天鋼大圓坯連鑄機熱坯壓力的調試

孫福來 鄧志勇 （天津鋼鐵集團有限公司煉鋼廠，天津 300301)

天鋼大圓坯連鑄機熱坯壓力的調試

孫福來 鄧志勇 （天津鋼鐵集團有限公司煉鋼廠，天津 300301)

在大圓坯澆鑄作業(yè)中，拉矯機的熱坯壓力是一個重要參數(shù)。熱坯壓力過大會使鑄坯產(chǎn)生橢圓變形，嚴重影響鑄坯表面質量;熱坯壓力過小，難以達到鑄機拉矯輥克服的拉出鑄坯的阻力，致使可能出現(xiàn)鑄坯在生產(chǎn)過程中的下滑。針對天津鋼鐵集團有限公司大圓坯項目3#連鑄熱試過程中存在的溜坯現(xiàn)象，根據(jù)工藝及設備參數(shù)加以分析，依據(jù)理論計算和生產(chǎn)經(jīng)驗，進行熱坯壓力調整和數(shù)據(jù)優(yōu)化，避免了溜坯現(xiàn)象的出現(xiàn)，保證了生產(chǎn)順行。

圓坯 連鑄機 拉矯機 阻力 壓力 調試

1 前言

天津鋼鐵集團有限公司大圓坯項目于2009年12月進行大圓坯熱試。此連鑄機引進于瑞士Concast公司，在鑄機熱試過程中，我們采用由外方提供的數(shù)據(jù)進行熱試。由于鑄機本身拉矯機熱坯壓力設置的不合適，導致拉矯輥對鑄坯的夾持力不夠，使摩擦力不足以抵消鑄坯自身自重引起的下滑力，產(chǎn)生溜坯現(xiàn)象，在澆注過程中，2流鑄坯在溜出前的表面溫度有變化，有明顯溜坯現(xiàn)象。另外，MOP控制盤顯示的拉速沒有變化，通過實際觀察，2流鑄坯發(fā)紅，經(jīng)測量，同一位置實際溫度高于其它鑄流，速度快于其它鑄流，有明顯的溜坯現(xiàn)象。通過手動對現(xiàn)場其它鑄流鑄坯的拉速進行測量，實際拉速均大于設定拉速，均有不同程度的溜坯現(xiàn)象。在以后的熱試過程中，我們通過分析鑄機性能和影響溜坯的因素，得知鑄坯的熱坯壓力值是關鍵因素。通過加大鑄坯的熱坯壓力設定值可以解決鑄坯下溜現(xiàn)象，但是，如果值設定過大，也會使鑄坯橢圓變形，外形質量受到影響。我們通過理論計算，結合自身設備狀態(tài)，依據(jù)得出的實驗數(shù)據(jù)進行熱試生產(chǎn)，產(chǎn)生良好效果，使大圓坯生產(chǎn)得以順行。

2 連鑄機主要參數(shù)

2.1 基本參數(shù)

大圓坯連鑄機主要參數(shù)如下：

鑄機機型：弧形連鑄機;

鑄機流數(shù)：6流;

鑄機半徑：10.25 m;

結晶器長度：800 mm;

澆注斷面及目標拉速：?270 m為1 m/min，?310 mm 為 0.75 m/min;

澆注模式：保護澆注;

矯直方式：Concast連續(xù)矯直。

2.2 拉矯機單元

該鑄機由5組拉矯機模塊組成，此部分主要起到矯直鑄坯的作用，并且用來插入或者引出引錠桿、鑄坯。拉矯機模塊的上輥由搖桿臂控制，可以升降，并且裝有發(fā)動機和抱閘。在上引錠的過程中，可以使引錠桿保持一定位置。在不同模塊間有支承輥，在插入或引出引錠桿，以及澆鑄過程中起到支撐引錠桿和鑄坯的作用。在脫引錠桿過程中最后一組拉矯機可以把持住鑄坯，使引錠頭和鑄坯分離。在最后模塊的輥子上（靠近切割機的一側)裝有編碼器，可以用來進行鑄坯長度和拉坯速度的測量。如圖1所示。

圖1 拉矯機組

在澆鑄過程中，由于鑄坯自身的重力作用，除抵消鑄坯在結晶器的阻力、二冷段的阻力、矯直段的阻力等之外，還會產(chǎn)生一個向下分量的力，使之下滑。我們通過在拉矯模塊設置熱坯壓力，來實現(xiàn)在不影響鑄坯外型尺寸的同時保證鑄坯勻速出坯。

