1930双流板坯连铸机智能化升级改造

2022-03-02谭希华徐荣军

重型机械 2022年1期

唐超，谭希华，徐荣军

(1.宝钢工程技术集团有限公司工程技术事业本部,上海 201999；2.宝钢中央研究院炼钢技术研究所, 上海 201900)

0 前言

宝钢股份炼钢厂的二号连铸机是1989年从国外引进的大型双流板坯连铸机，机型为直弧型，基本半径R 9 555 mm，采用多点弯曲多点矫直的辊列曲线，铸机长度39.392 m。铸坯厚度250 mm，铸坯宽度900～1 930 mm，设计生产规模为年产265万吨合格板坯。2005年6月由外商对主机部分进行了一次改造，连铸机运行以来其实际产能大于设计产能。随着连铸机十几年的连续运行，主体装备严重老化，设备变形增大、精度降低、故障率明显增高，设备维护量越来越多、维护周期越来越长，部分备品备件采购困难，不能稳定运行。导致产品质量不稳定，缺陷铸坯增多，总体质量出现下滑的趋势。特别是设备的变形、磨损、锈蚀等问题，都对正常生产带来了较大的影响，形成潜在的危险，具有一定的安全隐患，特别是连铸机整体装备技术水平落后，亟待技术升级。随着自动化浇钢水平要求越来越高，炼钢厂开始大力推进无人化浇钢技术，二号连铸机自动化浇钢水平也急需提升。因此，决定对二号连铸机进行全面升级改造。铸机改造后，铸坯产品质量全部达到优良的水平。特别是无人化浇钢技术的采用，减少了劳动员额，改善了工人的工作环境，节本增效、提高劳动生产率，实现了智慧连铸制造技术的应用。

1 铸机改造解决的主要问题

1.1 装备技术

1.1.1 铸机辊列辊子直径配置不合理

二号连铸机采用了小辊径、密排辊的辊列设计理念[1]，由于过度强调小辊径密排辊，从弧形段至水平段采用了一致的小辊径，辊子直径只有Φ230 mm，甚至小于弯曲段下部的辊子直径Φ250 mm，致使辊径出现了前后倒置的不合理现象。随着对产品质量要求的不断提高，对铸坯中心偏析及疏松的控制越来越严，轻压下技术成为不可或缺的重要技术手段。如此之小的扇形段辊径，无论其强度还是刚度都严重不足，难以承受轻压下之重，经常出现断辊的故障，导致二号连铸机扇形段使用寿命低、更换量异常大。因此，加大扇形段的辊子直径，使其能够满足动态轻压下使用要求势在必行。另外，辊列弯曲与矫直采用5点弯曲13点矫直的曲线，辊列曲线已经明显落后，需要改进为目前普遍采用的连续弯曲连续矫直的先进辊列曲线，使铸坯的弯曲与矫直总应变有效控制在0.35%以下[2]，确保生产高质量的连铸坯。

1.1.2 扇形段刚性弱强度低辊缝精度低

二号连铸机扇形段采用四铰点夹紧结构型式，液压控制的辊缝调整，内置式的位移传感器安装方式。该扇形段的夹紧机构四铰点位于内外弧框架的两个侧面外，通过上框架与边框架的导向机构控制辊缝的调整与变化。此种结构的扇形段，由于辊缝控制环节的累计间隙较大，致使辊缝的精度低误差大，且稳定性不好，因此严重地制约着铸坯质量的保证与提升。如图1所示为扇形段辊缝的实测数据，如图2所示为2014～2018年扇形段使用寿命，从图1可以看出其辊缝精度的低下。另外，位移传感器的安装方式无法实现在线更换，每次更换位移传感器，扇形段都不得不被迫下线。因此扇形段的在线使用寿命短，下线频度随之增加，连铸机的停机维护时间也随之增多，致使维护量增大，连铸机的生产效率也大为降低。因此，淘汰落后的扇形段型式，采用高精度辊缝控制、能够满足动态轻压下使用强度与刚度要求的新型扇形段是十分必要的。

图1 二号连铸机辊缝实测数据

图2 2014-2018年扇形段使用寿命

1.1.3 二冷蒸汽外溢严重

长期以来二号连铸机二冷密闭室蒸汽外溢问题十分严重，特别在冬季生产时，外溢的蒸汽导致+4 m和+8 m平台蒸汽弥漫，能见度极低，影响到正常的生产。由于长期的蒸汽溢出，导致+13.5 m的平台亦锈蚀严重，相关的连铸机设备如振动装置基础框架、扇形段更换装置以及固定卷扬装置等都严重锈蚀。已经严重影响到这些设备的精度、强度及使用安全等，对连铸机正常的生产造成了潜在的安全隐患。因此，对蒸汽排除装置及二冷室进行全面的更新，提高蒸汽的排出能力及效率，彻底杜绝蒸汽的外溢，确保安全环保整洁的工作场景是完全必要的。

