首秦工程板坯连铸工艺及设备技术的研究与应用

首秦工程板坯连铸工艺及设备技术的研究与应用
 

1 项目技术背景
　　首秦工程作为首钢的中厚板生产基地，先后建设了3台板坯连铸机，其中首秦1号板坯连铸机由首钢国际工程公司设计，2号、3号板坯连铸机采用首钢国际工程公司和西马克及奥钢联联合设计的形式。连铸机产品以中、高端专用钢板为主，主要品种为普碳钢、高强度结构钢、装甲舰艇板、海洋平台及船用钢、机械及工程用钢、锅炉用板、容器用板、模具板、军工板、管线钢等多用途产品。产品规格齐全，板坯厚度150-400mm，宽度1100-2400mm。其中3号板坯连铸机是国内第一台厚度达到400mm的宽厚板坯连铸机。自投产以来，首秦3台连铸机运行状况非常稳定。
　　首钢国际工程公司通过自主研发、创新和引进消化国外先进技术，在板坯连铸机的核心技术方面取得突破性进展，不仅在连铸机总体工艺、机械设备、电气自动化设计等方面继续保持技术优势，而且在成套设备供货、现场安装调试、工艺操作软件的编程及现场操作指导等工程总承包方面积累了丰富经验，大大提升了首钢国际工程公司在冶金领域的市场竞争力。
　　2 首秦板坯连铸机采用的新工艺和新技术
　　2.1全密封无氧化保护浇铸系统
　　（1）采用AMEPA电磁式钢包下渣检测技术；
　　（2）钢包和中间包之间使用长水口，采用机械式钢包长水口机械手和吹氩气密封实现保护浇铸；
　　（3）中间包和结晶器之间采用浸入式水口并吹氩气密封；
　　（4）结晶器保护渣自动加入，防止钢水二次氧化。
　　2.2 合理的辊列设计和布置
　　在首秦板坯铸机辊列设计中，充分考虑了铸坯在整个支撑区域内的鼓肚变形量和变形率以及辊子所受的应力大小，辊列选择采用带中间支撑的小辊径密排分节辊结构，采用这种结构，减小了铸坯的鼓肚变形，增加了辊子的刚度，减少了由于辊子挠度增加而引起的铸坯附加变形。
　　2.3 先进的铸坯质量保证技术
　　（1）大容量带挡渣堰的中间包技术
　　采用矩形、大容量、整体式中间包。3台铸机中间包的内腔及砌筑设计，均能保证钢水在中间包内的停留时间大于10min，使钢水中大颗粒非金属夹杂物有时间上浮，中间包内形有利于设置挡渣墙，确保钢水合理流动。
　　（2）直结晶器技术
　　首秦3台铸机均采用直结晶器技术，为增加3号铸机直线段长度，在结晶器和弯曲段之间增加了垂直段，更加增大了直线段长度。直线段的增大不仅有利于非金属夹杂和在钢水中的气泡上浮，还能使夹杂物的富集区向铸坯厚度的中心移动，改善了夹杂物的不均匀分布，提高了铸坯的内部质量。
　　（3）结晶器液位检测技术
　　结晶器液位检测的方法很多，其中同位素法是精度高、稳定性最好的一种，首秦板坯铸机均采用Co60同位素控制方法，液位控制精度为±3mm。
　　（4）漏钢预报技术
　　首秦板坯漏钢预报系统是采用多排热电偶来检测结晶器铜板的温度，然后根据数学模型计算热通量和结晶器热坯的摩擦力，以此对漏钢事故进行预报。
　　（5）结晶器液压振动技术
　　首秦板坯液压振动装置采用伺服比例阀控制液压缸实现高频率、小振幅振动。液压振动控制器可根据反馈信息在线调整振动参数，振动精度高，振痕深度浅，振动曲线可实现正弦波和非正弦波。
　　（6）连续弯曲、连续矫直和多点弯曲、多点矫直技术
　　首秦板坯连铸机采用的弯矫曲线既有连续弯曲、连续矫直曲线，也有多点弯曲、多点矫直曲线。通过生产实践来比较这两种方式，可以看出，多点弯曲、多点矫直的应变速率在各弯矫点发生跳跃应变，而采用连续弯曲、连续矫直曲线的辊列在整个弯矫区内应变速率是恒定的，而且数值较小，产生裂纹的几率也较小。
　　（7）铸坯动态轻压下技术
　　采用动态轻压下技术，能有效防止铸坯内部缺陷。为获得最佳控制效果，可根据不同浇注断面和钢种，选择最合适的轻压下位置和压下量。首秦2号机的压下位置在后面的水平段9-12段，通过控制模型保证铸坯达到水平段时选择合适的轻压下操作，这样使水平段前的铸流导向设备设计和控制简单化，节省投资；而3号机从弧形段开始到最后水平段均带有动态轻压下功能，位置可以根据实际浇铸品种的不同而进行动态调节，实现全程动态轻压下。
　　（8）二次冷却水动态控制技术
　　首秦1号、2号及3号铸机的二次冷却均采用气水雾化冷却，可静、动态调节。二冷控制系统包括一级和二级两种方式，一级采用强、中、弱三种冷却方式实现自动控制；二级动态控制软件能够根据不同的钢种、不同的铸坯断面，实现二冷水的动态调节，改善了铸坯质量。
　　（9）计算机质量判定系统