3 產(chǎn)生溜坯的原因分析

通過分析我們得知，下滑過程中摩擦力小于鑄坯自身重力產(chǎn)生的下滑力是鑄坯下溜的直接原因。而熱坯壓力的大小是決定拉矯模塊摩擦力大小的因素，也是保持鑄坯不溜坯的決定因素。此外，設備存在的精度問題也影響著熱坯壓力的設定。

3.1 設備精度的影響

在熱試過程中，我們發(fā)現(xiàn)拉矯輥自由輥轉動異常，在3#、4#、5#拉矯機之間的自由輥不轉，這樣會改變拉矯輥和自由輥的受力，對計算熱坯壓力產(chǎn)生影響。如圖2所示。

圖 2 3#、4#、5#拉矯輥受力示意圖

根據(jù)圖2，我們進行公式分析，當自由輥不轉時，即F3=0，此時P1、P2變化。因此設備精度不夠會對熱坯壓力的調節(jié)產(chǎn)生影響。

3.2 熱坯壓力的理論計算

引錠桿引導鑄坯運行，鑄坯脫引錠后，在一定的速度下向下運行。在重力作用下，有一個很小的加速度，使鑄坯不斷加速，造成實際速度大于設定速度。同時，由于拉矯控制單元不是閉環(huán)控制，拉矯機轉速按設定拉速運行，造成二冷水量按設定拉速調整，鑄坯表面溫度上升，拉矯力實際成為一種阻力。當停澆時，熱坯壓力不足以停止鑄坯的向下運動，造成鑄坯溜出結晶器。

熱坯壓力的確定，就是在確定鑄機拉矯機拉出鑄坯所要克服的拉坯阻力，拉坯阻力包括結晶器內阻力、二冷段阻力、矯直區(qū)阻力、鑄坯自重產(chǎn)生的下滑力（利于鑄坯拉出)等。最后利用MARC建立二維切片傳熱模型，以得到鑄坯壓下過程中的應力分布，聯(lián)系拉坯阻力，進而計算出鑄坯的熱坯壓力[1]。

3.2.1 結晶器拉坯阻力的確定

結晶器中的阻力主要由于薄的坯殼在鋼水靜壓力作用下，緊貼在銅板上，當其運動時產(chǎn)生了滑動摩擦力。

計算公式為：P1=1/2h2ρμS

式中:P1——結晶器拉坯壓力;

h——結晶器內鋼水深度;

ρ——鋼水密度;

μ——滑動摩擦系數(shù)，取值為0.3～0. 5;

S——結晶器的有效使用面積。

3.2.2 二次冷卻區(qū)拉坯阻力的確定

二次冷卻區(qū)拉坯阻力包括坯殼與二次冷卻區(qū)支撐輥間的摩擦力，以及鑄坯“鼓肚”或冷卻均勻所引起的鑄坯變形等阻力，這些阻力相對較小?？捎上旅婀浇魄蟮茫?/p>

P2=（80～160)×H×B（H、B 分別為鑄坯的橫截面長、寬尺寸)

3.2.3 矯直區(qū)拉坯阻力的確定

在矯直區(qū)，由于拉矯機液壓缸的壓力作用，使鑄坯產(chǎn)生一定量的壓下量變形。軋制過程與這一過程相似，我們利用這一軋制力的計算方法得出矯直區(qū)的拉坯阻力的關系[3]，進而可以用這一拉坯阻力來確定熱坯壓力。

圖3 鑄坯與拉矯輥的接觸狀態(tài)

3.2.4 鑄坯自重產(chǎn)生的下滑力

弧形連鑄機鑄坯自重有利于鑄坯拉出（立式連鑄機由于鑄坯自重，拉矯機不是拉出的力，而是相反的力)。其公式可表示為：

式中：P3——自重下滑力;

ρ——鋼水密度;

S——圓坯的橫截面面積;

R——鑄機的基本圓弧半徑;

g——重力加速度，取9.8m/s2。

3.2.5 其它拉坯阻力

這一部分阻力包括切割阻力和輥道阻力，計算時取各種阻力的10%[2]。

3.3 計算結果分析

熱試鋼種為20#鋼，其材料特性為溫度的函數(shù)。查相關資料知道，該鋼種在950℃（拉矯輥出坯時溫度)時的屈服極限為45 MPa[4]。壓下位置產(chǎn)生屈服形變，如圖3所示，垂直于拉坯方向的分量即為壓下過程中液壓缸產(chǎn)生的力。計算時假設拉矯輥上的輥子的壓下量，進而可以計算出相應的摩擦力，此摩擦力與矯直區(qū)拉坯阻力平衡。假設壓下量后的計算推薦值為3.72 MPa、3.91 MPa、4.65 MPa、4.79 MPa、4.65 MPa。考慮到其它因素的影響，如設備精度，我們采用了第一次實驗數(shù)值，情況良好。