随着连铸技术十多年的发展，出现了很多新技术与新装备，并已得到成熟运用。如连续弯曲连续矫直辊列技术、结晶器自动加保护渣技术、动态轻压下技术、二冷高效喷嘴技术、机器人浇钢技术等，这些新技术可以显著提高铸坯质量、有效改善生产操作环境及效率、提高劳动生产率等。因此，本次改造必须采用相关的新技术和新装备，全面提升连铸机的装备技术水平，确保生产高质量的连铸坯。

1.2 产品质量缺陷问题

1.2.1 夹杂(渣)、气泡缺陷

二号连铸机生产的铸坯最突出的表面质量问题是夹杂(渣)、气泡缺陷，主要出现在板坯的上表皮下和板坯侧面位置，如图3所示。其产生原因与钢水中的夹杂物、氩气泡在结晶器内上浮不充分密切相关，尤其在高通钢量的情况下，会更加恶化，该缺陷对部分产品的使用性能有较大的影响。受到焊接热影响会产生微细裂纹，导致产品降级或报废，造成用户的抱怨和理赔。

图3 板坯表面夹杂、气泡缺陷

夹杂(渣)、气泡缺陷是影响汽车板产品后工序钢质封锁以及汽车板用户冲压过程中开裂的主要原因，尤其在高端汽车板GA产品的钢质缺陷率与新日铁相比差距较大，如图4所示。

图4 宝钢与新日铁汽车板钢质缺陷率对比

同时，随着汽车行业对于节能减排、降低成本的需要，对钢板的厚度需求越来越薄。随之对于夹杂的控制只能越来越严格，否则钢板在冲压过程中很容易造成开裂。因此，夹杂(渣)、气泡就成为汽车板产品在炼钢工序中的主要质量缺陷问题。

1.2.2 中心裂纹问题

二号连铸机生产的铸坯易发生中心裂纹，月平均发生52块，由此造成的改钢损失1 500万元/年左右，严重制约了汽车板产品的合同交付。板坯的中心裂纹如图5所示。

图5 板坯中心裂纹

1.2.3 低碳微合金钢、包晶钢、中碳钢角横裂

二号连铸机生产的低碳微合金钢、包晶钢、中碳钢铸坯经常有角横裂发生。为了避免产品判废或降级，目前大量的低碳微合金钢、包晶钢、中碳钢等钢种都采用下线后手工清理的精整方式。手工清理一块板坯平均耗时0.5 h，严重影响了炼钢生产的正常物流。不仅造成库存量成本浪费，同时严重制约着公司合同的交货期。

1.3 改造所要达到的目标

1.3.1 提升连铸机的装备技术水平

改造后连铸机要淘汰陈旧落后的技术与装备，达到当今世界先进的装备技术水平。因此，必须采用成熟可靠的新工艺、新技术、新装备，如连续弯曲连续矫直辊列技术、结晶器电磁搅拌技术、二次冷却宽向调节技术、凝固末端动态轻压下技术等。全面提升连铸机的装备技术水平。

1.3.2 提高连铸机设备精度及使用寿命

改善连铸机精度和稳定性(辊缝控制精度)，改造后扇形段的辊缝精度达到：在线±0.5 mm，离线±0.1 mm；提高设备使用寿命(结晶器、扇形段等核心设备)，其中结晶器和弯曲段正常使用寿命达到1 200炉，弧形扇形段正常寿命达到5 000炉，水平扇形段正常寿命达到10 000炉。

1.3.3 连铸机数字化系统建设

增设相关的传感器，实现远程运维及数据采集，为连铸机数字化系统建设奠定基础。

2 铸机改造区域

二号连铸机的改造区域主要是平台上区域、主机区域、出坯区域、中间包维修区、机械维修区、二冷排蒸系统以及液压和润滑系统等。

平台上区域的浇钢系统设备基本利旧使用，只是部分设备的局部适应性改造。主要是中间包盖的适应性改造，中间位置的盖板更新；中间包适应性改造，增加连续测温开孔等；浸入式水口预热装置的适应性改造，改为负压式；中间包车适应性改造，适应自动化浇钢等。

