高拉速小板坯連鑄工藝優(yōu)化與實(shí)踐

王利波，么旭林

（天津市新天鋼聯(lián)合特鋼有限公司，天津市 301500）

0 引言

連鑄是鋼鐵生產(chǎn)的核心工序之一，是連接著煉鋼和軋鋼的中間環(huán)節(jié)。隨著煉鋼產(chǎn)能的不斷增加，提高現(xiàn)有連鑄機(jī)拉速、增加鑄坯產(chǎn)量，已成為天津市新天鋼聯(lián)合特鋼有限公司（以下簡(jiǎn)稱聯(lián)合特鋼）當(dāng)前的重點(diǎn)攻關(guān)任務(wù)。由于轉(zhuǎn)爐冶煉工藝和技術(shù)的不斷改進(jìn)，聯(lián)合特鋼轉(zhuǎn)爐冶煉周期已由28min 縮短至23 min，而配套的小板坯連鑄機(jī)（1 號(hào)連鑄機(jī)）設(shè)計(jì)最高拉速為1.4m/min，澆鋼周期為27min，已不能適應(yīng)轉(zhuǎn)爐煉鋼的生產(chǎn)節(jié)奏。為了解決爐機(jī)匹配問題，提高煉鋼系統(tǒng)整體生產(chǎn)水平，實(shí)現(xiàn)連鑄機(jī)“高拉速、提日產(chǎn)、增效益”的攻關(guān)目標(biāo)，聯(lián)合特鋼對(duì)1號(hào)連鑄機(jī)開展了提拉速的工藝研究和生產(chǎn)實(shí)踐。

在1 號(hào)連鑄機(jī)提速過程中，由于連鑄設(shè)備和生產(chǎn)工藝調(diào)整不到位等原因，鑄坯經(jīng)常出現(xiàn)表面裂紋、角部裂紋及渣溝等缺陷，影響了連鑄機(jī)的提速攻關(guān)。本文對(duì)提速后鑄坯表面缺陷產(chǎn)生的原因進(jìn)行了研究，分析了連鑄設(shè)備和生產(chǎn)工藝對(duì)鑄坯表明缺陷產(chǎn)生的影響，據(jù)此提出了優(yōu)化改進(jìn)措施。

1 聯(lián)合特鋼1號(hào)連鑄機(jī)概況

聯(lián)合特鋼1 號(hào)連鑄機(jī)于2021年1月28日投產(chǎn)，設(shè)計(jì)產(chǎn)能為153.76×104t/a。連鑄機(jī)機(jī)型是R9m 四機(jī)四流直弧小板坯連鑄機(jī)，設(shè)計(jì)最高拉速為1.4m/min。生產(chǎn)鋼種主要為碳素結(jié)構(gòu)鋼（Q195、Q235）、低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼（Q355B）。表1為聯(lián)合特鋼1號(hào)連鑄機(jī)主要工藝技術(shù)參數(shù)。

表1 聯(lián)合特鋼1號(hào)連鑄機(jī)主要工藝技術(shù)參數(shù)Table 1 Main process technical parameters of No.1 small slab caster in United Special Steel

2 提速過程中遇到的“瓶頸”

聯(lián)合特鋼煉鋼廠為實(shí)現(xiàn)“高拉速、提日產(chǎn)、增效益”的目標(biāo)，充分發(fā)揮小板坯連鑄機(jī)的作用，開展了提高連鑄機(jī)拉速的攻關(guān)。但在提高連鑄機(jī)拉速的過程中，鑄坯表面經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)渣溝、裂紋等質(zhì)量缺陷，已成為制約煉鋼廠高效化生產(chǎn)的“瓶頸”。經(jīng)分析鑄坯表面質(zhì)量缺陷主要受到兩個(gè)方面的影響：一方面是鋼水在結(jié)晶器內(nèi)凝固時(shí)間變短，結(jié)晶器內(nèi)的熱流密度增大，原有的熱平衡被打破，結(jié)晶器出口處坯殼變薄，鑄坯易形成表面裂紋缺陷；另外一方面，由于連鑄機(jī)拉速提高，結(jié)晶器液面波動(dòng)加劇，鑄坯易形成表面渣溝缺陷[1]。

