老连铸机轻压下改造及实践

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老连铸机轻压下改造及实践

田陆

衡阳镭目科技有限责任公司湖南省衡阳市 421001

摘要介绍在南钢超低头老连铸板坯上成功进行机械和液压系统的改造，安装轻压下系统。经过调试成功实现动态轻压下功能，并达到提高铸坯中心质量的目的。

关键词轻压下中心偏析中心疏松拉坯阻力压下力

1 前言

南京钢铁公司炼钢厂板坯连铸机是1988年在引进由德马克专门针对国内当时情况设计的超低头连铸机后，消化制造的第一台国产超低头连铸机，1989年建成。在1996年又进行过改造，从建成到现在已经服役达19年之久，仍然可以达到月产6万吨钢的产量。现在主要生产船板钢，由于船板钢本身钢种特性，容易存在一定的中心疏松和中心偏析质量问题。为了提高铸坯质量，继续创造效益，炼钢厂于2007年决定进行动态轻压下改造。

铸机的基本情况如下：

机型：一机一流超低头型

常用工作拉速：1．0～1．3 m／min；

冶金长度：22．4 m；

产品规格：180 mm×800mm、180mm×1000mm和180mm×1200mm(常用断面，本文所有计算和实验均针对此断面规格的铸坯进行)

结晶器振动方式：电动缸非正弦

生产主要钢种：普碳钢、低合金钢、船板钢；

常规产量：50万t／a。

2铸机改造情况

实施轻压下，会在一定程度上增大拉坯阻力，需要增加电机工作功率，同时对液压系统提出要求，所以在实施改造前必须考证现有电气、液压系统能否实现轻压下功能。

液压系统改造，首先验证实现所需压下量时所需要增加的压下力，及其对液压系统的要求。压下力包括实现轻压下所需的压下力和克服钢水静压力所产生的鼓肚力，经弹塑性理论和蠕变理论为基础，应用有限元方法仿真轻压下过程。建立一个用九个辊子实现轻压下压下过程的压下模型如图1所示，仿真压下的过程为按照设定的加载模式，各辊匀速持续地增加压下量，最大总压下量为6．3 mm。图1(b)所示为计算出承担主要压下量上辊的载荷曲线(下辊的载荷曲线类似，但为受力方向相反)，压下力的变化基本上是随着压下量的增加而增加；在达到压下量后，压下力会在一定时间内继续增大；不过随着保持辊缝过程的进行，压下力

很快逐渐减小。所以实施轻压下的压下力主要验证压下过程中出现的最大值，在最大压下量轻压下压下过程最大的辊子反作用力约为1．8 MN。再通过分析机架受力模型：辊子受到铸坯作用力为均布载荷，受四个夹紧油缸力为集中载荷，可计算轻压下所需的油缸压强：压下2 mm，8 MPa；3 mm，15 MPa；4mm，18 MPa；5 mm，24MPa；6 mm，34 MPa。系统原用液压系统工作压强为8 MPa，为了不影响轻压下功能实现效果，我们需要对现有机架和液压系统进行改造。一方面实现分别控制各夹紧缸，一方面增加压强。则改造内容包括：

一、辊列机架的改装。如图2所示，在每组辊列机架上安装四套位置检测装置和控制阀块，用于检测和控制四个夹紧油缸的位置。轻压下系统根据检测装置检测到的位置信号，自动调节辊缝，实现动态轻压下。

二、阀块的改造。新增控制阀块用于控制每一个夹紧液压缸，并增加过载保护功能，改造示意图如图3所示。通过改造，液压系统工作压强可提高到1 8 MPa，基本满足轻压下需求。

拉坯阻力包括结晶器拉坯阻力，二冷段装置拉坯阻力，矫直拉坯阻力，切割设备拉坯阻力，轻压下附加拉坯阻力，铸坯当量自重拉坯力。根据有限元的计算结果，在小压下量的情况(<6 mm)，基本上可以认为铸机进行轻压下改造不需要考虑电机功率问题。

确定机械和液压系统的改造方案后，就要根据铸机浇涛工艺确定需要改造的机架。首先采集中包温度、冷却水信号和拉速等铸机典型浇涛工艺，以船板钢为例，采用有限差分法，进行离线传热模型计算，典型结果如图4所示。计算结果显示当拉速随着中包温度波动，在1．0 m／min～1．3 m／min范围内变化时，凝固末端位置变化范围为距弯月面12．1 m～15．6 m。

