立式不銹鋼連鑄機(jī)的改造

閻善武，黎軍鋒，韓 波,李 博,楊啟良

(陜西多倫科技發(fā)展有限公司，陜西 西安 710043)

0 前言

山西太鋼不銹鋼股份公司因其立式連鑄機(jī)設(shè)備老舊不能滿足生產(chǎn)需求，對該連鑄機(jī)進(jìn)行了改造。改造后工藝上要求實(shí)現(xiàn)“連連鑄”，機(jī)械上實(shí)現(xiàn)在線切割和連續(xù)出坯；液壓上要求完成引錠鏈夾送、拉坯機(jī)夾持鑄錠、拉矯輥矯直成形坯、連續(xù)斜出坯的傾斜等；電氣上要求引錠鏈自動(dòng)跟蹤、二冷水自動(dòng)控制、在線切割和連續(xù)出坯的全自動(dòng)控制。 改造目標(biāo)是將年產(chǎn)量5萬噸合格不銹鋼坯提高到20萬噸。改造的前提條件是土建基礎(chǔ)不能做大工程，機(jī)械設(shè)備盡量利舊，以較短的時(shí)間實(shí)現(xiàn)連鑄機(jī)的全面改造。1999年12月該連鑄機(jī)全面改造完成，到2001年實(shí)際產(chǎn)量已經(jīng)達(dá)到70萬噸。

1 改造前連鑄機(jī)的缺陷

1.1 單爐澆鑄和手動(dòng)水平出坯

改造前，立式不銹鋼板坯連鑄機(jī)的原始設(shè)計(jì)只能實(shí)現(xiàn)單爐澆鑄，每次澆鑄一爐鋼水后，結(jié)晶器停止工作，托輥下方的回轉(zhuǎn)出坯裝置從垂直狀態(tài)轉(zhuǎn)換為水平位置，實(shí)現(xiàn)水平出坯，再讓出坯裝置的輥道與水平固定輥道銜接，將鑄好的坯子水平輸送到高壓水除鱗裝置中，完成不銹鋼坯的初始去氧化皮。連鑄機(jī)主機(jī)結(jié)構(gòu)決定了只有停止連鑄澆鋼，才能夠出坯。由于液壓系統(tǒng)經(jīng)常泄漏和爆管，為防止火災(zāi)，液壓系統(tǒng)傳動(dòng)介質(zhì)采用了水乙二醇。工藝上只能單爐連鑄和手動(dòng)出坯，因此控制系統(tǒng)基本采用手動(dòng)操作。

圖1 改造前的連鑄機(jī)

1.2 引錠鏈脫落

該連鑄機(jī)液壓系統(tǒng)可靠性差，在澆鋼過程中引錠鏈脫落時(shí)有發(fā)生。改造前，平均每年“掉錠子”3～5次。發(fā)生“掉錠子”后，由于鋼水停澆的滯后性，鋼水會(huì)直接澆鑄到立式連鑄機(jī)的主機(jī)上，造成主機(jī)嚴(yán)重受損；同時(shí)損壞夾持在鑄坯上的在線切割機(jī)。

1.3 修磨和切割效率低

不銹鋼(包括合金鋼)連鑄坯表面會(huì)形成夾雜和微觀裂紋，一般在連鑄坯定尺切割后，送修磨車間進(jìn)行表面修磨或者銑削加工。修磨機(jī)是在磨床上增加了翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，人工操作連鑄坯的翻轉(zhuǎn)和調(diào)頭，實(shí)現(xiàn)連鑄坯六個(gè)表面的全覆蓋修磨。修磨機(jī)床砂輪消耗大、環(huán)境處理費(fèi)用高、效率低、成品率低。

連鑄機(jī)改造前采用了離線火焰切割方式?；鹧媲懈钏俣鹊?，節(jié)奏慢，無法滿足在線的定尺切割，需要二次定尺再切割；火焰切割縫隙的金屬變成了金屬渣無法回收，切割掉到金屬屑降低了連鑄坯的金屬成材率；切割斷面的表面有渣子剩余，需要端部修磨或者銑削加工才能軋制；火焰煙氣排放需要專門的環(huán)保設(shè)備。

2 改造技術(shù)

2.1 在線切割

為了滿足連連鑄的生產(chǎn)工藝，采取多爐連續(xù)澆注，增加連鑄機(jī)在線切割裝置。不銹鋼板坯在線切割時(shí)必須噴射鐵粉，防止噴槍堵塞，受總體工期緊、基礎(chǔ)施工小的限制，在線切割機(jī)只能固定在連鑄出來的板坯上，因切割速度和拉坯速度的匹配關(guān)系，在線切割鑄坯最大長度≤31 m，離線后再進(jìn)行軋制定尺切割。