為了消除連鑄機(jī)提速后帶來的質(zhì)量問題，對(duì)小板坯連鑄機(jī)的結(jié)晶器錐度、中包穩(wěn)流器結(jié)構(gòu)形式、保護(hù)渣理化指標(biāo)、設(shè)備弧度精度、二冷系統(tǒng)工藝設(shè)備開展了研究，查找有可能造成鑄坯表面質(zhì)量缺陷的因素。在此基礎(chǔ)上提出了連鑄機(jī)設(shè)備和生產(chǎn)工藝的優(yōu)化改進(jìn)措施。

3 設(shè)備技術(shù)改造和工藝優(yōu)化

3.1 板式結(jié)晶器銅板錐度設(shè)計(jì)的優(yōu)化

拉速提高后鑄坯在結(jié)晶器內(nèi)滯留時(shí)間變短，使坯殼與結(jié)晶器銅板脫離形成一定的氣隙，且越向下部氣隙寬度越大，這會(huì)造成液態(tài)保護(hù)渣進(jìn)入縫隙，鑄坯在結(jié)晶器內(nèi)潤(rùn)滑傳熱受阻，出結(jié)晶器的坯殼變薄。據(jù)統(tǒng)計(jì)拉速升高0.2m/min，出結(jié)晶器溫度升高18℃，出結(jié)晶器坯殼變薄且不均，易產(chǎn)生裂紋漏鋼。為減少坯殼與結(jié)晶器銅板間氣隙，改善結(jié)晶器傳熱效率，提高結(jié)晶器出口坯殼的厚度和均勻度，按照高拉速下鑄坯在結(jié)晶器內(nèi)的收縮曲線與結(jié)晶器銅板內(nèi)壁曲線相一致的原則，設(shè)計(jì)結(jié)晶器銅板錐度曲線。

結(jié)晶器銅板錐度優(yōu)化設(shè)計(jì)：結(jié)晶器使用爐數(shù)＜900爐，錐度調(diào)整為3.2；使用爐數(shù)≥900爐，錐度調(diào)整為3.5。為驗(yàn)證優(yōu)化設(shè)計(jì)的效果，對(duì)結(jié)晶器內(nèi)坯殼凝固過程進(jìn)行了計(jì)算分析。

3.1.1 結(jié)晶器內(nèi)坯殼凝固傳熱計(jì)算

考慮坯殼-結(jié)晶器銅板界面動(dòng)態(tài)填充保護(hù)渣膜和氣隙，建立以鑄坯-結(jié)晶器銅板為整體仿真對(duì)象的有限元計(jì)算模型。對(duì)原結(jié)構(gòu)和新結(jié)構(gòu)結(jié)晶器采用相同工藝參數(shù)，計(jì)算鑄坯在結(jié)晶器內(nèi)凝固坯殼的傳熱和受力，結(jié)晶器工藝參數(shù)如表2所示。圖1為原、新結(jié)構(gòu)結(jié)晶器距離彎月面不同高度處的坯殼變形分布。

表2 結(jié)晶器工藝參數(shù)Table 2 Process parameters of mold

通過圖1可以看出，在拉速提高到2.1m/min條件下，新結(jié)構(gòu)結(jié)晶器由于采用更大的錐度補(bǔ)償量，鑄坯角部附近區(qū)域（特別是窄面角部）相比原結(jié)晶器的錐度補(bǔ)償效果更佳。鑄坯凝固全程新結(jié)構(gòu)結(jié)晶器界面間隙（0.8mm）小于原結(jié)構(gòu)結(jié)晶器界面間隙（1.0mm），可有效提高結(jié)晶器內(nèi)凝固坯殼的傳熱均勻性。

為了加強(qiáng)結(jié)晶器的冷卻效果，寬、窄面銅板的厚度均整體減小4mm，使得銅板的溫度整體相對(duì)原結(jié)構(gòu)結(jié)晶器低，但溫度分布的均勻性基本相同。同時(shí)由圖1可以看出，新結(jié)構(gòu)結(jié)晶器在較薄銅板厚度和較大窄面銅板錐度條件下，由于銅板的冷卻強(qiáng)度增加，且角部區(qū)域無明顯氣隙產(chǎn)生，在相同高度下新結(jié)構(gòu)結(jié)晶器內(nèi)的鑄坯寬、窄面凝固厚度整體大于原結(jié)構(gòu)結(jié)晶器。

