方坯連鑄機二冷設備改造實踐

張福來

(北京首鋼股份公司，北京 100043)

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設備改造

方坯連鑄機二冷設備改造實踐

張福來

(北京首鋼股份公司，北京 100043)

二次冷卻設備對鑄坯質量影響很大。通過對小方坯連鑄生產中的鑄坯質量缺陷問題進行分析，經過改進結晶器急冷水環，優化二冷分區和噴淋管噴嘴分布，提高了鑄坯質量，取得了良好的效果。

方坯連鑄；二冷設備；鑄坯質量

0 前言

近年來，首鋼煉鋼廠不斷優化煉鋼和連鑄工藝，經過一系列工藝升級和設備改造，提高了高附加值產品的生產比例。首鋼煉鋼廠某小方坯連鑄機采用全弧形8機8流連鑄機，下裝柔性引錠桿，弧形半徑：R8 000 mm,冶金長度：19.6 m,澆注斷面：130 mm×130 mm,160 mm×160 mm，拉速范圍：0～4 m/min。

連鑄二次冷卻對連鑄坯質量起著非常重要的作用，首鋼煉鋼廠針對鑄坯生產中的質量問題，經過技術和設備部門的分析研究后，決定對結晶器水環、二冷區分區、噴嘴分布進行優化，引入氣水冷卻，增強產品質量保證能力，降低了各類質量缺陷，滿足了高檔產品的質量要求。

1 二次冷卻設備

二次冷卻設備就是在結晶器之后，到拉矯機矯直輥這段距離，對鑄坯進行第二次冷卻和支撐導向的裝置，其結構和設計對連鑄機能否生產順利，以及生產的鑄坯質量都有著直接的影響。

1.1 二冷設備的作用和要求

二冷設備要求對鑄坯進行均勻的強制冷卻，將鑄坯殼凝固到足夠的厚度。對鑄坯和引錠桿進行支撐和導向，其重要性不亞于結晶器，它直接影響鑄坯的質量、設備的操作和鑄機的作業率[1]。其主要工藝要求如下：

(1)二次冷卻設備在高溫作用下要具有足夠的強度和剛度，并能采取強制通水冷卻的方法防止其變形。

(2)在結構上，二冷設備各段要能整體快速的更換，具有良好的調整性能，以適應澆注不同規格的鑄坯。

(3)支撐和導向設備的結構和參數要合理，且易于維修和事故處理。

(4)在二次冷卻區域內，對鑄坯要求有足夠的冷卻強度和均勻冷卻，盡可能減小鑄坯的鼓肚和變形以減少鑄坯運行阻力。

(5)合理的分配各段冷卻水量，且能靈活調節以適應變更澆注斷面、鋼種、不同澆注溫度和拉坯速度的工藝要求[2]。

2 二次冷卻設備生產中的問題

該連鑄機在生產過程中，由于受到工藝條件、生產操作及設備維護水平等因素的影響，生產極不正常，鑄坯合格率低，鑄坯存在裂紋，中心縮孔等缺陷。導致投產后生產不平穩，鑄坯收得率不高。此外，在二冷設備上還存在以下主要問題。

2.1 二冷設備的主要問題分析

(1)該鑄機結晶器下方帶急冷水環，水環有8個噴嘴,每個噴嘴距離鑄坯距離為94 mm，對鑄坯進行噴水冷卻，水環噴嘴噴水量約為6.6 L/min。根據要求，鑄坯出結晶器后由于表面溫度高,坯殼薄，噴水量要大，要迅速增加坯殼厚度。但從生產實際情況來看，水環冷卻強度不夠且不均勻，滿足不了坯殼厚度增長的需要，生產過程中易造成漏鋼事故[7]。

(2)二冷區主要分為二段水冷，一段空冷，分區不合理，導致二冷水分配不能滿足鑄坯冷卻需要，由于鑄坯在二冷區始終處于“冷卻-回熱”的交替狀態，且二冷分區前二段噴水區域噴嘴間距較大，而二冷區三段為空冷區域，導致鑄坯在二冷室運行過程中冷卻不均勻，鑄坯表面存在回熱現象。尤其在高拉速條件下，方坯中心偏析和疏松嚴重，中心縮孔等級較高，影響了鑄機生產效率。

(3)噴淋管上噴嘴設置間隔距離較大且均勻進行分布，且噴嘴選型和出水角度不合理，噴嘴出水形狀為全錐形，外圈水量相對強，中心區域水量相對弱，且噴嘴容易堵塞，常使得鑄坯角部冷卻強，表面冷卻不均勻, 不符合鑄坯凝固過程要求,易形成鑄坯缺陷(如內部裂紋，角裂，鼓肚等)。