同时浇钢区域增设相关的机器人，实现机器人替代人工的无人化浇钢操作。引锭杆系统设备利旧使用。

主机区域设备基本更新，少数设备利旧改造。从结晶器盖板、结晶器、结晶器振动装置、结晶器振动基础框架、弯曲段、扇形段、扇形段基础框架、扇形段驱动装置、扇形段更换装置及扇形段更换导轨和固定卷扬等设备全部更新；结晶器电磁搅拌系统利旧使用，只对其水系统局部改造。

结晶器冷却水配水系统，主管路利旧，8 m平台阀站局部改造，更换阀站上的阀门、水泵、仪表等设备；二冷水配水系统，主管路利旧，中间配管过滤器(含)后整体更换；设备冷却水配水系统，主管路利旧，中间配管过滤器(含)后整体更换。

长水口清洗排烟系统，新增排烟风机及管道；结晶器排烟系统，整体更新；二冷排蒸系统两流水平段蒸排和主蒸排管路改造，水平段风机更新。

二冷密闭室更新，对二冷密闭室内操作平台立柱做防腐处理，采用环氧陶瓷喷涂防腐。

出坯区域设备基本利旧使用，喷印机更新；对B横移台车利旧改造，增加走行导向，辊子、驱动装置利旧，更新无线测距装置等。

中间包维修区利旧，机械维修区适应性改造。

钢包滑动水口液压系统，泵站利旧，阀台更新；主机液压系统，本体液压站主泵、循环泵拆除。新增1套本体液压主泵系统，2套事故蓄能器组，1套循环冷却主泵系统，更新2套扇形段液压控制阀台，新增扇形段夹紧阀组，更新2套切割辊道液压阀台；结晶器振动液压系统、中间包维修区液压系统和精整区液压系统利旧；机械维修区液压系统适应性改造；主机润滑系统更新，采用集中智能干油润滑。

3 铸机改造的技术特点

3.1 铸机改造后主要技术指标

铸机改造后主要技术指标见表1。

表1 改造后连铸机主要技术指标

3.2 铸机改造采用的关键技术

3.2.1 连续弯曲连续矫直辊列技术

二号连铸机目前采用的是多点弯曲多点矫直辊列技术，改造后采用连续弯曲连续矫直辊列技术。由于连续弯曲连续矫直辊列曲线与多点弯曲多点矫直辊列曲线相比优势明显，具有显著的先进性，因此得到了广泛的应用[3，9，10]。连续弯曲矫直曲线在其全程都产生弯曲矫直变形，分布到每个点处的应变值都极其微小，甚至可以忽略不计，且具有恒定的低应变速率。而多点弯曲矫直曲线只在弯曲矫直点处产生弯曲矫直变形，其它点处不产生弯曲矫直变形，因此每个弯曲矫直点处都会产生很大的应变值，远远大于连续弯曲矫直产生的应变值。因此连续弯曲矫直更有利于防止铸坯内裂的产生，更有利于设备受力的均衡。

改造后的辊列确保在拉速1.8 m/min、断面250 mm×1 930 mm浇铸低碳钢的条件下，固/液界面处的内部总应变小于0.35%(即鼓肚应变、弯曲/矫直应变、辊子不对中所引起的应变之和)，以生产高质量的连铸坯。改造后连铸机的辊列配置图如图6所示。

图6 改造后连铸机的辊列配置图

改造前和改造后连铸机辊列数据比较见表2。

表2 连铸机改造前后的辊列数据比较

连铸机改造后辊列设计特点见表3。

表3 连铸机改造后辊列设计特点

从铸机辊列改造前后相关设计数据的对比可以看出，新辊列先进、优势明显，既提高了连铸机的装备技术水平，同时也有助于确保与提高连铸坯的质量。

3.2.2 超薄结晶器铜板技术

结晶器宽面铜板采用新型超薄厚度结构型式，铜板有效厚度仅为25 mm，最小使用厚度21 mm。铜板表面采用CoNi镀层，上部镀层厚度0.3 mm，下部镀层厚度2 mm。铜板材质为Cr-Zr-Al-Cu(ES-50A)。铜板的通钢量显著增加，最高可达25万吨。由于铜板的厚度远小于常规铜板厚度40 mm，因而铜板的导热效率明显提高，铜板冷却更均匀，便于坯壳的快速生成，相同拉速下出结晶器的坯壳厚度明显增大，便于提高拉速。同时便于结晶器电磁搅拌的使用，增强搅拌效果，提高搅拌效率。另外铜板厚度的显著降低也有利于降低设备的制造成本。

