方坯連鑄機(jī)關(guān)鍵技術(shù)及國(guó)產(chǎn)

方坯連鑄機(jī)關(guān)鍵技術(shù)及國(guó)產(chǎn)

1鋼鐵的生產(chǎn)通常，厚體積的方形連鑄機(jī)（包括圓形和矩形虛套）被稱為大尺寸的連鑄機(jī)。大方坯連鑄機(jī)澆注的主要鋼種為中、高碳鋼、合金鋼等,用于軋制重軌、硬線、無(wú)縫鋼管、大中型H型鋼、棒材、鍛材等。大方坯連鑄機(jī)鋼種特殊且斷面較大,在澆注過(guò)程中易出現(xiàn)表面縱、橫裂紋、星狀裂紋、角部凹陷、表面和皮下大型夾雜物和內(nèi)部縮孔、白亮帶、中心疏松、中心偏析和內(nèi)部裂紋等缺陷,各大鋼鐵設(shè)計(jì)公司在大方坯連鑄生產(chǎn)操作技術(shù)、生產(chǎn)組織、裝備開(kāi)發(fā)上作出了很多科研創(chuàng)新工作,使大方坯連鑄技術(shù)得到了迅速發(fā)展。2中間罐、機(jī)械入、鑄坯質(zhì)量判定系統(tǒng)大方坯連鑄機(jī)既有一般連續(xù)鑄鋼技術(shù)的特點(diǎn),又有其自身的特點(diǎn),采用如無(wú)氧化保護(hù)澆注、結(jié)晶器液面自動(dòng)檢測(cè)和控制、保護(hù)渣自動(dòng)加入、鑄坯緩冷、功能齊全的中間罐維修區(qū)和機(jī)械維修區(qū)、兩級(jí)計(jì)算機(jī)控制、鑄坯質(zhì)量判定系統(tǒng)等技術(shù)。連鑄坯質(zhì)量的提高主要依賴于連鑄裝備和生產(chǎn)操作技術(shù)的優(yōu)化,近年來(lái)為適應(yīng)大方坯連鑄機(jī)鋼種種類多、質(zhì)量高的要求,除優(yōu)化設(shè)計(jì)連鑄機(jī)的輥列外,其結(jié)晶器電磁攪拌、結(jié)晶器液壓振動(dòng)、二冷段電磁攪拌、凝固末端電磁攪拌、凝固末端輕壓下和二冷水控制等關(guān)鍵技術(shù)已成為大方坯連鑄機(jī)必不可少的技術(shù)。2.1列的設(shè)計(jì)(1)解決了試鑄機(jī)以直弧形變形鑄坯聯(lián)鑄機(jī)為代表的大尺寸連鑄機(jī)視澆注鋼種和斷面的不同,大方坯連鑄機(jī)機(jī)型有立式、直弧形、全弧形,如奧鋼聯(lián)設(shè)計(jì),1993年投產(chǎn)的德國(guó)EWK公司W(wǎng)itten廠340mm×475mm斷面的大方坯連鑄機(jī)就是一臺(tái)立式連鑄機(jī);日本住友重機(jī)設(shè)計(jì),1995年投產(chǎn)的小倉(cāng)制鐵所300mm×400mmNo.3連鑄機(jī)就是一臺(tái)直弧形5點(diǎn)彎曲4點(diǎn)矯直的大方坯連鑄機(jī)。由于大方坯連鑄機(jī)所澆注的鋼種大多為高品質(zhì)鋼,其基本弧形半徑都比較大,直弧形機(jī)型能夠使夾雜物上浮和均勻分布的優(yōu)點(diǎn)在大方坯連鑄機(jī)上并不十分明顯,且還會(huì)因高溫下彎曲鑄坯產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力和彎曲應(yīng)變而影響鑄坯質(zhì)量。因此,目前已建和在建的大方坯連鑄機(jī)多以全弧形連鑄機(jī)為主。(2)結(jié)晶器有效長(zhǎng)度結(jié)晶器的長(zhǎng)度根據(jù)出結(jié)晶器下口時(shí)鑄坯的坯殼最小厚度確定。