江兵¹

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摘  要：某鋼廠一臺小方坯的連鑄連軋鑄機(jī)進(jìn)行高拉速改造，將結(jié)晶器長度延長1m，比水量提升至1.9L/Kg，延長二冷區(qū)長度，重新對噴嘴進(jìn)行選型設(shè)計，并依據(jù)連鑄連軋工藝需求，設(shè)計了變比水量的二冷水表，實際應(yīng)用后，鑄機(jī)平均拉速從2.8m/min提升至3.7m/min，低拉速下鑄坯溫度也能滿足連鑄連軋需求。

鍵詞：小方坯；比水量；提速；連鑄連軋

1　概述

某鋼廠一臺R8m五機(jī)五流方坯連鑄機(jī)，主要生產(chǎn)150mm×150mm方坯，主要澆鑄鋼種為Q235，并采用連鑄連軋工藝。為了增加鑄機(jī)產(chǎn)能，計劃對連鑄機(jī)二冷區(qū)進(jìn)行技術(shù)改造，將鑄機(jī)拉速從平均2.8m/min提升至3.7m/min，最高需達(dá)到4m/min；為滿足連鑄連軋工藝需求，要求鑄坯進(jìn)軋機(jī)前溫度不低于900℃。

對連鑄機(jī)二冷區(qū)布置、切割設(shè)備進(jìn)行改造，并對二冷水量進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，使鑄機(jī)最大拉速達(dá)到4m/min。通過現(xiàn)場測溫、模擬仿真，對二冷水表進(jìn)行優(yōu)化，當(dāng)拉速大于2.6m/min時，鑄坯進(jìn)拉矯機(jī)溫度大于900℃。

2　連鑄機(jī)技術(shù)參數(shù)

本臺連鑄機(jī)為R8m五機(jī)五流方坯連鑄機(jī)，生產(chǎn)斷面為150mm×150mm。鑄機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 連鑄機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

Table 1 Technical Parameters of Casting Machine

二冷區(qū)各冷卻區(qū)間長度分別為0.47m，1.8m，2.4m和2.4m。

3　設(shè)備改造方案

3.1　結(jié)晶器改造

根據(jù)以往經(jīng)驗，小方坯鑄坯出結(jié)晶器坯殼厚度需達(dá)到10-15mm^[1]，否則容易出現(xiàn)脫方，嚴(yán)重時坯殼在鋼水靜壓力作用下開裂而漏鋼。

結(jié)晶器內(nèi)坯殼后一般遵循凝固平方根定律^[2]，即：

                                S—鑄坯出結(jié)晶器坯殼厚度,mm

                                k—結(jié)晶器內(nèi)凝固系數(shù)，一般取20mm/min^0.5

                                t—鑄坯在結(jié)晶器內(nèi)停留時間,min

根據(jù)凝固平方根定律，在4m/min拉速下，要使出結(jié)晶器時的坯殼厚度達(dá)到10mm以上，則結(jié)晶器有效長度需大于1m。

隨著國內(nèi)小方坯連鑄機(jī)提速改造的項目逐漸增多，鑄坯出結(jié)晶器坯殼厚度逐漸減薄，已由之前的10-15mm降低至8mm^[3]，在實際改造工程中，設(shè)計拉速處于3.5—4m/min時，選取的結(jié)晶器長度為1m，出結(jié)晶器坯殼厚度控制在8-10mm。

依據(jù)實際工程經(jīng)驗，本項目結(jié)晶器銅管長度選定為1m，有效長度為900mm，采用雙排足輥，防止鑄坯脫方，減少漏鋼幾率。

3.2　二冷區(qū)改造

改造前，本臺連鑄機(jī)二冷區(qū)分為4個冷卻區(qū)：足輥冷卻區(qū)、二冷一區(qū)、二冷二區(qū)、二冷三區(qū)，全部采用全水冷卻，各長度及噴嘴數(shù)量見表2。

表2 改造前二冷區(qū)長度及噴嘴數(shù)量

Table2 Second Cooling Zone Length and Number of Nozzles before Modification

改造前，比水量為1.4L/Kg，各區(qū)間二冷水量分配為33%，37%，20%，10%，經(jīng)常發(fā)生偏離角縱裂漏鋼。

Q235為亞包晶鋼^[4]，凝固時會產(chǎn)生的較大的凝固收縮；如果結(jié)晶器腔型和錐度設(shè)計不合理，結(jié)晶器內(nèi)鑄坯角部凝固收縮，角部坯殼不能與結(jié)晶器壁緊密貼合，容易形成氣阻，導(dǎo)致角部冷卻降低，角部坯殼薄弱；出二冷區(qū)后，如果二次冷卻不均勻，會形成熱應(yīng)力，角部附近的坯殼在鋼水靜壓力和熱應(yīng)力的作用下開裂，導(dǎo)致漏鋼。

由于Q235的特性，部分鋼廠在二冷區(qū)采用強(qiáng)冷的措施抑制漏鋼。本項目也采用強(qiáng)冷，4m/min拉速下最大比水量達(dá)到1.9L/Kg。

根據(jù)二冷法則^[6]，鑄坯回溫不應(yīng)超過200℃/m，否則容易產(chǎn)生裂紋。對于方坯連鑄機(jī)，鑄坯出噴淋區(qū)會產(chǎn)生回溫，拉速越高，回溫越大，因此需要根據(jù)拉速相應(yīng)的延長二冷區(qū)長度，控制回溫速度。

