隨著冶金工業(yè)技術(shù)的不斷進步，連鑄工序作為煉鋼和軋鋼連接中一道重要的工藝流程，發(fā)展突飛猛進[1]。20世紀70年代，連鑄技術(shù)的發(fā)展進入高速增長期，通過國外先進技術(shù)和設(shè)備的引進與學習吸收，推動我國連鑄技術(shù)快速發(fā)展，逐漸形成具有節(jié)能環(huán)保、質(zhì)量優(yōu)良、成本合理、工藝成熟和品種開發(fā)潛力的連鑄技術(shù)[2−3]。河鋼集團唐鋼新區(qū)是河北省鋼鐵企業(yè)轉(zhuǎn)型升級、結(jié)構(gòu)調(diào)整的示范工程，項目以“綠色化、智能化、品牌化”為建設(shè)目標，通過對全流程進行解析與集成，科學匹配工序單元，采用最先進的流程界面技術(shù)，實現(xiàn)鋼廠“動態(tài)有序”、“協(xié)同連續(xù)”的精準設(shè)計[4]。根據(jù)市場導向確定產(chǎn)品定位，將一期項目主要產(chǎn)品確定為熱軋板卷，全力打造中國第一大家電用鋼、第二大汽車用鋼供應商，中國核電、海洋工程、建筑橋梁用鋼領(lǐng)軍企業(yè)。為協(xié)調(diào)煉鋼和軋鋼工序生產(chǎn)，在煉鋼連鑄車間新建2臺1900 mm雙流板坯連鑄機，并將數(shù)字化信息流貫穿于鋼鐵生產(chǎn)全流程，實現(xiàn)信息化系統(tǒng)與物理系統(tǒng)融合設(shè)計。

1.   連鑄機產(chǎn)品方案

2臺1900 mm雙流板坯連鑄機為2050 mm熱軋生產(chǎn)線提供合格鑄坯。主要生產(chǎn)碳素結(jié)構(gòu)鋼、優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼、汽車結(jié)構(gòu)用鋼、高耐候結(jié)構(gòu)鋼及集裝箱板、高層建筑結(jié)構(gòu)用鋼、管線鋼、鍋爐及壓力容器用鋼、橋梁用結(jié)構(gòu)鋼、船體用結(jié)構(gòu)鋼等。產(chǎn)品大綱見表1。1900 mm雙流板坯連鑄機產(chǎn)品規(guī)格：鑄坯寬度：900~1900 mm；鑄坯厚度：230、250 mm；切割定尺：9000~11000 mm、4500~5300 mm。

連鑄系統(tǒng)現(xiàn)場情況見圖1、圖2。

2.   連鑄機機型的選擇

2.1   機型

板坯連鑄技術(shù)發(fā)展至今，機型設(shè)計逐漸趨于成熟，目前世界上應用最多的機型為直弧型連續(xù)彎曲連續(xù)矯直連鑄機。近幾年我國投產(chǎn)的直弧型板坯連鑄機，運行狀況良好，為熱軋廠提供各類高品質(zhì)合格鑄坯，鑄坯的硫印評級和無清理比例較高，具備鑄坯直接熱裝熱送的條件[2]。直弧型板坯連鑄機夾雜物上浮條件好，有利于消除或減少夾雜物向內(nèi)弧側(cè)富集，且結(jié)晶器為銅板制作，維修簡單方便，維護成本低[5−6]。

2.2   連鑄機的基本弧半徑

在拉坯過程中，連鑄機的基本弧半徑，直接影響板坯鑄坯的變形率，這也是鑄坯質(zhì)量的決定性影響因素。近年來采用連續(xù)彎曲連續(xù)矯直機型的連鑄機，適當減小鑄機基本弧半徑，使鋼水靜壓力降低，進而有效控制鑄坯的變形率。與傳統(tǒng)的連鑄機相比，雖然基本弧半徑有所降低，但是鑄坯的變形率依然控制在合理的范圍。對于鑄坯厚度≤250 mm的板坯連鑄，直弧型連鑄機一般選用9~10 m的基本弧半徑[7]。

