郝瑞朝 陳衛(wèi)強 代宗嶺

(中冶京誠工程技術(shù)有限公司 北京 100176)

1 前言

自20世紀(jì)90年代以來，國內(nèi)致力于板坯連鑄機的自主設(shè)計和研發(fā)創(chuàng)新，緊追國際板坯連鑄機的先進(jìn)水平，在板坯連鑄機的核心技術(shù)方面取得了突破性的進(jìn)展，隨著2007年具有自主知識產(chǎn)權(quán)的結(jié)晶器液壓振動的順利投產(chǎn)，以及具有創(chuàng)新特色的結(jié)晶器專家系統(tǒng)、二冷水動態(tài)控制模型、動態(tài)輕壓下模型及鑄坯連續(xù)彎曲和連續(xù)矯直的輥列設(shè)計等連鑄機專有核心技術(shù)的相繼問世[1]。

河北安豐鋼鐵公司一煉鋼大修改造工程新建兩臺1630mm雙流板坯連鑄機，該項目是河北安豐鋼鐵進(jìn)行結(jié)構(gòu)調(diào)整升級及系統(tǒng)平衡的重點工程，也是安豐鋼鐵的第一套板坯連鑄工程，此兩臺雙流板坯連鑄機的順利投產(chǎn)為安豐鋼鐵新產(chǎn)品開發(fā)、擴展市場打下了堅實的基礎(chǔ)，也必將給安豐鋼鐵帶來新的利潤增長點。

該兩臺1630mm雙流板坯連鑄機由國內(nèi)自主設(shè)計并總承包，包括連鑄機總體工藝設(shè)計、機械設(shè)備設(shè)計、流體系統(tǒng)設(shè)計、三電設(shè)備設(shè)計、整套設(shè)備供貨、設(shè)備安裝與調(diào)試、工藝操作軟件的編程及工藝操作培訓(xùn)等。該兩臺1630mm雙流板坯連鑄機設(shè)計年產(chǎn)合格鑄坯約450萬t，生產(chǎn)的主要鋼種有碳素結(jié)構(gòu)鋼、優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼、低合金結(jié)構(gòu)鋼、深沖鋼、船板鋼、管線鋼、容器鋼、橋梁鋼、汽車大梁鋼、無取向硅鋼、耐候鋼等，全部供給1780mm熱連軋生產(chǎn)線。

2 主要技術(shù)參數(shù)

連鑄機的主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 連鑄機的主要技術(shù)參數(shù)

3 主要技術(shù)特點

3.1 中間包冶金技術(shù)

采用大容量、深液面中間包技術(shù)，中間包的工作容量約67t，溢流容量約75t，工作液面深度約1100mm，溢流液面深度約1200mm。通過中間包流場和溫度場模擬仿真，優(yōu)化中間包的內(nèi)腔結(jié)構(gòu)和控流裝置，改善中間包內(nèi)鋼液的流動特性，減少中間包內(nèi)的死區(qū)體積，增加鋼液在中間包內(nèi)的停留時間，促進(jìn)鋼液中夾雜物的上浮去除，有利于凈化鋼液、均勻鋼液成分和溫度[2-3]。

3.2 結(jié)晶器優(yōu)化設(shè)計

結(jié)晶器為積木式設(shè)計，利于快速更換。結(jié)晶器寬面銅板通過螺栓固定在冷卻水背板上，并可以整體更換；窄面銅板通過螺栓固定在“插件式”支撐板上，插件板可快速更換；而窄面插件板通過窄面把持板和寬度調(diào)節(jié)裝置連接在一起，可快速更換。另外為了保證連鑄機在快節(jié)奏、高拉速情況下能高質(zhì)量的穩(wěn)定生產(chǎn)，還做了如下優(yōu)化：

1)優(yōu)化結(jié)晶器銅板設(shè)計，選擇合理的水縫結(jié)構(gòu)和結(jié)晶器錐度，保證銅板的溫度分布均勻，使鑄坯坯殼生長均勻；

2)采用高剛度水箱設(shè)計，減小銅板的變形，提高銅板的使用壽命；

3)結(jié)晶器銅板采用鍍Co-Ni或熱融射技術(shù)，可保證銅板的使用壽命達(dá)到國際先進(jìn)水平；

4)采用伺服電機調(diào)寬方式，結(jié)晶器可以在線調(diào)寬，伺服電機上安裝有編碼器，可以在線實時檢測窄面銅板位置，保證澆注過程中結(jié)晶器錐度變化保持在設(shè)定值范圍內(nèi)。

3.3 結(jié)晶器液面自動控制

結(jié)晶器液面自動控制系統(tǒng)采用渦流傳感器進(jìn)行結(jié)晶器液面檢測，通過數(shù)控電動缸控制塞棒開度對結(jié)晶器液位進(jìn)行控制，自動調(diào)節(jié)由中間包進(jìn)入結(jié)晶器的鋼水流量，以保持結(jié)晶器液位穩(wěn)定，減小鋼水液面波動，防止保護(hù)渣卷入，提高鑄坯質(zhì)量。生產(chǎn)實踐表明結(jié)晶器內(nèi)鋼水液面的控制精度在±3mm以內(nèi)。