結(jié)晶器有效長(zhǎng)度Lm=δ2k2mvmaxLm=δ2km2vmax式中,Lm為結(jié)晶器的有效長(zhǎng)度,mm;km為結(jié)晶器內(nèi)鋼液的凝固系數(shù),mm/min1/2;δ為鑄坯出結(jié)晶器下口時(shí)的坯殼厚度,mm;vmax為鑄機(jī)的最高拉速,m/min。結(jié)晶器的長(zhǎng)度=Lm+100結(jié)晶器出口的坯殼厚度應(yīng)大于12mm;km=18～22mm/min1/2。大方坯連鑄機(jī)結(jié)晶器長(zhǎng)度大多在700～850mm之間。(3)并澆鑄坯織構(gòu)設(shè)計(jì)連鑄機(jī)基本圓弧半徑是確定弧形連鑄機(jī)總高度的重要參數(shù),也是標(biāo)志連鑄機(jī)所能澆鑄的鑄坯厚度范圍的參數(shù)。如果鑄機(jī)半徑太小,矯直時(shí)會(huì)因鑄坯內(nèi)弧側(cè)變形太大,而使內(nèi)弧側(cè)兩相界產(chǎn)生裂紋。適當(dāng)增大圓弧半徑,有利于降低兩相界應(yīng)變,并使夾雜物得到充分上浮的機(jī)會(huì),也有利于降低鑄坯的矯直應(yīng)力和應(yīng)變。但過(guò)大的圓弧半徑會(huì)因鋼水靜壓力增加及連鑄機(jī)高度增加而使設(shè)備費(fèi)用及廠房、基礎(chǔ)費(fèi)用增大。大方坯連鑄機(jī)的基本圓弧半徑R≥cD其中,D為所澆鑄坯最大厚度,mm;c為系數(shù),一般普通鋼和低合金鋼取c=35～40、優(yōu)質(zhì)鋼取c=40～50。(4)矯直半徑的計(jì)算大方坯兩相界的綜合應(yīng)變是指其矯直應(yīng)變、鼓肚應(yīng)變和輥?zhàn)渝e(cuò)位應(yīng)變?cè)趦上嘟缟系拇鷶?shù)和。常用的辦法是先設(shè)定矯直點(diǎn)的數(shù)量,計(jì)算出兩相界綜合應(yīng)變,再與允許值進(jìn)行比較。如果大于允許值,則增加矯直點(diǎn)的數(shù)目重新校核。兩相界綜合應(yīng)變的允許值為0.5%。對(duì)于多點(diǎn)矯直的大方坯連鑄機(jī),計(jì)算矯直半徑的原則是先算出兩相界總的矯直應(yīng)變,然后平均分配到各矯直點(diǎn),再根據(jù)各點(diǎn)的矯直應(yīng)變計(jì)算其矯直半徑。兩相界總應(yīng)變的計(jì)算公式為ε=(D/2-Si)×1/(R-D/2)×100%式中,ε為鑄坯兩相界總應(yīng)變;D為所澆鑄坯的最大厚度,mm;Si為矯直點(diǎn)處的坯殼厚度,mm;R為鑄機(jī)基本圓弧半徑,mm。多點(diǎn)矯直時(shí)各矯直點(diǎn)兩相界的矯直應(yīng)變?yōu)棣興=ε/N×100%式中,εd為各矯直點(diǎn)兩相界的矯直應(yīng)變;N為矯直點(diǎn)的數(shù)目。各矯直點(diǎn)的矯直半徑為Ri+1=11Ri?D2?εdD2?Si+D2Ri+1=11Ri-D2-εdD2-Si+D2式中,Ri+1為從前向后依次求出的各矯直點(diǎn)的矯直半徑,mm;Si為矯直點(diǎn)的坯殼厚度,mm。由于計(jì)算矯直點(diǎn)時(shí)連鑄機(jī)機(jī)長(zhǎng)還未確定,各矯直點(diǎn)的坯殼厚度是不一樣的,因此要對(duì)計(jì)算出的矯直半徑Ri+1、Ri+2……根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行修正,然后圓整取整數(shù)即可作為各矯直點(diǎn)的矯直半徑。