高拉速小板坯連鑄工藝優化與實踐

王利波，么旭林

（天津市新天鋼聯合特鋼有限公司，天津市 301500）

0 引言

連鑄是鋼鐵生產的核心工序之一，是連接著煉鋼和軋鋼的中間環節。隨著煉鋼產能的不斷增加，提高現有連鑄機拉速、增加鑄坯產量，已成為天津市新天鋼聯合特鋼有限公司（以下簡稱聯合特鋼）當前的重點攻關任務。由于轉爐冶煉工藝和技術的不斷改進，聯合特鋼轉爐冶煉周期已由28min 縮短至23 min，而配套的小板坯連鑄機（1 號連鑄機）設計最高拉速為1.4m/min，澆鋼周期為27min，已不能適應轉爐煉鋼的生產節奏。為了解決爐機匹配問題，提高煉鋼系統整體生產水平，實現連鑄機“高拉速、提日產、增效益”的攻關目標，聯合特鋼對1號連鑄機開展了提拉速的工藝研究和生產實踐。

在1 號連鑄機提速過程中，由于連鑄設備和生產工藝調整不到位等原因，鑄坯經常出現表面裂紋、角部裂紋及渣溝等缺陷，影響了連鑄機的提速攻關。本文對提速后鑄坯表面缺陷產生的原因進行了研究，分析了連鑄設備和生產工藝對鑄坯表明缺陷產生的影響，據此提出了優化改進措施。

1 聯合特鋼1號連鑄機概況

聯合特鋼1 號連鑄機于2021年1月28日投產，設計產能為153.76×104t/a。連鑄機機型是R9m 四機四流直弧小板坯連鑄機，設計最高拉速為1.4m/min。生產鋼種主要為碳素結構鋼（Q195、Q235）、低合金高強度結構鋼（Q355B）。表1為聯合特鋼1號連鑄機主要工藝技術參數。

表1 聯合特鋼1號連鑄機主要工藝技術參數Table 1 Main process technical parameters of No.1 small slab caster in United Special Steel

2 提速過程中遇到的“瓶頸”

聯合特鋼煉鋼廠為實現“高拉速、提日產、增效益”的目標，充分發揮小板坯連鑄機的作用，開展了提高連鑄機拉速的攻關。但在提高連鑄機拉速的過程中，鑄坯表面經常會出現渣溝、裂紋等質量缺陷，已成為制約煉鋼廠高效化生產的“瓶頸”。經分析鑄坯表面質量缺陷主要受到兩個方面的影響：一方面是鋼水在結晶器內凝固時間變短，結晶器內的熱流密度增大，原有的熱平衡被打破，結晶器出口處坯殼變薄，鑄坯易形成表面裂紋缺陷；另外一方面，由于連鑄機拉速提高，結晶器液面波動加劇，鑄坯易形成表面渣溝缺陷[1]。

為了消除連鑄機提速后帶來的質量問題，對小板坯連鑄機的結晶器錐度、中包穩流器結構形式、保護渣理化指標、設備弧度精度、二冷系統工藝設備開展了研究，查找有可能造成鑄坯表面質量缺陷的因素。在此基礎上提出了連鑄機設備和生產工藝的優化改進措施。

3 設備技術改造和工藝優化

3.1 板式結晶器銅板錐度設計的優化

拉速提高后鑄坯在結晶器內滯留時間變短，使坯殼與結晶器銅板脫離形成一定的氣隙，且越向下部氣隙寬度越大，這會造成液態保護渣進入縫隙，鑄坯在結晶器內潤滑傳熱受阻，出結晶器的坯殼變薄。據統計拉速升高0.2m/min，出結晶器溫度升高18℃，出結晶器坯殼變薄且不均，易產生裂紋漏鋼。為減少坯殼與結晶器銅板間氣隙，改善結晶器傳熱效率，提高結晶器出口坯殼的厚度和均勻度，按照高拉速下鑄坯在結晶器內的收縮曲線與結晶器銅板內壁曲線相一致的原則，設計結晶器銅板錐度曲線。

結晶器銅板錐度優化設計：結晶器使用爐數＜900爐，錐度調整為3.2；使用爐數≥900爐，錐度調整為3.5。為驗證優化設計的效果，對結晶器內坯殼凝固過程進行了計算分析。

3.1.1 結晶器內坯殼凝固傳熱計算

考慮坯殼-結晶器銅板界面動態填充保護渣膜和氣隙，建立以鑄坯-結晶器銅板為整體仿真對象的有限元計算模型。對原結構和新結構結晶器采用相同工藝參數，計算鑄坯在結晶器內凝固坯殼的傳熱和受力，結晶器工藝參數如表2所示。圖1為原、新結構結晶器距離彎月面不同高度處的坯殼變形分布。

