江兵1
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摘 要:某鋼廠一臺小方坯的連鑄連軋鑄機進行高拉速改造,將結晶器長度延長1m,比水量提升至1.9L/Kg,延長二冷區長度,重新對噴嘴進行選型設計,并依據連鑄連軋工藝需求,設計了變比水量的二冷水表,實際應用后,鑄機平均拉速從2.8m/min提升至3.7m/min,低拉速下鑄坯溫度也能滿足連鑄連軋需求。
鍵詞:小方坯;比水量;提速;連鑄連軋
1 概述
某鋼廠一臺R8m五機五流方坯連鑄機,主要生產150mm×150mm方坯,主要澆鑄鋼種為Q235,并采用連鑄連軋工藝。為了增加鑄機產能,計劃對連鑄機二冷區進行技術改造,將鑄機拉速從平均2.8m/min提升至3.7m/min,最高需達到4m/min;為滿足連鑄連軋工藝需求,要求鑄坯進軋機前溫度不低于900℃。
對連鑄機二冷區布置、切割設備進行改造,并對二冷水量進行優化設計,使鑄機最大拉速達到4m/min。通過現場測溫、模擬仿真,對二冷水表進行優化,當拉速大于2.6m/min時,鑄坯進拉矯機溫度大于900℃。
2 連鑄機技術參數
本臺連鑄機為R8m五機五流方坯連鑄機,生產斷面為150mm×150mm。鑄機的主要技術參數見表1。
表1 連鑄機主要技術參數
Table 1 Technical Parameters of Casting Machine
技術指標 |
技術參數 |
鑄機半徑 |
8m |
冶金長度 |
25m |
生產斷面 |
150mm×150mm |
結晶器長度 |
900mm |
二冷區數量 |
4個冷卻區,全水冷卻 |
矯直方式 |
五輥拉矯機 |
二冷區各冷卻區間長度分別為0.47m,1.8m,2.4m和2.4m。
3 設備改造方案
3.1 結晶器改造
根據以往經驗,小方坯鑄坯出結晶器坯殼厚度需達到10-15mm[1],否則容易出現脫方,嚴重時坯殼在鋼水靜壓力作用下開裂而漏鋼。
結晶器內坯殼后一般遵循凝固平方根定律[2],即:
S—鑄坯出結晶器坯殼厚度,mm
k—結晶器內凝固系數,一般取20mm/min0.5
t—鑄坯在結晶器內停留時間,min
根據凝固平方根定律,在4m/min拉速下,要使出結晶器時的坯殼厚度達到10mm以上,則結晶器有效長度需大于1m。
隨著國內小方坯連鑄機提速改造的項目逐漸增多,鑄坯出結晶器坯殼厚度逐漸減薄,已由之前的10-15mm降低至8mm[3],在實際改造工程中,設計拉速處于3.5—4m/min時,選取的結晶器長度為1m,出結晶器坯殼厚度控制在8-10mm。
依據實際工程經驗,本項目結晶器銅管長度選定為1m,有效長度為900mm,采用雙排足輥,防止鑄坯脫方,減少漏鋼幾率。
3.2 二冷區改造
改造前,本臺連鑄機二冷區分為4個冷卻區:足輥冷卻區、二冷一區、二冷二區、二冷三區,全部采用全水冷卻,各長度及噴嘴數量見表2。
表2 改造前二冷區長度及噴嘴數量
Table2 Second Cooling Zone Length and Number of Nozzles before Modification
二冷區間 |
長度(m) |
噴嘴數量(排*個數) |
足輥區 |
0.47 |
3×4=12 |
二冷一區 |
1.8 |
11×4=44 |
二冷二區 |
2.4 |
8×4=32 |
二冷三區 |
2.4 |
5x4=20 |
改造前,比水量為1.4L/Kg,各區間二冷水量分配為33%,37%,20%,10%,經常發生偏離角縱裂漏鋼。
Q235為亞包晶鋼[4],凝固時會產生的較大的凝固收縮;如果結晶器腔型和錐度設計不合理,結晶器內鑄坯角部凝固收縮,角部坯殼不能與結晶器壁緊密貼合,容易形成氣阻,導致角部冷卻降低,角部坯殼薄弱;出二冷區后,如果二次冷卻不均勻,會形成熱應力,角部附近的坯殼在鋼水靜壓力和熱應力的作用下開裂,導致漏鋼。
由于Q235的特性,部分鋼廠在二冷區采用強冷的措施抑制漏鋼。本項目也采用強冷,4m/min拉速下最大比水量達到1.9L/Kg。
根據二冷法則[6],鑄坯回溫不應超過200℃/m,否則容易產生裂紋。對于方坯連鑄機,鑄坯出噴淋區會產生回溫,拉速越高,回溫越大,因此需要根據拉速相應的延長二冷區長度,控制回溫速度。
在4m/min拉速下,用凝固傳熱模型[5] 對不同二冷區長度進行凝固仿真模擬,根據凝固仿真模擬結果設計合適的二冷區間長度,凝固仿真模擬結果見圖1。
圖1 不同冷卻長度下鑄坯表面溫度