3.4 結(jié)晶器液壓振動

采用具有自主知識產(chǎn)權(quán)的結(jié)晶器液壓振動裝置[4]，由兩個單獨可互換的振動單元和一個振動底座組成，振幅0～±7mm、頻率30～350次/min、非正弦系數(shù)0～0.4。該裝置的技術(shù)優(yōu)勢和設(shè)計特點包括：

1)可在線調(diào)節(jié)振動波形、頻率和振幅，根據(jù)鋼種、拉速等工藝參數(shù)選擇最佳的振動參數(shù)；

2)可實現(xiàn)正弦和非正弦振動，減小鑄坯振痕深度，提高鑄坯表面質(zhì)量；

3)改善結(jié)晶器潤滑，減少漏鋼,同時降低了保護(hù)渣的消耗；

4)結(jié)晶器導(dǎo)向精度顯著提高，澆鑄方向和鑄坯寬度方向的振動精度均≤±0.1mm；

5)設(shè)備采用無磨損設(shè)計，沒有潤滑點和易損件，可大大減少維修工作量和備件費用，提高作業(yè)率。

3.5 結(jié)晶器專家系統(tǒng)

結(jié)晶器專家系統(tǒng)根據(jù)插入結(jié)晶器銅板中的熱電偶連續(xù)監(jiān)測結(jié)晶器銅板的溫度，采用新穎有效的前饋式神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，具有較高的非線性映射能力，可很好地應(yīng)用于故障預(yù)報，解決了人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)預(yù)報模型容易產(chǎn)生漏報和誤報的問題。該系統(tǒng)通過模型計算可以實現(xiàn)：結(jié)晶器銅板溫度的熱相圖和熱通量計算、漏鋼報警、結(jié)晶器熱坯摩擦力計算、結(jié)晶器保護(hù)渣報警等。

在穩(wěn)定工況下，當(dāng)前結(jié)晶器專家系統(tǒng)實現(xiàn)粘結(jié)性漏鋼預(yù)報報出率在98%以上，誤報率小于2%。

根據(jù)該模型，可以防止結(jié)晶器漏鋼的發(fā)生，并通過熱相圖來指導(dǎo)和優(yōu)化工藝操作，提高生產(chǎn)效率和改善鑄坯的表面質(zhì)量。

3.6 連續(xù)彎曲和連續(xù)矯直輥列設(shè)計

輥列設(shè)計是板坯連鑄機總體設(shè)計的核心，其設(shè)計的優(yōu)劣直接影響到鑄坯的質(zhì)量。為有效降低彎曲和矯直時的應(yīng)變和應(yīng)力，采用自主開發(fā)的特有的連續(xù)彎曲和連續(xù)矯直輥列設(shè)計，基本弧半徑9.5m，選取較長的彎曲區(qū)和矯直區(qū)，有效地降低彎曲變形和矯直變形。

通過優(yōu)化設(shè)計和校核，使鑄坯最大變綜合變形量控制在0.3%以內(nèi)，遠(yuǎn)低于允許的臨界值，既減輕了扇形段輥子的受力，又充分保證了鑄坯的表面和內(nèi)部質(zhì)量。

在輥子對中良好的情況下，該鑄機生產(chǎn)斷面230mm×1630mm的鑄坯，拉速為1.5m/min的情況下，鑄坯兩相區(qū)的變形曲線如圖1所示，鑄坯凝固界面處的綜合變形小于0.3%，完全可以滿足生產(chǎn)高質(zhì)量鑄坯的要求。

圖1 鑄坯兩相區(qū)變形曲線

3.7 帶中間支撐的小輥徑密排分節(jié)輥技術(shù)

從結(jié)晶器足輥開始到扇形段最后一對夾持輥，均采用了帶中間支撐的三分節(jié)輥。采用小輥徑、密排分節(jié)輥技術(shù)，不但由于減少輥距而減小了鑄坯的鼓肚變形，而且也增加了輥子的剛度，減小了由于輥子撓度增加而引起的鑄坯變形，保證了鑄坯質(zhì)量。

同時，采用從彎曲段至矯直段的不同輥徑的優(yōu)化設(shè)計和合理的二冷水控制，有效控制周期性的鼓肚變形，切實有效控制結(jié)晶器的液面變動，提高鑄坯表面質(zhì)量。

3.8 二次冷卻動態(tài)控制

根據(jù)自主研發(fā)的板坯連鑄機凝固傳熱計算模型，二次冷卻采用氣水霧化冷卻，二冷區(qū)分為9個區(qū)，同時，采取沿鑄坯寬度方向幅切控制，實現(xiàn)鑄坯表面和液芯溫度的優(yōu)化控制，有效減少微合金鋼等裂紋敏感鋼種的角部裂紋，實現(xiàn)無缺陷鑄坯的生產(chǎn)。