以船板钢A36为例，在中包温度为1539℃，拉速为1．13 m／min的条件下，根据计算结果所示的凝固末端位置为距弯月面13．6 m(第六段内)。在其前后，进行了射钉实验验证。射钉结果显示在11．3 m处，坯壳厚度为78mm；在13．2 m存在少许液芯，而在有1 5．1处已经完全凝固。射钉结果证明了模型的可靠性^[2]。根据模型结果，在正常浇涛工艺下，凝固末端位置变化范围不超过4m。而且拉钢时，一般采用的拉速为1．1 m／min到1．2 m／min，高于积低于这个范围内的拉速，持续时间都不会很长，所以凝固末端基本上在距弯月面13m～14．5 m(铸机的第六个机架附近)范围内。

根据轻压下压下区间选择的原理：一、在铸坯凝固后期，铸坯中心部位的温度急剧下降，坯壳生长很快，凝固收缩的量很大，常规辊缝收缩无法补充凝固收缩的量，因此这个区域需要进行轻压下；二、中心部位的液芯非常狭长，当固相率达到一定值时，容易发生柱状晶搭桥现象，因此在这个区域需要施加一定的压下量，在补充热收缩的同时，粉碎已搭桥的柱状晶。这两个区域的相加，即为压下区间，一般取为糊状区的固相率fs(0．3－0．9)^[3]，对于这台铸机长度约为3 m，需要在凝固末端前一到两个机架实施轻压下。根据凝固末端位置变化范围，确定从铸机第五段机架开始进行改造。铸机整体改造方案如图5。

机械和液压系统的改造完成后，增加轻压下控制系统，包括在线温度计算模块(在线凝固末端跟踪模块)、轻压下模块和辊缝调节模块。改造后的系统采用独立PLC系统，系统遵循电仪合一的基本原则。系统采用西门子公司S7—400系列PLC。另设一台人机接口系统完成实时监控，所有仪表／传感器电源均由PLC控制柜给出。采用开放式的结构设计，具有较大的灵活性、可扩展性，具有高抗干扰能力、高可靠性，便于维护，实现在线维护。整个系统的电气布置示意图如图6所示。

网络系统采用了三种协议来传递信号，一是铸机PLC和轻压下PLC之间的数据交换采用以太网方式；二是轻压下计算机与轻压下PLC之间的数据交换采用MPI或PROFIBUS通讯方式；三是轻压下PLC与ET200之间采用Profibus通讯方式。

设备现场布置方面实现现场分段分布控制，操作灵活，响应快，方便现场调试。

改造后的系统，可实现动态轻压下、静态轻压下、常规夹紧、调节和校准辊缝控制能。

3 轻压下实践情况

轻压下系统改造完成后，在2007年12月底开始进行轻压下系统和工艺上的调试。仍然以船板钢为例，在多次调整轻压下工艺的基础上，在压下区间为固相率0．4～0．8，压下率为0．8 mm／m的工艺下，获得轻压下改善铸坯中心质量的典型样品。先用冷酸腐蚀样品铣过的横截面，初步鉴定铸坯中心质量，如图7所示。为了验证轻压下的有效性，每次热试均取了一个没有实施轻压下的对比样，那么未经轻压下作用的铸坯冷蚀后的断面形貌图片如图8所示。图7和图8所展示的样品为同一浇次的船板钢铸坯，对比图7和图8，可以看到在未实施轻压下的情况下，船板钢铸坯存在严重的中心疏松和偏析；而经过合理的设置工艺参数的轻压下(参数如上，经过计算和实验确定)作用后，可以看到除由于存在一定硫夹杂造成铸坯剖面表现出颜色不均外，用肉眼基本上看不到了中心偏析／疏松，可以认为完全达到了改善铸坯内部质量的效果。

冷酸蚀实验后，割取样品中一部分进行了热酸蚀实验，用60℃～70℃盐酸酸浸蚀30分钟后，再进行定性分析和比较，形貌如图9所示。

从热酸蚀实验结果也可以看到，未经轻压下作用的样品存在较为严重的中心疏松，而轻压下作用后的样品断面，在热酸蚀30分钟后仍然看不到中心缺陷，完全可以满足产品的质量要求，达到预期实验目标。从以上两个典型样品的冷、热酸蚀的形貌图的对比，证明科学地实施轻压下可以极大的改善铸坯的中心质量，同时证明改造超低头连铸机上，成功实现轻压下功能。

结论

并针对南钢现场，通过镭目公司轻压下项目组和南钢炼钢厂的共同努力，经过半年的铸机改造和现场调试之后，终于在工作了近二十年的南钢超低头老连铸机上实现轻压下功能。在实践中始终基于理论指导实践的原则，首先理论验证铸机能力，基于理论结果进行系统设计和工艺调试，探寻出一条理论与实践相结合的技术攻关道路。