隨著連鑄技術(shù)向著高質(zhì)量、智能化、高拉速的方向不斷發(fā)展，連鑄機確定半徑時還應考慮連鑄機留有進一步提高拉速的潛力，但過高的拉速又易使鑄坯的中心疏松、中心縮孔及中心偏析的等級升高。為此需要綜合各方面影響因素進行確定，根據(jù)產(chǎn)品大綱要求，綜合冶金長度按照平均35 m設(shè)計；本項目基本弧半徑設(shè)計時，綜合滿足低拉速狀態(tài)下矯直區(qū)變形量要求，以及滿足高拉速下鑄坯生產(chǎn)順行，釋放連鑄潛力；再結(jié)合矯直區(qū)設(shè)計和輕壓下設(shè)計，最終選用基本弧半徑9.5 m的連續(xù)彎曲連續(xù)矯直直弧型連鑄機。

3.   連鑄生產(chǎn)工藝流程

連鑄工藝流程見圖3。

3.1   鋼水準備

轉(zhuǎn)爐出鋼后，按照澆注要求的化學成份、氣體含量、溫度等，對鋼水進行LF-RH精煉處理。精煉后裝有合格鋼水的鋼包由煉鋼車間鑄造起重機吊運至連鑄機鋼包回轉(zhuǎn)臺?；剞D(zhuǎn)臺將鋼包回轉(zhuǎn)至中間罐上方后，打開鋼包滑動水口，為中間罐注入鋼水。當中間罐內(nèi)鋼水深度達到澆注要求高度后，即可開始澆注。

3.2   連鑄機澆注前的準備

中間罐修砌后由干燥站進行干燥，完成后再由澆鑄跨起重機吊運至連鑄平臺的中間罐車上，在烘烤位進行在線烘烤，烘烤時間約90 min，烘烤溫度1100 ℃。此外，中間罐水口也同時進行烘烤，水口烘烤裝置的烘烤溫度1100 ℃。

引錠桿由澆注平臺上的引錠桿小車，就位并送入結(jié)晶器，再向澆注方向運行使引錠頭在結(jié)晶器內(nèi)處于合適位置。用石棉繩塞緊結(jié)晶器固定引錠頭，填裝廢鋼屑，最后向結(jié)晶器銅板涂抹潤滑油。

接通結(jié)晶器冷卻水、二冷水、壓縮空氣、設(shè)備冷卻水、液壓、潤滑等系統(tǒng)，使各系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)。確保火焰切割機用天然氣、氧氣等能源介質(zhì)系統(tǒng)處于正常狀態(tài)。各操作臺、控制箱顯示電氣系統(tǒng)正常[8]。

3.3   澆注操作

鋼水由鋼包注入中間罐，當中間罐內(nèi)液面高度達到工作液位的一半時，即可打開塞棒，使鋼水在浸入式水口的導流下，平穩(wěn)的注入結(jié)晶器。

當結(jié)晶器內(nèi)鋼水液面上升到拉坯位置后，啟動“澆注”，按照預定的起步拉速，扇形段驅(qū)動輥開始進行拉坯。與此同時，結(jié)晶器振動裝置、二冷噴淋水、設(shè)備冷卻水、二冷室排蒸汽風機、結(jié)晶器排煙風機自動開始工作[8]。

在冷卻作用下，結(jié)晶器內(nèi)鋼水外層形成坯殼，內(nèi)層帶有液芯的鑄坯，在引錠桿的牽引下離開結(jié)晶器下口，經(jīng)過足輥、彎曲段、弧形段往下移動，同時進行氣霧冷卻[8]。

在矯直段對弧形的鑄坯進行矯直，然后送入水平段。鑄坯離開水平扇形段后脫離引錠桿，引錠桿卷揚裝置將引錠桿送回澆注平臺上的引錠桿小車，為下一連澆爐次做準備。

鑄坯在與引錠桿分離后，在輥道的驅(qū)動下按照拉速進入火焰切割機，火切切割機切掉長約400 mm的切頭，切頭部分經(jīng)溜槽落入下部的切頭、切尾收集箱內(nèi)。完成切頭后的鑄坯按照定尺進行切割，合格定尺的鑄坯通過去毛刺機去掉切口處的毛刺，毛刺通過毛刺收集小車，滑入毛刺收集箱。處理后的鑄坯在噴號輥道進行噴號標記。

3.4   出坯及堆存

通過鑄坯橫移裝置，把兩套連鑄機各流的鑄坯收集輸送到熱送輥道上，由熱送輥道將直接熱送的鑄坯送往軋鋼車間。

需要表面火焰清理的鑄坯，通過鑄坯橫移裝置，運送至火焰清理輥道，進行4面火焰清理，清理完的鑄坯，可通過手動清理裝置，實現(xiàn)在線檢測及手動清理，也可下線堆存冷卻后，再進行檢測及清理。

