高效连铸结晶器双排足辊的应用及改进

高效连铸结晶器双排足辊的应用及改进

龙海山、谭杜、聂金喜

（阳春新钢铁有限责任公司）

摘要：阳春新钢铁初始设计规模为年产240万吨，但随着钢铁行业新技术的涌现及智能制造在钢铁行业中的应用，以致我厂炼钢转炉能力明显大于连铸能力，为迫切解决当前平衡关系，阳春新钢铁炼钢厂组织开展高效连铸机研究，其中针对连铸拉速进一步提升，通过在原基础上增加一排结晶器足辊及现场使用过程中不断改进优化，实现符合我厂高效连铸结晶器生产，达到铸机在高拉速条件下，对铸坯形成有效支撑、夹持作用，，解决了高拉速下，漏钢及铸坯质量脱方问题。

关键词：高拉速、脱方、漏钢

Longhaishan, tandu，niejinxi

(Yangchun New Iron and Steel)

Abstract: the initial design scale of Yangchun new steel is 2.4 million tons per year. However, with the emergence of new technologies in the steel industry and the application of Intelligent Manufacturing in the steel industry, the converter capacity of our plant is significantly greater than the continuous casting capacity. In order to solve the current balance relationship urgently, Yangchun new steel plant organized and carried out the research on high-efficiency continuous casting machine. In view of the further improvement of continuous casting speed, through the On the basis of the original design, a row of mould foot rollers are added and continuous improvement and optimization are carried out on the site to meet the requirements of high-efficiency continuous casting mould production in our plant, so that the caster can effectively support and hold the billet under the condition of high casting speed, and the problems of steel leakage and billet quality off square under the condition of high casting speed are solved.

Key words: high drawing speed, square breaking and steel leakage

一、引言

阳春新钢铁根据总体规划，一期（1#、2#连铸机）年生产能力为117万吨合格连铸坯, 二期（1#、2#、3#连铸机）年生产能力为240万吨合格连铸坯。2017年铸坯断面由150mm*150mm改造为155mm*155mm及多次提速改造后，具备年产300万吨能力；2019年与中冶连铸共同研究高效双水套结晶器，为进一步提高铸机拉速及解决高拉速下漏钢、铸坯质量问题，确定了结晶器双排足辊使用方案及在使用过程中改进优化过程，使铸机正常拉速控制在4.28m/min,最高拉速突破至5.07m/min水平，由此阳春新钢铁具备年产360万吨以上能力。

二、未改造前状况

  我厂结晶器为弧形管式结晶器，初始设计下部带一组足辊（四面各一个辊子）足辊直径Ø80 ，采用自润滑轴承,足辊材质1Cr18Ni9Ti，设计最高拉速为3.4m/min，在2017年断面改造、拉速提至3.8m/min时，只对结晶器足辊支座尺寸进行调整，故改造后产生漏钢和脱方问题较为突出，严重影响铸机产能的发挥，因此针对此问题，通过现场分析，进行持续性攻关。

       图1：  脱方铸坯                        图2：   角部裂纹漏钢

三、 理论计算模型

有限元方法处理

建立如下局部坐标系统：

图3： 有限元单元网格

单元形函数为：

静力学平衡位移方程的弱形式由用权函数乘以位移方程式(7)得出：

位移在节点上的表达式为：

其中刚度矩阵(stiffness matrix)的定义为：

在区域边界上，作为一种已知外加源，表面力为：

质量矩阵(mass matrix)为：

重力项可以写成：

经过利用有限元法，编制三维有限元计算程序，可以根据不同工况的几何、温度以及力学条件参数进行变形量的计算，进而确定铸坯变形、夹持长度等设计量。

以某钢厂为例，其几何计算条件如下：

表1：计算参数

经过部分温度边界条件，经过温度长计算后，温度计算结果如下：

表2：计算结果

图4：正常辊距下变形量云图分布

图5：模拟非夹持情况下变形量云图分布

   为解决铸机高拉速条件下，漏钢事故和铸坯质量问题，通过以上计算、推导，确定了双排结晶器足辊推行方案。

三、双排结晶器足辊的现场应用

    结晶器足辊对铸坯起导向支撑作用，出结晶器的高温薄壳铸坯如得不到及时冷却和支撑，在钢液静压力极易产生鼓肚、变形，故漏钢常常发生在这一段，同时高拉速下铸坯较薄坯壳得到支撑及夹持作用，铸坯脱方直接影响下道工序轧制，因此足辊的作用显而易见。

