鞍钢8 m 弧半径小方坯连铸机提速实践

孙振宇，那廷权，李叶忠，唐雪峰，王成青，梁祥远

（1.鞍钢股份有限公司炼钢总厂，辽宁 鞍山 114021；2.鞍钢集团钢铁研究院，辽宁 鞍山 114009）

鞍钢股份有限公司炼钢总厂二分厂（以下简称“二分厂”）2#小方坯连铸机弧半径为8 m，冶金长度为21.5 m，设计产能为80 万t/a，经过2015年和2018 年两次改造成为鞍钢的螺纹钢专用产线。2019 年连铸机拉速提高至2.8 m/min后，年产量达到114.5 万t，然而下道工序的年生产能力已经提高到140 万t/a 以上，要求连铸机拉速提高至3.5 m/min 才能满足生产要求，但是铸机的设备能力和工艺制度无法满足提速的需要。

国内外小方坯高拉速铸机均采取大的弧半径和长的冶金长度，例如福建三钢160 mm×160 mm 小方坯铸机弧半径为12 m，冶金长度为32 m，拉速达到了3.0 m/min；广东阳春新钢铁有限责任公司155 mm×155 mm 小方坯铸机结晶器长度为1 m，铸机弧半径为9 m，冶金长度为26 m，拉速达到了4.3 m/min。没有与二分厂铸机类似条件下达到3.5 m/min 的高拉速实践。因此，有必要结合2#小方坯连铸机原设计的特点，开展结晶器、二冷区设备能力及中间包过热度等工艺制度的优化，以实现铸机3.5 m/min 高拉速条件下生产质量稳定的铸坯，满足生产要求。

1 生产工艺流程和主要参数

二分厂2#小方坯连铸机生产工艺流程为：100 t 转炉→精炼吹氩站→方坯连铸机。6 机6 流全弧型连铸机原设计工作拉速为0.8～2.4 m/min，主要浇注断面为160 mm×160 mm 的小方坯。结晶器铜管长度为900 mm，二冷水采用水表进行控制，每流二冷段分为四个冷却区，均为全水冷却［1］。

2 影响铸机提速的主要原因分析

2.1 铸机原设计冷却能力不足

基于原铸机的基本参数，理论计算铸机的一次冷却和二次冷却最大拉速。

（1） 一次冷却最大拉速（Vmax，m/min）［2］

式中，Km为结晶器凝固系数，mm/min1/2，取21（引用文献中经验值［2］）；δmin为结晶器出口安全坯壳厚度，小断面取10 mm；Lm为结晶器有效冷却长度，为0.8 m。将各数值带入式（1）得到：

（2） 二次冷却最大拉速［2］

结晶器液面至切割起始位置L 极限为22.5 m，考虑到一定的安全距离，设计连铸机冶金长度约为21.5 m，据此计算各断面最大允许拉速：

式中，K 为综合凝固系数，mm/min1/2，取29（引用文献中的经验值［2］）；D 为铸坯厚度，mm。则：

上述理论计算结果显示，铸机最大拉速可达到2.83 m/min，铸机原设计冷却能力不足。

2.2 铸机实际设备冷却能力不足

2.2.1 二冷普通水喷嘴的能力不足

强冷雾化需要大于0.5 MPa 的水压，而二冷普通水喷嘴的水量调节比有限、雾化状态一般，强冷时水量不足导致了冷却强度受限。当拉速为2.8 m/min 时，二冷区前三个区的阀门开度达到100%，但是由于配水管径、阀门管径和喷嘴能力的限制，强冷时达不到设定水量。

2.2.2 二冷总管管径能力不足

2#小方坯铸机目标拉速为3.5 m/min 时，总水量需要达到55 m3/h，而原管径在水量大于45 m3/h时就表现出水能力不够，无法满足高拉速的需求。

2.3 铸机的二次冷却区长度不足

铸机二次冷却区的长度约为6.7 m，在原水量和冷却强度下凝固的终点位置可达到23 m，铸坯入矫直辊前的回温较重，经常出现脱方、鼓肚、漏钢的事故，因此冷却区需要延长。

3 采取的措施

3.1 提高一次冷却强度

3.1.1 优化一次冷却技术

仍采用整体铜管式结晶器，长度由900 mm 增加到1 000 mm（中心线上下各增加50 mm）。采用合体式带槽水套代替挤压成型不锈钢整体水套，水套与铜管间的水缝宽度由 （4.0±0.05） mm 减小为（3.5±0.05）mm。采用连续锥度铜管，铜管上部顶密封、下部侧密封。结晶器水流速度由10～12 m/s 增加到14～15 m/s。足辊由双排改为单排，足辊喷淋增加一排喷嘴，可实现提高拉速，避免脱方、角裂，冷却更均匀，提高铸坯质量的目的［1］。

