某钢厂连铸机铸坯冷却系统优化改造与应用

王东升

（山钢集团日照有限公司，山东日照276805）

0 引言

某钢厂连铸机主要定位于生产普碳钢铸坯，为追求高附加值产品，该连铸机需进行优钢产品的生产。但由于铸机铸坯冷却系统设计配置较低，设备运行不良，铸坯缺陷出现率较高，无法满足优钢的生产要求。因此，急需对该连铸机铸坯冷却系统进行升级改造，使该连铸机具备优钢产品的生产能力。

1 连铸机冷却系统主要概况

该连铸机的连铸坯二次冷却采用水喷雾的模式，在该种模式下铸坯的局部冷却强度相对较大，连铸坯的温度波动达到200～300℃，导致连铸坯的热应力较大。另外，该连铸机的二次冷却喷淋集管支撑采用的是钢管悬臂式结构，刚度和强度相对较低，极易出现变形。

该连铸机的二次冷却配水方式采取的是静态配水方式，具体为：采取人工配水和自动配水的比例控制，二次冷却段各区的配水量与连铸坯的拉速成一定的比例关系。该模式简单地考虑了影响配水流量的因素——钢种成分和钢水过热度两个方面，即根据这两个因素确定各冷却段的基本配水量，并将所有的设计参数存储在PLC当中，且不能实现在线修改。

2 存在的主要问题

（1）结晶器水缝不可调，四根喷淋集管之间没有关联性，易变形，难以调整，足辊调整困难，并且调整幅度有限，大多数情况下已不能保证弧度的要求。

（2）连铸机二次冷却段局部冷却强度相对较大，造成连铸坯热应力大，导致铸坯极易出现各种质量缺陷。另外，该连铸机的二次冷却喷淋集管支撑采用的是钢管悬臂式结构，极易出现变形，造成喷淋集管相对位置的改变，从而导致对中性变差，连铸坯的冷却效果进一步地恶化，对铸坯质量产生严重的影响。

（3）该连铸机当初的设计主要是针对普钢产品生产，采用的是静态配水，为确保该连铸机同时具备生产优钢与普钢的能力，需采用优钢与普钢配水模式分别控制的模式。

3 改造方案

3.1 结晶器高效化改造

在使用过程中该连铸机结晶器暴露出以下问题：

（1）结晶器水套上口不固定，调整困难，造成水套与铜管间的间隙不均匀，保证不了结晶器足够、均匀的冷却效果，影响坯壳的生成。而冷却效果达不到正常要求的部位，会造成连铸坯坯壳凝结的厚度小、强度低，无法承受钢水的静压力，这些地方极易出现漏钢事故。

（2）结晶器内水套为焊接加工，水缝不可调，水套的加工误差是造成水缝不均偏差的主要原因，其再次加重了冷却的不均匀性，导致在结晶器内的铸坯坯壳形成厚度差异，由于受到钢水静压力的影响，连铸坯易于出现质量缺陷。

（3）结晶器足辊采用偏心销轴与足辊滑动连接的方式，通过旋转销轴来调整对弧。这种结构型式造成各排足辊调整困难，并且调整幅度有限，大多数情况下已不能保证弧度的要求。同时，在使用过程中，钢渣等杂物易侵入销轴与足辊的配合面，造成足辊不转，在此种情况下，拉坯阻力增大，故易出现漏钢及铸坯表面擦伤等质量缺陷。

（4）零段喷淋集管采用的是方管结构，该型式仅靠底座固定，四根喷淋集管之间没有关联性，易变形，难以调整，达不到应有的冷却效果。

针对以上结晶器的设计缺陷，在现有结晶器的基础上无法进行改造，必须进行整体设计改造，如图1所示。

图1 改造后结晶器示意图1—水套 2—水缝调节螺栓 3—足辊装配 4—喷淋集管

具体改造方案如下：

（1）为减少相关改造费用及保证安装精度，结晶器安装尺寸保持不变。

（2）水套及水套固定方式改造：水套由原来焊接加工改为整体挤压成型，实践证明，整体挤压式水套有变形量小、仿弧性好的特点，能够有效满足精度要求；在水套上设计一定位法兰，与上下口法兰一起对水套实现精确定位和固定，同时提高了水套刚度，可以很好地保证与铜管间水隙均匀，保证对铜管的均匀冷却；同时，此种方式可减少在结晶器维修工程中的水缝调整工作。

（3）足辊装配改造：每个弧面上的足辊由框架连为一体，足辊与销轴通过自润滑耐磨轴套联结，保证转动灵活；足辊弧度的调整通过旋转足辊支架上与足辊架连接的不锈钢定位调整螺栓来实现，调整范围大，并且调整起来更加方便快捷。