(5)連鑄機(jī)長(zhǎng)度的計(jì)算公式大方坯連鑄機(jī)的冶金長(zhǎng)度是十分重要的設(shè)備參數(shù),其決定連鑄機(jī)的拉速和生產(chǎn)能力。冶金長(zhǎng)度計(jì)算公式為L(zhǎng)冶金=D24k2vcmaxL冶金=D24k2vcmax式中,L冶金為連鑄機(jī)的冶金長(zhǎng)度,mm;D為所澆鑄坯的厚度,mm;k為平均凝固系數(shù),一般取25～27mm/min1/2;vcmax為對(duì)應(yīng)所澆鑄坯的最大拉速,m/min。(6)輥列的初步確定根據(jù)機(jī)械結(jié)構(gòu),大方坯連鑄機(jī)拉矯機(jī)各輥輥距多在1300～1600mm,依據(jù)計(jì)算的矯直點(diǎn)數(shù)目和矯直半徑確定矯直區(qū)的圓心角θ,則基本圓弧半徑所對(duì)應(yīng)的外弧線長(zhǎng)度的圓心角為α=90°-θ,并根據(jù)鑄坯兩相界綜合應(yīng)變并參考類似的鑄機(jī)的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)確定基本圓弧線上內(nèi)外弧及側(cè)面的支撐輥對(duì)數(shù)、輥間距和輥徑,內(nèi)外弧密排輥區(qū)的長(zhǎng)度多為3.5～10m,至此,多點(diǎn)矯直的大方坯連鑄機(jī)的輥列已初步確定。(7)輥列的排列y=Kx36RLy=Κx36RL式中,R為鑄機(jī)基本圓弧半徑,mm;L為矯直區(qū)長(zhǎng)度,mm;K為系數(shù)。矯直區(qū)圓心角為θ=arctgKx22RLΚx22RL在連續(xù)矯直區(qū)域,x坐標(biāo)軸方向的最大坐標(biāo)長(zhǎng)度L對(duì)應(yīng)的圓心角為θ=arctgKL22RLΚL22RL,基本圓弧半徑確定的弧形段所對(duì)應(yīng)的圓心角為α=90°?θ=90°?arctgKL2Rα=90°-θ=90°-arctgΚL2R,至此,畫(huà)出基本圓弧半徑確定的弧線段,再根據(jù)y=Kx36RLy=Κx36RL畫(huà)出連續(xù)矯直曲線與基本圓弧半徑相接,然后畫(huà)出圓弧區(qū)及矯直區(qū)的輥?zhàn)优帕?大方坯連鑄機(jī)的輥列設(shè)計(jì)即告完成。2.2結(jié)晶器電磁器的安裝位置和最佳作用長(zhǎng)度的確定電磁攪拌的實(shí)質(zhì)是借助在鑄坯液相穴中感生的電磁力強(qiáng)化鋼水的對(duì)流、傳熱和傳質(zhì)過(guò)程。結(jié)晶器電磁攪拌(M-EMS)用于增加鋼水流動(dòng),均勻鋼水溫度,促進(jìn)等軸晶形成,使得坯殼均勻生成并促使夾雜物上浮;二冷區(qū)電磁攪拌(S-EMS)用于擴(kuò)大等軸晶,消除中心縮孔,減小中心偏析;凝固末端電磁攪拌(F-EMS)用于消除或減小鑄坯中心疏松和中心偏析。在結(jié)晶器電磁攪拌作用下,結(jié)晶器內(nèi)的鋼水受到兩個(gè)電磁力作用,一是切向電磁力使鋼水產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),有利于夾雜物向中心聚集上浮,二是由中心向外的徑向電磁力驅(qū)使鋼水由中心向外流動(dòng),均勻了鋼水溫度,增加了鋼水和結(jié)晶器壁之間的熱交換,使晶粒細(xì)化,減少柱狀晶,增加等軸晶。