馬鋼新建六機六流方坯連鑄機出坯系統設計特點

張偉健 劉海清

(馬鋼集團設計研究院有限責任公司，安徽 馬鞍山 243000)

馬鋼股份一鋼軋總廠原有2套鐵水預處理裝置，3座120噸頂底復吹轉爐，3座LF鋼包精煉爐，1套VD真空脫氣裝置，1套RH真空精煉裝置。澆鑄系統配備了2臺CSP連鑄連軋系統，年產200萬噸，1臺單流板坯連鑄機，年產120萬噸，1臺3機3流圓坯連鑄機，年產30萬噸?？偖a量在350萬噸左右。

為創新優化產品結構，2017年馬鋼決定新建重型H型鋼工程，將H型鋼產品做大做強，進一步提升馬鋼的品牌和經濟效益。為此，拆除一鋼軋現有的板坯和圓坯連鑄機，配套新建80萬噸/年重型H型鋼異形坯連鑄機，一鋼軋煉鋼產能為280萬噸/年，較目前產能減少了60～70萬噸/年。

為了響應國家政策淘汰30噸轉爐煉鋼生產工藝，但配套的棒、線材軋制生產線近期還將存在。為了不降低一鋼軋轉爐產能和維持棒、線材軋制生產線能力，考慮在CSP車間西側新建一臺六機六流方坯連鑄機，向棒、線材軋線提供60萬噸/年的坯料。另將該臺連鑄機設置結晶器和末端電磁攪拌系統，具備今后向馬鋼特鋼公司線材提供150 mm×150 mm特殊鋼方坯的供坯能力。

1 新建六機六流連鑄機工藝裝備特點

馬鋼新建六機六流方坯連鑄機工程，主要生產鋼種為碳素結構鋼、低合金鋼，年產規模為60萬噸合格鑄坯。

冶煉爐工藝參數：

轉爐：3臺

平均出鋼量：120 t

冶煉周期：40 min

LF爐：3座

VD爐：1座

RH爐：1座

新建連鑄機年產量要求達到60萬噸，按1臺連鑄機與1臺轉爐產能匹配考慮。新建連鑄機考慮預留熱送線。

鑄坯規格：150 mm×150 mm×12000 mm

1.1 工藝技術及裝備

(1)鑄機半徑

鑄機半徑的大小取決于所生產的鑄坯斷面、鋼種及拉速水平。

在鋼水凝固過程中，合金元素易聚集在晶粒的前沿，產生成分偏析，形成晶間脆性區，裂紋敏感性高，矯直過程易出現裂紋，因此，鑄機半徑的大小必須滿足鑄坯矯直時的表面變形率和兩相區變形率的極限要求。