在線切割機(jī)(5)完成切割后后，接坯小車(11)快速下降，垂直傾斜油缸(10)驅(qū)動(dòng)垂直傾斜夾坯輥道(9)翻轉(zhuǎn)500與水平傾斜夾坯輥道(7)對齊，不銹鋼鑄坯(6)被輸送到水平傾斜夾坯輥道(7)，水平傾斜油缸(8)驅(qū)動(dòng)水平傾斜夾坯輥道(7)翻轉(zhuǎn)40°，使不銹鋼鑄坯(6)轉(zhuǎn)換為水平狀態(tài)，繼續(xù)輸出進(jìn)入輸出輥道。連鑄坯離開后，接坯小車(11)快速返回并接住正在澆筑的“下一個(gè)”連鑄坯。

2.2 傾斜出坯

將原立式連鑄機(jī)設(shè)計(jì)的水平出坯改造為傾斜出坯，并且做到連續(xù)出坯，出坯過程中連鑄機(jī)不用停止?jié)沧ⅰ?/p>

圖2 改造后的連鑄機(jī)

傾斜出坯與原來的水平出坯的主要區(qū)別是，水平出坯效率低，出坯占用空間距離結(jié)晶器很近，水平出坯的期間必須停止?jié)蹭?；而傾斜出坯的出坯傾斜點(diǎn)遠(yuǎn)離結(jié)晶器，在傾斜出坯過程中可以繼續(xù)澆鋼。

2.3 夾送托輥

該機(jī)鑄坯的主要規(guī)格是1280×160，鑄坯在線切割時(shí)的的最大長度31 m，而鑄坯及其夾持在鑄坯上的在線切割機(jī)合計(jì)重量達(dá)到50 t。原連鑄機(jī)采用一對拉坯對夾1#托輥(2)和一對拉矯對夾2#托輥(3)夾送鑄坯，改造后新增加一對拉矯對夾3#托輥(4)，使二冷區(qū)的夾坯托輥達(dá)到三對。依據(jù)噴水冷卻區(qū)坯殼厚度計(jì)算，改造前一對拉坯托輥允許夾持力可達(dá)1 800 kN，改造后三對托輥的夾持力分別達(dá)到2 600 kN。采用了“一對拉坯托輥”和 “兩對拉矯托輥”，拉矯托輥不但完成拉矯作用，單獨(dú)一對拉矯托輥也能夠夾持住最重的連鑄坯。而且三對輥道中心位置可調(diào)，形成三點(diǎn)反彎曲的矯直，提高鑄坯的平直度。在保證拉坯夾送托輥剛度和疲勞壽命的前提下，盡量加大拉坯夾送托輥的直徑；在夾送托輥上方設(shè)置濾網(wǎng)，防止氧化皮等雜質(zhì)進(jìn)入夾送托輥和鑄坯之間；將夾送托輥回轉(zhuǎn)軸上的旋轉(zhuǎn)密封選用耐高溫氟橡膠，托輥與連鑄坯之間的摩擦系數(shù)在0.21～0.27之間。

2.4 出料輥道

傾斜出坯過程中，使用了變頻控制的接坯小車快速下降，為后續(xù)的繼續(xù)澆注的連鑄坯留出空間，接坯小車配合斜出坯裝置將連鑄坯傾斜，連鑄坯傾斜輸送后離開接坯小車；出坯裝置繼續(xù)傾斜使連鑄坯變?yōu)樗綘顟B(tài)，并放置在水平出料輥道上。出料輥道上設(shè)置對中夾緊立輥道，對中連鑄坯后，送出連鑄坯。

2.5 液壓控制系統(tǒng)

立式連鑄機(jī)是否“掉錠子”，主要取決于拉坯和拉矯托輥夾持鑄錠的可靠性。由于不銹鋼鑄錠表面的凸凹度大，因此托輥夾持工作中輥縫變化大；由于鑄錠帶有余溫和冷卻水的噴濺，托輥和鑄錠之間的摩擦系數(shù)是變化的，因此對夾持力的確定帶來了難度。

鑄坯的夾持壓力是確保拉坯和拉矯托輥可靠夾持鑄坯的保證。新增加的一對拉矯3#托輥和老托輥壓下缸活塞直徑從原設(shè)計(jì)φ200 mm設(shè)計(jì)變更為φ225 mm，液壓系統(tǒng)壓力從15 MPa提高到18 MPa，確保新增拉矯托輥獨(dú)立夾持鑄坯時(shí)的安全系數(shù)。

連鑄機(jī)改造后的液壓控制系統(tǒng)(圖3)：(1)將三組拉坯拉矯托輥的三組液壓缸使用三組液壓源，各自獨(dú)立控制，互不影響，這種安排把掉坯子的事故的概率從1/n提高到1/n3；(2)設(shè)置先導(dǎo)式液壓鎖保證拉坯拉矯托輥夾緊液壓缸夾緊腔的壓力，同時(shí)設(shè)置活塞保壓蓄能器通過開關(guān)閥與夾緊腔直連，事故時(shí)可以快速斷開；(3)夾緊液壓缸采用了中間鉸軸結(jié)構(gòu)，中間鉸軸與缸體是一個(gè)整體鍛件加工出來的，防止液壓缸故障；(4)每路夾緊液壓缸夾緊腔設(shè)置一套斷流閥，夾緊腔管路突然斷裂或者接頭崩斷，斷流閥自動(dòng)關(guān)閉，防止拉坯拉矯托輥夾緊液壓缸夾緊腔壓力丟失，避免泵站蓄能器壓力油大量泄漏。