二次冷卻控制方式分為水表控制和動態(tài)模型控制兩種形式。水表分強、中、弱三種水表，水表只是鋼種和澆鑄速度的函數(shù)，對于連鑄過程中的不穩(wěn)定因素，如鋼水溫度變化、拉速波動、更換中間包、漏鋼預(yù)報時的緊急降拉速等，水表控制方法難以抑制這些因素對鑄坯表面溫度的影響。動態(tài)模型控制能夠?qū)崟r跟蹤連鑄生產(chǎn)的實際情況，包括不同的鋼種、不同的鑄坯斷面、中包溫度等，實現(xiàn)冷卻水的動態(tài)控制，再綜合考慮工藝目標(biāo)控制溫度，動態(tài)設(shè)定最優(yōu)控制水量。因此，模型控制能抑制上述不穩(wěn)定因素對冷卻效果的影響，最大可能地減少鑄坯表面溫度的波動，最大程度地實現(xiàn)正確的工藝控制，達(dá)到高效生產(chǎn)和改善鑄坯質(zhì)量的目的。

二次冷卻動態(tài)控制模型能夠?qū)崟r跟蹤連鑄機生產(chǎn)狀態(tài)，通過模型實現(xiàn)全鑄流的溫度場計算與跟蹤，再根據(jù)工藝要求對二冷各個冷卻區(qū)的水流量進(jìn)行優(yōu)化計算。該模型可擴展生產(chǎn)新鋼種，可實現(xiàn)動態(tài)配水與一級水表的無擾動切換。

3.9 動態(tài)輕壓下技術(shù)

扇形段的內(nèi)、外弧框架通過4個液壓缸完成夾緊，采用比例閥和位置傳感器來控制，實現(xiàn)了扇形段輥縫值的精確控制，保證了遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)輥縫和動態(tài)輕壓下的實施。

動態(tài)輕壓下技術(shù)是在鑄坯凝固末端固相率0.1～0.9內(nèi)，對鑄坯施加一定的壓縮量，以達(dá)到改善鑄坯中心疏松、中心偏析的目的。在鑄坯澆注過程中動態(tài)輕壓下模型計算出每一具體時刻的兩相區(qū)位置，在鑄機扇形段一定范圍內(nèi)(約2～3個扇形段長度)對鑄坯施加一定的壓縮量，達(dá)到改善鑄坯內(nèi)部質(zhì)量的目的。

輕壓下模型通過實時采集拉速、溫度、配水情況等過程數(shù)據(jù)，結(jié)合鋼種成份和鑄坯規(guī)格，根據(jù)凝固傳熱模型計算出實時兩相區(qū)的位置，根據(jù)壓下區(qū)域在扇形段的不同位置，模型選擇合適的扇形段來實施輕壓下，并分配各個扇形段的壓下量和壓下速率。同時，模型跟蹤各個扇形段的實際位置、實時給出各扇形段的實際輥縫控制目標(biāo)值，通過調(diào)節(jié)輥縫實現(xiàn)動態(tài)輕壓下。

4 生產(chǎn)實踐

兩臺1630mm雙流板坯連鑄機均于2017年底順利投產(chǎn)，所有控制模型，如結(jié)晶器液壓振動、結(jié)晶器專家系統(tǒng)、結(jié)晶器液面自動控制、二次冷卻動態(tài)控制和動態(tài)輕壓下等全部一次成功投入實用。

自投產(chǎn)以來兩臺連鑄機生產(chǎn)穩(wěn)定，主體設(shè)備運轉(zhuǎn)正常，鑄坯的表面質(zhì)量和內(nèi)部質(zhì)量良好，各項指標(biāo)均達(dá)到了設(shè)計要求。

對不同鋼種、不同斷面鑄坯進(jìn)行了低倍組織檢驗，表明在穩(wěn)定生產(chǎn)情況下鑄坯內(nèi)部質(zhì)量中心偏析達(dá)到C類2.0以上。該兩臺連鑄機生產(chǎn)的鑄坯軋后一級品合格率在99.5%以上，兩臺連鑄機的鑄坯質(zhì)量和產(chǎn)量連續(xù)兩年超額完成了設(shè)計指標(biāo)。

5 結(jié)論

兩臺1630mm雙流板坯連鑄機采用直弧形機型和連續(xù)彎曲、連續(xù)矯直、密排分節(jié)輥輥列設(shè)計，采用了中間包冶金技術(shù)、結(jié)晶器液面自動控制、結(jié)晶器液壓振動、結(jié)晶器專家系統(tǒng)、二次冷卻動態(tài)控制和動態(tài)輕壓下等先進(jìn)技術(shù)和控制模型。實踐表明，板坯連鑄機各主要設(shè)備和功能運行穩(wěn)定，各項指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計要求；鑄坯質(zhì)量和產(chǎn)量連續(xù)兩年超額完成了設(shè)計指標(biāo)。板坯連鑄機各項關(guān)鍵技術(shù)和質(zhì)量控制能力已經(jīng)達(dá)到了國際先進(jìn)水平。