方坯连铸机二冷设备改造实践

张福来

(北京首钢股份公司，北京 100043)



设备改造

方坯连铸机二冷设备改造实践

张福来

(北京首钢股份公司，北京 100043)

二次冷却设备对铸坯质量影响很大。通过对小方坯连铸生产中的铸坯质量缺陷问题进行分析，经过改进结晶器急冷水环，优化二冷分区和喷淋管喷嘴分布，提高了铸坯质量，取得了良好的效果。

方坯连铸；二冷设备；铸坯质量

0 前言

近年来，首钢炼钢厂不断优化炼钢和连铸工艺，经过一系列工艺升级和设备改造，提高了高附加值产品的生产比例。首钢炼钢厂某小方坯连铸机采用全弧形8机8流连铸机，下装柔性引锭杆，弧形半径：R8 000 mm,冶金长度：19.6 m,浇注断面：130 mm×130 mm,160 mm×160 mm，拉速范围：0～4 m/min。

连铸二次冷却对连铸坯质量起着非常重要的作用，首钢炼钢厂针对铸坯生产中的质量问题，经过技术和设备部门的分析研究后，决定对结晶器水环、二冷区分区、喷嘴分布进行优化，引入气水冷却，增强产品质量保证能力，降低了各类质量缺陷，满足了高档产品的质量要求。

1 二次冷却设备

二次冷却设备就是在结晶器之后，到拉矫机矫直辊这段距离，对铸坯进行第二次冷却和支撑导向的装置，其结构和设计对连铸机能否生产顺利，以及生产的铸坯质量都有着直接的影响。

1.1 二冷设备的作用和要求

二冷设备要求对铸坯进行均匀的强制冷却，将铸坯壳凝固到足够的厚度。对铸坯和引锭杆进行支撑和导向，其重要性不亚于结晶器，它直接影响铸坯的质量、设备的操作和铸机的作业率[1]。其主要工艺要求如下：

(1)二次冷却设备在高温作用下要具有足够的强度和刚度，并能采取强制通水冷却的方法防止其变形。

(2)在结构上，二冷设备各段要能整体快速的更换，具有良好的调整性能，以适应浇注不同规格的铸坯。

(3)支撑和导向设备的结构和参数要合理，且易于维修和事故处理。

(4)在二次冷却区域内，对铸坯要求有足够的冷却强度和均匀冷却，尽可能减小铸坯的鼓肚和变形以减少铸坯运行阻力。

(5)合理的分配各段冷却水量，且能灵活调节以适应变更浇注断面、钢种、不同浇注温度和拉坯速度的工艺要求[2]。

2 二次冷却设备生产中的问题

该连铸机在生产过程中，由于受到工艺条件、生产操作及设备维护水平等因素的影响，生产极不正常，铸坯合格率低，铸坯存在裂纹，中心缩孔等缺陷。导致投产后生产不平稳，铸坯收得率不高。此外，在二冷设备上还存在以下主要问题。

2.1 二冷设备的主要问题分析

(1)该铸机结晶器下方带急冷水环，水环有8个喷嘴,每个喷嘴距离铸坯距离为94 mm，对铸坯进行喷水冷却，水环喷嘴喷水量约为6.6 L/min。根据要求，铸坯出结晶器后由于表面温度高,坯壳薄，喷水量要大，要迅速增加坯壳厚度。但从生产实际情况来看，水环冷却强度不够且不均匀，满足不了坯壳厚度增长的需要，生产过程中易造成漏钢事故[7]。

(2)二冷区主要分为二段水冷，一段空冷，分区不合理，导致二冷水分配不能满足铸坯冷却需要，由于铸坯在二冷区始终处于“冷却-回热”的交替状态，且二冷分区前二段喷水区域喷嘴间距较大，而二冷区三段为空冷区域，导致铸坯在二冷室运行过程中冷却不均匀，铸坯表面存在回热现象。尤其在高拉速条件下，方坯中心偏析和疏松严重，中心缩孔等级较高，影响了铸机生产效率。

(3)喷淋管上喷嘴设置间隔距离较大且均匀进行分布，且喷嘴选型和出水角度不合理，喷嘴出水形状为全锥形，外圈水量相对强，中心区域水量相对弱，且喷嘴容易堵塞，常使得铸坯角部冷却强，表面冷却不均匀, 不符合铸坯凝固过程要求,易形成铸坯缺陷(如内部裂纹，角裂，鼓肚等)。