之后我們對熱坯壓力值再次優(yōu)化。在目標矯直過程中，為保證鑄坯不發(fā)生形變，第一組拉矯最終確定為3.5 MPa。由于采用漸進多點矯直（弧形半徑10.25 m)，對切點位置前面的壓下壓力適當降低，后部壓下壓力適當上調，最終確定了第二次實驗數(shù)據(jù)。

4 熱坯壓力的調節(jié)

綜上所述，影響鑄坯熱坯壓力的因素是多方面的，這其中包括自結晶器至切割單元的摩擦力、設備精度等。

根據(jù)理論計算，結合生產(chǎn)經(jīng)驗，技術人員對熱坯壓力作出優(yōu)化，見表2。

表2 熱坯壓力優(yōu)化試驗結果 /MPa

在使用原始值發(fā)現(xiàn)有溜坯現(xiàn)象后，我們通過計算和生產(chǎn)經(jīng)驗使用了第一次試驗數(shù)據(jù)。未產(chǎn)生溜坯現(xiàn)象。

由于熱試過程中澆鑄溫度高于目標溫度，拉速低于目標拉速。提高拉速后，二次冷卻區(qū)域溫度升高，影響鑄坯與輥子間的摩擦。為保證在目標拉速情況下也不會發(fā)生溜坯現(xiàn)象，對熱坯壓力做適當調整。在使用第二次實驗數(shù)據(jù)（在保證澆鑄溫度情況下，使用目標拉速進行澆鑄)后，進行橢圓度測量。圖4為第二次試驗的檢驗低倍。經(jīng)過測量，內外弧直徑為308 mm，側弧直徑為309 mm，45°直徑為309 mm，鑄坯表面質量優(yōu)，橢圓度要求為0.16%，滿足要求。

圖4 調整熱坯壓力后的鑄坯低倍

5 結論

5.1 通過分析計算拉坯過程中的各種阻力，建立熱坯壓力與大圓坯變形的函數(shù)關系，聯(lián)系到影響熱坯壓力的其它因素調節(jié)熱坯壓力值，所計算的熱坯壓力值與實際調試過程中的值相符，具有指導意義。

5.2 在熱試生產(chǎn)過程中，我們不拘泥于理論，根據(jù)實際生產(chǎn)情況，對第一組熱坯壓力實驗數(shù)據(jù)進行優(yōu)化采取的第二組熱坯壓力值，產(chǎn)生了良好的生產(chǎn)和工藝效果。

5.3 經(jīng)過熱坯壓力的調試，確保了生產(chǎn)中不出現(xiàn)鑄坯溜坯現(xiàn)象，使得生產(chǎn)順行，并且保證了鑄坯不會產(chǎn)生變形，滿足外形質量要求。此次熱試為新鑄機熱坯壓力的調試工作奠定了基礎，提供了寶貴經(jīng)驗。

[1]荊德軍.連鑄結晶器內鋼水凝固過程熱和應力狀態(tài)數(shù)值模擬研究[D].北京：北京科技大學，2001．

[2]蔡開科.連續(xù)鑄鋼500問[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1994．

[3]呂立華.軋制理論基礎[M].重慶：重慶大學出版社，1991．

[4]崔立新.板坯連鑄動態(tài)輕壓下工藝的三維熱—力學模擬型研究[D].北京：北京科技大學，2006.

Hot Bloom Pressure Setting of TISCO Bloom Caster

Sun Fulai,Deng Zhiyong

The hot bloom pressure at withdrawal and straightening unit is an important parameter during bloom casting operation.Excessive pressure can cause oval deformation in bloom,which seriously affects bloom surface quality;insufficient pressure may result in bloom downward slippage during production due to the lack of resistance at withdrawal roll for pulling the bloom out.In order to solve the bloom slippage problem at hot commissioning of Bloom Caster 3,Tianjin Iron and Steel Group Company Limited,the authors made analysis on basis of process and equipment parameters,and adjusted hot bloom pressure and optimized data following theoretical calculation and production practice.The bloom slippage was eliminated and smooth production ensured.

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（收稿 2011－07－13 責編 趙實鳴

孫福來，2008年7月畢業(yè)于遼寧科技大學，現(xiàn)在天津鋼鐵集團有限公司煉鋼廠電爐生產(chǎn)技術科，主要負責電爐生產(chǎn)鑄坯的質量工作。