　　铸坯质量判定系统在首秦3号铸机上得到了成功应用。通过利用一组模型，对采集的数据进行自动分析，对连铸坯质量进行实时判定。该系统可给出铸坯质量评级，出具产品合格证，并根据铸坯质量等级进行相应的处理和对连铸产品进行全过程跟踪。
　　（10）二次切割区工艺与设备的创新设计
　　设计人员经过多方调研和分析，结合业主的使用经验、自动化专业的精确控制方法和切割机厂家技术的支持，采用了多组光电开关和升降挡板互相连锁控制进行定位的二次切割定位技术。这种定位方式不仅成功解决了二次切割时间的问题，还简化了切割机的设计。
　　因为二次切割的定尺比较短，在切割时为避免损伤到辊子，在二次切割辊道的设计上采用了巧妙的双向液压窜动辊结构，在保护辊子的前提下顺利完成二次切割。
　　2.4 提高生产率的技术措施
　　（1）减少主要设备的更换时间
　　连铸机主要设备如结晶器、弯曲段、扇形段、矫直段等均采用整体更换，离线维修的方式。在维修区配备了完善的设备维修设施，可对离线设备进行维修、对中及试压等各种试验，使离线设备得以快速准备，进而提高连铸机作业率。
　　（2）浸入式水口的快速更换
　　首秦板坯采用浸入式水口快换技术，可以在1s内将新旧水口更换，减少了对结晶器钢水液面产生的影响，保证了铸坯质量和稳定操作，增加了连浇炉数，提高了生产率。
　　（3）结晶器的在线调宽技术
　　为适应生产多种规格铸坯的需要，首秦3台板坯连铸机结晶器宽度可在连铸机在线停机、不停机状态下通过液压执行机构完成对结晶器宽度的调整，缩短了更换板坯规格的时间，提高了连铸机的生产率。
　　（4）铸流导向段二冷喷淋管在线调宽技术
　　为适应多种断面的在线更换，当铸坯宽度增大或缩小时，通过控制液压缸可对铸流导向段的喷淋水管进行在线调宽，从而节省换断面时间，并且保证对不同断面的铸坯均有良好的冷却效果。
　　（5）扇形段隧道式密封
　　连铸过程中产生的蒸汽积聚在二冷室内，为保证电气和液压元件有一个良好的工作环境，通过隧道式密封结构，在扇形段之间采用耐腐蚀的钢板将电气及液压元件隔离在二冷室外，从而延长设备使用寿命，减少设备更换和检修时间，提高铸机生产率。
　　（6）结晶器单体快速更换
　　结晶器将铜板和冷却水箱作为一个独立结构，与框架分开，实现整体更换。因此，该系统可以仅对易磨损部分进行快速更换，而保留结晶器框架不动，不仅能缩短设备停机时间，还能减少结晶器框架备件数量。
　　（7）特厚板坯扇形段在线更换装置
　　首秦连铸机扇形段更换装置采用特殊结构，更换装置本身自带卷扬装置和检修平台，更换扇形段时，吊具自带的卷扬先把扇形段拉出，然后再由天车吊走；安装调整好的扇形段，则反向操作。带卷扬的扇形段更换装置轻松完成了在线对扇形段的定位和移出，同时节省了厂房高度。
　　3 首钢国际工程公司的板坯连铸技术平台
　　3.1三维设计
　　三维实体建模已逐渐成为冶金行业设计的主流，与传统的二维设计相比，有着更直观、更准确、更高效的优势，能为用户提供快捷、准确、安全的技术保障。
　　首钢国际工程公司在连铸机钢包回转台等关键设备上大量采用三维设计（见图1），保证了设计的准确可靠，也为业主提供了多种选择。
　　3.2 关键设备的有限元分析计算
　　首钢国际工程公司在三维建模的基础上，采用有限元应力分析软件对板坯扇形段、转台升降臂等关键设备进行热应力和机械应力的分析与计算，找出其应力和变形的分布情况，分析出薄弱环节，然后根据计算结果来选择最合适的结构和安全材料。
　　3.3 连铸机的辊列设计与校核
　　首钢国际工程公司在辊列设计上可针对铸坯不同断面尺寸、不同钢种、不同拉速并结合冷却水的配比综合考虑，并对辊列进行应力、应变的校核计算，以达到最优化的辊列设计。
　　3.4 连铸二冷水动态控制
　　首钢国际工程公司与重庆大学和清华大学合作，联合开发方坯、板坯二冷动态控制系统软件，通过建立铸坯动态凝固－传热数学模型，可实现方坯、板坯连铸机的二冷水动态控制（见图2）。
　　4 技术应用效果
　　多年来的生产实践表明，首秦3台板坯连铸机性能稳定、工艺技术先进，生产自动化程度高，产品质量优越，成为我国宽厚板坯连铸机的典范，首秦逐渐成为国内最好的厚板生产基地，首秦产品成为了客户的“首选之板”。
　　5 技术研发团队
　　首钢国际工程公司连铸技术团队在连铸机设计方面，坚持不懈，努力创新，不断学习国、内外先进连铸技术，并与科研院所和生产企业紧密结合，研发出辊列设计、动态二冷等一系列设计和应用科技成果，形成了设计、研发和工程总承包为一体的工程技术团队，先后为首钢迁钢、首钢京唐等钢铁企业设计出多台高质量的连铸机，得到用户的一致赞誉。