酒钢小方坯连铸机的动态二冷配水优化

发表时间：[2013-01-09]　　作者：梁维盛1，肖建平2，罗斌2　　编辑录入：admin　　点击数：1642

酒钢小方坯连铸机的动态二冷配水优化

梁维盛1，肖建平2，罗斌2

(1．镭目公司北京研究所，北京100080；2．阳春新钢铁有限责任公司，广东阳春529600)

摘要：介绍了酒钢方坯连铸机动态二冷配水系统的改造经验。酒钢普碳钢方坯一号机经过改造以后，拉速由原来的2．4m／min提升到3m／min，但是铸坯的表面以及内部缺陷表现比较严重。对表面以及内部质量缺陷的原因进行了总结分析，重新修改了动态二冷控制模型，并对二冷配水参数进行了优化和调整，使铸坯质量明显提高。

关键词：二次冷却；比水量；动态配水

0 前言

连铸二冷技术对连铸生产过程顺行、产品质量和生产效率均有重要影响。钢液凝固的基本模型原理不仅用于连铸工艺参数、凝固过程、冶金长度等参数的确定和分析，也是优化二冷水量、分配比等控制模型，实现铸坯均匀冷却和提高产品质量的重要工具[1]。

传统的二冷控制方法是在试验和经验等基础上，将二冷各段的水量回归成关于拉速的函数，并制定成若干条水表，存放在一级系统的PLC内。当拉速发生变化时，根据当前时刻的速度，查询水表；采用线性插值的方法，为二冷各回路分配水量值。这种方法的优点是函数关系简单，易于实现控制。但对铸坯凝固传热过程并没有给予足够的考虑，工艺参数的确定(如A、B、C等系数)依赖于经验，扩展性和移植性较差；另外，若拉速发生较大的波动，往往会导致回路水量发生突变，导致铸坯的表面温度波动幅度很大，严重地影响铸坯质量，甚至于出现裂纹[1]。

二冷动态控制的方法可以克服传统的基于拉速调节水量方法的不足，尤其可以解决铸坯表面温度波动较大现象。二冷水动态控制的方法有两大类：一类是基于实测铸坯表面温度的动态控制，一类是基于模型的动态控制。由于水蒸气及氧化铁皮等因素的影响，铸坯在冷却过程中的表面温度难以准确检测，因此，根据实测铸坯表面温度来控制二冷水量不太可靠；该方法很难应用和推广。另一类基于模型的动态控制方法则避开直接测量铸坯的表面温度，而改用数学模型来计算，再根据计算出的铸坯表面温度和二冷各回路设定的目标温度来调节冷却水量，该种方法又被称为“表面目标温度法”。显然，这种控制方法的成功与否取决于模型计算结果能否真实地反映铸坯的实际表面温度及其变化规律，以及二冷各回路目标温度的确定[1]。

1 酒钢铸坯质量现状

酒钢方坯一号机由镭目公司进行升级改造，改造以后的拉速由原来的2．4m／min增加到3m／min，最大拉速达到3．2m／min，增加了动态二冷配水控制系统。改造以后，在调试的两个月内，多次出现了漏钢、切漏(火切机切割时，铸坯中心未完全凝固，造成漏钢)现象，同时铸坯的角裂、边裂严重，在这种情况下，镭目公司组织人员对动态二冷配水模型进行了修正，对连铸机配水设备和模型进行跟踪研究和优化，最终使产品质量达标。

2 酒钢方坯一号机质量缺陷原因分析

2．1 铸坯质量缺陷

酒钢方坯一号机铸坯的质量缺陷主要表现为角裂、对角线裂纹、边裂、脱方和弯曲等，尤其是角裂。角裂分两种，一种为无脱方伴生的角部裂纹，一种为有脱方伴生的角部裂纹，这两种裂纹均发生在外弧的角部，也有很少一部分在内外弧均出现角部裂纹。角部裂纹严重时沿铸坯运动方向产生连续的角部凹陷并伴有脱方产生，在断面处有清晰可见的对角线裂纹，严重影响铸坯质量。同时，酒钢方坯一号机铸坯的生产故障有漏钢、切漏(指火焰切割机在切割铸坯时，铸坯中心未完全凝固，钢水流出，造成漏钢)等现象。