鑄機半徑還與鑄坯完全凝固所需要的冶金長度(全凝固長度)有關。

根據所提供產品斷面規格，綜合以上因素，本連鑄機半徑取值為8 m即可滿足要求。

(2)全過程保護澆注

有效防止鋼水產生二次氧化，是提高鑄坯質量的有效手段。

(3)大容量中間罐

經過內腔優化設計的32 t大容量中間罐、液面高度850 mm，有利于鋼水中夾雜物的充分上浮，提高連鑄坯質量。

(4)結晶器及振動

采用鍍鉻CuAg管式，銅管長度900 mm，以適應鑄坯的高拉速。

采用板簧結晶器振動結構形式，高頻低振幅，改善了鑄坯表面質量。

(5)結晶器液位控制

結晶器液面檢測作用于中間罐塞棒，并反饋到拉矯機控制，組成一個完整的閉路控制系統，可實現穩定的最佳澆鑄過程。

(6)二次冷卻水動態控制

鑄坯二次冷卻水分組輥、一段、二段三個冷卻區，全噴水冷卻，并根據拉坯速度變化進行動態控制，使鑄坯的冷卻更加趨于均勻。

通過合理的噴嘴布置，使中心和鑄流表面角部冷卻速率差別最小化。

(7)拉坯速度控制

整體機架五輥連續拉矯機，用于引導鑄坯和矯直鑄坯。拉速可調，以滿足不同鋼種對拉速的不同要求。

(8)引錠桿

采用分段式鋼板螺栓連接結構，頭部有自適應功能的剛性引錠桿，有效地縮短鑄機長度。

(9)鑄坯定尺切割

采用火焰切割機按設定的定尺長度進行切割，并具有在開澆和尾坯處理時切割頭、尾坯等功能。切割速度～500 mm/min，切割溫度≥750℃。

(10)出坯系統

新建六機六流方坯連鑄機出坯系統是本次設計的難點，因CSP車間西側廠房空間緊湊，方坯連鑄機出坯系統要求布置在27 m×21 m空間內，按通常方法設計難以實現。如何在如此緊湊的空間中設計出滿足工藝要求的出坯系統是本文著重說明的。

(11)自動化控制

控制系統采用電控、儀表、計算機一體化結構，PLC系統完成電氣自動化控制和儀表自動化控制。實現過程的監視、控制、調節以及對設備各子系統的監控。

(12)其他工藝配置：

1)回轉臺帶升降及稱重功能，上設鋼包加蓋裝置；

2)采用大包下渣檢測；

3)中間罐采用連續測溫；

4)中間罐車帶升降及稱重功能；

5)采用外置式結晶器電磁攪拌裝置；

6)全板簧電動缸驅動振動裝置；

7)鑄坯二冷區采用自動控制的氣水霧化噴淋冷卻；

8)預留末端電磁攪拌裝置安裝位置；

9)方坯自動火焰切割機，變頻電機驅動電動返回；

10)配置液壓步進翻轉冷床；

11)所有液壓驅動裝置共用兩個液壓站(主液壓站和出坯液壓站)；

12)弧形區設備采用油氣潤滑，輥道和出坯系統為干油集中潤滑。

1.2 工藝布置

新建六機六流方坯連鑄機布置在現有CSP車間中間罐維修跨內，將現有CSP中間罐維修設施搬遷至CSP設備維修跨，CSP設備維修設施全部搬遷至其他車間。連鑄機生產的坯料通過50/10 t吊車從在連鑄收集臺架上直接裝車頻繁倒運至中板廠現有成品跨內，由鐵路運至二鋼軋連鑄車間第二出坯跨內，供長材北區的棒材和線材軋機。

2 設計要解決的技術問題

出坯系統是連鑄機的重要組成部分，直接影響到連鑄坯的外部質量。出坯系統的設計要滿足工藝出坯節奏，同時要滿足工藝對鑄坯的冷卻和矯直的要求。

新建六機六流方坯連鑄機受場地限制，出坯系統要求布置在現有27 m×21 m緊湊的廠房空間內，如果采用“推鋼機/撈鋼機—分鋼裝置—步進冷床—收集臺架”或“熱送輥道—推鋼機/撈鋼機—分鋼裝置—步進冷床—收集臺架”等傳統方法設計，步進翻轉冷床的長度將無法滿足工藝對鑄坯的冷卻和矯直的生產要求。

3 設計方案

本次設計的出坯系統工藝設備主要包括：熱送輥道、對齊推鋼機、升降擋板、步進翻轉冷床一、過渡輥道、固定擋板、步進翻轉冷床二、收集臺架、安全擋板和紅外集群等組成，見圖1[1]。