對于一些容器鋼和高合金鋼需要緩冷的，可通過吊車吊至緩冷坑進行緩冷。需冷卻堆存后進行精整的鑄坯由車間的鑄坯夾鉗起重機將垛板臺上的鑄坯吊運下線，進行處理；根據(jù)軋鋼工序的需要，再由鑄坯夾鉗起重機吊至卸垛臺，鑄坯由卸垛臺送回熱送輥道，轉(zhuǎn)運到軋鋼車間加熱爐，也可以經(jīng)過跨車運至熱軋車間。

4.   連鑄機主要技術(shù)參數(shù)

1#、2#板坯連鑄機主要設(shè)備配置及參數(shù)見表2。

根據(jù)產(chǎn)品大綱要求，結(jié)合設(shè)計和現(xiàn)場經(jīng)驗，確定冶金長度35 m，基本弧半徑9.5 m；再按照矯直區(qū)設(shè)計，最終按照結(jié)晶器液面距第一對拉矯輥處的有效弧線長度，確定設(shè)備拉速范圍0.1~2.5 m/min；根據(jù)軋鋼下游工序的原料要求以及鑄坯下線吊裝計算，確定鑄坯定尺范圍和輥道間距，并配置橫移車、推鋼機和垛板臺；回轉(zhuǎn)臺、中間包車等大型設(shè)備選用成熟可靠的設(shè)備形式；配備電磁攪拌、結(jié)晶器液壓振動和二冷動態(tài)控制系統(tǒng)為鑄坯質(zhì)量保駕護航。

5.   連鑄機主要技術(shù)特點

為提高鑄坯的表面和內(nèi)部質(zhì)量，保證生產(chǎn)無缺陷鑄坯，提高連鑄生產(chǎn)率、可靠性和熱利用率，實現(xiàn)板坯高溫熱送、節(jié)能環(huán)保及綜合利用[9]，板坯連鑄機設(shè)計選型采用了多項先進技術(shù)，見表3。

6.   連鑄機關(guān)鍵設(shè)備

連鑄系統(tǒng)主要設(shè)備包括鋼包回轉(zhuǎn)臺、中間罐、中間罐車、結(jié)晶器、扇形段、切割區(qū)、引錠系統(tǒng)、去毛刺、噴號機、鑄坯橫移以及后部輥道等組成，工藝布置示意圖見圖4。連鑄設(shè)備配置上按照生產(chǎn)安全順暢、鑄坯質(zhì)量優(yōu)質(zhì)化、操作水平自動化智能化進行設(shè)計，其中結(jié)晶器、二冷動態(tài)控制、扇形段、矯直段以及鑄坯火焰清理是保障鑄坯質(zhì)量的關(guān)鍵手段。

6.1   結(jié)晶器

結(jié)晶器是整個連鑄系統(tǒng)的核心，合理的結(jié)晶器設(shè)計能使連鑄順利進行，鑄坯質(zhì)量得到有效保障。連鑄系統(tǒng)選用直結(jié)晶器在線自動調(diào)寬形式，使用寬900~1900 mm，厚230 mm和250 mm鑄坯澆注。由液壓缸進行寬度調(diào)節(jié)，足輥通過外部二次冷卻水冷卻。

結(jié)晶器配套設(shè)有結(jié)晶器罩，用于保護結(jié)晶器，避免結(jié)晶器溢流出鋼水以及中間罐車開動期間流出鋼水損壞結(jié)晶器。同時配套設(shè)有自動加保護渣裝置，以機械和電氣相結(jié)合的自動加渣模式替代人工加渣。

配套設(shè)置結(jié)晶器振動裝置，通過采用先進成熟的液壓振動形式，防止坯殼粘在銅板上，并改善保護渣潤滑性，實現(xiàn)結(jié)晶器按照正弦曲線、非正弦曲線及其它波形進行振動，具備任何時間任意選擇調(diào)整振幅和振頻的功能，在澆注過程中，根據(jù)拉速、鋼種等因素，自動調(diào)節(jié)振幅和振頻。

6.2   彎曲段、扇形段

彎曲段配有輥式電磁攪拌裝置，其線圈固定在弧形扇形段的輥子內(nèi)，當扇形段放置到底座上時，通過兩個自動連接裝置，電源和水可自動接通。輥式電磁攪拌裝置可在扇形段輥間形成電磁場，當鋼水與磁場產(chǎn)生相對運到時，產(chǎn)生電磁力，對鋼水進行攪拌，電磁力的大小和方向可通過調(diào)節(jié)電流的大小和方向來實現(xiàn)。電磁攪拌裝置的應用改善了坯殼內(nèi)鋼水流場，避免內(nèi)部鋼水沖擊坯殼和卷渣等不利因素。