2．2 原因分析

2．2．1 裂纹产生理论分析

对于裂纹敏感性钢种，钢液在结晶器内凝固形成一定厚度的坯壳时，发生δ-γ相变，引起坯壳收缩，牵引坯壳向内弯曲脱离结晶器铜壁，形成气隙。此时气隙的形成是不稳定的，由于坯壳的厚度不能支撑钢水的静压力，所以会发生坯壳又向铜管扩张，如此反复，因此气隙就存在一个动态的平衡。随着钢坯的下行，坯壳加厚，气隙就会稳定形成，由于传热减慢，气隙形成区的坯壳表面会出现回热，导致坯壳温度升高，强度降低，在钢水静压力的作用下，坯壳将发生变形，形成皱纹或凹陷。同时凝固速度降低，坯壳减薄，坯壳温度梯度变小，柱状晶发达，会造成局部组织粗化，产生明显的裂纹敏感性[2]。

随着坯壳的冷却，当铸坯下行离开结晶器时，金属将发生δ-γ-α相变。特别是在二冷区铸坯与导向装置和喷淋水交替接触，坯壳温度反复变化，使金相组织发生变化。而在铸坯坯壳固—液两相区的凝固前沿，晶体强度和塑性都很小。当作用于凝固坯壳的外应力使其变形过大时，很容易产生裂纹[3]。

另外铸坯在铸机中从上向下运行时，坯壳不断进行的线收缩、坯壳温度分布不均匀性以及坯壳的鼓肚和夹辊等导向装置的不对中等，使坯壳容易受到机械和热负荷的间隙性的突变，都易使坯壳产生裂纹[3]。

同时在结晶器的角部区域，由于是二维传热，坯壳凝固最快，最早收缩，气隙首先形成，传热减慢，推迟了凝固。随着坯壳的下移，气隙从角部扩展到中心，由于钢水静压力的作用，结晶器内壁中间部位的气隙要比角部小，因此角部坯壳最薄，常常是产生裂纹的敏感部位[4]。

发生纵向角部裂纹，一般是因为二冷冷却不均、二冷回温过大造成的。这时候就要观察是不是有喷嘴堵塞、喷淋架弯曲的现象，测试二冷末端到进拉矫机部位的温差，看是否回温过大。如果回温过大，那就适当增加最后一段的冷却水量[2]。

在振痕处出现横裂纹，最大的可能就是矫直段温度处于脆性敏感区(600～900℃)，解决办法是适当降低整体水量或者只降低最后一段的水量，或者将末端改为气雾喷嘴，降低冷却强度。还有可能是铸坯角部的过度冷却使得局部温度低，促成AlN、TiN、NbC等在晶间析出，降低塑性，铸坯矫直时在振痕等缺陷处产生裂纹[4]。

发生中心裂纹，一般是因为铸坯凝固过程中产生了内应力。内应力包括收缩应力、组织应力和机械应力。收缩应力的产生，主要是由于铸坯内外温度差。这个差值跟钢水的液相线温度和固相线温度差值有关系。差值越大，温差越大，差值越小，温差越小。这个差值较大的产生原因，一个是水冷却太强，铸坯表面温度太低，另一个是成分原因。一般来说，含碳量越高，钢的固液两相区越宽，合金含量越高，钢的固液两相区越高。钢的固液两相区越宽，产生的收缩应力越小。因此，含碳量越高、合金成分越高，钢种越要采用弱冷的配水方式。组织应力的产生，是由于钢水凝固过程中发生相变、各种相的密度不同，所以会产生应力。因此，为了避免过大的组织应力，钢水要降低冷却速度，增加相变反应区间。要采取弱冷的配水方式。组织应力的分布为：当铸坯先凝固的表面发生奥氏体向珠光体(或马氏体)转变时，引起表面层体积增加，而心部的奥氏体未变，将阻碍表面体积的增加，使表面产生压应力，心部产生拉应力，铸坯在二冷区继续冷却，当心部奥氏体向珠光体(或马氏体)转变时，表面层已完成了转变，内部体积的增大使表面产生拉应力，而心部受到压应力。当这两种组织应力不平衡或过于集中时，铸坏的作用易产生角部裂纹[5]。

2．2．2 生产原因分析

酒钢方坯一号机漏钢的原因主要是因为角裂。在结晶器足辊段发生细小的、间断式的裂纹(长10～30mm，宽1～2mm)后，裂纹逐渐向结晶器内延伸，在距离铜管下部300mm处扩大为断续或者连续的裂纹，形成纵裂，造成漏钢。