結(jié)晶器電磁攪拌器的安裝位置和攪拌器的有效作用長(zhǎng)度對(duì)其有效運(yùn)行和良好的攪拌效果至關(guān)重要,安裝位置和攪拌器的有效作用長(zhǎng)度與所澆鑄的鋼種、鑄坯斷面、結(jié)晶器長(zhǎng)度和銅板厚度、彎月面的位置、浸入式水口的浸入深度、拉速及結(jié)晶器液面檢測(cè)裝置的位置等有關(guān)。結(jié)晶器電磁攪拌器的安裝位置要考慮三個(gè)因素:①?gòu)慕胧剿诹鞒龅倪^(guò)熱鋼水盡可能多地滯留在結(jié)晶器上部;②彎月面附近的磁場(chǎng)盡可能小一些,避免彎月面波動(dòng)和卷渣;③彎月面附近的鋼水要保持一定的流動(dòng)速度,即不能太強(qiáng)也不能太弱。根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn),適當(dāng)降低結(jié)晶器電磁攪拌的安裝位置對(duì)提高鑄坯質(zhì)量是有好處的。適當(dāng)增加結(jié)晶器電磁攪拌器的有效作用長(zhǎng)度有利于延長(zhǎng)鋼水在結(jié)晶器內(nèi)的滯留時(shí)間,使鋼水溫度差盡快消失;鋼水旋轉(zhuǎn)作用的距離加長(zhǎng),有利于提高攪拌效果;由于結(jié)晶器內(nèi)鋼水的過(guò)強(qiáng)攪拌會(huì)使鑄坯皮下產(chǎn)生不同程度的負(fù)偏析帶,單位長(zhǎng)度上的攪拌強(qiáng)度越強(qiáng),負(fù)偏析越嚴(yán)重。為減輕負(fù)偏析的影響,同時(shí)又達(dá)到比較理想的攪拌效果,宜采取降低攪拌強(qiáng)度增加攪拌長(zhǎng)度,擴(kuò)大攪拌強(qiáng)度的調(diào)控范圍,以適應(yīng)不同鋼種攪拌參數(shù)的優(yōu)化。攀鋼1#大方坯連鑄機(jī)結(jié)晶器電磁攪拌器的長(zhǎng)度為460mm,電磁攪拌裝置頂面在彎月面下250mm;攀鋼2#大方坯連鑄機(jī)結(jié)晶器電磁攪拌器的長(zhǎng)度為560mm,電磁攪拌裝置頂面在彎月面下180mm;鞍鋼大方坯連鑄機(jī)結(jié)晶器電磁攪拌的長(zhǎng)度為680mm,電磁攪拌裝置頂面在彎月面下335mm。二冷區(qū)電磁攪拌雖然使鑄坯增加了等軸晶區(qū),消除了中心縮孔,減少了中心偏析,但對(duì)最終凝固組織的作用很小,不能完全消除中心偏析,且攪拌后會(huì)使鑄坯內(nèi)部出現(xiàn)白亮帶,因此二冷區(qū)電磁攪拌相對(duì)來(lái)說(shuō)使用較少。凝固末端電磁攪拌通過(guò)攪動(dòng)液芯,促進(jìn)了高濃度鋼液的對(duì)流,消除晶間的搭橋,從而消除或減小鑄坯中心疏松和中心偏析,但同時(shí)也在鑄坯內(nèi)部產(chǎn)生了白亮帶,且攪拌功率大,生產(chǎn)成本高。因此凝固末端電磁攪拌相對(duì)來(lái)說(shuō)使用也較少。目前,大方坯連鑄機(jī)一般都配置有結(jié)晶器電磁攪拌,凝固末端電磁攪拌多與結(jié)晶器電磁攪拌組合為F-EMS使用。相對(duì)來(lái)說(shuō),二冷區(qū)電磁攪拌與結(jié)晶器電磁攪拌組合使用較少。2.3液壓振動(dòng)裝置隨著連鑄技術(shù)的發(fā)展,傳統(tǒng)的以上、下振動(dòng)相互對(duì)稱為特征的正弦振動(dòng)不能滿足上慢下快的最佳振動(dòng)要求。自1985年液壓振動(dòng)裝置在日本鋼管福山5號(hào)機(jī)上應(yīng)用以來(lái),以其優(yōu)良的特性迅速得到推廣。