彎曲段后扇形區(qū)分為弧形段（1~6段）、矯直段（7、8段）、水平段（9~13段）?；⌒味蚊苛?段，矯直段每流2段，水平段每流5段。每段均由7對輥子組成，輥子長2000 mm。

弧形段對彎曲段與矯直段之間的鑄坯進行支撐，并引導鑄坯在恒定的9.5 m弧形半徑上向下運動。弧形段由底部和頂部框架組成，由連桿端部的液壓缸夾在一起。夾持液壓缸裝在支撐件上，可以進行不均衡運動。分節(jié)輥子減小輥徑，縮小了輥間距，同時保證輥子有足夠的強度，以減少輥子的變形，從而生產(chǎn)出內(nèi)部及表面質(zhì)量最好的板坯。使用夾持液壓缸控制輥縫打開，通過夾緊液壓缸的位置傳感器，按照動態(tài)軟壓下控制要求對扇形段開口度進行自動調(diào)節(jié)。弧形段冷卻用水及壓縮空氣可自動連接。1~6弧形段除噴嘴布置不同外，其他均相同，可實現(xiàn)互換。

矯直段對鑄坯進行支撐，并將按恒定弧形半徑運動的鑄坯依據(jù)矯直曲線矯直成水平運動。使用夾持液壓缸控制輥縫打開，通過夾緊液壓缸的位置傳感器，按照動態(tài)軟壓下控制要求對扇形段開口度進行自動調(diào)節(jié)。矯直段結(jié)構(gòu)與弧形段相似。

鑄坯在水平段的引導和支承下繼續(xù)前進，實現(xiàn)鑄坯完全凝固。使用夾持液壓缸控制輥縫打開，通過夾緊液壓缸的位置傳感器，按照動態(tài)軟壓下控制要求對扇形段開口度進行自動調(diào)節(jié)。所有水平段相同，可互換。結(jié)構(gòu)與矯直段相似。

6.3   火焰清理系統(tǒng)

兩臺連鑄機共用火焰清理系統(tǒng)。鑄坯火焰清理分為在線和離線，鑄坯通過橫移裝置或者上料臺運至火焰清理入口輥道進行對中，再由火焰清理裝置對鑄坯的2個表面進行清理。鑄坯定位完成后，燒嘴自動點火并靠近、預熱，預熱一定時間后，鑄坯通過夾送輥以設(shè)定的速度向前運行，進行火焰清理時，清理速度和設(shè)定的鑄坯表面清理厚度有關(guān)系，最大單面清理厚度達4.5 mm。當鑄坯完成2個表面的清理后通過高壓除磷裝置去除鑄坯表面的氧化鐵皮，鑄坯通過橫移裝置橫移至翻坯機進行翻坯，然后通過輸送輥道和橫移裝置再一次進入火焰清理入口輥道進行對中，并進行另外2個表面的火焰清理，清理完的鑄坯可通過下料臺架進行下線操作。鑄坯通過火焰清理后可下線堆存或者在人工清理臺架進行檢測和清理。從而改善鑄坯表面質(zhì)量，為后續(xù)軋鋼工序開發(fā)優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品提供原料保障。

6.4   自動化控制系統(tǒng)

鑄機引進普瑞特公司先進的機械設(shè)備及控制理念，配置了一級和二級專家系統(tǒng)、產(chǎn)品質(zhì)量檢測系統(tǒng)。L1為基礎(chǔ)級控制系統(tǒng)，用于生產(chǎn)設(shè)備的運行檢測，L2為過程計算機控制系統(tǒng)，用于車間信息管理和設(shè)備數(shù)字模擬控制。

基礎(chǔ)級L1過程控制系統(tǒng)面向生產(chǎn)過程，主要包括：在線檢測生產(chǎn)數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)處理運算、存儲、顯示、管理、控制輸出、報表打印等。操作人員可以對過程參數(shù)進行修改和設(shè)定，并能夠通過人機接口對設(shè)備運行狀態(tài)進行控制。通過通信網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)連鑄機各系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換，通過HMI操作站完成操作監(jiān)視[10]。完成的控制功能如下：鋼包回轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)及加蓋控制，中間罐車行走控制，液壓系統(tǒng)控制，蒸汽排出裝置控制，結(jié)晶器液壓振動控制，鋼包及中間罐稱量、測溫控制，拉矯機控制，后部輥道區(qū)控制，鑄坯跟蹤、長度測量，二冷區(qū)冷卻水、結(jié)晶器冷卻水、設(shè)備冷卻水的檢測及控制，動態(tài)二冷模型控制[11]。