圖1 原、新結(jié)構(gòu)結(jié)晶器距離彎月面不同高度處的坯殼變形分布Fig.1 Deformation distribution of shell at different heights from meniscus of original and new molds

3.1.2 板坯結(jié)晶器內(nèi)凝固坯殼厚度

提取原結(jié)構(gòu)結(jié)晶器與新結(jié)構(gòu)結(jié)晶器寬、窄面中心溫度及其坯殼厚度。圖2為原、新結(jié)構(gòu)結(jié)晶器鑄坯寬面中心溫度和坯殼厚度分布。圖3為原、新結(jié)構(gòu)結(jié)晶器鑄坯窄面中心溫度和坯殼厚度分布。表2為原、新結(jié)構(gòu)結(jié)晶器出口處的坯殼表面溫度與厚度數(shù)據(jù)對(duì)比。

圖2 原、新結(jié)構(gòu)結(jié)晶器鑄坯寬面中心溫度和坯殼厚度分布Fig.2 Distribution of center temperature and shell thickness of wide face of original and new molds

圖3 原、新結(jié)構(gòu)結(jié)晶器鑄坯窄面中心溫度和坯殼厚度分布Fig.3 Distribution of center temperature and shell thickness of narrow face of original and new molds

表3 原、新結(jié)構(gòu)結(jié)晶器出口處坯殼厚度和溫度數(shù)據(jù)對(duì)比Table 3 Comparison of shell thickness and temperature data at the exit of original and new molds

綜上所述，新結(jié)構(gòu)結(jié)晶器在冷卻工藝不變的條件下，冷卻強(qiáng)度整體有所加強(qiáng)，鑄坯出結(jié)晶器的寬、窄面中心處溫度分別降低12℃和14℃，對(duì)應(yīng)坯殼厚度分別增加2.8mm 和2.6mm，有助于保障高拉速下出結(jié)晶器坯殼的安全厚度。

3.2 優(yōu)化穩(wěn)流器結(jié)構(gòu)形式

采用抑湍器+導(dǎo)流擋墻+擋壩的控流方法優(yōu)化穩(wěn)流器結(jié)構(gòu)形式，優(yōu)化后穩(wěn)流器結(jié)構(gòu)形式如圖4所示。圖5為優(yōu)化后穩(wěn)流器各流之間鋼液溫度分布，由圖5可以看出，通過改變中包穩(wěn)流器結(jié)構(gòu)形式，均勻了中間包內(nèi)鋼液溫度，使中包內(nèi)各流之間鋼液溫度分布更加合理，各流出口處鋼水溫差在2℃～3℃之間。這不僅降低了中間包耐材的沖刷和侵蝕，而且實(shí)現(xiàn)低過熱度澆鋼，為提高連鑄機(jī)拉速創(chuàng)造了有利條件。

圖4 優(yōu)化后穩(wěn)流器結(jié)構(gòu)形式Fig.4 structure form of flow stabilizer after optimization

圖5 優(yōu)化后穩(wěn)流器各流之間鋼液溫度分布Fig.5 Temperature distribution of molten steel between the streams of flow stabilizer after optimization

3.3 結(jié)晶器振動(dòng)參數(shù)的優(yōu)化

聯(lián)合特鋼1 號(hào)機(jī)結(jié)晶器為液壓振動(dòng)，振動(dòng)頻率為75 次/min～220 次/min，振幅為0±6 mm。表4為優(yōu)化前后結(jié)晶器的振動(dòng)參數(shù)，表中：C1為零拉速時(shí)的振動(dòng)行程，C2為振動(dòng)行程的拉速因子，C3為零拉速時(shí)的振動(dòng)頻率，C4為振動(dòng)頻率的拉速因子，C5為非正弦因子，fmax為最大振頻。結(jié)晶器振動(dòng)頻率f=C3+C4V（V 為連鑄機(jī)拉速）；結(jié)晶器振程S=C1+C2V；結(jié)晶器振動(dòng)偏斜率a=2C5-1，正弦偏斜率a=0。

