马钢新建六机六流方坯连铸机出坯系统设计特点

张伟健 刘海清

(马钢集团设计研究院有限责任公司，安徽 马鞍山 243000)

马钢股份一钢轧总厂原有2套铁水预处理装置，3座120吨顶底复吹转炉，3座LF钢包精炼炉，1套VD真空脱气装置，1套RH真空精炼装置。浇铸系统配备了2台CSP连铸连轧系统，年产200万吨，1台单流板坯连铸机，年产120万吨，1台3机3流圆坯连铸机，年产30万吨。总产量在350万吨左右。

为创新优化产品结构，2017年马钢决定新建重型H型钢工程，将H型钢产品做大做强，进一步提升马钢的品牌和经济效益。为此，拆除一钢轧现有的板坯和圆坯连铸机，配套新建80万吨/年重型H型钢异形坯连铸机，一钢轧炼钢产能为280万吨/年，较目前产能减少了60～70万吨/年。

为了响应国家政策淘汰30吨转炉炼钢生产工艺，但配套的棒、线材轧制生产线近期还将存在。为了不降低一钢轧转炉产能和维持棒、线材轧制生产线能力，考虑在CSP车间西侧新建一台六机六流方坯连铸机，向棒、线材轧线提供60万吨/年的坯料。另将该台连铸机设置结晶器和末端电磁搅拌系统，具备今后向马钢特钢公司线材提供150 mm×150 mm特殊钢方坯的供坯能力。

1 新建六机六流连铸机工艺装备特点

马钢新建六机六流方坯连铸机工程，主要生产钢种为碳素结构钢、低合金钢，年产规模为60万吨合格铸坯。

冶炼炉工艺参数：

转炉：3台

平均出钢量：120 t

冶炼周期：40 min

LF炉：3座

VD炉：1座

RH炉：1座

新建连铸机年产量要求达到60万吨，按1台连铸机与1台转炉产能匹配考虑。新建连铸机考虑预留热送线。

铸坯规格：150 mm×150 mm×12000 mm

1.1 工艺技术及装备

(1)铸机半径

铸机半径的大小取决于所生产的铸坯断面、钢种及拉速水平。

在钢水凝固过程中，合金元素易聚集在晶粒的前沿，产生成分偏析，形成晶间脆性区，裂纹敏感性高，矫直过程易出现裂纹，因此，铸机半径的大小必须满足铸坯矫直时的表面变形率和两相区变形率的极限要求。

铸机半径还与铸坯完全凝固所需要的冶金长度(全凝固长度)有关。

根据所提供产品断面规格，综合以上因素，本连铸机半径取值为8 m即可满足要求。

(2)全过程保护浇注

有效防止钢水产生二次氧化，是提高铸坯质量的有效手段。

(3)大容量中间罐

经过内腔优化设计的32 t大容量中间罐、液面高度850 mm，有利于钢水中夹杂物的充分上浮，提高连铸坯质量。

(4)结晶器及振动

采用镀铬CuAg管式，铜管长度900 mm，以适应铸坯的高拉速。

采用板簧结晶器振动结构形式，高频低振幅，改善了铸坯表面质量。

(5)结晶器液位控制

结晶器液面检测作用于中间罐塞棒，并反馈到拉矫机控制，组成一个完整的闭路控制系统，可实现稳定的最佳浇铸过程。

(6)二次冷却水动态控制

铸坯二次冷却水分组辊、一段、二段三个冷却区，全喷水冷却，并根据拉坯速度变化进行动态控制，使铸坯的冷却更加趋于均匀。

通过合理的喷嘴布置，使中心和铸流表面角部冷却速率差别最小化。

(7)拉坯速度控制

整体机架五辊连续拉矫机，用于引导铸坯和矫直铸坯。拉速可调，以满足不同钢种对拉速的不同要求。

(8)引锭杆

采用分段式钢板螺栓连接结构，头部有自适应功能的刚性引锭杆，有效地缩短铸机长度。

(9)铸坯定尺切割

采用火焰切割机按设定的定尺长度进行切割，并具有在开浇和尾坯处理时切割头、尾坯等功能。切割速度～500 mm/min，切割温度≥750℃。

(10)出坯系统

新建六机六流方坯连铸机出坯系统是本次设计的难点，因CSP车间西侧厂房空间紧凑，方坯连铸机出坯系统要求布置在27 m×21 m空间内，按通常方法设计难以实现。如何在如此紧凑的空间中设计出满足工艺要求的出坯系统是本文着重说明的。

