方坯连铸机结晶器改造及实践

摘 要：首钢长钢公司炼钢厂对小方坯连铸机进行了技术改造，本文仅对这次改造中结晶器优化作简要论述，这次改造将结晶器振动装置由原短臂四连杆式改造为半板簧连杆式；增加外置式结晶器电磁搅拌装置；建立二冷配水数学模型，确定二冷各段的配水比例，重新设计喷嘴数目和型号，实现了均匀强化冷却。关键词：方坯连铸机；高效连铸；振动装置；结晶器；二次冷却系统

中图分类号：TG233.1 文献标识码： A

一 前 言

从炼钢厂的工艺装备来看，只有新建的8#连铸机能够生产品种钢，而其产能为90～100万吨/年，不能满足轧钢厂精品棒材（100万吨）和高线（110万吨）的生产需求，因此必须对5#方坯连铸机进行改造才能满足品种钢的生产需求，且改造5#连铸机投资省、见效快。

二 主要改造项目及特点

本次铸机改造的主要目的是提高拉速和改善铸坯质量。影响连铸机拉坯速度和铸坯质量的因素很多，但对铸机本身来讲，振动装置的工作稳定性，结晶器的良好均匀冷却，二次冷却配水参数的合理调整是最重要的因素。

2.1 振动装置的改造

结晶器振动装置的关键技术有：高频率小振幅工艺的优化，达到最佳的负滑动时间，最佳的保护渣熔化状态；振动缓冲力的优化；振动体质量的最小化以及弹簧钢板导向系统的优化；结晶器振动状况动态监视系统。炼钢厂连铸机原有振动装置为短臂四连杆式振动系统，四连杆振动机构的各支点都有轴承连接，各杆件仅作摆动运动，轴承易形成局部磨损，特别是现在振动特性趋势向高频率、小振幅发展，这样将会产生较为严重的局部磨损。 这种振动装置的缺点是振动过程中的仿弧精度差，特别是高拉速时结晶器偏摆严重，很难适应高拉速的要求。

本次改造采用了数控电动缸驱动，半板弹簧短臂四杆机构导向振动系统，将四连杆型机构的上臂用弹簧钢板代替的振动系统称做半板簧式结晶器振动装置，板簧式结晶器振动系统由于是无轴承的振动机构，基本无磨损，具有使用性能稳定、运动精度高、寿命长等优点。有效克服了因轴承间隙产生的偏摆，振动系统的改造同时优化了结晶器的振动参数。

本次改造结晶器采用数控电动缸驱动实现了非正弦振动，非正弦振动波形的优点相对于正弦振动波形就是沿着振动正方向有一定的偏斜角度,即波形上升速度慢、时间长而下降速度快、时间短的非正弦振动波形。非正弦振动波形与正弦振动波形相比有以下优点：

(1)负滑动时间明显减少,铸坯表面振痕浅,提高了铸坯表面质量。

(2)结晶器正滑动时间内振动速度与拉坯速度差减少,因此作用在弯月面下的铸坯壳的拉应力减少。

(3)结晶器负滑动时间内振动速度与拉坯速度差变大,对初生坯壳施加了足够的压应力，有利于铸坯脱模。

2.2 结晶器的改造

1、结晶器固定支撑方式的改造

结晶器是一高负荷的热交换器，使其有良好的传热，对铸坯质量和自身的寿命都有好处。故采用翻边上法兰压紧，周边密封固定方式，使结晶器铜管几乎无冷却盲区，改善传热的同时，减小热变形；因其装配部件少，装配累积误差小，整体精度高。

2、水套形式改造

采用国内先进的不锈钢整体引伸圆角内水套，整体引伸压力加工，同时筒体的整体性也牵制了变形；在高拉坯速度下，角部采用圆角，使其角部水缝与面部水缝一致，使铸坯冷却均匀；由于弧度与铜管一致性好，内腔定位更加方便，从而保证了铸坯在结晶器内冷却均匀，使铸坯在出结晶器时有足够和均匀的铸坯厚度，对提高拉速至关重要。

3、倒锥度优化

结晶器铜管倒锥度设计采取新的锥度设计理念，由单锥度设计为连续的抛物线，更加接近坯壳凝固收缩曲线，大大提高结晶器的冷却效果，有效的减少了漏钢几率，延长结晶器铜管的寿命。