為了在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，降低生產(chǎn)成本、提高生產(chǎn)效率，連鑄系統(tǒng)配套設(shè)置了過程控制計算機系統(tǒng)（L2）。過程控制系統(tǒng)主要功能為區(qū)域物料跟蹤、模型設(shè)置計算和數(shù)據(jù)收集，可以確保產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量，實現(xiàn)有序生產(chǎn)。連鑄過程控制系統(tǒng)處理從鋼包到達大包回轉(zhuǎn)臺，直至鋼坯切割結(jié)束，板坯熱送或下線過程中的澆鑄處理信息，具體包括：爐次計劃管理、爐次計劃數(shù)據(jù)處理、連鑄生產(chǎn)跟蹤、爐次跟蹤、鑄流跟蹤、鑄坯跟蹤、爐次序列跟蹤、設(shè)備控制管理、技術(shù)數(shù)據(jù)管理、操作指導、成分化驗信息處理、質(zhì)量控制模型、切割優(yōu)化模型、以及報表和通訊。連鑄過程控制系統(tǒng)的實施達到管理有序，優(yōu)化質(zhì)量，指導生產(chǎn)的目的。

7.   生產(chǎn)實踐

1900 mm雙流板坯連鑄機投產(chǎn)后，結(jié)晶器階段，澆注鋼水在保護渣覆蓋潤滑作用下，經(jīng)結(jié)晶器銅板冷卻形成坯殼；利用結(jié)晶器電磁攪拌，減小夾雜物進入，同時均勻鋼水流場，減少對坯殼的沖擊；通過完成自學習的自動化控制，精準控制銅板冷卻水量，實現(xiàn)坯殼厚度可控；采用液壓振動，防止坯殼與銅板粘連，同時便于保護渣下落。

進入彎曲段、扇形段后。二冷區(qū)通過控制輥縫，以控制鑄坯厚度；控制輥距，避免鼓肚；通過二冷水動態(tài)控制，控制液芯位置，按照生產(chǎn)鋼種進行結(jié)晶。在矯直段動態(tài)輕壓下、末端電磁攪拌作用下，避免偏析元素聚合，形成彌散型偏析，從而達到細化晶粒、改善鑄坯質(zhì)量的目的。采用鑄坯火焰清理和高壓水除磷，改善鑄坯表面質(zhì)量，為軋鋼創(chuàng)造條件，現(xiàn)場生產(chǎn)的鑄坯照片見圖5，鑄坯低倍照片見圖6。

在良好鑄坯質(zhì)量的保障下，2050熱軋產(chǎn)線研發(fā)電池殼鋼、工業(yè)純鐵、車輪鋼和雙抗管線鋼等新產(chǎn)品，多品種實現(xiàn)“從0到1”的突破，管線鋼、車輪鋼、焊瓶鋼和高強結(jié)構(gòu)鋼等品種實現(xiàn)系列化。其中焊瓶鋼完成最高級別產(chǎn)品的生產(chǎn)和應用，管線鋼在成功開發(fā)X80級別產(chǎn)品。經(jīng)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的不斷優(yōu)化，2023年2050熱軋高潛能、高創(chuàng)效產(chǎn)品比例達37.60%。

8.   結(jié)束語

1900 mm雙流板坯連鑄機系統(tǒng)工藝設(shè)計和設(shè)備選型遵循“成熟、可靠、先進、高效、智能、綠色、環(huán)保”的原則，根據(jù)項目總體規(guī)劃要求，按照產(chǎn)品方案，在技術(shù)方案、設(shè)備裝配水平等各方面貫徹新一代鋼廠的科學設(shè)計理念。該系統(tǒng)憑借著強大的裝備及控制水平，專業(yè)化的管理，很好的銜接起煉鋼和軋鋼工序，為板材產(chǎn)品的高質(zhì)量、低成本生產(chǎn)創(chuàng)造有利條件，同時也為同類鋼廠的設(shè)計選型提供經(jīng)驗。

文章來源——金屬世界