表4 優(yōu)化前后結(jié)晶器的振動(dòng)參數(shù)Table 4 Vibration parameters before and after optimization

在生產(chǎn)低碳鋼時(shí)，振動(dòng)參數(shù)優(yōu)化后可使振幅隨著拉速的增加而增加，維持了相對(duì)穩(wěn)定的負(fù)滑動(dòng)時(shí)間，以控制鑄坯振痕深度。在拉速1.7m/min～2.1m/min 范圍內(nèi)，負(fù)滑動(dòng)率在-35%～-37%之間,負(fù)滑動(dòng)時(shí)間為0.11s～0.13s,正滑動(dòng)時(shí)間為0.22s～0.26s,有利于降低鑄坯振痕深度和保護(hù)渣的耗量，即可保證優(yōu)良的鑄坯表面質(zhì)量，又可提高拉坯速度。

3.4 改進(jìn)保護(hù)渣的理化指標(biāo)

高拉速下初生坯殼與結(jié)晶器間形成間隙，液態(tài)保護(hù)渣進(jìn)入間隙形成厚渣膜，厚渣膜阻礙了鑄坯熱量的傳遞，隨著坯殼進(jìn)一步收縮形成表面渣溝。如果鋼水成分不好，如硫、磷含量高，在渣溝處形成低熔點(diǎn)物質(zhì)，可造成渣溝底部伴隨的裂紋。針對(duì)這種情況，為實(shí)現(xiàn)連鑄坯的高速生產(chǎn)，需要優(yōu)化保護(hù)渣理化指標(biāo)，以保證結(jié)晶器內(nèi)的潤(rùn)滑和改善傳熱，表5、表6為保護(hù)渣理化指標(biāo)優(yōu)化前后的對(duì)比。保護(hù)渣指標(biāo)堿度由0.87 調(diào)整為1.16，粘度指標(biāo)由0.38Pa·s 調(diào)整為1.105Pa·s。選用高粘度保護(hù)渣，可有效保障渣膜均勻性，防止斷渣或渣膜厚薄不均。同時(shí)高粘度保護(hù)渣內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對(duì)更密實(shí)，可起到延緩鑄坯傳熱的作用，從傳熱均勻性和延緩傳熱兩方面改善鑄坯渣溝和裂紋缺陷。

表5 保護(hù)渣化學(xué)成分優(yōu)化前后的對(duì)比Table 5 Comparison of chemical composition before and after mold powder optimization

表6 保護(hù)渣物理指標(biāo)優(yōu)化前后的對(duì)比Table 6 Comparison of physical indicators before and after mold powder optimization

3.5 校驗(yàn)連鑄機(jī)弧度與扇形段輥縫開口度

小板坯連鑄機(jī)要嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求對(duì)弧度進(jìn)行精確校驗(yàn)。要求調(diào)弧誤差控制在±0.2mm 以內(nèi)，開口度誤差控制在±0.2mm 以內(nèi)，各段之間兌弧誤差控制在±0.25mm 以內(nèi)，扇形段輥縫開口度入口值由182.5mm 調(diào)整為181mm。提高對(duì)弧精度的措施主要有：采用階梯樣板對(duì)弧的同時(shí)要考慮輥?zhàn)拥乃狡?，增加水平測(cè)量操作，在對(duì)弧樣板上刻上尺寸刻度；制定合理的對(duì)弧公差控制制度，使整個(gè)扇形段單體的對(duì)弧精度一致；定期復(fù)測(cè)和調(diào)整離線對(duì)中臺(tái)，保證扇形段外弧與對(duì)中臺(tái)兩個(gè)橫梁在同一平面，若超過偏差值，則必須調(diào)整；做好連鑄機(jī)設(shè)備日常維護(hù)工作，降低因?qū)≌`差過大，鑄坯產(chǎn)生應(yīng)變導(dǎo)致的裂紋缺陷發(fā)生率。

