(duì)齊推鋼機(jī)剛性聯(lián)接等控制，實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)對(duì)齊液壓缸的同步，從而實(shí)現(xiàn)鑄坯的對(duì)齊移動(dòng)。

(6)步進(jìn)翻轉(zhuǎn)冷床一入口處具有接收最大六根鑄坯，并具有自動(dòng)分鋼功能，取消傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的過(guò)渡臺(tái)架和鑄坯分鋼機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。

(7)步進(jìn)翻轉(zhuǎn)冷床一出口處能夠自動(dòng)運(yùn)行將鋼坯落放到過(guò)渡輥道，取消傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的過(guò)渡臺(tái)架和鑄坯拉鋼機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。

(8)紅外集群的一個(gè)紅外攝像機(jī)布置對(duì)齊推鋼機(jī)處，當(dāng)測(cè)量到鑄坯到底時(shí)，對(duì)齊推鋼機(jī)的液壓缸內(nèi)置線性傳感器發(fā)出行程信號(hào)，對(duì)齊推鋼機(jī)將鑄坯推到步進(jìn)翻轉(zhuǎn)冷床一上鋼位置并回到原始位置并對(duì)步進(jìn)翻轉(zhuǎn)冷床一發(fā)出信號(hào)，步進(jìn)翻轉(zhuǎn)冷床一(起始位在最低置)開(kāi)始運(yùn)行，步進(jìn)翻轉(zhuǎn)冷床一運(yùn)行規(guī)定的周期后停止后發(fā)出信號(hào)，熱送輥道才可以運(yùn)行。

(9)紅外集群的一個(gè)紅外攝像機(jī)布置在步進(jìn)翻轉(zhuǎn)冷床一定齒板入口處，用于檢測(cè)定齒板入口處的鑄坯，與熱送輥道連鎖。當(dāng)檢測(cè)到步進(jìn)翻轉(zhuǎn)冷床一定齒板入口處有鑄坯時(shí)熱送輥道不得運(yùn)行。

(10)紅外集群的一個(gè)紅外攝像機(jī)布置在步進(jìn)翻轉(zhuǎn)冷床一出口過(guò)渡輥道的前端，用于檢測(cè)步進(jìn)翻轉(zhuǎn)冷床一出口處鑄坯，當(dāng)檢測(cè)到鑄坯時(shí)發(fā)出信號(hào)，過(guò)渡輥道開(kāi)始運(yùn)行。

(11)紅外集群的一個(gè)紅外攝像機(jī)布置在過(guò)渡輥道的末端，用于過(guò)渡輥道鑄坯到固定擋板前的鑄坯減速、鑄坯到位停止信號(hào)，共2個(gè)信號(hào)。當(dāng)檢測(cè)到鑄坯到位停止信號(hào)后，步進(jìn)翻轉(zhuǎn)冷床二(起始位在最低置)開(kāi)始運(yùn)行，運(yùn)行周期與步進(jìn)翻轉(zhuǎn)冷床一相同。

(12)紅外集群的一個(gè)紅外攝像機(jī)布置在步進(jìn)翻轉(zhuǎn)冷床二的出口處，當(dāng)檢測(cè)到鑄坯時(shí)發(fā)出信號(hào)，收集臺(tái)架開(kāi)始運(yùn)行，運(yùn)行一個(gè)行程后在接近開(kāi)關(guān)的控制下回到原位。

(13)本次連鑄出坯系統(tǒng)通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)工藝流程，保證在狹小的空間設(shè)計(jì)出坯系統(tǒng)，滿足工藝生產(chǎn)要求，安全可靠。

(14)本次連鑄機(jī)出坯系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)完全自動(dòng)化控制，較大程度減少人工成本；并且由于不用人工操作，避免了操作失誤的可能，也提高了連鑄機(jī)設(shè)備的生產(chǎn)效率。

5 結(jié)束語(yǔ)

方坯連鑄機(jī)出坯系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法有很多，本文主要介紹了一種特殊的方坯連鑄機(jī)出坯系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，通過(guò)優(yōu)化工藝方案和設(shè)備配置，增加紅外攝像集群等自動(dòng)化控制方法，解決了設(shè)計(jì)過(guò)程中存在的難點(diǎn)。馬鋼新建六機(jī)六流方坯連鑄機(jī)已熱負(fù)荷試車成功，預(yù)計(jì)很快達(dá)產(chǎn)，出坯系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，贏得了用戶的好評(píng)。