3.2.3 结晶器电磁搅拌技术

实践证明结晶器采用电磁搅拌技术，对铸坯内部、表面及皮下的夹杂和气泡等质量缺陷具有明显的改善效果[5]。

二号连铸机改造，采用结晶器电磁搅拌装置，该装置型式为线性感应式，其搅拌线圈安装在结晶器弯月面位置，用法兰固定在结晶器上，结晶器内外弧各1个线圈，钢流在结晶器弯月面及其下面环形流动，保持液面稳定，从而改善铸坯的表面质量。

该装置只需开/关简单操作，不论钢种、拉速和板坯不同的宽度，流动速度恒定，但通过调整电流值可以改变流动速度。

电磁搅拌技术的采用，不仅可以解决铸坯夹杂和气泡等质量缺陷，而且还可以有效抑制拉漏事故的发生，稳定连铸生产。

3.2.4 结晶器液压振动装置

结晶器振动采用液压驱动方式[4]，振动装置为整体框架式结构型式，结构紧凑重量轻刚性好。采用2个液压缸驱动，可进行正弦和非正弦曲线振动。在浇铸过程中，振幅和频率可调。采用碟簧组蓄能缓冲装置，振动过程中产生的动载荷小，振动的精度高，板坯表面振痕小，有利于提高铸坯表面质量。此外，该装置设备使用寿命长，维修量小，有利于降低设备维修成本。

3.2.5 柔性拉杆扇形段

针对连铸机当前四铰点结构型扇形段所存在的问题，改造设计决定采用柔性拉杆扇形段，这种扇形段是目前板坯连铸机中最先进的。柔性拉杆扇形段的主要技术特征为，四根柔性拉杆、四个拉杆外套管及四个双向活塞杆的夹紧液压缸等构成夹紧机构，框架为格栅式全通透厚钢板焊接结构型式。每个扇形段均设有7对辊子，其中6对为自由辊，1对驱动辊，辊子为芯轴式3分段结构型式。

柔性拉杆夹紧机构的采用，整个夹紧环节都是刚性联接，没有任何间隙，在辊缝调节过程中不会形成任何的误差。因此，辊缝控制与调节精准，辊缝精度高，实际在线精度控制在±0.5 mm以内，离线精度±0.1 mm以内。位移传感器采用外置式安装方式，实现在线的更换。格栅式上下框架的采用，扇形段的整体刚性大为增加，框架及整体的抗变形能力也大为加强。同时由于格栅式框架的通透性，扇形段的下框架不再存积氧化铁皮及二冷水。框架的抗腐蚀能力提高了，扇形段的总体使用寿命得以提高。同时辊子也不再堵转，二冷水的幅切机构也能够灵活运行，幅切控制功能得以保证，铸坯角横裂的问题可以得到有效解决，铸坯的边部质量得以保证与提高。芯轴式3分段结构型式的采用，以及辊子直径的加大，辊子的强度与刚度都得到了极大的加强，抗变形能力大为加强，完全能够满足动态轻压下的使用要求。同时辊子母材采用42CrMo耐热调质钢，辊子表面采用不锈钢堆焊，辊子的在线使用寿命显著提高，扇形段的在线使用寿命也可以显著提高。

此种结构型式扇形段的采用，不仅可以提高铸机的装备技术水平，同时也可以有效解决由此而造成的铸坯质量问题等。

3.2.6 二次冷却宽度调节技术

二号机生产的铸坯宽度为900～1 930 mm，宽度范围大。为确保铸坯表面冷却均匀，防止角部过冷，降低铸坯角裂的发生[6]。在铸坯的最小和最大宽度范围内，根据当前所浇铸的铸坯宽度，进行喷淋宽度调整，即通过11个二冷分区、20个控制回路来控制喷淋冷却宽度，防止铸坯角部和窄面过冷。弯曲段采用开/关阀控制边部喷嘴来调节喷淋宽度。1～8号扇形段通过液压缸驱动来调节喷嘴喷淋宽度，实现无级幅切。

3.2.7 动态轻压下技术

动态轻压下技术是改善板坯中心偏析缺陷的有效技术手段[7]，已被广泛所应用。本次改造同样采用此技术，确保生产高质量的连铸坯。

由于扇形段辊子直径的加大以及辊子结构型式的改变，同时新型扇形段结构型式的选用，可以确保动态轻压下技术的有效实施及良好的使用效果。

3.2.8 自动浇钢技术

二号机改造增加自动化浇钢技术[8]，在浇钢区域新增4台机器人，可以实现以下功能：自动拆装钢包滑板油缸；自动拆装介质快速接头，包括钢包底吹氩管、下渣检测快速接头、冷却用压缩空气管路；钢包长水口自动拆装；长水口清洗；长水口预热；中间包测温取样；开浇烧氧；添加中间包覆盖剂；添加结晶器保护渣等。