3 二冷设备改造措施

据此,首钢炼钢厂结合上述二冷设备的主要问题分析,在二冷设备上进行了以下改造措施。

3.1 结晶器水环改造

结晶器急冷水环由方形改为八角形，增加了定位装置，便于现场快速更换。增加了水环喷嘴数量，改变了喷嘴型号。将结晶器水环喷嘴由单层改为上下双层,喷嘴数量由8个改为16个，型号由原来的PZ6080QZ喷嘴改为PZ4745QZ2喷嘴,喷嘴距离坯面距离由原来94 mm改为100 mm。合理的分配了喷水冷却强度和均匀度，从而保证了铸坯出结晶器后有足够的坯壳厚度。根据主控室的数据显示,改造后的冷却水量由原来的50～60 L/min,提高到了98～119 L/min，提高了冷却强度和冷却均匀度。

3.2 二冷分区及配水室改造

通常二冷区冷却系统设计应满足如前所述的工艺要求，铸坯在凝固过程中，随着坯壳厚度的增加传到铸坯表面的热量减少，二冷区各区域的喷水量应随着坯壳厚度的增加而连续逐步降低。生产实践中通常将二冷区分为若干分区，总水量按工艺要求定比例分配给各区[10]。此次改造重新划分二冷区三个冷却分区，二区长度延长了548 mm，增加一个喷水三区，替代原来的空冷区域，改造后一区采用全水冷却，二、三区均采用气水冷却[8]。增加了整个二冷区域的冷却长度，各区长度为Ⅰ区1 434 mm,Ⅱ区2 538 mm,Ⅲ区2 664 mm，如图1所示。

图1 铸坯表面传热量沿浇注方向分布图Fig.1 Billet surface heat transfer distribution

由于增加了二冷气雾冷却，需要对原有的两个配水室进行改造，由于需要增加了压缩空气管路，为此增加了空气过滤和干燥站。为改善水质在二冷水进水总管上增加了反冲洗过滤器，减少了由于水质问题导致的喷嘴堵塞。

3.3 喷淋管喷嘴优化分布

根据浇注工艺要求,二冷区的作用主要是使铸坯快速凝固,并承受最小的热应力。根据生产实践经验,由于铸坯液芯在二冷区的凝固速度与时间的平方根成反比,因而二冷区喷水量也应大致按时间平方根的倒数成比例递减。故铸坯各段的水量可参照下式计算[4]：

Q0：Q1：Q2：Q3=1l0∶1l1∶1l2∶1l3

(1)

Q=Q0+Q1+Q2+Q3

(2)

联立式(1)和式(2)可求任意一段的冷却水量

Qi=Q×1li1l0∶1l1∶1l2∶1l3

(3)

式中：Q0、Q1、Q2、Q3分别为各区冷却水量，t/h；Q为二冷总水量，t/h；l0、l1、l2、l3、li分别为各区中心至结晶器弯月面的距离，m；i=0～3。

从式(3)可以看出,铸坯中心离结晶器弯月面的距离越近,要求的喷水量越大。在采用喷淋管冷却的连铸机中,为达到相类似的要求,可通过喷嘴排列密度的不同来实现铸坯冷却曲线的要求[11]。

通过以上分析后认为现二冷区的喷嘴排布不太合理，喷嘴数量偏少且分布间距偏大(见表1)，应增加喷嘴排列密度，提高铸坯冷却均匀度，以减小铸坯温度梯度。经优化后，原0区、1区喷嘴数量保持不变，2区立管下端延长，此区增加2排喷嘴(改后共计36个，原28个)，增加冷却3区，此区喷嘴共计24个(见表2)。目的是缩短喷淋冷却间距，降低每个喷嘴冷却区域的冷却强度，从而减小铸坯回温速率，降低铸坯内部裂纹产生。

同时由于铸机原二冷区喷嘴为纯水喷嘴，根据现使用型号，喷嘴出水的锥面直径大于铸坯宽度15 mm左右，造成铸坯角部冷却强度大，面部冷却相对偏弱，同时由于有时喷嘴容易堵塞，带来的质量隐患较大。通对优化，二冷2、3区采用气水喷嘴，增加了喷嘴密度(由原来84个，增加到116个)，喷嘴型号改变见表1和表2。由于更换后的喷嘴不易堵塞，喷出的水滴直径小，速度高，且分布更均匀，提高了铸坯冷却均匀度，减小了铸坯表面温度回升。

同时也对喷嘴到坯距离、角度进行了调整，使冷却水更均匀打在铸坯上。以降低铸坯角部冷却强度并提高冷却均匀度。喷嘴到坯距离比较见表1和表2。0区喷嘴缩小出水角度至70°(原80°)，2区喷嘴缩小出水角度至70°(原75°)，冷却水基本可全部打到铸坯表面。改造后二冷区各区水量之比为：15.8∶33.5∶33.7∶17。经较长时间的生产检验,改造后的二冷配水满足了生产的需要。