4、改进冷却水参数

水缝设计为窄水缝，水速﹥12m/s，进水压力为0.8—1.0MPa，进出水温差4--10℃，使冷面温度保持在100℃以下，可防止间歇沸腾，有利于降低热面温度和减小铜管变形。

2.3增加电磁搅拌装置

原有结晶器没有设置电磁搅拌器，搅拌器一般置于结晶器，搅拌器内的铁芯所激发的磁场通过结晶器的钢质水套和铜板渗入钢水中，借助电磁感应产生的电磁力，促使钢水产生旋转运动或上下垂直运动。

电磁搅拌器的工作原理与三相异步电动机的工作原理基本相同,电磁搅拌装置就像三相异步电动机的定子，它由三相电源供电，在磁极间产生旋转磁场; 钢液通过搅拌装置时，旋转磁场产生电磁力矩，在电磁力矩作用下，钢液像电机转子一样围绕着注流断面的轴心做旋转运动，从而推动了钢液流动。

结晶器电磁搅拌作用：(1)钢水运动可清洗凝固壳表层区的气泡和夹杂物，改善了铸坯表面质量。(2)钢水运动有利于过热度的降低，这样可适当提高钢水过热度，有利于去除夹杂物，提高铸坯清洁度。(3)钢水运动可把树枝晶打碎，改善铸坯内部结构。(4)结晶器钢-渣界面经常更新，有利于保护渣吸收上浮的夹杂物。

2.4二次冷却系统的改造 原系统的缺点是：(1)冷却长度短，喷嘴数目少，提高拉速时无法提供足够的冷却强度。(2)配水方式难以适应拉坯速度和温度的变化，配水量与拉钢量、铸坯表面温度的匹配难以掌握。(3)二次冷却水水质差，喷咀经常堵塞。针对这些问题对二次冷却系统做了以下改造：

(1)二冷段导向设备、二冷段钢结构及冷却系统改造,由全水冷却改为气雾冷却，二冷段由三个喷淋区段组成，一区活动段水冷，二、三区固定段气雾冷却。

(2)主管道安装自冲洗过滤器，解决了喷嘴堵塞问题。

(3)为实现二冷配水的科学合理控制，建立了二次冷却配水离线稳态数学模型。设定二冷配水量与拉坯速度、中间包钢水温度、铸坯进拉矫机前表面温度的关系为线性函数，拉坯速度为V(m/min),配水量为Q(L/min)，中间包钢水温度为T1(℃),铸坯进拉矫机时表面温度为T2(℃)，此数学模型可简述为： (1)浇注120mm×120mm断面普碳钢 V 为0～2.5m/min时： Q =164V +13(T1-1540)+4(T2-950); V 大于2.5m/min时： Q =219V +13(T1-1540)+4(T2-950); (2)浇注120mm×120mm断面低合金钢; V 为0～2.5m/min时： Q =131V +13(T1-1535)+4(T2-1000); V 大于2.5m/min时： Q =197V +13(T1-1535)+4(T2-1000); (3)浇注150mm×150mm断面普碳钢; V 为0～2.5m/min时： Q =209V +11(T1-1540)+4(T2-950); V 大于2.5m/min时： Q =268V +11(T1-1540)+4(T2-950);

二次冷却系统改造后实现了均匀强化冷却,对提高铸坯质量和拉速起到了重要作用。

三、生产实践效果

1、提高了铸机拉速。结晶器经高效技术优化后，设计拉坯速度由原来的2.8～3.2m/min提高到3.8～4.0m/min，最高工作拉速达到4.5min。

2、铸机漏钢事故提高大幅减少，铸机溢漏率由改造前的0.48%降至目前的0.10%

左右，铸坯质量稳步提高。

拉速和生产作业率的提高，使铸机产能得到极大释放，实现了转炉与铸机的高效匹配生产。

四、结语

1、结晶器的高效优化技术是提高铸机拉速，释放铸机产能的关键技术。在现阶段不大的投入的情况下，对常规的结晶器的进行高效化改造，完全能满足生产的需要。

2、结晶器高效技术是系统技术，必须从结晶器的工艺结构和工艺参数进行全面优化，才能达到高效生产的目的。

参考文献

[1] 田燕翔主编．现代连铸新新技术与铸坯质量控制．当代中国音像出版社。

[2]李宪奎. 结晶器非正弦振动的开发 .钢铁

[3]刘和平. 非正弦振动装置在方还祷机上的应用 .钢铁