在4m/min拉速下，用凝固傳熱模型^[5] 對不同二冷區(qū)長度進(jìn)行凝固仿真模擬，根據(jù)凝固仿真模擬結(jié)果設(shè)計合適的二冷區(qū)間長度，凝固仿真模擬結(jié)果見圖1。

圖1　不同冷卻長度下鑄坯表面溫度

Fig 1 The Surface Temperature of Billet with different Cooling Zone Length

依據(jù)圖1，原鑄機(jī)二冷區(qū)總長度為7.1m，在4m/min拉速下，鑄坯出噴淋區(qū)后，開始回溫，進(jìn)拉矯機(jī)時的表面溫度高達(dá)1200℃，回溫150℃，鑄坯回溫過高，容易產(chǎn)生中間裂紋和三角區(qū)裂紋^[6]；進(jìn)拉矯機(jī)溫度過高，鑄坯氧化鐵皮增多，金屬收得率降低，產(chǎn)量下降。

依據(jù)鑄機(jī)結(jié)構(gòu)，增加二冷四區(qū)，長度2.4m，并進(jìn)行模擬仿真計算，結(jié)果見圖1。依據(jù)圖1，二冷區(qū)延長后，鑄機(jī)二冷區(qū)總長度延長至9.5m，在4m/min拉速下，鑄坯進(jìn)拉矯機(jī)時的表面溫度高達(dá)1150℃，回溫100℃，回溫得到有效控制。

最終，在鑄機(jī)原有二冷回路的基礎(chǔ)上，增加一個冷卻回路和冷卻區(qū)，并依據(jù)新的比水量，對噴嘴重新進(jìn)行選型，具體結(jié)果見表3。

表3 改造后二冷區(qū)長度及噴嘴數(shù)量

Table3 Second Cooling Zone Length and Number of Nozzles after Modification

4　連鑄連軋二冷水優(yōu)化

4.1　連鑄連軋溫度控制

根據(jù)業(yè)主要求，當(dāng)拉速大于2.6m/min時，進(jìn)入軋機(jī)溫度不低于900℃（坯頭），根據(jù)現(xiàn)場實測，鑄坯切割后，從輥道進(jìn)入軋機(jī)所需時間約為2.5min；從結(jié)晶器彎月面到切割原點(diǎn)距離為24m，鑄坯定尺12m，則不同拉速下，坯頭從切割原點(diǎn)到軋機(jī)入口所需的時間見表4；鑄坯在輥道上輻射散熱降溫，依據(jù)傳熱模型模擬結(jié)果，降溫速度一般為20℃/min，由此可以推算出切割原點(diǎn)處要求的鑄坯溫度如下：

Tsur—切割原點(diǎn)處鑄坯表面溫度，℃

Vc—澆鑄速度，m/min

表4 連鑄連軋溫度控制

Table 4 The Temperature Controlling of Continue Casting and Continue Rolling

4.2　二冷水表設(shè)計

根據(jù)表4，拉速越低，鑄坯要求的溫度反而更高，因此二冷水量的控制應(yīng)遵循如下原則：

（1） 低拉速時，需要防止鑄坯表面溫度過低而進(jìn)不了軋機(jī)，因此需要采用弱冷；

（2） 高拉速時，需要防止鑄坯表面溫度太高而產(chǎn)生漏鋼、脫方等現(xiàn)象，因此需要采用強(qiáng)冷。

由于低拉速時采用弱冷、高拉速時采用強(qiáng)冷，常規(guī)的固定比水量控制無法實現(xiàn)此目的，因此二冷配水采用變比水量的水表控制方式^[7]，即比水量和各區(qū)間分配系數(shù)隨拉速變化而變化，使切割原點(diǎn)處的鑄坯溫度高于設(shè)定的溫度。通過現(xiàn)場調(diào)試、測溫修正及模擬仿真，最終拉速和比水量、拉速和二冷區(qū)分配系數(shù)的關(guān)系見圖2和圖3。

圖2　拉速和比水量

Fig2 The Casting Speed and Water Flow Rate

圖3　拉速和分配系數(shù)

Fig 3 The Casting Speed and Distribution Coefficient

通過變比水量的水表設(shè)計，實現(xiàn)了低拉速下弱冷、高拉速下強(qiáng)冷的目的，現(xiàn)場實際使用，拉速大于2.6m/min時，軋機(jī)入口處鑄坯溫度大于900℃，平均拉速達(dá)到3.7m/min以上，達(dá)到了鋼廠改造目的。

5　總結(jié)

通過模擬仿真分析，確定了本項目的改造方案，將鑄機(jī)二冷區(qū)長度延伸2.4m，并設(shè)計了變比水量的二冷水表，在低拉速下，鑄坯溫度也滿足了連鑄連軋的要求。

參考文獻(xiàn):

[1]  蔡開科．《連鑄結(jié)晶器》[M]．北京：冶金工業(yè)出版社，2008.

[2]  陳樹林．小方坯結(jié)晶器傳熱狀況初探［J］．河南冶金，2004（3）

[3]  關(guān)文博．小方坯連鑄機(jī)高拉速生產(chǎn)時間［J］．山西冶金，2019（6）

[4]  喬明．小方坯角裂漏鋼的原因分析及控制措施［J］．萊鋼科技，2016（3）

[5]  李慧春．連鑄坯凝固傳熱過程的數(shù)值模擬[D]．蘭州：蘭州理工大學(xué)，2008

[6]  夏金魁．Q235B連鑄板坯內(nèi)部裂紋控制［J］．連鑄，2016（3）

[7]  王建新，孫利斌．方坯連鑄機(jī)二次冷卻的變比水量控制[J]．中國鋼鐵年會，2013