矩形坯連鑄機提高拉速研究與生產實踐

李 軍，張 芳，王立波

（天津市新天鋼聯合特鋼有限公司，天津 301500）

0 引言

天津市新天鋼聯合特鋼有限公司（簡稱聯合特鋼）煉鋼車廠有三座120 噸轉爐，三座120 噸LF 精煉爐，四臺方、矩形坯連鑄機，一臺小板坯連鑄機，生產鋼種主要以碳素結構鋼、優質碳素結構鋼以及低合金結構鋼為主。5 號方坯連鑄機于2012 年12月建成投產，原設計鑄坯斷面為150mm×150mm 方坯，為適應下游客戶的不同需求，煉鋼廠協同設計院于2018 年10 月進行技術改造，增加165mm×225mm 斷面。5 號連鑄機改造投產后，拉速控制在1.40m/min，澆注周期32 分鐘。2021 年1 月，在鋼鐵市場利潤空間較好的大背景下，聯合特鋼轉變了傳統生產模式，采取低鐵耗快節奏生產路線。首先開展轉爐技術攻關，通過裝入制度、供氧強度與出鋼口的優化等措施，轉爐冶煉周期實現了由32min 縮短至22min 的新突破。由于轉爐冶煉周期大幅縮短，現有5 號連鑄機連鑄澆注周期已不能適應轉爐的生產節奏，造成連鑄壓鋼時間長，溫度損失大，精煉在站時間長，電耗增加等一系列問題。

鑒于上述原因，聯合特鋼在5 號連鑄機上開展了提高拉速生產實踐。因鑄機提速與鑄坯出結晶器時的坯殼厚度、液相穴長度、二次冷卻強度等因素有著直接關系，因此在5 號連鑄機提速過程中，鑄坯出現了脫方、角部裂紋、鼓肚、凹陷等缺陷。本文對連鑄提速過程中，鑄坯缺陷產生的機理進行研究，對5 號連鑄機設備及工藝存在的問題和缺陷進行了剖析，在此基礎上提出了改進措施。

1 連鑄機主要工藝參數及存在的問題

1.1 連鑄機主要工藝參數

2018 年10 月技術改造后的5 號連鑄機主要工藝參數如表1所示。

表1 5號連鑄機的主要工藝參數

1.2 存在的問題

聯合特鋼5 號連鑄機改造后，經生產現場跟蹤發現，連鑄機拉速穩定在1.4～1.45m/min 時，能夠獲得較好的鑄坯質量，但拉速超過1.45m/min 后，鑄坯質量下滑，出現鑄坯鼓肚、脫方、凹陷和裂紋現象（見圖1、圖2）；拉速達到1.6m/min 時，鑄坯裂紋漏鋼事故頻發（漏鋼數據見表2），因縱裂紋造成的漏鋼達到總漏鋼頻次的60%以上，嚴重影響了生產順行。

表2 鑄坯質量缺陷及漏鋼情況

圖1 鑄坯坯殼厚度

圖2 鑄坯縱裂紋

1.3 問題原因分析

分析認為，目前造成鑄坯質量下滑，甚至漏鋼的主要原因是：

（1）結晶器內坯殼冷卻不均勻，坯殼厚度不均，在二冷區冷卻不均勻，加劇坯殼的變形，坯殼受到應力的作用發生鼓肚、脫方、凹陷和裂紋的質量問題。

（2）鑄坯出結晶器坯殼厚度不足，出結晶器后出現裂紋時，易出現裂紋漏鋼。

針對以上問題，煉鋼廠開展技術攻關，對連鑄機相關設備和工藝進行了優化改造，以解決提高拉速帶來的質量和生產事故問題。

2 設備及工藝改進

2.1 結晶器優化

2.1.1 結晶器錐度優化

結晶器被譽為連鑄機的心臟，而銅管倒錐度作為結晶器的關鍵參數之一，對鑄坯質量有著重要影響。

根據現場生產情況，試用了凸面形銅管，即上部內腔銅壁面向外凸出，往下沿整個結晶器長度方向上逐漸變為平面。凸面形銅管上部凸面區傳熱效率高，角部氣隙小，能使坯殼與結晶器盡可能保持良好接觸。坯殼向下運動時，逐漸冷卻收縮并自然過渡到平面，結晶器下部壁面呈平面，正好適應了坯殼自身的自然收縮，結晶器傳熱效率大為改善。生產中通過數據收集，發現結晶器隨著過鋼量的增加，鑄坯坯殼均勻增厚，溫度梯度減少，熱應力降低，縱裂指數降低，有利于提高鑄坯質量。優化前后結晶器弧面變化如圖3。

圖3 結晶器弧面變化

2.1.2 結晶器水縫精度控制

結晶器的冷卻效果與結晶器水縫的寬度密切相關。原結晶器銅管與水套之間的水縫寬度是通過水套上的螺釘調節固定。結晶器銅管壁厚為15.5mm，在澆鋼過程中，銅管壁在高溫和鋼水靜壓力作用下易發生變形，造成水縫發生變化，影響到鑄坯凝固收縮。

為保證水縫精度，對結晶器水套進行了改進，改進情況如圖4 所示。在水套寬面中下部中心線上增加3 個螺釘頂絲，結晶器裝入水套后，通過原螺釘調節水縫并固定，在通過增加的頂絲頂住結晶器寬面銅板，在澆鑄過程中，當銅管受高溫和鋼水靜壓力作用發生向外變形時，頂絲能夠頂住銅管，避免銅管變形，保證水縫的精度，確保銅管冷卻的均勻性。