                           图6：足辊示意图

2019年阳春新钢铁连铸机高效双水套结晶器研制完成，预进行5.0m/min以上拉速试验，为发挥高效双水套结晶器最大潜力，对结晶器双排足辊再进行如下改进。

（1）、高效铸机生产，对初生产坯壳的支撑是提高拉速之重要辅助，将足辊的长度尺寸由原来了135mm，改为148mm，为出结晶器铸坯提供了更好的支撑条件；加强了出结晶器铸坯冷却的均匀性；足辊的窜动量减小，保证了铸坯正常运行轨迹，同时铸坯脱方得到明显改善，保证了高拉速条件下，铸坯质量稳定。

（2）、高效铸机生产，各设备尺寸精度是提高拉速之保障，而原设计轴承支座因焊接部位较多，易造成在焊接过程中，钢板受热应力影响，尺寸发生偏移，直接影响足辊四个面的精度，导致铸坯出结晶器后，失去原设计支撑、夹持作用，故通过改变足辊支座设计方式，减少足辊支座钢板的数量，重点对四面足辊钢板的改进，有效解决了足辊尺寸精度问题，保证下高拉速条件下，铸坯四面支撑一致。

（3）、高效铸机生产，出结晶器后坯壳均匀生长是提高拉速之关键，针对下线结晶器铜管下口四面磨损不均匀，造成铸坯冷却不均匀问题，通过改变原结晶器下口调整标准，由结晶器铜管下口尺寸等于足辊尺寸，调整为结晶器铜管下口尺寸小于足辊尺寸，同时为使效果达到最佳，发挥双排各自作用，第一排结晶器足辊调整尺寸按小于结晶器铜管0.05mm控制、第二排结晶器足辊调整尺寸按小于结晶器铜管0.02mm控制，通过以上改进，铜管下口四面磨损均匀，利于提升结晶器通钢量及铸坯下端坯壳均匀传热，同时铸坯经足辊挤压后，表面水膜被瞬间挤破，出结晶器后初生坯壳经过二冷一区时，二冷水能均匀分布在铸坯各面，不受水膜阻碍。

（4）、高效铸机生产，备件的材质是提高拉速之基础，原足辊材质为1Cr18Ni9Ti，无表面调质处理，重新改质为足辊母材4Cr2WMoVsi，表面喷涂10mm碳化钨加工后热处理调质提高了硬度，杜绝了表面开裂，对铸坯表面质量影响。

四、应用及改进效果

1、 生产断流的控制：结晶器双排足辊应用、改进投入使用后，铸机断流次数明显减少，达到投产后前所未有的水平。

单铸机先上线：3#铸机7月断流2次、8月断流1次，无结晶器或工艺原因影响。

2、 生产成本控制：使用结晶器双排足辊后，结晶器铜管下口四面磨损均匀，结晶器通钢量由单排足辊平均7000t，提高至目前平均10000t以上，最高通钢量达到17000t，有效节约了生产吨钢成本。

3、 铸坯质量控制：结晶器安装双排足辊及对所存在问题改进后，在高拉速生产下、全程无脱方，较大的提升了铸机生产效率。

4、 生产产能提升：安装结晶器双排足辊后，拉速在原来的基础上提升0.5m/min，每月铸机浇铸时间共计平均为42650min，每月可在原基础上增加产量约42000t以上。

参考文献

[1]   蔡开科等著  连铸结晶器  北京：冶金工业出版社，2008：1～9

[2]   蔡开科，程士富.连续铸钢原理与工艺[M].北京：冶金工业出版社，1994：62-63.

[3] 史宸兴. 实用连铸冶金技术[M]. 北京：冶金工业出版社，1998:323.

[4] 《The Making,Shaping and Treating of Steel,11th Edition — Casting Volume》，第15章“The Design of Flat and Long Products Casters”，国际钢铁协会出版.

[5] 刘洪波,张晓峰,钱亮. 三维蠕变有限元鼓肚计算系统开发与应用[J]. 连铸，2015,41(3):54.

作者简介：

1、龙海山，男，大学学历，钢铁冶金工程师。地址：广东省阳春市潭水镇南山工业园阳春新钢铁有限公司。

2、谭杜，男，2010年湖南工业大学钢铁冶金专业毕业，本科学历，冶金技术工程师。地址：广东省阳春市潭水镇南山工业园阳春新钢铁有限公司。

3、聂金喜，男，东北大学机电一体化专业，大专学历，机械助理工程师。地址：广东省阳春市潭水镇南山工业园阳春新钢铁有限公司。