(11)自动化控制

控制系统采用电控、仪表、计算机一体化结构，PLC系统完成电气自动化控制和仪表自动化控制。实现过程的监视、控制、调节以及对设备各子系统的监控。

(12)其他工艺配置：

1)回转台带升降及称重功能，上设钢包加盖装置；

2)采用大包下渣检测；

3)中间罐采用连续测温；

4)中间罐车带升降及称重功能；

5)采用外置式结晶器电磁搅拌装置；

6)全板簧电动缸驱动振动装置；

7)铸坯二冷区采用自动控制的气水雾化喷淋冷却；

8)预留末端电磁搅拌装置安装位置；

9)方坯自动火焰切割机，变频电机驱动电动返回；

10)配置液压步进翻转冷床；

11)所有液压驱动装置共用两个液压站(主液压站和出坯液压站)；

12)弧形区设备采用油气润滑，辊道和出坯系统为干油集中润滑。

1.2 工艺布置

新建六机六流方坯连铸机布置在现有CSP车间中间罐维修跨内，将现有CSP中间罐维修设施搬迁至CSP设备维修跨，CSP设备维修设施全部搬迁至其他车间。连铸机生产的坯料通过50/10 t吊车从在连铸收集台架上直接装车频繁倒运至中板厂现有成品跨内，由铁路运至二钢轧连铸车间第二出坯跨内，供长材北区的棒材和线材轧机。

2 设计要解决的技术问题

出坯系统是连铸机的重要组成部分，直接影响到连铸坯的外部质量。出坯系统的设计要满足工艺出坯节奏，同时要满足工艺对铸坯的冷却和矫直的要求。

新建六机六流方坯连铸机受场地限制，出坯系统要求布置在现有27 m×21 m紧凑的厂房空间内，如果采用“推钢机/捞钢机—分钢装置—步进冷床—收集台架”或“热送辊道—推钢机/捞钢机—分钢装置—步进冷床—收集台架”等传统方法设计，步进翻转冷床的长度将无法满足工艺对铸坯的冷却和矫直的生产要求。

3 设计方案

本次设计的出坯系统工艺设备主要包括：热送辊道、对齐推钢机、升降挡板、步进翻转冷床一、过渡辊道、固定挡板、步进翻转冷床二、收集台架、安全挡板和红外集群等组成，见图1[1]。

1—热送辊道；2—对齐推钢机；3—升降挡板；4—步进翻转冷床一；5—过渡辊道；6—固定挡板；7—步进翻转冷床二；8—收集台架；9—安全挡板。

(1)热送辊道：用于接收和输送横向移钢机移送来的定尺铸坯，热送辊道将定尺铸坯移送到升降挡板端头。

主要技术参数：

型式：单独传动，变频

驱动电机：5.5 kW

辊面线速度：0.1～1.15 m/s

辊子间距：～1500 mm

辊子数量：22个/流，单独传动

(2)对齐推钢机：用于将热送辊道上铸坯对齐推送到步进翻转冷床一的上钢位置。

主要技术参数：

对齐推钢装置数量：2套

型式：液压驱动

液压缸数量：2个/套

液压缸参数：∅80 mm/∅56 mm-850 mm

工作压力：16 MPa

(3)升降挡板：用于在热送辊道尾部停止铸坯。为了便于今后能够延长热送辊道，直接将铸坯热送到轧线，采用的是升降挡板而非固定挡板。

主要技术参数：

型式：液压驱动

液压缸参数：∅63 mm/∅45 mm-250 mm

工作压力：16 MPa

(4)步进翻转冷床一：用于冷却和矫直铸坯。采用液压步进式冷床，铸坯在步进过程中实现铸坯翻转和冷却等。

主要技术参数：

冷床结构型式：液压升降横移式

冷床有效尺寸：10350 mm×12000 mm

步进行程：～450 mm

升降行程：～235 mm

步进齿条：间距1800 mm，7组

固定齿条：间距1800 mm，7组

(5)过渡辊道：用于将铸坯从步进翻转冷床一运输到步进翻转冷床二的上钢位置。

主要技术参数：

型式：单独传动，变频

驱动电机：1.1 kW

辊面线速度：0.1～1.15 m/s

辊子间距：～1800 mm

辊子数量：13个/流，单独传动

(6)固定挡板：用于防止热送辊道和过渡辊道反转造成安全事故。

(7)步进翻转冷床二：用于冷却和矫直铸坯。采用液压步进式冷床，铸坯在步进过程中实现铸坯翻转和冷却等。

主要技术参数：

冷床结构型式：液压升降横移式

冷床有效尺寸：8100 mm×12000 mm

步进行程：～450 mm

升降行程：～235 mm

步进齿条：间距1800 mm，7组

固定齿条：间距1800 mm，7组

(8)收集台架：用于输送和收集由步进翻转冷床二送来的铸坯，采用液压拉钢式拨爪收集成组，然后由出坯跨行车用磁盘吊从冷床上吊起，放到铸坯贮存区，以使铸坯完全冷却下来。

