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方坯连铸高效化的主要指标体现在高拉速浇注、高质量稳定性、高铸机作业率，其中高拉速浇注是高效连铸的核心。上世纪九十年代，我国曾将方坯连铸高效化技术作为“九五”期间国家重点攻关项目，以150×150mm断面为例，其目标是：拉坯速度大于3.0m/min，铸机作业率大于80-85%，铸坯无缺陷率大于90%，该项目使得我国连铸技术取得长足进步，至本世纪初基本实现了这一目标。 近十几年来，我国高效方坯连铸技术进步缓慢，当前，我国普通建筑用钢的连铸拉速基本处于2.8-3.5m/min之间，与国外先进水平之间存在较大的差距。期间，欧洲三大连铸工程公司相继推出方坯铸机高拉速技术，可以将方坯连铸的拉速提高到5.0-6.0m/min以上，并朝着实现方坯无头连铸连轧工艺迈进。 高拉速连铸既可以提高单流连铸产量，减少铸机流数，又可以提高定尺切割后红坯的表面温度，增加红坯潜热的利用。铸机流数的减少不仅节约了一次投资，而且还降低了人力、材料、能源和废弃物等的消耗；连铸红坯表面温度的提高为后续工序的热送热装、直送直轧、无头轧制的实现提供了有力保证。另外，在我国，转炉炼钢生产仍占主导地位，在转炉炼钢节奏高效化、转炉大型化的发展趋势下，与之匹配的单台方坯连铸机流数不能无限增加配置，提高单流产量是唯一路径，而当前水平的方坯连铸越来越难于适应冶炼系统的这些变化，因此，开发高拉速连铸技术，提高单流连铸产能，也是市场的迫切需要。高拉速高效方坯连铸技术的开发与应用符合我国节能减排和高质量发展的工业发展方向和要求，具有良好的经济效益和社会效益。 高拉速高效方坯连铸的主要难点在于：①随着拉速的提高，漏钢、脱方、鼓肚等生产事故发生的几率大大提升；②易于产生铸坯表面夹渣及裂纹、内部质量迅速恶化等。因此，高拉速的实现是一项集工艺技术、装备技术与生产操作技术的综合性技术提升。 1. 总体技术思路：方坯连铸是一个将液态钢水连续铸造成横截面为正方形或矩形固态铸坯的过程，任何影响钢水初始凝壳成型、凝壳顺利脱模、凝壳均匀生长、铸坯完全凝固的因素都可能造成这个过程中各环节的质量问题或失败事故，随着拉速的大幅提高，热交换负荷增加，传输速率增大，各影响因素的敏感度增强。因此，本研究的总体方向在于自中间罐浇注至铸坯定尺切割之间的相关装备性能、冷却形式与速率、传热与脱模方案、坯壳承受的应力、坯壳凝固特性、生产操作稳定性等方面的研究。 2.技术解决方案：开发如下自结晶器至拉矫机之间的核心技术，解决影响高拉速连铸的关键问题。 （1）高效冷却结晶器的开发。满足高热交换量、更加均匀冷却的一次冷却技术，同时保证高热通量下结晶器结构性能的稳定，如使用寿命、密封性能等。 （2）高拉速结晶器振动的开发。满足高温薄壳铸坯的脱模需求，需要更小振动偏摆量、无高频共振现象、抗高频冲击荷载、高频振动参数跟随性准确的结晶器振动装置。 （3）高效二次冷却技术的开发。提供冷却强度大、传热效率更高、表面水量分布更加均匀、冷却梯度更加合理的二次冷却技术，降低凝固热应力、促进坯壳快速均匀生长，获得更加均匀的凝固组织。 （4）高拉速二冷导向系统的开发。防止带液芯铸坯发生鼓肚、跑偏等现象，同时尽量降低坯壳承受的机械夹持应力。 （5）二次冷却非稳态精准控制技术的开发。解决在高拉速连铸的拉速波动、钢水过热度变化等生产条件变化情况下，能及时准确调整各冷却区水量，避免过度冷却，减小表面回温。 （6）高拉速保护渣润滑技术的开发。开发不同融化速度与润滑性能的高拉速保护渣，满足不同钢种、不同拉速水平下，坯壳与铜管间具有良好传热效果和润滑效果，避免粘接。 1、高效冷却结晶器 传统的小方坯连铸结晶器采用水缝冷却，这种冷却模式具有水缝均匀性难于保证、角部二维传热导致坯壳角部过冷等缺陷，限制了拉速的进一步提升，易导致表面裂纹、脱方，甚至漏钢事故。 通过对方坯结晶器冷却传热进行大量的数值模拟和生产实际检测，如通过在铜管上安装热电偶，获取实际生产传热数据，以验证计算模型，指导工艺、设备设计。以此为基础，开发高效冷却结晶器，它具有如下特征： （1）具有更高换热效率、更好铜管-坯壳贴合特性的高效冷却结晶器铜管-“梅花形铜管”，它具有特殊三维立体腔型与锥度。 （2）强制均匀冷却结晶器，取消了水缝冷却模式、增加了铜管冷却面积、增强了角部与面部的冷却均匀性。 （3）新型铜管母材与镀层技术，在保证铜管传导热性能的同时，增强了铜管强度和镀层抗磨性能。 （4）更合适的铜管长度设计。 （5）结晶器铜管热面最高温度降低了近100℃，角部温度与中部温度差由约100℃缩小到5℃左右。 （6）结晶器热面的平均热流密度提高了近10%。 2、高拉速振动装置 结晶器振动装置通过上下往复运动，使结晶器铜管与坯壳之间形成相对运动，避免弯月面处的初生坯壳与铜管内壁发生粘结现象，导致拉坯时坯壳被撕裂而发生漏钢事故。 随着拉速的提高，结晶器振动的振幅和频率均需要增加，从而导致振动的速度与加速度均提升，大大增加了振动的冲击载荷。常规振动具有结构刚性差，耐冲击能力弱、稳定性不足，偏摆量大、仿弧精度不高、振动波形与参数精度不够等问题，而且当振动频率达到180次/分钟以上时，在不同振频点会产生共振，振动频率越高，固有共振点越密集。因此，传统振动结构难于满足高拉速连铸所需的大振幅、超高频率振动的需求。 通过对高频振动装置进行了模态分析和强度计算，对装置的荷载重心、导向连杆支撑等进行了结构优化研究，使荷载重心更靠近支撑导向中心，对驱动形式与驱动能力进行设计分析，开发出了新型高拉速结晶器振动装置，它具有如下特征： （1）整体箱体式结构，荷载重心位于仿弧导向支撑中心，机构刚性好，振动稳定性高、仿弧精度高，固有共振点大幅提高。 （2）全板簧联接导向，无关节磨损造成的运行偏差，偏摆量小，抗冲击载荷强。 （3）液压缸驱动，可提供更大的驱动力，适应高冲击载荷和事故荷载工况，同时还具有动态拟合振动曲线、振幅精度高、使用寿命长等优点。 （4）振动偏摆小于0.10mm。 （5）设计最大振幅10mm，固有共振频率超过350次/分钟，处于高拉速振动所需频率200~300次/分钟之外。 3、高效二次冷却系统 随着连铸拉速的提高，铸坯在单位时间内传出的热量增加，铸坯表面蒸气膜加厚，二次冷却需要更大的冷却强度、更大的打击力和更长的冷却长度，而常规二冷水喷嘴工作压力低、颗粒小，打击力不足以消除蒸汽膜对热交换的阻隔，限制了二次冷却的传热效果。高效二次冷却系统的核心是高压强冷，可以满足方坯连铸6.5m/min拉速工况需求。该系统的主要创新点包括： （1）喷嘴工作压力达到1.0MPa以上，冷却水系统压力达2.5MPa； （2）采用广角矩形喷嘴，喷嘴使用量少、单个喷嘴流量大，覆盖面积广、打击力强； （3）适合高拉速的二次冷却长度和控制回路分区，充分体现表面温度梯度控制规律，控制二冷区之间及进入空冷后表面回温小于50℃； （4）独特的喷淋集管设计，达到冷却水压力损失小，对中精度高，抗变形，易装卸等效果。 4、高拉速二冷支撑导向系统 该系统将结晶器后的铸坯夹持、支撑、导向设备分成若干多段，便于不同区域所需不同功能的实现。靠近结晶器的上部区域主要功能是防止铸坯鼓肚，需对液芯铸坯进行夹持，如足辊区、扇形1段和/或扇形2段；靠近拉矫机的下部区域主要功能是防止铸坯跑偏，需对铸坯两侧及内弧进行导向限制，如扇形2段和/或扇形3段。 由于高拉速连铸很难杜绝漏钢事故，因此，导向系统的开发设计还必须具有在线快速更换、设备维护量小、便于事故处理等特点。 5、其他相关技术 为了实现铸机的高拉速，相关配套技术也是至关重要的，如二冷动态控制系统、结晶器液面检测自动控制技术、高拉速保护渣及其自动加入技术、高拉速电磁搅拌技术、铸坯质量跟踪与判定系统、铸坯表面温度全程控制系统等。 总之，为了实现铸机高拉速下的稳定生产，我们要围绕钢水浇注、铸坯凝固与拉矫过程中的每一个环节下功夫，而不是孤立的依靠其中某一项技术来实现这一目标。 中冶南方连铸公司与阳春新钢铁达成战略合作关系，逐步应用并提升其高拉速高效方坯连铸技术，通过多年的产研合作开发和试验改进，攻克了浇铸工艺理论、高精度连铸装备等多个环节的关键核心技术，实现了方坯连铸拉速4.0m/min、4.5/min、5.0m/min等阶段性目标，阳春新钢铁也达到年产量提高20%及以上的目的。截至目前，方坯高拉速高效连铸技术已成为中冶南方连铸公司的一张全新“名片”，得到了市场的广泛认可，并先后获得德信印尼8流方坯连铸、柳钢防城港3×10流方坯连铸、津西2×8流矩形坯连铸、河钢乐亭3台方坯连铸、东海特钢8流方坯连铸等多台高拉速高效连铸项目合同。 可以预见，不久的将来突破6.0m/min拉速是可期的，并最终实现满足方坯无头连铸连轧目标的市场需求。 信息来源：中冶南方连铸技术工程有限责任公司专稿 |
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