單個(gè)或兩個(gè)液壓缸驅(qū)動(dòng)及無(wú)磨損的板簧導(dǎo)向系統(tǒng),利用伺服閥液壓控制系統(tǒng)及帶位移傳感器的液壓缸,可在線準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)振動(dòng)頻率、振幅和波形偏斜率,振動(dòng)精度高。利用控制軟件很容易實(shí)現(xiàn)上升速度慢、下降速度快的非正弦振動(dòng)曲線,縮短了負(fù)滑動(dòng)時(shí)間,使鑄坯表面的振痕更加規(guī)則且振痕深度變淺,從而獲得良好的鑄坯表面質(zhì)量。據(jù)報(bào)道,采用液壓振動(dòng)裝置,碳鋼的可見(jiàn)缺陷減少了50%,不銹鋼鑄坯的振痕深度減小了57%,減少了其修磨損失,提高了金屬收得率。均衡的保護(hù)渣潤(rùn)滑,減少了鑄流摩擦力,不但有更好的表面質(zhì)量,而且提高了拉速,也提高了產(chǎn)量。液壓系統(tǒng)的振動(dòng)平穩(wěn)性及機(jī)械零件的無(wú)磨損性,使液壓振動(dòng)裝置壽命延長(zhǎng)、不需要操作更換件,只需準(zhǔn)備一套液壓缸作為備用。壽命長(zhǎng)、無(wú)操作更換件,大大減少了維修工作量,甚至可以不需要維修,降低了維修成本,減少了一次性投資,為用戶帶來(lái)了低投入、低成本、高產(chǎn)出的經(jīng)濟(jì)效益。液壓系統(tǒng)的振動(dòng)平穩(wěn)性也使結(jié)晶器銅板壽命延長(zhǎng)。2.4目標(biāo)溫度和計(jì)算溫度的點(diǎn)作為動(dòng)態(tài)控制點(diǎn)的應(yīng)用許多廠家在大方坯連鑄生產(chǎn)中多采用水表配水法。水表分弱冷、中冷、強(qiáng)冷和超強(qiáng)冷。生產(chǎn)過(guò)程中,根據(jù)不同的鋼種、澆注斷面和拉速選擇合適的冷卻曲線便可實(shí)現(xiàn)二次冷卻的自動(dòng)控制。有些廠家采用目標(biāo)表面溫度控制配水法。目標(biāo)表面溫度是按生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)設(shè)定,對(duì)于不同鋼種,確定不同工況條件下的目標(biāo)溫度曲線,并選出具有代表意義的關(guān)鍵點(diǎn)作為溫度跟蹤點(diǎn),使關(guān)鍵點(diǎn)的溫度值符合目標(biāo)溫度值。此二冷動(dòng)態(tài)控制表面上看好像是鑄坯表面溫度在動(dòng)態(tài)變化,而實(shí)質(zhì)是計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)計(jì)算方坯表面溫度,根據(jù)目標(biāo)溫度和計(jì)算溫度的偏差值,來(lái)修正目標(biāo)溫度,從而使水量隨拉速動(dòng)態(tài)變化,其控制方式為Qi=(Aiv2+Biv+Ci)×(1+αiΔT)Qi=(Aiv2+Biv+Ci)×(1+αiΔΤ)式中,Qi為第i個(gè)冷卻的水量;v為拉速;Ai、Bi、Ci為第i個(gè)冷卻區(qū)的配水參數(shù);αi為中間包鋼水過(guò)熱度的修正系數(shù);ΔT為中間包鋼水過(guò)熱度。該模型主要以鋼水過(guò)熱度、鋼種、鑄坯斷面、拉速、鑄坯表面溫度等因素確定水量的大小及分布,并實(shí)現(xiàn)二冷水的動(dòng)態(tài)控制,使鑄坯得到均勻適度的冷卻,提高鑄坯質(zhì)量。