鞍鋼8 m 弧半徑小方坯連鑄機提速實踐

孫振宇，那廷權，李葉忠，唐雪峰，王成青，梁祥遠

（1.鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠，遼寧 鞍山 114021；2.鞍鋼集團鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114009）

鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠二分廠（以下簡稱“二分廠”）2#小方坯連鑄機弧半徑為8 m，冶金長度為21.5 m，設計產能為80 萬t/a，經過2015年和2018 年兩次改造成為鞍鋼的螺紋鋼專用產線。2019 年連鑄機拉速提高至2.8 m/min后，年產量達到114.5 萬t，然而下道工序的年生產能力已經提高到140 萬t/a 以上，要求連鑄機拉速提高至3.5 m/min 才能滿足生產要求，但是鑄機的設備能力和工藝制度無法滿足提速的需要。

國內外小方坯高拉速鑄機均采取大的弧半徑和長的冶金長度，例如福建三鋼160 mm×160 mm 小方坯鑄機弧半徑為12 m，冶金長度為32 m，拉速達到了3.0 m/min；廣東陽春新鋼鐵有限責任公司155 mm×155 mm 小方坯鑄機結晶器長度為1 m，鑄機弧半徑為9 m，冶金長度為26 m，拉速達到了4.3 m/min。沒有與二分廠鑄機類似條件下達到3.5 m/min 的高拉速實踐。因此，有必要結合2#小方坯連鑄機原設計的特點，開展結晶器、二冷區設備能力及中間包過熱度等工藝制度的優化，以實現鑄機3.5 m/min 高拉速條件下生產質量穩定的鑄坯，滿足生產要求。

1 生產工藝流程和主要參數

二分廠2#小方坯連鑄機生產工藝流程為：100 t 轉爐→精煉吹氬站→方坯連鑄機。6 機6 流全弧型連鑄機原設計工作拉速為0.8～2.4 m/min，主要澆注斷面為160 mm×160 mm 的小方坯。結晶器銅管長度為900 mm，二冷水采用水表進行控制，每流二冷段分為四個冷卻區，均為全水冷卻［1］。

2 影響鑄機提速的主要原因分析

2.1 鑄機原設計冷卻能力不足

基于原鑄機的基本參數，理論計算鑄機的一次冷卻和二次冷卻最大拉速。

（1） 一次冷卻最大拉速（Vmax，m/min）［2］

式中，Km為結晶器凝固系數，mm/min1/2，取21（引用文獻中經驗值［2］）；δmin為結晶器出口安全坯殼厚度，小斷面取10 mm；Lm為結晶器有效冷卻長度，為0.8 m。將各數值帶入式（1）得到：

（2） 二次冷卻最大拉速［2］

結晶器液面至切割起始位置L 極限為22.5 m，考慮到一定的安全距離，設計連鑄機冶金長度約為21.5 m，據此計算各斷面最大允許拉速：

式中，K 為綜合凝固系數，mm/min1/2，取29（引用文獻中的經驗值［2］）；D 為鑄坯厚度，mm。則：

上述理論計算結果顯示，鑄機最大拉速可達到2.83 m/min，鑄機原設計冷卻能力不足。

2.2 鑄機實際設備冷卻能力不足

2.2.1 二冷普通水噴嘴的能力不足

強冷霧化需要大于0.5 MPa 的水壓，而二冷普通水噴嘴的水量調節比有限、霧化狀態一般，強冷時水量不足導致了冷卻強度受限。當拉速為2.8 m/min 時，二冷區前三個區的閥門開度達到100%，但是由于配水管徑、閥門管徑和噴嘴能力的限制，強冷時達不到設定水量。

2.2.2 二冷總管管徑能力不足

2#小方坯鑄機目標拉速為3.5 m/min 時，總水量需要達到55 m3/h，而原管徑在水量大于45 m3/h時就表現出水能力不夠，無法滿足高拉速的需求。

2.3 鑄機的二次冷卻區長度不足

鑄機二次冷卻區的長度約為6.7 m，在原水量和冷卻強度下凝固的終點位置可達到23 m，鑄坯入矯直輥前的回溫較重，經常出現脫方、鼓肚、漏鋼的事故，因此冷卻區需要延長。

3 采取的措施

3.1 提高一次冷卻強度

3.1.1 優化一次冷卻技術

仍采用整體銅管式結晶器，長度由900 mm 增加到1 000 mm（中心線上下各增加50 mm）。采用合體式帶槽水套代替擠壓成型不銹鋼整體水套，水套與銅管間的水縫寬度由 （4.0±0.05） mm 減小為（3.5±0.05）mm。采用連續錐度銅管，銅管上部頂密封、下部側密封。結晶器水流速度由10～12 m/s 增加到14～15 m/s。足輥由雙排改為單排，足輥噴淋增加一排噴嘴，可實現提高拉速，避免脫方、角裂，冷卻更均勻，提高鑄坯質量的目的［1］。