1—熱送輥道；2—對齊推鋼機；3—升降擋板；4—步進翻轉冷床一；5—過渡輥道；6—固定擋板；7—步進翻轉冷床二；8—收集臺架；9—安全擋板。

(1)熱送輥道：用于接收和輸送橫向移鋼機移送來的定尺鑄坯，熱送輥道將定尺鑄坯移送到升降擋板端頭。

主要技術參數：

型式：單獨傳動，變頻

驅動電機：5.5 kW

輥面線速度：0.1～1.15 m/s

輥子間距：～1500 mm

輥子數量：22個/流，單獨傳動

(2)對齊推鋼機：用于將熱送輥道上鑄坯對齊推送到步進翻轉冷床一的上鋼位置。

主要技術參數：

對齊推鋼裝置數量：2套

型式：液壓驅動

液壓缸數量：2個/套

液壓缸參數：?80 mm/?56 mm-850 mm

工作壓力：16 MPa

(3)升降擋板：用于在熱送輥道尾部停止鑄坯。為了便于今后能夠延長熱送輥道，直接將鑄坯熱送到軋線，采用的是升降擋板而非固定擋板。

主要技術參數：

型式：液壓驅動

液壓缸參數：?63 mm/?45 mm-250 mm

工作壓力：16 MPa

(4)步進翻轉冷床一：用于冷卻和矯直鑄坯。采用液壓步進式冷床，鑄坯在步進過程中實現鑄坯翻轉和冷卻等。

主要技術參數：

冷床結構型式：液壓升降橫移式

冷床有效尺寸：10350 mm×12000 mm

步進行程：～450 mm

升降行程：～235 mm

步進齒條：間距1800 mm，7組

固定齒條：間距1800 mm，7組

(5)過渡輥道：用于將鑄坯從步進翻轉冷床一運輸到步進翻轉冷床二的上鋼位置。

主要技術參數：

型式：單獨傳動，變頻

驅動電機：1.1 kW

輥面線速度：0.1～1.15 m/s

輥子間距：～1800 mm

輥子數量：13個/流，單獨傳動

(6)固定擋板：用于防止熱送輥道和過渡輥道反轉造成安全事故。

(7)步進翻轉冷床二：用于冷卻和矯直鑄坯。采用液壓步進式冷床，鑄坯在步進過程中實現鑄坯翻轉和冷卻等。

主要技術參數：

冷床結構型式：液壓升降橫移式

冷床有效尺寸：8100 mm×12000 mm

步進行程：～450 mm

升降行程：～235 mm

步進齒條：間距1800 mm，7組

固定齒條：間距1800 mm，7組

(8)收集臺架：用于輸送和收集由步進翻轉冷床二送來的鑄坯，采用液壓拉鋼式撥爪收集成組，然后由出坯跨行車用磁盤吊從冷床上吊起，放到鑄坯貯存區，以使鑄坯完全冷卻下來。

主要技術參數：

驅動液壓缸數量：2個

液壓缸：?160 mm/?110 mm-725 mm

小車行程：～1440 mm

(9)安全擋板：在冷床區域出現堵坯或者故障時，安全擋板升起，阻止鑄坯進入冷床區，由橫移機將鑄坯推到事故臺架。

(10)紅外集群：用于跟蹤和檢測鑄坯的位置，實現出坯系統的自動控制。

出坯系統的工藝控制流程：

鑄坯在熱送輥道上運輸，在紅外集群的控制下，熱送輥道減速和停止，同時對齊推鋼機通過液壓推桿將熱送輥道上定尺鑄坯對齊推送到步進翻轉冷床一上鋼位置，定尺鑄坯通過步進翻轉冷床一，通過液壓升降步進冷床齒板進行分鋼和步進；在紅外集群的控制下，根據鑄坯數量完成規定的上升、向前、下降和退回運動周期，將定尺鑄坯輸送到過渡輥道；過渡輥道在紅外集群的控制下，將定尺鑄坯移送到升降擋板端頭；在紅外集群的控制下，過渡輥道減速和停止，同時定尺鑄坯通過步進翻轉冷床二，通過液壓升降步進冷床齒板升降步進將鑄坯移送到收集臺架；收集臺架在紅外集群的控制下，通過液壓拉鋼將定尺鑄坯成組收集后，用磁盤吊吊出下線運輸到軋鋼車間。

4 設計特點

與傳統方法設計的方坯連鑄機出坯系統相比，新建六機六流方坯連鑄機出坯系統具有以下特點：

(1)出坯系統設置步進翻轉冷床一和步進翻轉冷床二兩套液壓驅動升降步進冷床，保證了定尺鑄坯冷卻時間，鑄坯在收集臺架通過液壓拉鋼將定尺鑄坯成組收集后，鑄坯溫度滿足磁盤吊吊出下線要求。