實(shí)際生產(chǎn),中間包內(nèi)鋼水的過(guò)熱度需按要求進(jìn)行控制,而鑄坯表面溫度由于二冷區(qū)的大量水汽、氧化鐵皮等使其實(shí)測(cè)值的真實(shí)性又有很大偏差,目標(biāo)溫度和實(shí)測(cè)溫度的比較幾乎是行不通的,而目標(biāo)溫度和計(jì)算溫度的比較完全可以在設(shè)計(jì)階段解決,不必要放在實(shí)際生產(chǎn)中作所謂的動(dòng)態(tài)控制。因此,二冷水的動(dòng)態(tài)控制實(shí)際上應(yīng)該是水量和拉速的動(dòng)態(tài)控制。2.5動(dòng)態(tài)輕壓下的連鑄技術(shù)輕壓下的作用是減輕鑄坯中心偏析、中心縮孔、消除中心疏松及中心裂紋。對(duì)大方坯連鑄機(jī)而言,靜態(tài)輕壓下就是澆鋼前設(shè)定好拉矯機(jī)的輥縫,在澆注過(guò)程中其輕壓下區(qū)域的尺寸和輥縫的位置是固定的,而動(dòng)態(tài)輕壓下則是在澆注過(guò)程中能根據(jù)凝固終點(diǎn)的位置確定整個(gè)拉矯機(jī)組中需要參與輕壓下的若干機(jī)架,并能改變輕壓下機(jī)架的壓下量。在大方坯連鑄生產(chǎn)過(guò)程中,鑄坯的液芯位置在鑄機(jī)二冷區(qū)內(nèi)是變化的,靜態(tài)輕壓下采用的固定位置壓下,不能很好地滿足連鑄生產(chǎn)要求,而采用動(dòng)態(tài)輕壓下是連鑄技術(shù)發(fā)展的必然選擇。把采集到的鋼種成分、澆注溫度、拉速、二冷水量等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及固液兩相并存的液芯位置等參數(shù)提供給電氣、液壓控制系統(tǒng),控制系統(tǒng)再進(jìn)行輕壓下的拉矯機(jī)機(jī)架、合適的壓下量和壓下速率的選擇,并根據(jù)壓下拉矯機(jī)的液壓缸位置信號(hào)對(duì)實(shí)際壓下情況進(jìn)行修正,即實(shí)現(xiàn)鑄坯的動(dòng)態(tài)輕壓下。3鋼板國(guó)內(nèi)統(tǒng)一的體制,以鋼板連鑄機(jī)為核心1998年前,由于設(shè)備和生產(chǎn)操作等問(wèn)題,國(guó)內(nèi)建成投產(chǎn)的大方坯連鑄機(jī)大多為引進(jìn)設(shè)備,如包鋼、西寧特鋼、江陰興澄特鋼、馬鋼、撫順特鋼等。隨著連鑄設(shè)備和一些生產(chǎn)操作軟件的引進(jìn),國(guó)內(nèi)開(kāi)展了消化、移植及技術(shù)攻關(guān),極大地推動(dòng)了我國(guó)大方坯連鑄技術(shù)的發(fā)展。1998年西安重型機(jī)械研究所(西重所)承接了鞍鋼一煉鋼1號(hào)4機(jī)4流280mm×280mm、280mm×380mm大方坯連鑄機(jī),2000年元月投產(chǎn),這在當(dāng)時(shí)是第一臺(tái)水平較高的國(guó)產(chǎn)化大方坯連鑄機(jī),鞍鋼大方坯連鑄機(jī)的一次熱試投產(chǎn),結(jié)束了國(guó)內(nèi)現(xiàn)代化大方坯連鑄機(jī)完全依賴進(jìn)口的歷史。2000年12月,西重所再次與鞍鋼院簽訂了鞍鋼2號(hào)4機(jī)4流大方坯連鑄機(jī)的設(shè)計(jì)合同,負(fù)責(zé)其核心部位的設(shè)備設(shè)計(jì)。鞍鋼2號(hào)大方坯連鑄機(jī)澆鑄斷面為280mm×380mm、320mm×410mm,澆鑄的鋼種為重軌鋼、低合金