3.1.2 更新结晶器供水泵

结晶器长度增加后，需要提高冷却水总量，保证高拉速下足够的结晶器水流量，因此更新了结晶器供水泵。根据原水泵及电机地脚尺寸设计制作新泵及电机地脚尺寸，保证新泵与原泵的安装尺寸完全一致，并与原管道连接尺寸一致。泵体材质采用QT-500，叶轮采用不锈钢2Cr13。供水泵更新后结晶器水总流量由原来的800 m3/h 提高至900 m3/h。

3.2 提高二次冷却强度

3.2.1 优化二次冷却技术

在连铸机原设计条件下提高拉速，需要提高二次冷却的综合凝固系数K，提高总水量，进而提高比水量［3］。根据公式“比水量=二冷区水流量/拉速”［4］计算得出比水量需要达到1.5 L/kg 以上，才能使拉速达到3.5 m/min，将2 段和3 段原水嘴3/8PZ2960QZ2 更新为3/8PZ4760QZ2 水嘴，提高了水嘴最大流量。此外，延长二冷区长度并优化喷嘴型号，以减少二次冷却喷嘴的堵塞，保证二次冷却水均匀和冷却强度，以满足高拉速铸机的生产要求。改进后二冷各区水嘴型号及数量如表1 所示。

表1 改进后二冷各区水嘴型号及数量Table 1 Types and Numbers of Water Nozzles in Each Region of Secondary Cooling Zone after Improvement

3.2.2 更新二冷水供水泵，增大二冷管径

为了进一步提高总冷却水量，保证高拉速下足够的二冷水流量和较好的雾化效果，更新了二冷水供水泵，增大了二冷管径。与更新结晶器供水泵采取相同办法，泵体和叶轮材质的选择均与其相同，二冷水供水泵为软填料密封，管径冷却1 区和2 区由DN40 增加到DN50，冷却3 区和4 区由DN25 增加到DN30。更新后二冷水总流量由450 m3/h 提高至550 m3/h。

3.3 优化工艺参数

降低中间包钢水过热度，降低结晶器内钢水温度，可满足高拉速下结晶器内初生坯壳的安全厚度，同时提高铸坯内外部质量，因此，对系统温度进行优化，实践后得出系统温度降低10 ℃可以满足高速生产的需求。系统温度降低值见表2 所示。

表2 系统温度降低值Table 2 Reduced Values of System Temperature ℃

4 高速生产的可行性和实施效果

4.1 理论计算

基于改进后的铸机参数，理论计算铸机一次冷却和二次冷却的最大拉速。

（1） 一次冷却最大拉速

（2） 二次冷却最大拉速

综合凝固系数K 引用文献中的经验值34［2］。

改进后铸机拉速提高，可以满足生产要求。

4.2 实施效果

4.2.1 提高冷却能力

2020 年5 月开始由单流试验逐步推进到全流生产，截至2020 年12 月，铸机拉速由2.8 m/min 提高至3.5 m/min。表3 为铸机提速后冷却系统参数，改进后冷却能力能够满足高拉速生产的需求。

表3 铸机提速后冷却系统参数Table 3 Cooling System Parameters for Caster after Speed Improvement

4.2.2 降低系统温度

改进前后精炼搬出温度和中间包温度对比见表4。铸机提速后，转炉炉后平均挂罐温度降低10.9 ℃，精炼平均搬出温度降低18.4 ℃，中间包平均过热度降低10.2 ℃。

表4 改进前后精炼搬出温度和中间包温度对比Table 4 Comparison of Liquid Steel Temperature after Refining and in Tundish before and after Improvement℃

4.2.3 提高铸坯质量

采取上述改进措施后，单中包连浇罐数和产量明显提升，连浇罐数达到59 罐，单月产量达到12.078 万t，具备年产145 万t 的能力，比原设计提高25%，钢水收得率由98.89%提高到99.56%，极大地提高了铸机生产效率。

对铸坯取样检验，结果见图1，铸坯外部表观质量良好，无脱方现象，同时也未见内部缩孔等缺陷，统计得出铸坯质量合格率达到99.95%。

图1 铸机提速后生产的铸坯形貌Fig.1 Billet Appearance after Caster Speed Improvement

5 结语

鞍钢股份有限公司炼钢总厂二分厂针对8 m弧半径的小方坯连铸机原设计拉速低，不能满足生产要求的问题，对铸机结晶器和二冷设备进行了改进，增加结晶器长度100 mm，更新结晶器供水泵，提高结晶器水流速度，增加二冷水管径及二冷区长度，采取低过热度浇注，降低系统温度10 ℃，上述措施实施后，铸机拉速提高至3.5 m/min，铸坯质量合格率达到99.95%，满足年产量140 万t 的要求。