3 二冷設備改造措施

據此,首鋼煉鋼廠結合上述二冷設備的主要問題分析,在二冷設備上進行了以下改造措施。

3.1 結晶器水環改造

結晶器急冷水環由方形改為八角形，增加了定位裝置，便于現場快速更換。增加了水環噴嘴數量，改變了噴嘴型號。將結晶器水環噴嘴由單層改為上下雙層,噴嘴數量由8個改為16個，型號由原來的PZ6080QZ噴嘴改為PZ4745QZ2噴嘴,噴嘴距離坯面距離由原來94 mm改為100 mm。合理的分配了噴水冷卻強度和均勻度，從而保證了鑄坯出結晶器后有足夠的坯殼厚度。根據主控室的數據顯示,改造后的冷卻水量由原來的50～60 L/min,提高到了98～119 L/min，提高了冷卻強度和冷卻均勻度。

3.2 二冷分區及配水室改造

通常二冷區冷卻系統設計應滿足如前所述的工藝要求，鑄坯在凝固過程中，隨著坯殼厚度的增加傳到鑄坯表面的熱量減少，二冷區各區域的噴水量應隨著坯殼厚度的增加而連續逐步降低。生產實踐中通常將二冷區分為若干分區，總水量按工藝要求定比例分配給各區[10]。此次改造重新劃分二冷區三個冷卻分區，二區長度延長了548 mm，增加一個噴水三區，替代原來的空冷區域，改造后一區采用全水冷卻，二、三區均采用氣水冷卻[8]。增加了整個二冷區域的冷卻長度，各區長度為Ⅰ區1 434 mm,Ⅱ區2 538 mm,Ⅲ區2 664 mm，如圖1所示。

圖1 鑄坯表面傳熱量沿澆注方向分布圖Fig.1 Billet surface heat transfer distribution

由于增加了二冷氣霧冷卻，需要對原有的兩個配水室進行改造，由于需要增加了壓縮空氣管路，為此增加了空氣過濾和干燥站。為改善水質在二冷水進水總管上增加了反沖洗過濾器，減少了由于水質問題導致的噴嘴堵塞。

3.3 噴淋管噴嘴優化分布

根據澆注工藝要求,二冷區的作用主要是使鑄坯快速凝固,并承受最小的熱應力。根據生產實踐經驗,由于鑄坯液芯在二冷區的凝固速度與時間的平方根成反比,因而二冷區噴水量也應大致按時間平方根的倒數成比例遞減。故鑄坯各段的水量可參照下式計算[4]：

Q0：Q1：Q2：Q3=1l0∶1l1∶1l2∶1l3

(1)

Q=Q0+Q1+Q2+Q3

(2)

聯立式(1)和式(2)可求任意一段的冷卻水量

Qi=Q×1li1l0∶1l1∶1l2∶1l3

(3)

式中：Q0、Q1、Q2、Q3分別為各區冷卻水量，t/h；Q為二冷總水量，t/h；l0、l1、l2、l3、li分別為各區中心至結晶器彎月面的距離，m；i=0～3。

從式(3)可以看出,鑄坯中心離結晶器彎月面的距離越近,要求的噴水量越大。在采用噴淋管冷卻的連鑄機中,為達到相類似的要求,可通過噴嘴排列密度的不同來實現鑄坯冷卻曲線的要求[11]。

通過以上分析后認為現二冷區的噴嘴排布不太合理，噴嘴數量偏少且分布間距偏大(見表1)，應增加噴嘴排列密度，提高鑄坯冷卻均勻度，以減小鑄坯溫度梯度。經優化后，原0區、1區噴嘴數量保持不變，2區立管下端延長，此區增加2排噴嘴(改后共計36個，原28個)，增加冷卻3區，此區噴嘴共計24個(見表2)。目的是縮短噴淋冷卻間距，降低每個噴嘴冷卻區域的冷卻強度，從而減小鑄坯回溫速率，降低鑄坯內部裂紋產生。

同時由于鑄機原二冷區噴嘴為純水噴嘴，根據現使用型號，噴嘴出水的錐面直徑大于鑄坯寬度15 mm左右，造成鑄坯角部冷卻強度大，面部冷卻相對偏弱，同時由于有時噴嘴容易堵塞，帶來的質量隱患較大。通對優化，二冷2、3區采用氣水噴嘴，增加了噴嘴密度(由原來84個，增加到116個)，噴嘴型號改變見表1和表2。由于更換后的噴嘴不易堵塞，噴出的水滴直徑小，速度高，且分布更均勻，提高了鑄坯冷卻均勻度，減小了鑄坯表面溫度回升。