圖3 改造前后托輥的液壓控制原理

液壓系統(tǒng)中采用了液壓同步馬達(dá)通過一對液壓缸，控制出料輥道上(用于連鑄坯對中的夾緊)立輥道，液壓同馬達(dá)回路中設(shè)置了返程清零功能，即每次液壓缸回程后，兩個(gè)回程腔全部充分進(jìn)油，讓一對夾緊立輥道返程到機(jī)械原點(diǎn)，下次在進(jìn)行對中的位置誤差時(shí)，只有液壓同步馬達(dá)的一次誤差，而不會(huì)累計(jì)繼承以前對中誤差。

2.6 電氣自動(dòng)化

電氣控制使用了西門子S5系列PLC，控制內(nèi)容主要包括(1)中間包及結(jié)晶器的液面控制；(2)結(jié)晶器伺服振動(dòng)控制；(3)引錠鏈跟蹤控制；(4)結(jié)晶器電磁攪拌；(5)拉坯和拉矯輥道電機(jī)變頻速度控制；(6)二冷水閥門開口度的模擬量控制；(7)接坯小車電機(jī)變頻控制；(8)拉坯和拉矯托輥液壓缸控制及輥道的變頻控制；(9)斜出坯傾斜油缸的比例控制；(10)水平出坯對夾輥道的液壓缸控制；(11)液壓站控制；(12)潤滑系統(tǒng)控制；(13)結(jié)晶器冷卻水控制；(14)設(shè)備凈循環(huán)冷卻水的控制，在線切割機(jī)獨(dú)立控制，PLC只需要發(fā)出開始與停止指令即可。

電氣系統(tǒng)配置了上位計(jì)算機(jī)，主要畫面包括(1)中間包升降位置及滑動(dòng)水口開度；(2)結(jié)晶器冷卻水流量狀態(tài)；(3)二冷水畫面；(4)拉坯和拉矯托輥速度及夾緊壓力；(5)在線切割機(jī)狀態(tài)；(6)出坯設(shè)備狀態(tài)；(7)液壓泵站壓力和流量及泵閥工作狀態(tài)。

中間包液面控制采用了包及鋼水精密稱重的檢測方法，通過液面檢測數(shù)據(jù)控制鋼包滑動(dòng)水口的開口度；結(jié)晶器的液面檢測采用了放射性同位素檢測，根據(jù)液面位置控制中間包滑動(dòng)水口開口度控制，而滑動(dòng)水口采用了伺服電動(dòng)缸控制。

結(jié)晶器伺服振動(dòng)控制采用了伺服電機(jī)與偏心輪控制，振動(dòng)模式為非正弦的高頻低幅曲線。引錠鏈跟蹤控制，使用獨(dú)立的測量輥(帶絕對值編碼器)測量引錠鏈的位置，避免驅(qū)動(dòng)輥打滑帶來的測量誤差。

結(jié)晶器電磁攪拌主要是利用水冷線圈在結(jié)晶器區(qū)域形成低頻的電磁場，幫助鋼水的均勻化促進(jìn)鋼渣上浮。

2.7 發(fā)展方向

在條件允許的前提下，將新增拉矯托輥改造為重壓下托輥，其功能包括：(1)利用連鑄余熱形成鑄坯的初次塑性變形，減少后續(xù)的熱變形，減少熱加工持續(xù)時(shí)間而降低生產(chǎn)成本；(2)保持重壓下托輥能夠獨(dú)立夾持住最重的連鑄坯的能力，為防止“掉坯子”增加一道保險(xiǎn)。

連鑄斜出坯后熱銑削是發(fā)展的出路，主要優(yōu)點(diǎn)包括：(1)熱銑削，消耗的功率?。?2)沒有揚(yáng)塵污染；(3)銑削刀具壽命是冷銑削的兩倍以上；(4)熱銑削機(jī)床造價(jià)低，運(yùn)行費(fèi)用低。采用熱銑削后，取消現(xiàn)在的高壓水清除工藝。

在線熱剪切機(jī)完全克服了火焰切割的缺點(diǎn)，主要優(yōu)點(diǎn)有：(1)根據(jù)生產(chǎn)安排，隨機(jī)定尺；(2)剪切效率高；(3)端面鉗壓的斜坡有利于熱軋機(jī)的咬入；(4)端面斷面不需要修磨或者銑削加工；(5)沒有切割的渣子，提高連鑄坯金屬成材率。

3 結(jié)束語

太鋼不銹的立式不銹鋼連鑄機(jī)改造之后，在三班連續(xù)作業(yè)，產(chǎn)量提高1倍的生產(chǎn)條件下，沒有發(fā)生掉鏈子和掉坯子的生產(chǎn)事故。設(shè)備的可靠性和自動(dòng)化水平提高，生產(chǎn)效率和成材率也大幅提高，隨著各種不銹鋼連鑄工藝數(shù)據(jù)的累計(jì)，為后續(xù)的重復(fù)生產(chǎn)和新鋼種開發(fā)提供了大量的參考數(shù)據(jù)。