Fig 1 The Surface Temperature of Billet with different Cooling Zone Length
依據圖1,原鑄機二冷區總長度為7.1m,在4m/min拉速下,鑄坯出噴淋區后,開始回溫,進拉矯機時的表面溫度高達1200℃,回溫150℃,鑄坯回溫過高,容易產生中間裂紋和三角區裂紋[6];進拉矯機溫度過高,鑄坯氧化鐵皮增多,金屬收得率降低,產量下降。
依據鑄機結構,增加二冷四區,長度2.4m,并進行模擬仿真計算,結果見圖1。依據圖1,二冷區延長后,鑄機二冷區總長度延長至9.5m,在4m/min拉速下,鑄坯進拉矯機時的表面溫度高達1150℃,回溫100℃,回溫得到有效控制。
最終,在鑄機原有二冷回路的基礎上,增加一個冷卻回路和冷卻區,并依據新的比水量,對噴嘴重新進行選型,具體結果見表3。
表3 改造后二冷區長度及噴嘴數量
Table3 Second Cooling Zone Length and Number of Nozzles after Modification
二冷區間 |
長度(m) |
噴嘴數量(排*個數) |
足輥區 |
0.38 |
3×4×2=24 |
二冷一區 |
1.8 |
13×4=52 |
二冷二區 |
2.4 |
10×4=40 |
二冷三區 |
2.4 |
6×4=24 |
二冷四區 |
2.4 |
5×4=20 |
4 連鑄連軋二冷水優化
4.1 連鑄連軋溫度控制
根據業主要求,當拉速大于2.6m/min時,進入軋機溫度不低于900℃(坯頭),根據現場實測,鑄坯切割后,從輥道進入軋機所需時間約為2.5min;從結晶器彎月面到切割原點距離為24m,鑄坯定尺12m,則不同拉速下,坯頭從切割原點到軋機入口所需的時間見表4;鑄坯在輥道上輻射散熱降溫,依據傳熱模型模擬結果,降溫速度一般為20℃/min,由此可以推算出切割原點處要求的鑄坯溫度如下:
Tsur—切割原點處鑄坯表面溫度,℃
Vc—澆鑄速度,m/min
表4 連鑄連軋溫度控制
Table 4 The Temperature Controlling of Continue Casting and Continue Rolling
拉速(m/min) |
從切割原點進入軋機所需時間min |
切割原點所需的 鑄坯表面最低溫度(℃) |
2.6 |
7.1 |
1042 |
2.8 |
6.8 |
1035 |
3.2 |
6.3 |
1025 |
3.6 |
5.8 |
1016 |
4.0 |
5.5 |
1010 |
4.2 二冷水表設計
根據表4,拉速越低,鑄坯要求的溫度反而更高,因此二冷水量的控制應遵循如下原則:
(1) 低拉速時,需要防止鑄坯表面溫度過低而進不了軋機,因此需要采用弱冷;
(2) 高拉速時,需要防止鑄坯表面溫度太高而產生漏鋼、脫方等現象,因此需要采用強冷。
由于低拉速時采用弱冷、高拉速時采用強冷,常規的固定比水量控制無法實現此目的,因此二冷配水采用變比水量的水表控制方式[7],即比水量和各區間分配系數隨拉速變化而變化,使切割原點處的鑄坯溫度高于設定的溫度。通過現場調試、測溫修正及模擬仿真,最終拉速和比水量、拉速和二冷區分配系數的關系見圖2和圖3。
圖2 拉速和比水量
Fig2 The Casting Speed and Water Flow Rate
圖3 拉速和分配系數
Fig 3 The Casting Speed and Distribution Coefficient
通過變比水量的水表設計,實現了低拉速下弱冷、高拉速下強冷的目的,現場實際使用,拉速大于2.6m/min時,軋機入口處鑄坯溫度大于900℃,平均拉速達到3.7m/min以上,達到了鋼廠改造目的。
5 總結
通過模擬仿真分析,確定了本項目的改造方案,將鑄機二冷區長度延伸2.4m,并設計了變比水量的二冷水表,在低拉速下,鑄坯溫度也滿足了連鑄連軋的要求。
參考文獻:
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[4] 喬明.小方坯角裂漏鋼的原因分析及控制措施[J].萊鋼科技,2016(3)
[5] 李慧春.連鑄坯凝固傳熱過程的數值模擬[D].蘭州:蘭州理工大學,2008
[6] 夏金魁.Q235B連鑄板坯內部裂紋控制[J].連鑄,2016(3)
[7] 王建新,孫利斌.方坯連鑄機二次冷卻的變比水量控制[J].中國鋼鐵年會,2013