表2 結晶器工藝參數Table 2 Process parameters of mold

通過圖1可以看出，在拉速提高到2.1m/min條件下，新結構結晶器由于采用更大的錐度補償量，鑄坯角部附近區域（特別是窄面角部）相比原結晶器的錐度補償效果更佳。鑄坯凝固全程新結構結晶器界面間隙（0.8mm）小于原結構結晶器界面間隙（1.0mm），可有效提高結晶器內凝固坯殼的傳熱均勻性。

為了加強結晶器的冷卻效果，寬、窄面銅板的厚度均整體減小4mm，使得銅板的溫度整體相對原結構結晶器低，但溫度分布的均勻性基本相同。同時由圖1可以看出，新結構結晶器在較薄銅板厚度和較大窄面銅板錐度條件下，由于銅板的冷卻強度增加，且角部區域無明顯氣隙產生，在相同高度下新結構結晶器內的鑄坯寬、窄面凝固厚度整體大于原結構結晶器。

圖1 原、新結構結晶器距離彎月面不同高度處的坯殼變形分布Fig.1 Deformation distribution of shell at different heights from meniscus of original and new molds

3.1.2 板坯結晶器內凝固坯殼厚度

提取原結構結晶器與新結構結晶器寬、窄面中心溫度及其坯殼厚度。圖2為原、新結構結晶器鑄坯寬面中心溫度和坯殼厚度分布。圖3為原、新結構結晶器鑄坯窄面中心溫度和坯殼厚度分布。表2為原、新結構結晶器出口處的坯殼表面溫度與厚度數據對比。

圖2 原、新結構結晶器鑄坯寬面中心溫度和坯殼厚度分布Fig.2 Distribution of center temperature and shell thickness of wide face of original and new molds

圖3 原、新結構結晶器鑄坯窄面中心溫度和坯殼厚度分布Fig.3 Distribution of center temperature and shell thickness of narrow face of original and new molds

表3 原、新結構結晶器出口處坯殼厚度和溫度數據對比Table 3 Comparison of shell thickness and temperature data at the exit of original and new molds

綜上所述，新結構結晶器在冷卻工藝不變的條件下，冷卻強度整體有所加強，鑄坯出結晶器的寬、窄面中心處溫度分別降低12℃和14℃，對應坯殼厚度分別增加2.8mm 和2.6mm，有助于保障高拉速下出結晶器坯殼的安全厚度。

3.2 優化穩流器結構形式

采用抑湍器+導流擋墻+擋壩的控流方法優化穩流器結構形式，優化后穩流器結構形式如圖4所示。圖5為優化后穩流器各流之間鋼液溫度分布，由圖5可以看出，通過改變中包穩流器結構形式，均勻了中間包內鋼液溫度，使中包內各流之間鋼液溫度分布更加合理，各流出口處鋼水溫差在2℃～3℃之間。這不僅降低了中間包耐材的沖刷和侵蝕，而且實現低過熱度澆鋼，為提高連鑄機拉速創造了有利條件。

圖4 優化后穩流器結構形式Fig.4 structure form of flow stabilizer after optimization

圖5 優化后穩流器各流之間鋼液溫度分布Fig.5 Temperature distribution of molten steel between the streams of flow stabilizer after optimization

3.3 結晶器振動參數的優化

聯合特鋼1 號機結晶器為液壓振動，振動頻率為75 次/min～220 次/min，振幅為0±6 mm。表4為優化前后結晶器的振動參數，表中：C1為零拉速時的振動行程，C2為振動行程的拉速因子，C3為零拉速時的振動頻率，C4為振動頻率的拉速因子，C5為非正弦因子，fmax為最大振頻。結晶器振動頻率f=C3+C4V（V 為連鑄機拉速）；結晶器振程S=C1+C2V；結晶器振動偏斜率a=2C5-1，正弦偏斜率a=0。

表4 優化前后結晶器的振動參數Table 4 Vibration parameters before and after optimization

在生產低碳鋼時，振動參數優化后可使振幅隨著拉速的增加而增加，維持了相對穩定的負滑動時間，以控制鑄坯振痕深度。在拉速1.7m/min～2.1m/min 范圍內，負滑動率在-35%～-37%之間,負滑動時間為0.11s～0.13s,正滑動時間為0.22s～0.26s,有利于降低鑄坯振痕深度和保護渣的耗量，即可保證優良的鑄坯表面質量，又可提高拉坯速度。