图2 环管式足辊喷淋集管示意图

（4）足辊喷淋集管采用环管式结构，如图2所示，将各喷淋集管联为整体，此种结构型式刚度及强度较好，不易出现变形，在维修过程中通常情况下不用做调整，在生产过程中能够保证冷却效果。

（5）结晶器加设存放支架，既可实现结晶器直接落地，减小了结晶器存放空间；又可对足辊喷淋集管进行防护，避免撞击对喷淋集管的损坏。

3.2 二次冷却系统研究应用

针对二次冷却系统设计缺陷，特进行如下优化改造：

（1）对该连铸机的二次冷却系统重新进行优化设计，如图3所示，采用气—水雾化冷却的方式；同时，在原设计的基础上增加第三段喷淋集管，以保证对连铸坯的冷却效果。

图3 改造后二次冷却系统示意图1—Ⅰ段上固定支座 2—Ⅰ段下固定支座 3—Ⅱ段上固定支座4—Ⅱ段下固定支座 5—Ⅲ段上固定支座 6—Ⅲ段下固定支座7—Ⅰ段喷淋集管 8—Ⅱ段喷淋集管 9—Ⅲ段喷淋集管

（2）重新优化设计改造喷淋管固定支座：水及压缩空气的接入由喷淋管的中间位置改到下部，喷淋管的连接方式为上部通过定位销与固定支座连接，下部通过螺栓安装与下支座的环管相连，此种连接方式能够极大地改善喷淋管的对中性及稳定性。

（3）简化管路配置：采用八边形的方管通道结构的支撑环管，上下布置于固定支座上。在环管上各设置一个压缩空气及冷却水进口，出口的设置分别与铸坯的四个冷却面相对应。此种设置能够使管路得到有效的简化，减少维修量。

（4）优化配水模型：根据连铸机生产钢种的不同，将钢种分为优钢和普通钢种两大类，针对两类钢种对配水的不同要求，分别设计两路配水管道系统分开控制配水，采用气动阀门分别进行控制。

3.3 动态配水模式研究应用

该连铸机二冷配水模式在生产优钢铸坯时极易造成连铸坯表面裂纹以及中心偏析、内部疏松等质量缺陷。针对国内外二冷配水系统制约优钢铸坯质量的技术难点，结合该连铸机的产品、设备和工艺特点，对该连铸机二次冷却配水的控制模型及调节控制系统进行研究，从优钢铸坯的凝固特性、水量优化控制等方面提高优钢铸坯表面质量和内部质量，提高生产自动化程度。

（1）二冷配水调节装置改造：根据二次冷却配水的模型，对各冷却段的调节阀门进行优化改造，以使能够对各段的调节阀门进行二级控制，从而实现二次冷却水的高精度控制调节。充分考虑优、普钢产品对二冷水量的不同需求，解决因二冷水流量波动大造成的铸坯质量缺陷，将生产优钢和普钢产品各冷却段的调节阀实施并联连接，即优钢使用新增调节阀，普钢使用原配调节阀，分别满足优钢和普钢产品生产的需要。

（2）水量优化控制：建立二次冷却水动态控制模型。根据坯壳生产后在连铸机中经历的时间，即以铸坯的“坯龄”作为对铸坯冷却的基本水量控制参数，在铸坯拉速波动等非稳定状态下生产时，不再以铸坯拉速作为配水流量的直接决定因素，而是以坯龄反映铸坯需要的冷却趋势及所需配水量。

4 应用效果分析

（1）结晶器高效化改造并成功应用，使结晶器各零部件调整、更换更加方便，降低了维修量和劳动强度；同时使结晶器水套能够满足生产工艺要求，改善了铸坯冷却效果，降低了漏钢事故出现的可能性，有利于铸坯质量的全面提升。

（2）通过对二次冷却系统的研究与成功应用，改善了铸坯质量，降低了维修成本。改造后喷淋集管的对中精度满足了连铸机的使用要求，连铸坯质量明显得到改善；二冷室内管路优化后，故障点明显减少，维修成本降低；工艺换方时间减少，大量了节约了人力、物力。

（3）配水模式的研究与成功运用，使该连铸机具备了生产优钢及普钢的能力，为优钢铸坯质量的提升提供了保障。

5 结语

连铸机冷却系统的优化改造与应用项目解决了之前在生产中暴露出的技术难题。通过对结晶器、二次冷却系统、配水模式等方面的适应性改造，成功解决了该连铸机铸坯冷却系统存在的问题，使连铸坯的冷却效果得到了有效改善，满足了生产工艺要求，同时也使维修量和劳动强度得到了降低，为连铸坯质量的稳定提升提供了有力保障，使该连铸机具备了生产优钢的能力。

[1]汪海涛.冶金机械设计手册[M].香港：中国科技文化出版社，2006：1088-1097.

[2]陈家祥.连续铸钢手册[M].北京：冶金工业出版社，1995：485-503.