主要技术参数：

驱动液压缸数量：2个

液压缸：∅160 mm/∅110 mm-725 mm

小车行程：～1440 mm

(9)安全挡板：在冷床区域出现堵坯或者故障时，安全挡板升起，阻止铸坯进入冷床区，由横移机将铸坯推到事故台架。

(10)红外集群：用于跟踪和检测铸坯的位置，实现出坯系统的自动控制。

出坯系统的工艺控制流程：

铸坯在热送辊道上运输，在红外集群的控制下，热送辊道减速和停止，同时对齐推钢机通过液压推杆将热送辊道上定尺铸坯对齐推送到步进翻转冷床一上钢位置，定尺铸坯通过步进翻转冷床一，通过液压升降步进冷床齿板进行分钢和步进；在红外集群的控制下，根据铸坯数量完成规定的上升、向前、下降和退回运动周期，将定尺铸坯输送到过渡辊道；过渡辊道在红外集群的控制下，将定尺铸坯移送到升降挡板端头；在红外集群的控制下，过渡辊道减速和停止，同时定尺铸坯通过步进翻转冷床二，通过液压升降步进冷床齿板升降步进将铸坯移送到收集台架；收集台架在红外集群的控制下，通过液压拉钢将定尺铸坯成组收集后，用磁盘吊吊出下线运输到轧钢车间。

4 设计特点

与传统方法设计的方坯连铸机出坯系统相比，新建六机六流方坯连铸机出坯系统具有以下特点：

(1)出坯系统设置步进翻转冷床一和步进翻转冷床二两套液压驱动升降步进冷床，保证了定尺铸坯冷却时间，铸坯在收集台架通过液压拉钢将定尺铸坯成组收集后，铸坯温度满足磁盘吊吊出下线要求。

(2)步进翻转冷床一和步进翻转冷床二采用液压驱动升降步进冷床，铸坯随冷床升降步进运动，在步进升降过程中实现自动翻转，从而增大铸坯的冷却面积，提高了铸坯的冷却速度和均匀冷却效果，避免了铸坯变形；同时由于铸坯的自动翻转，使铸坯实现自动矫直。

(3)步进翻转冷床的四个同步升降液压缸采用柱塞同步马达、比例阀、平衡阀、单向节流阀和行程开关等控制，实现了四个升降液压缸的同步；两个同步横移液压缸采用带阀芯位置反馈的比例阀、液控单向阀和液压缸内置传感器等控制，实现了两个横移液压缸的同步。

(4)热送辊道采用长辊道设计，每组辊道由一台减速电机进行独立驱动；生产中当某一台减速电机出现故障，只影响到对应长辊道转动，其它辊道可继续工作，并通过在计算减速电机能力时加大服务系数，以保证生产不受影响。

(5)对齐推钢机的液压缸设置内置线性传感器，最大行程满足六根铸坯推出辊道和进入步进翻转冷床一入口处，同时能够控制4～6根铸坯不同运行要求。同时对齐推钢机采用液压缸设置内置线性传感器、调速阀、平衡阀、液控单向阀和对齐推钢机刚性联接等控制，实现了两个对齐液压缸的同步，从而实现铸坯的对齐移动。

(6)步进翻转冷床一入口处具有接收最大六根铸坯，并具有自动分钢功能，取消传统设计的过渡台架和铸坯分钢机构设计。

(7)步进翻转冷床一出口处能够自动运行将钢坯落放到过渡辊道，取消传统设计的过渡台架和铸坯拉钢机构设计。

(8)红外集群的一个红外摄像机布置对齐推钢机处，当测量到铸坯到底时，对齐推钢机的液压缸内置线性传感器发出行程信号，对齐推钢机将铸坯推到步进翻转冷床一上钢位置并回到原始位置并对步进翻转冷床一发出信号，步进翻转冷床一(起始位在最低置)开始运行，步进翻转冷床一运行规定的周期后停止后发出信号，热送辊道才可以运行。

(9)红外集群的一个红外摄像机布置在步进翻转冷床一定齿板入口处，用于检测定齿板入口处的铸坯，与热送辊道连锁。当检测到步进翻转冷床一定齿板入口处有铸坯时热送辊道不得运行。

(10)红外集群的一个红外摄像机布置在步进翻转冷床一出口过渡辊道的前端，用于检测步进翻转冷床一出口处铸坯，当检测到铸坯时发出信号，过渡辊道开始运行。

(11)红外集群的一个红外摄像机布置在过渡辊道的末端，用于过渡辊道铸坯到固定挡板前的铸坯减速、铸坯到位停止信号，共2个信号。当检测到铸坯到位停止信号后，步进翻转冷床二(起始位在最低置)开始运行，运行周期与步进翻转冷床一相同。

(12)红外集群的一个红外摄像机布置在步进翻转冷床二的出口处，当检测到铸坯时发出信号，收集台架开始运行，运行一个行程后在接近开关的控制下回到原位。

(13)本次连铸出坯系统通过优化设计工艺流程，保证在狭小的空间设计出坯系统，满足工艺生产要求，安全可靠。

(14)本次连铸机出坯系统，实现完全自动化控制，较大程度减少人工成本；并且由于不用人工操作，避免了操作失误的可能，也提高了连铸机设备的生产效率。

5 结束语

方坯连铸机出坯系统的设计方法有很多，本文主要介绍了一种特殊的方坯连铸机出坯系统的设计方案，通过优化工艺方案和设备配置，增加红外摄像集群等自动化控制方法，解决了设计过程中存在的难点。马钢新建六机六流方坯连铸机已热负荷试车成功，预计很快达产，出坯系统运行稳定可靠，赢得了用户的好评。