圖4 水套改進前后對比

2.1.3 結晶器足輥改造

結晶器足輥不僅對引錠頭進入結晶器起到導向作用，而且對出結晶器的高溫坯殼提供支撐，對減少鑄坯鼓肚和漏鋼事故起到重要作用，同時能夠減輕對結晶器銅管下口的磨損，有利于提高銅管使用壽命。

原結晶器零段足輥為兩排密排輥，提高拉速后，出結晶器的坯殼厚度減薄，較薄的坯殼得不到有效的支撐和夾持，在鋼水靜壓力作用下極易產生鼓肚、脫方等缺陷。

因此，對結晶器足輥進行了改造，改造情況如圖5 所示。將結晶器零段足輥由2 排密排輥改為6排密排輥，使坯殼出結晶器后獲得有效的支撐和夾持，有利于控制鑄坯缺陷的產生。

圖5 足輥改進前后對比

2.2 二冷區優化

帶有液芯的鋼坯出結晶器后進入二冷區，冷卻水直接噴在鑄坯表面，使鋼坯進一步冷卻凝固。二冷區冷卻方式、冷卻水分配與控制、噴嘴結構對鑄坯的表面質量均會產生影響。一般要求鋼坯表面冷卻速度不大于200℃，拉坯方向回溫不超過100℃。

原5 號連鑄機二冷二段及三段取消了冷卻噴淋，鑄坯在二冷區的冷卻主要是通過一段的噴淋水冷卻和進入二段以后的輻射傳熱。提高拉速后，鑄坯溫度升高，原二冷區冷卻能力不能滿足要求。增加1段水量，造成1段冷卻速度過大，二段后回溫超過100℃，易發生裂紋缺陷。

因此對二冷段進行了優化改造。將二冷1 段噴嘴型號由3775 改為7467；增加了二段、三段冷卻，二段、三段采用氣霧噴嘴，噴嘴型號為5795。優化后，鋼坯在二冷段內均勻冷卻，避免了局部降溫劇烈和鑄坯回溫過高造成的鑄坯缺陷。

2.3 保護渣性能優化

結晶器保護渣在連鑄工藝中有著重要的作用，保護渣加入結晶器后，吸收高溫鋼水提供的熱量，迅速在鋼液面上形成液渣層。連鑄過程中，液態保護渣隨著結晶器的振動從彎月面處流入結晶器和坯殼間的縫隙中，進而不斷消耗。保護渣在連鑄結晶器中起到保溫、防氧化、改善傳熱和吸收夾雜物的作用。

煉鋼廠5 號連鑄機主要生產品種為Q235B，其成分如表3所示。保護渣優化前后的指標如表4所示。由表4 可以看出，優化后保護渣堿度提高了0.13，熔點降低了19℃，粘度提高了0.454Pa/s，容速減少5s。優化前保護渣渣耗達到0.6kg/t，優化后保護渣耗量0.35kg/t。

表3 Q235B化學成分

表4 保護渣優化前后的指標對比

通過降低熔點、提高粘度控制保護渣的液態渣膜厚度，改善保護渣的在結晶器和坯殼間的均勻性，改善保護渣的潤滑性能和導熱性能，提高了鑄坯表面質量。生產實踐表明，優化后的保護渣性能滿足生產要求。

2.4 澆鑄工藝優化及管理改進

鋼水溫度是決定連鑄澆鑄是否順利的關鍵因素，同時在很大程度上決定了連鑄坯的質量，過高或過低的溫度都會帶來不利影響。提高拉速后，連鑄生產節奏加快，鋼水在中包內的停留時間減少，因此，需要對中包溫度的過熱度進行調整，過熱度由原來的15～30℃調整為10～25℃。合理控制結晶器進出水溫度，進水溫度控制在30～35℃之間，結晶器進出水溫差控制在6～8℃之間，使結晶器坯殼冷卻均勻。

在生產實踐中由于水嘴堵塞、漏水等問題導致二冷水供應不理想也是鑄坯質量控制不穩定的原因之一，噴嘴的日常維護尤為重要，因此，煉鋼廠內對噴嘴維護制定了相關的管理要求，做到定期維護、更換異常噴嘴。

3 生產實踐效果

改進后的鑄坯質量情況如表5 所示。通過生產設備的改進和工藝的優化及管理改進，煉鋼廠的5 號連鑄機拉速穩步提升，由優化前的1.6m/min 提高到2.0m/min，鑄坯合格率由改進前的97.8%提高到99.6%，縱裂漏鋼次數降低至0 次，月產量由原來的10萬噸提高到13.5萬噸。

表5 鑄坯質量情況

4 結語

針對聯合特鋼5 號連鑄機提高拉速帶來的鑄坯鼓肚、脫方、凹陷和裂紋等質量問題，煉鋼廠組織了鑄機相關設備和工藝優化改造技術攻關，取得很好的效果，達到了在保障質量的前提下提高拉速的目的。

（1）通過對結晶器銅管、足輥、二冷區等的改造及保護渣性能和冶煉工藝的優化，為連鑄提高拉速創造了條件；

（2）設備改進及工藝優化后，連鑄機拉速由原來的1.45m/min 提高到2.0m/min，月產量由10 萬噸提高到現在的13.5萬噸；

（3）鑄坯合格率由原來的97.8%提高到99.2%，縱裂漏鋼降低至0次。