异型坯铸机的设备特点和连铸生产的关键技术

周晓晴，高仲

(中冶连铸技术工程股份有限公司，北京100028)

摘 要：近些年，中冶连铸与西门子—奥钢联合作设计了多台异型坯铸机，积累了丰富的异型坯铸机设计、制造和异型坯连铸生产经验。本文总结出了异型坯铸机的设备特点和异型坯连铸生产的关键工艺技术。

关 键 词：异型坯铸机；设备；工艺技术；中冶连铸

1 前言

H型钢是一种经济型断面钢材，具有广阔的市场应用前景。与钢筋混凝土建筑结构相比，因其自重轻、结构稳定、增加结构有效使用面积、工程施工速度快和环保等特点，已经被广泛应用于高层建筑工程、桥梁工程、电力及通讯行业各种大型高架塔等。在国内，马钢和莱钢于1998年就全套引进了国外异型坯铸机。自2004年起，中冶连铸与西门子—奥钢联合作设计了多台异型坯铸机，如津西、山西介休等异型坯铸机，在异型坯铸机设计方面积累了丰富的经验。本文重点介绍异型坯铸机较普通铸机的设备特点和异型坯连铸生产关键工艺技术。

2 典型工艺流程和铸机情况

图1和表1分别为某异型坯铸机的典型工艺流程和铸机主要参数[1]。

3 异型坯铸机设备特点

异型坯铸机与普通板坯铸机的设备形式基本相同，可见图1。主要是异型坯铸机在二冷区多一个吹水装置。结晶器形状、结晶器振动、二冷区导向段和拉矫机等略有不同。至于钢包回转台、中间包、辊道等与普通铸机设计要点相同。

3．1 结晶器

结晶器是连铸机的心脏，它的设计(包括结构、选材和锥度)合理与否直接关系铸坯的质量好坏，尤其是表面质量。异型坯的结晶器较板坯的4块铜板结构复杂一些，它通常由2块带弧形铜板和2块不带弧形的铜板组成，如图3所示。结晶器内、外弧铜板采用拟合抛物线锥度，以适应异型坯的收缩，使铸坯在结晶器内形成最佳的坯壳厚度并达到最佳的冷却。铜板材质为Cu—Ag合金，表面镀0．08～0．1mm厚的Cr层，铜管长0．8m。

异型坯的结晶器主要功能包括：1)在热坯壳的初始形成期间，提供所需的热坯断面形状和一次冷却。一次冷却水沿着铜板内侧流过，有效地完成热传递。2)将结晶器放置在振动台上，利用对中销进行对中预调。3)对中机构用来进行设备的最终对中。通过在结晶器上插入对中装置，即可使结晶器与扇形Ⅰ段所附的项辊自动地精确对中。

异型坯的结晶器主要设计特点：1)设备不需对准调整。2)模块设计，便于简单快速更换结晶器。3)漏钢时结晶器拆除简便。4)温度分配均匀，因此热坯壳形成也均匀，防止漏钢的安全系数最大。5)铜板和后续辊子之间的过渡段自动对准。6)当结晶器被置于振动台上时一次冷却水自动连接。7)铜板易于再加工和重新装配。

3．2 结晶器振动

结晶器液压振动采用全板簧液压驱动，每流有2个振动单元。一其振幅为0～±6mm、频率0～300cpm、具备正弦和非正弦两种振动曲线，且非正弦系数调节范围为0．3～0．7。通过在线调整液压振动参数可优化结晶器振动负滑脱时间和负滑脱率，以控制铸坯表面振痕和保护渣消耗量，从而提高铸坯表面质量，防止铸坯与铜板粘结。

该装置主要特点：

振动参数可在线调节，如：行程、频率、负滑脱率、非正弦系数：

缸体与振动台刚性相连接，因此大大降低系统的弹性变形；

将振动装置安装并固定在振动装置支撑梁上，冷却水自动接通；

振动动作使用伺服比例阀；

耐磨板簧导向系统；

振动装置拆卸时间短；

更换和维护工作方便。

3．3 铸坯导向段

与板坯连铸机扇形段相比，异型坯铸机导向段的支撑更为复杂。异型坯在铸机上、中和下部的布置各不相同，如图4所示。通常如下：在铸机上部，由于铸坯四周坯壳较薄，需对腹板两面，翼缘两端面和侧面都配置夹辊；在铸机中部，由于翼缘两端面已凝固而不需要夹辊，故只在腹板两侧和翼缘侧面配置夹辊，有的位置甚至翼缘侧面也不配置夹辊；在铸机下部，翼缘和腹板都己完全凝固，为了将铸坯引导出铸机只在翼缘一侧配置导向辊。

 

 

 

另外，铸坯支撑段的长度确定，即需要保证铸坯的质量，同时又要考虑成本。若支撑不足会导致铸坯鼓肚或者铸坯中心线裂纹。通过计算确定了铸坯的支撑长度为9m(从弯月面至扇形Ⅱ段腹板的最后一对辊子)，共使用了3个扇形段。

扇形段特点如下：

采用了预装配、预对中和容易更换的足辊；足辊安装在扇形段Ⅰ上，便于扇形段Ⅰ对中和维护；

扇形段的支承座在安装时就已精确定位，因此扇形段的互换性好，就位方便；

扇形段放置后即可自动导通喷淋水、设备冷却水和用于气雾冷却的空气；

扇形Ⅰ、Ⅱ段所有辊子和轴承采用外部喷水冷却，扇形Ⅲ段所有辊子采用内部冷却；

部件更换简便快速，由于采用了模块式夹坯辊，检修方便；

刚性平衡设计，

所有滚柱轴承均为标准件，以便更换。

3．4 二冷区吹水装置

由于异型坯的腰部呈凹槽状，喷淋的雾化水分未蒸发完全的部分，会沿铸坯腰部的内弧面下流，造成铸坯表面局部过冷，恶化铸坯表面质量。为此在二冷区内弧侧安装喷吹排水装置，保持铸坯各表面的均匀冷却。同时也保证火焰切割的安全。二冷区吹水装置是普通铸机上没有的，而对于异型坯铸机则是必不可少的设备。

