江兵1
（1.麥格瑞（北京）智能科技有限公司 北京 100010）
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
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技術指標 |
技術參數 |
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鑄機半徑 |
8m |
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冶金長度 |
25m |
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生產斷面 |
150mm×150mm |
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結晶器長度 |
900mm |
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二冷區數量 |
4個冷卻區，全水冷卻 |
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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
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二冷區間 |
長度（m） |
噴嘴數量（排*個數） |
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足輥區 |
0.47 |
3×4=12 |
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二冷一區 |
1.8 |
11×4=44 |
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二冷二區 |
2.4 |
8×4=32 |
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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
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二冷區間 |
長度（m） |
噴嘴數量（排*個數） |
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足輥區 |
0.38 |
3×4×2=24 |
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二冷一區 |
1.8 |
13×4=52 |
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二冷二區 |
2.4 |
10×4=40 |
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二冷三區 |
2.4 |
6×4=24 |
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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
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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（℃） |
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2.6 |
7.1 |
1042 |
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2.8 |
6.8 |
1035 |
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3.2 |
6.3 |
1025 |
|
3.6 |
5.8 |
1016 |
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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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[2] 陳樹林．小方坯結晶器傳熱狀況初探［J］．河南冶金，2004（3）
[3] 關文博．小方坯連鑄機高拉速生產時間［J］．山西冶金，2019（6）
[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