同時也對噴嘴到坯距離、角度進行了調整，使冷卻水更均勻打在鑄坯上。以降低鑄坯角部冷卻強度并提高冷卻均勻度。噴嘴到坯距離比較見表1和表2。0區噴嘴縮小出水角度至70°(原80°)，2區噴嘴縮小出水角度至70°(原75°)，冷卻水基本可全部打到鑄坯表面。改造后二冷區各區水量之比為：15.8∶33.5∶33.7∶17。經較長時間的生產檢驗,改造后的二冷配水滿足了生產的需要。

表1 原二冷分區與噴嘴

表2 改造后二冷分區與噴嘴

3.4 二冷配水優化

在對方坯二冷系統進行優化后，重新修訂了二冷水控制模型和配水表。其數學模型如下所示：

Qi=(aiv2+biv+ci)+di(ΔT-27)+Fi

式中：Qi為二冷某一冷卻區水量，L/min；V為拉速，m/min；i為二冷分區序號；a、b、c為優化后回歸獲得的系數；d為系數，與鋼水過熱度有關；F為系數，與不同季節二冷水溫有關。

對噴嘴優化分布及配水優化后的鑄坯表面溫度及坯殼厚度進行了數值模擬，在不同拉速下使用130 mm×130 mm斷面的方坯，對鑄坯凝固過程進行了仿真和優化計算，獲得了方坯各表面中心溫度在拉坯方向上的變化規律[9]。數據顯示鑄坯表面回溫較小，鑄坯冷卻均勻(見圖2)達到了較好的二次冷卻效果。圖中的5根豎線分別代表結晶器出口和0區至3區末端位置。

圖2 鑄坯表面溫度變化模擬Fig.2 Simulation of billet surface temperature change

從外弧坯殼厚度增長曲線可以看出：鑄坯出結晶器后，在二冷區8 m弧范圍內，隨著拉坯距離的逐漸增加，坯殼厚度逐漸增加。同時內弧，外弧和側面表面中心溫度趨于穩定，穩定在900℃左右，溫度波動較小，如圖2中所示。由此可知在二冷各區冷卻強度與鑄坯表面放熱基本達到平衡，鑄坯表面溫度波動較小或回升很小，這對保證鑄坯質量特別是防止凝固前沿中間環節裂紋特別有好處[5-6]。由此可知二冷區域經過優化后，達到了較好的二次冷卻效果。

4 二冷改造后評價

經過對二冷設備改造后12個月內的鑄坯質量低倍檢驗，共統計1281塊試樣。結果如下表3、表4所示，檢驗結果表明：鑄坯質量獲得明顯改善。所生產的SWRH82B鋼種，其中心疏松、裂紋和縮孔小于和等于2級的達97.74%,小于和等于1級的達87%以上。其皮下裂紋平均為0.25級,角部裂紋平均為0.07級,說明二冷改造后已基本消除了以前的表面裂紋現象，鑄坯的質量達到了改造要求。

表3 低倍情況

表4 縮孔情況

5 結束語

自改造完成投產以來，二冷設備運行穩定，工藝效果明顯，鑄坯質量達到了改造目標的要求。通過改造結晶器水環結構，調整二冷各區分布長度與噴淋管噴嘴分布，改造了東西兩個配水室，使用了水冷與氣水冷卻相結合的方式。經過計算機仿真優化計算顯示鑄坯二次冷卻均勻，鑄坯表面溫度更穩定。對鑄坯內部裂紋和縮孔有了極大改善，基本消除了表面裂紋現象。經生產實踐證明,經過二冷設備改造后，鑄坯質量合格率明顯提高，合格率提高了0.23%。拉速也有所提高，隨之產量得到較大提高，經濟效益明顯。

[1] 馮捷，史學紅.連續鑄鋼生產[M].北京：冶金工業出版社，2010.

[2] 羅振才，煉鋼機械[M].北京：冶金工業出版社，2008.1,p190.

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[9]潘艷華, 王光進, 洪軍, 等. 武鋼大方坯連鑄二冷制度的優化[J]. 煉鋼, 2007, (4).

[10]謝建輝, 岳學軍. 石鋼1#連鑄造機二冷配水設計分析[J]. 連鑄, 2001, (4).

[11]陽建輝, 小方坯連鑄機二冷冷卻水設備改進[J]. 湖南冶金, 2000, (2).

Revamp on secondary cooling equipment for billet casting machine

ZHANG Fu-lai

(Beijing ShouGang Company Limited, Beijing, 100043, China)

The secondary cooling equipment has great impact on billet quality. Through the analysis of the billet quality defects during billet production, after improving the cooling water ring of the mold, the secondary cooling zones and the nozzles distribution of the spray header, it improved the billet quality, and achieved good results.

billet casting; secondary cooling equipment; billet quality

2014-06-23；

2014-07-18

張福來(1984-)，男，北京首鋼股份公司工程師，主要從事連鑄設備管理工作。

TP777.2

A

1001-196X(2015)01-0084-05