3.1.2 更新結晶器供水泵

結晶器長度增加后，需要提高冷卻水總量，保證高拉速下足夠的結晶器水流量，因此更新了結晶器供水泵。根據原水泵及電機地腳尺寸設計制作新泵及電機地腳尺寸，保證新泵與原泵的安裝尺寸完全一致，并與原管道連接尺寸一致。泵體材質采用QT-500，葉輪采用不銹鋼2Cr13。供水泵更新后結晶器水總流量由原來的800 m3/h 提高至900 m3/h。

3.2 提高二次冷卻強度

3.2.1 優化二次冷卻技術

在連鑄機原設計條件下提高拉速，需要提高二次冷卻的綜合凝固系數K，提高總水量，進而提高比水量［3］。根據公式“比水量=二冷區水流量/拉速”［4］計算得出比水量需要達到1.5 L/kg 以上，才能使拉速達到3.5 m/min，將2 段和3 段原水嘴3/8PZ2960QZ2 更新為3/8PZ4760QZ2 水嘴，提高了水嘴最大流量。此外，延長二冷區長度并優化噴嘴型號，以減少二次冷卻噴嘴的堵塞，保證二次冷卻水均勻和冷卻強度，以滿足高拉速鑄機的生產要求。改進后二冷各區水嘴型號及數量如表1 所示。

表1 改進后二冷各區水嘴型號及數量Table 1 Types and Numbers of Water Nozzles in Each Region of Secondary Cooling Zone after Improvement

3.2.2 更新二冷水供水泵，增大二冷管徑

為了進一步提高總冷卻水量，保證高拉速下足夠的二冷水流量和較好的霧化效果，更新了二冷水供水泵，增大了二冷管徑。與更新結晶器供水泵采取相同辦法，泵體和葉輪材質的選擇均與其相同，二冷水供水泵為軟填料密封，管徑冷卻1 區和2 區由DN40 增加到DN50，冷卻3 區和4 區由DN25 增加到DN30。更新后二冷水總流量由450 m3/h 提高至550 m3/h。

3.3 優化工藝參數

降低中間包鋼水過熱度，降低結晶器內鋼水溫度，可滿足高拉速下結晶器內初生坯殼的安全厚度，同時提高鑄坯內外部質量，因此，對系統溫度進行優化，實踐后得出系統溫度降低10 ℃可以滿足高速生產的需求。系統溫度降低值見表2 所示。

表2 系統溫度降低值Table 2 Reduced Values of System Temperature ℃

4 高速生產的可行性和實施效果

4.1 理論計算

基于改進后的鑄機參數，理論計算鑄機一次冷卻和二次冷卻的最大拉速。

（1） 一次冷卻最大拉速

（2） 二次冷卻最大拉速

綜合凝固系數K 引用文獻中的經驗值34［2］。

改進后鑄機拉速提高，可以滿足生產要求。

4.2 實施效果

4.2.1 提高冷卻能力

2020 年5 月開始由單流試驗逐步推進到全流生產，截至2020 年12 月，鑄機拉速由2.8 m/min 提高至3.5 m/min。表3 為鑄機提速后冷卻系統參數，改進后冷卻能力能夠滿足高拉速生產的需求。

表3 鑄機提速后冷卻系統參數Table 3 Cooling System Parameters for Caster after Speed Improvement

4.2.2 降低系統溫度

改進前后精煉搬出溫度和中間包溫度對比見表4。鑄機提速后，轉爐爐后平均掛罐溫度降低10.9 ℃，精煉平均搬出溫度降低18.4 ℃，中間包平均過熱度降低10.2 ℃。

表4 改進前后精煉搬出溫度和中間包溫度對比Table 4 Comparison of Liquid Steel Temperature after Refining and in Tundish before and after Improvement℃

4.2.3 提高鑄坯質量

采取上述改進措施后，單中包連澆罐數和產量明顯提升，連澆罐數達到59 罐，單月產量達到12.078 萬t，具備年產145 萬t 的能力，比原設計提高25%，鋼水收得率由98.89%提高到99.56%，極大地提高了鑄機生產效率。

對鑄坯取樣檢驗，結果見圖1，鑄坯外部表觀質量良好，無脫方現象，同時也未見內部縮孔等缺陷，統計得出鑄坯質量合格率達到99.95%。

圖1 鑄機提速后生產的鑄坯形貌Fig.1 Billet Appearance after Caster Speed Improvement

5 結語

鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠二分廠針對8 m弧半徑的小方坯連鑄機原設計拉速低，不能滿足生產要求的問題，對鑄機結晶器和二冷設備進行了改進，增加結晶器長度100 mm，更新結晶器供水泵，提高結晶器水流速度，增加二冷水管徑及二冷區長度，采取低過熱度澆注，降低系統溫度10 ℃，上述措施實施后，鑄機拉速提高至3.5 m/min，鑄坯質量合格率達到99.95%，滿足年產量140 萬t 的要求。