自动浇钢技术的采用，由机器人替代了人工的相关操作，实现连铸高自动化、少人化操作。改善了工作环境，提高了人身安全，减员增效，降低生产成本，提高劳动生产率。实现了智慧连铸制造。

3.2.9 二冷蒸汽外溢的解决措施

二冷密闭室蒸汽外溢主要出现在弧形段区域和水平段区域。弧形段区域蒸汽外溢的主要原因，是原有接入弧形段顶部的排蒸风管被结晶器保护渣积聚而造成的堵塞。水平段区域蒸汽外溢的主要原因是两流中间的排蒸系统压头较低，排蒸能力不够。本次改造将部分风管进行了更新，水平段风管规格放大，路由优化设计。同时更新水平段的2台风机，增加压头。

3.2.10 液压控制系统

结晶器调宽将原先的步进缸控制型式改为了伺服阀控制型式，提高了在线调宽的可靠性，克服了漏钢现象[11]。可以进行实时监控与后台数据的收集，实现了信号实时反馈的闭环控制，满足远程运维和数据采集。此外，伺服阀较步进缸所需液压源少，节能。

扇形段夹紧缸原先采用高速应答阀控制，生产过程中，频繁出现卡阀现象，且响应速度慢，无法保证控制精度，影响动态轻压下功能的效果。改造后采用电磁换向阀控制，使用固态继电器，减少了信号输出的延时，提高了响应速度[12][13]。同时电气控制相对简单，投资费用较低。特别是，扇形段还增设了“软夹紧”功能，当扇形段处于“软夹紧”工作状态时，既节能又可以减轻扇形段的负载，减少扇形段的“疲劳”，增加设备寿命。

整个液压系统增设了各类传感器，可以远程运维及数据采集，满足数字化系统建设的需要。

3.2.11 润滑系统

铸机改造前采用集中单线干油润滑系统，实际生产中故障多可靠性差[14][15]。系统中如有一点被堵，分配器活塞不能动作，则润滑全线都受到影响。改造后采用集中智能润滑系统，由上位机监控系统、主控系统、润滑泵站、给脂监测装置组成。从泵输送的润滑脂通过主控系统自动控制各电磁给脂器的动作，依次向各润滑点供油，系统如有一点被堵，不会影响其它润滑点。每个给脂点带有流量传感器，能准确的显示每点供油情况，如有堵塞能够准确定点定位，便于故障处理。每个给脂点可以根据实际需要，随时调整给脂量，且调节范围宽、精度高，十分方便。

上位机监控系统通过模块连接，可接入智能云服务平台，满足数字化系统建设的需要。

4 改造结果

4.1 铸机改造的施工

连铸机停机改造施工主要包括旧设备的拆除、基础的改造、新设备的安装、新设备的单机调试及联合调试等。为了确保施工的安全顺利与高效，对施工方案进行了反复的优化，确保其周全与合理。原计划停机改造施工周期75天，实际施工时间仅用60天，所有的施工内容全部保质保量地完成，比原计划周期提前了15天。

4.2 铸机改造后的实际使用效果

连铸机联合调试合格后，于2020年12月23日一次热试成功，即行投入了生产，投产至今已一年的时间。改造后的连铸机，其装备技术水平得到了全面的提升，铸机改造前的所有问题，无论是设备缺陷问题还是铸坯质量不佳的问题都得到了全面的有效解决。经过规定的生产考核，各项技术指标均已达标。铸机改造前所存在的铸坯中心裂纹，夹杂(渣)、气泡、角横裂等质量缺陷问题都得到了妥善的解决；低碳钢中心偏析≤2.0级的比例稳定在95%以上(曼内斯曼标准)；中心裂纹块数每个月都少于5块；热送率保证在75%以上，铸坯产品质量全部达到优良的水平。

无人化浇钢技术的采用，减少了劳动员额，改善了工人的工作环境，节本增效、提高劳动生产率，实现了智慧连铸制造技术的应用。

连铸机各类传感器的增设，可以实现远程运维及数据采集，能够接入智能云服务平台，为连铸机后续数字化系统建设奠定了基础。

目前连铸机设备运行稳定正常，生产操作正常有序。改造投产后的生产实际表明，铸机的改造目标完全达到，改造工程完全成功。