(2)步進翻轉冷床一和步進翻轉冷床二采用液壓驅動升降步進冷床，鑄坯隨冷床升降步進運動，在步進升降過程中實現自動翻轉，從而增大鑄坯的冷卻面積，提高了鑄坯的冷卻速度和均勻冷卻效果，避免了鑄坯變形；同時由于鑄坯的自動翻轉，使鑄坯實現自動矯直。

(3)步進翻轉冷床的四個同步升降液壓缸采用柱塞同步馬達、比例閥、平衡閥、單向節流閥和行程開關等控制，實現了四個升降液壓缸的同步；兩個同步橫移液壓缸采用帶閥芯位置反饋的比例閥、液控單向閥和液壓缸內置傳感器等控制，實現了兩個橫移液壓缸的同步。

(4)熱送輥道采用長輥道設計，每組輥道由一臺減速電機進行獨立驅動；生產中當某一臺減速電機出現故障，只影響到對應長輥道轉動，其它輥道可繼續工作，并通過在計算減速電機能力時加大服務系數，以保證生產不受影響。

(5)對齊推鋼機的液壓缸設置內置線性傳感器，最大行程滿足六根鑄坯推出輥道和進入步進翻轉冷床一入口處，同時能夠控制4～6根鑄坯不同運行要求。同時對齊推鋼機采用液壓缸設置內置線性傳感器、調速閥、平衡閥、液控單向閥和對齊推鋼機剛性聯接等控制，實現了兩個對齊液壓缸的同步，從而實現鑄坯的對齊移動。

(6)步進翻轉冷床一入口處具有接收最大六根鑄坯，并具有自動分鋼功能，取消傳統設計的過渡臺架和鑄坯分鋼機構設計。

(7)步進翻轉冷床一出口處能夠自動運行將鋼坯落放到過渡輥道，取消傳統設計的過渡臺架和鑄坯拉鋼機構設計。

(8)紅外集群的一個紅外攝像機布置對齊推鋼機處，當測量到鑄坯到底時，對齊推鋼機的液壓缸內置線性傳感器發出行程信號，對齊推鋼機將鑄坯推到步進翻轉冷床一上鋼位置并回到原始位置并對步進翻轉冷床一發出信號，步進翻轉冷床一(起始位在最低置)開始運行，步進翻轉冷床一運行規定的周期后停止后發出信號，熱送輥道才可以運行。

(9)紅外集群的一個紅外攝像機布置在步進翻轉冷床一定齒板入口處，用于檢測定齒板入口處的鑄坯，與熱送輥道連鎖。當檢測到步進翻轉冷床一定齒板入口處有鑄坯時熱送輥道不得運行。

(10)紅外集群的一個紅外攝像機布置在步進翻轉冷床一出口過渡輥道的前端，用于檢測步進翻轉冷床一出口處鑄坯，當檢測到鑄坯時發出信號，過渡輥道開始運行。

(11)紅外集群的一個紅外攝像機布置在過渡輥道的末端，用于過渡輥道鑄坯到固定擋板前的鑄坯減速、鑄坯到位停止信號，共2個信號。當檢測到鑄坯到位停止信號后，步進翻轉冷床二(起始位在最低置)開始運行，運行周期與步進翻轉冷床一相同。

(12)紅外集群的一個紅外攝像機布置在步進翻轉冷床二的出口處，當檢測到鑄坯時發出信號，收集臺架開始運行，運行一個行程后在接近開關的控制下回到原位。

(13)本次連鑄出坯系統通過優化設計工藝流程，保證在狹小的空間設計出坯系統，滿足工藝生產要求，安全可靠。

(14)本次連鑄機出坯系統，實現完全自動化控制，較大程度減少人工成本；并且由于不用人工操作，避免了操作失誤的可能，也提高了連鑄機設備的生產效率。

5 結束語

方坯連鑄機出坯系統的設計方法有很多，本文主要介紹了一種特殊的方坯連鑄機出坯系統的設計方案，通過優化工藝方案和設備配置，增加紅外攝像集群等自動化控制方法，解決了設計過程中存在的難點。馬鋼新建六機六流方坯連鑄機已熱負荷試車成功，預計很快達產，出坯系統運行穩定可靠，贏得了用戶的好評。