酒钢方坯一号机生产的铸坯之所以会产生上述质量缺陷，是由于设计二冷动态配水模型时，没有很好地考虑如下因素：其一酒钢地处嘉峪关，土质含有较多的钙离子，很容易堵塞喷嘴，冷却效果不好。普碳钢在拉速为3m／min时，比水量要达到2．5L／kg，一般别的钢厂在浇铸同样的钢种时，比水量一般在1．4L／kg左右。其二酒钢的二冷总管压力太大，导致喷嘴的冷却效果不良。喷嘴一般设计的使用压力在0．5MPa，而酒钢的二冷总管压力达到了1．4MPa，不仅增加了水管的压力，对喷嘴的喷雾形状影响很大。其三，结晶器水量过大导致初生坯壳生长过快，凝固坯壳脱离了结晶器，产生了气隙，导致铸坯的初生坯壳过薄。

最终经过试验对比和分析研究，结合生产实际总体分析，认为影响酒钢铸坯出现角部裂纹缺陷的关键原因还是原有的二冷配水模式在水量设置分配上不尽合理，存在较大的缺陷。为解决酒钢铸坯出现质量缺陷，我们的思路是减少结晶器水量，加大坯壳厚度；增加0段强冷，增加坯壳的生长和收缩；由于酒钢方坯一号机的弧半径只有6m，所以减小Ⅲ段水量，增加回温速度。为此结合生产实际对原有的二冷配水模式分阶段进行了不同程度的优化。

3 动态二冷配水参数优化及应用结果

3．1 二冷参数优化过程

酒钢二冷设备和控制模型，设计的二冷分为0段，Ⅰ段，Ⅱ段，Ⅲ段，全部采用水冷却。

喷嘴型号为：0段分三排，均采用3／8PZ14085QZ5型号，共12个；I段采用3／8PZ5960QZ2型号，共46个；Ⅱ段采用3／8PZ4165QZ4型号，共32个；Ⅲ段采用3／8PZ4165QZ4型号，共28个。

铸机对应的配水模型是由镭目公司自行设计研发的小方坯参数控制模型，即采用Q=K(Aυ2+Bυ+C)的一元二次方程进行配水，确定各冷却段的水量。

Q为喷水流量；K为系数；υ为拉速；A、B、C为各钢种各段对应的常数。

镭目公司在设计时根据酒钢生产实际预先在控制计算机内储存了此模型下的多种控制钢种(HRB335、HRB400、Q235、Q345等)的对应参数模式，浇注时通过入机界面选取对应钢种的控制参数模型，根据拉速自动配置各冷却段回路的水

量(表1)。

3．2 动态二冷配水优化

3．2．1 铸机二冷设备的调整

第一阶段：更改足辊喷嘴型号，将足辊段前两排喷嘴更换成3／8PZ19485QZ5型号，第三排不动。由于酒钢方坯一号机一直存在足辊段漏钢的现象，考虑到二冷水足辊段水量压力很大，因此重新计算水量后，将足辊段前两段喷嘴更换，增加足辊段流量，减小压力。但是效果不是很明显，2．8m／min拉速下依然有切漏的现象发生。

第二阶段：将足辊段三排喷嘴全部换成3／8PZ19485QZ5型号，增加足辊段流量。漏钢现象减轻，但是铸坯质量依然存在较大问题，角裂、边裂很严重。

3．2．2 修改配水参数

由于一直发生凹陷导致的漏钢现象，凹陷是坯壳周期性收缩和与结晶器接触摩擦形成的皱折状缺陷。对于凹陷敏感钢种，在结晶器内，坯壳在冷却过程中，金属将发生δ-γ-α的相变，由于三个相的密度不同，由低到高，所以坯壳会发生收缩，当里面补充的钢水填充不足，坯壳外面的保护渣也没有及时补缩，就会发生凹陷。这种情况下，对配水的调整，就看是不是结晶器的水量过大。当结晶器内水量过大时，坯壳发生相变反应严重，在结晶器上端引起坯壳收缩，当收缩程度超过结晶器锥度时，就会在保护渣与坯壳之间形成一道气隙，气隙的存在会阻止结晶器钢水散热，导致冷却强度下降，坯壳过薄。当钢坯下行到足辊时，由于脱离了结晶器的束缚，矫直力、拉应力会使坯壳产生裂纹，扩展到表面，就会形成漏钢。因此，解决凹陷的途径是减少结晶器水流量。如果角裂发生在结晶器0段、Ⅰ段等处，那可以通过降低结晶器水量、增加足辊水量来解决。

所以将结晶器水量由原来的150t／h减少为130t／h，二冷各段水量系数调整见表2。