3.4 改進保護渣的理化指標

高拉速下初生坯殼與結晶器間形成間隙，液態保護渣進入間隙形成厚渣膜，厚渣膜阻礙了鑄坯熱量的傳遞，隨著坯殼進一步收縮形成表面渣溝。如果鋼水成分不好，如硫、磷含量高，在渣溝處形成低熔點物質，可造成渣溝底部伴隨的裂紋。針對這種情況，為實現連鑄坯的高速生產，需要優化保護渣理化指標，以保證結晶器內的潤滑和改善傳熱，表5、表6為保護渣理化指標優化前后的對比。保護渣指標堿度由0.87 調整為1.16，粘度指標由0.38Pa·s 調整為1.105Pa·s。選用高粘度保護渣，可有效保障渣膜均勻性，防止斷渣或渣膜厚薄不均。同時高粘度保護渣內部結構相對更密實，可起到延緩鑄坯傳熱的作用，從傳熱均勻性和延緩傳熱兩方面改善鑄坯渣溝和裂紋缺陷。

表5 保護渣化學成分優化前后的對比Table 5 Comparison of chemical composition before and after mold powder optimization

表6 保護渣物理指標優化前后的對比Table 6 Comparison of physical indicators before and after mold powder optimization

3.5 校驗連鑄機弧度與扇形段輥縫開口度

小板坯連鑄機要嚴格按照設計要求對弧度進行精確校驗。要求調弧誤差控制在±0.2mm 以內，開口度誤差控制在±0.2mm 以內，各段之間兌弧誤差控制在±0.25mm 以內，扇形段輥縫開口度入口值由182.5mm 調整為181mm。提高對弧精度的措施主要有：采用階梯樣板對弧的同時要考慮輥子的水平偏差，增加水平測量操作，在對弧樣板上刻上尺寸刻度；制定合理的對弧公差控制制度，使整個扇形段單體的對弧精度一致；定期復測和調整離線對中臺，保證扇形段外弧與對中臺兩個橫梁在同一平面，若超過偏差值，則必須調整；做好連鑄機設備日常維護工作，降低因對弧誤差過大，鑄坯產生應變導致的裂紋缺陷發生率。

3.6 二冷設備工藝優化改造

二冷系統為連鑄機關鍵工藝設備之一，是決定連鑄機產量和鑄坯質量重要環節，與鑄坯內裂、鼓肚、中心偏析和縮孔等缺陷有著密切關聯。高速生產時，鑄坯溫度升高，坯殼薄且不均勻，易產生內裂引起漏鋼事故。為確保連鑄機在高拉速下穩定生產，對拉速變化引起結晶器熱流密度的影響、結晶器銅板溫度的影響、矯直區鑄坯表面溫度變化等工藝進行了研究，確定了二冷系統設備工藝技術改造方案。

（1）增加二冷1 區側弧，以及4 區、5 區、6 區內、外弧噴淋水管的管徑，管徑由DN25mm 增加至DN50mm，并對Y型過濾器、法蘭球閥、氣動調節閥、流量計等設備進行相應的改造。

（2）對二冷氣霧水嘴進行重新選型并重新布置。零段內、外弧水條由2 排改為3 排，立彎段由2排改為3排、2排混合冷卻。

（3）增加儲氣罐壓縮空氣進氣量，壓縮空氣進口管徑由DN125mm 調整為DN200mm，儲氣罐由5m3改為8m3，壓力提高0.1MPa。

（4）根據鋼種的高溫力學性能及其質量要求，制定相應的動態二冷控制模型。在中間包過熱度15℃～30℃范圍內，通過合理設定水量與分布，在不同拉速下優化各冷卻段二冷配水量，實現鑄坯表面水量冷卻均勻。

改造完成后，二冷系統單流水量由105m3/h 提高到145m3/h。在不同鋼種、拉速等工藝條件下建立二冷水量與溫度場的關系，采用二冷動態冷卻模型設定水流量和配水比，實現了二冷水和空氣流量的優化控制，提高了冷卻效率，使鑄坯表面溫度分布更加均勻，提高了鑄坯表面和內部質量。

4 結論

針對聯合特鋼小板坯連鑄機提速過程中，鑄坯經常出現表面裂紋、角部裂紋及渣溝缺陷的問題，本文從連鑄設備和工藝兩個方面進行了研究和探討。生產實踐表明，通過優化結晶器錐度、優化穩流器結構形式與振動工藝參數、改進保護渣理化指標、校對連鑄機弧度、調整扇形段開口度、二冷設備工藝優化改造等優化改進措施的實施，聯合特鋼1號連鑄機拉速由1.4m/min 提高至2.0m/min，拉速最高達到2.1m/min，實現了煉鋼廠“高拉速、提日產、增效益”的連鑄攻關目標。

聯合特鋼1 號連鑄機拉速的提高,實現了煉鋼和連鑄的爐機匹配，使煉鋼廠的日產鋼量由5000t提高至7500t，連鑄機年生產連鑄坯能力達到了200×104t 以上，鑄坯質量合格率由98.27%提高至99.99%，經濟效益顯著。