3.6 二冷設(shè)備工藝優(yōu)化改造

二冷系統(tǒng)為連鑄機(jī)關(guān)鍵工藝設(shè)備之一，是決定連鑄機(jī)產(chǎn)量和鑄坯質(zhì)量重要環(huán)節(jié)，與鑄坯內(nèi)裂、鼓肚、中心偏析和縮孔等缺陷有著密切關(guān)聯(lián)。高速生產(chǎn)時(shí)，鑄坯溫度升高，坯殼薄且不均勻，易產(chǎn)生內(nèi)裂引起漏鋼事故。為確保連鑄機(jī)在高拉速下穩(wěn)定生產(chǎn)，對(duì)拉速變化引起結(jié)晶器熱流密度的影響、結(jié)晶器銅板溫度的影響、矯直區(qū)鑄坯表面溫度變化等工藝進(jìn)行了研究，確定了二冷系統(tǒng)設(shè)備工藝技術(shù)改造方案。

（1）增加二冷1 區(qū)側(cè)弧，以及4 區(qū)、5 區(qū)、6 區(qū)內(nèi)、外弧噴淋水管的管徑，管徑由DN25mm 增加至DN50mm，并對(duì)Y型過濾器、法蘭球閥、氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥、流量計(jì)等設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)的改造。

（2）對(duì)二冷氣霧水嘴進(jìn)行重新選型并重新布置。零段內(nèi)、外弧水條由2 排改為3 排，立彎段由2排改為3排、2排混合冷卻。

（3）增加儲(chǔ)氣罐壓縮空氣進(jìn)氣量，壓縮空氣進(jìn)口管徑由DN125mm 調(diào)整為DN200mm，儲(chǔ)氣罐由5m3改為8m3，壓力提高0.1MPa。

（4）根據(jù)鋼種的高溫力學(xué)性能及其質(zhì)量要求，制定相應(yīng)的動(dòng)態(tài)二冷控制模型。在中間包過熱度15℃～30℃范圍內(nèi)，通過合理設(shè)定水量與分布，在不同拉速下優(yōu)化各冷卻段二冷配水量，實(shí)現(xiàn)鑄坯表面水量冷卻均勻。

改造完成后，二冷系統(tǒng)單流水量由105m3/h 提高到145m3/h。在不同鋼種、拉速等工藝條件下建立二冷水量與溫度場(chǎng)的關(guān)系，采用二冷動(dòng)態(tài)冷卻模型設(shè)定水流量和配水比，實(shí)現(xiàn)了二冷水和空氣流量的優(yōu)化控制，提高了冷卻效率，使鑄坯表面溫度分布更加均勻，提高了鑄坯表面和內(nèi)部質(zhì)量。

4 結(jié)論

針對(duì)聯(lián)合特鋼小板坯連鑄機(jī)提速過程中，鑄坯經(jīng)常出現(xiàn)表面裂紋、角部裂紋及渣溝缺陷的問題，本文從連鑄設(shè)備和工藝兩個(gè)方面進(jìn)行了研究和探討。生產(chǎn)實(shí)踐表明，通過優(yōu)化結(jié)晶器錐度、優(yōu)化穩(wěn)流器結(jié)構(gòu)形式與振動(dòng)工藝參數(shù)、改進(jìn)保護(hù)渣理化指標(biāo)、校對(duì)連鑄機(jī)弧度、調(diào)整扇形段開口度、二冷設(shè)備工藝優(yōu)化改造等優(yōu)化改進(jìn)措施的實(shí)施，聯(lián)合特鋼1號(hào)連鑄機(jī)拉速由1.4m/min 提高至2.0m/min，拉速最高達(dá)到2.1m/min，實(shí)現(xiàn)了煉鋼廠“高拉速、提日產(chǎn)、增效益”的連鑄攻關(guān)目標(biāo)。

聯(lián)合特鋼1 號(hào)連鑄機(jī)拉速的提高,實(shí)現(xiàn)了煉鋼和連鑄的爐機(jī)匹配，使煉鋼廠的日產(chǎn)鋼量由5000t提高至7500t，連鑄機(jī)年生產(chǎn)連鑄坯能力達(dá)到了200×104t 以上，鑄坯質(zhì)量合格率由98.27%提高至99.99%，經(jīng)濟(jì)效益顯著。