表1 原二冷分区与喷嘴

表2 改造后二冷分区与喷嘴

3.4 二冷配水优化

在对方坯二冷系统进行优化后，重新修订了二冷水控制模型和配水表。其数学模型如下所示：

Qi=(aiv2+biv+ci)+di(ΔT-27)+Fi

式中：Qi为二冷某一冷却区水量，L/min；V为拉速，m/min；i为二冷分区序号；a、b、c为优化后回归获得的系数；d为系数，与钢水过热度有关；F为系数，与不同季节二冷水温有关。

对喷嘴优化分布及配水优化后的铸坯表面温度及坯壳厚度进行了数值模拟，在不同拉速下使用130 mm×130 mm断面的方坯，对铸坯凝固过程进行了仿真和优化计算，获得了方坯各表面中心温度在拉坯方向上的变化规律[9]。数据显示铸坯表面回温较小，铸坯冷却均匀(见图2)达到了较好的二次冷却效果。图中的5根竖线分别代表结晶器出口和0区至3区末端位置。

图2 铸坯表面温度变化模拟Fig.2 Simulation of billet surface temperature change

从外弧坯壳厚度增长曲线可以看出：铸坯出结晶器后，在二冷区8 m弧范围内，随着拉坯距离的逐渐增加，坯壳厚度逐渐增加。同时内弧，外弧和侧面表面中心温度趋于稳定，稳定在900℃左右，温度波动较小，如图2中所示。由此可知在二冷各区冷却强度与铸坯表面放热基本达到平衡，铸坯表面温度波动较小或回升很小，这对保证铸坯质量特别是防止凝固前沿中间环节裂纹特别有好处[5-6]。由此可知二冷区域经过优化后，达到了较好的二次冷却效果。

4 二冷改造后评价

经过对二冷设备改造后12个月内的铸坯质量低倍检验，共统计1281块试样。结果如下表3、表4所示，检验结果表明：铸坯质量获得明显改善。所生产的SWRH82B钢种，其中心疏松、裂纹和缩孔小于和等于2级的达97.74%,小于和等于1级的达87%以上。其皮下裂纹平均为0.25级,角部裂纹平均为0.07级,说明二冷改造后已基本消除了以前的表面裂纹现象，铸坯的质量达到了改造要求。

表3 低倍情况

表4 缩孔情况

5 结束语

自改造完成投产以来，二冷设备运行稳定，工艺效果明显，铸坯质量达到了改造目标的要求。通过改造结晶器水环结构，调整二冷各区分布长度与喷淋管喷嘴分布，改造了东西两个配水室，使用了水冷与气水冷却相结合的方式。经过计算机仿真优化计算显示铸坯二次冷却均匀，铸坯表面温度更稳定。对铸坯内部裂纹和缩孔有了极大改善，基本消除了表面裂纹现象。经生产实践证明,经过二冷设备改造后，铸坯质量合格率明显提高，合格率提高了0.23%。拉速也有所提高，随之产量得到较大提高，经济效益明显。

[1] 冯捷，史学红.连续铸钢生产[M].北京：冶金工业出版社，2010.

[2] 罗振才，炼钢机械[M].北京：冶金工业出版社，2008.1,p190.

[3]卢盛意. 连铸坯质量[M]. 北京：冶金工版社, 2000. 12.

[4]陈家祥. 连续铸钢手册[M]. 冶金工业出版社, 2000. 12.

[5]陈登福, 潘艳华, 董凌燕, 等. SWRH82B方坯连铸的二次冷却研究[J]. 炼钢, 2006,(4).

[6]陈登福，曾丁丁，孙跃, 等. 150 mm×150 mm方坯连铸高效化的二冷技术[J]. 特殊钢, 2004,(3).

[7]杨应东, 王民章, 吴坚. 变比水量冷却模式在方坯连铸上的应用[J]. 安徽冶金, 2007,(2).

[8]邱文生, 欧阳民, 万翔, 等. 韶钢第三炼钢厂方坯连铸机存在问题及改造[J]. 钢铁研究, 2007, (1).

[9]潘艳华, 王光进, 洪军, 等. 武钢大方坯连铸二冷制度的优化[J]. 炼钢, 2007, (4).

[10]谢建辉, 岳学军. 石钢1#连铸造机二冷配水设计分析[J]. 连铸, 2001, (4).

[11]阳建辉, 小方坯连铸机二冷冷却水设备改进[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

张福来(1984-)，男，北京首钢股份公司工程师，主要从事连铸设备管理工作。

TP777.2

A

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