3．5 矫直机

为有效降低铸坯在矫直时表面及两相区的矫直应变和应力，铸机采用连续矫直技术，有效降低在矫直区产生的矫直变形。采用框架式机架，带有固定下辊和可调上辊。共4架夹送辊机架，每个机架有2个辊子，上辊为驱动辊，下辊为自由辊。其上辊的升降通过液压缸实现。并在外弧另增加了3个支撑辊。有整体的隔热防护。

3．6 其他设备

引锭杆设备。由于异型坯的结晶器内壁曲线复杂，若采用以往的结晶器密封技术，不但操作麻烦，而且密封性也不能保证。异型坯引锭杆设备采用预制填充系统，引锭头与钢水不接触：结晶器内部自动密封，方便而又安全；在更换浇铸断面时可以快速地更换引锭头和过渡段。

自动火焰切割机采用双割嘴。由于异型坯的厚度明显较板坯厚，为保证顺利切割铸坯定尺，采用了双切割枪的形式(铸坯两侧各一个)，最大切割厚度可达440mm。并且铸坯定尺由测量辊上的编码器测量，未采用激光定尺测量方法。

4 异型坯连铸生产关键技术

由于异型坯断面较板坯和方坯其表面积大，散热条件好。在二冷区内就能完全凝固，冶金长度短，所以为全凝同矫直。矫直时的许用应变[ε]较大，对矫直有利。但是异型坯断面形状复杂，断面上各点的散热条件差别很大，断面上各点温差大，易于产生裂纹缺陷[2]。还有，由于异型坯结晶器形状的特殊型，结晶器内流场相对于板坯较难控制。同样浇注条件下，异型坯铸坯上夹杂较板坯多[3]。为控制裂纹和夹杂缺陷，需做好以下关键技术。

4．1 保护浇注和优化钢水流场

1)保护浇铸系统。

钢包和中包之间采用长水口(半自动操作机械手安装)保护浇铸、中包和结晶器之间采用浸入式水口(半截式)保护浇铸等装置，将钢流与空气隔离。并且在钢包下水口与长水口连接处采用氩封，中包内采用覆盖剂渣，以及结晶器采用保护渣等措施，防止钢水二次氧化和吸气。

2)优化中包结构参数。

通过优化中包形状、中包容量、钢水深度、钢水停留时间、挡渣墙、挡渣堰等参数，增强中包内钢水温度均匀性，增加夹杂物上浮比率；设置中包钢水称重系统，减小钢水液面波动、实现尾坯优化定尺切割；中包设可更换的水口调整板，中包水口数量和位置可根据异型坯断面要求调整。

3)优化结晶器浸入式水口参数。

对结晶器浸入式水口参数进行优化，包括水口结构、插入深度等，解决由于异型坯容易产生的结晶器内钢水流动、坯壳冲刷、卷渣等问题。

4)设置结晶器液面自动控制系统。

采用辐射式的结晶器液位自动检测及控制技术(拉速控制)，减小钢水液面波动，适应较高拉坯速度，提高铸坯质量。在液面控制系统投入使用期间，结晶器钢液面控制精度稳定在±1．5mm之内。

4．2 二冷控制

根据铸坯导向段中提到的异型坯凝固特点，为实现二冷区均匀冷却，减小铸坯冷却收缩应力产生的不均匀性。为此H型钢二冷段冷却有如下特点[4]：

1)二冷区内弧增加吹水装置。由于异型坯的腰部呈凹槽状，易导致内弧积水，引起铸坯表面局部过冷，恶化铸坯表面质量；二冷区内弧增加吹水装置，以保持铸坯各表面的均匀冷却。

2)采用三段五回路自动调节，即足辊区一个调节回路，二冷一段、二冷二段各有两个调节回路。足辊区采用纯水冷却，其余各区均采用气水二次冷却，铸坯表面温度均匀，控制目标准确。各回路均由专门的动态二冷配水模型控制。该模型主要以铸坯断面、钢种、钢水过热度等为前提条件，以预先设定的表面温度为目标，根据拉速确定水量、气量大小及分布。

3)采用“弱冷控制”(根据不同断面和拉速)，其比水量范围为0．4～0．65L／kg。

4．3 铸坯质量跟踪与判定系统

采用铸坯质量跟踪与判定系统，对生产过程的异常参数给予在线实时提醒。通过及时调整异常过程参数，以保证铸坯质量。该系统的及时在线预报铸坯质量等级，为确保生产连续性，提高产品质量及降低生产成本是有重要意义。

5 结语

中冶连铸与西门子—奥钢联合作设计的多台异型坯铸机，并提供具体的设备，如津西、山西介休异型坯铸机。它们的顺利投产，标志着中冶连铸异型坯铸机的设计和制造已经达到国际先进水平。

参 考 文 献：

[1]   异型坯铸机技术附件，公司内部资料．

[2]   娄娟娟．连铸异型坯凝固过程的数值模拟研究．硕士论文，北京科技大学，2005．

[3]   栾文林，王硕明．津西钢铁公司H型钢大型夹杂物特性．河北理工大学学报，2009，vol．31(1)：15—20．

[4]   崔永康，裴恒敏，崔忠林．长钢H型钢连铸生产实践．连铸．2008(4)：12—14．