039-0402-张家泉张元等-厚板坯连铸过程铸轧技术开发研究.doc

连铸设备会议-重型机械增刊投稿厚板坯连铸过程铸轧技术开发研究吕健1，高红玉1，张敏科1，李嵩1，苑成河1，张元1，常运合2，张家泉2（中冶东方包头北雷连铸工程技术有限公司，青岛，266555；北京科技大学冶金与生态工程学院，北京 100083)摘要: 比较了轻压下与铸轧机大压下工艺的特点，详细描述了厚板坯连铸过程铸轧机大压下生产装备和控制工艺。以铸坯温度场实时跟踪计算为基础，建立了铸轧机大压下控制模型。铸轧机大压下工艺通过对铸坯凝固末端芯部的焊合与机械大变形，可有效提高连铸坯的内部质量，并实现在线连续对连铸坯进行变厚度规格轧制。关键词: 铸轧机 厚板坯 大压下 内部质量Development of Cast-rolling for Thick Slab Continuous CastingAbstract: The processes of soft reduction and large reduction process were briefly compared in the paper. Production equipment and process of cast-rolling for thick slabs were described in detail. Based on the real-time track of slab temperature field calculation, the control model of cast-rolling with large reduction was established. Through the larger reduction operation upon the final crater end, the internal quality of continuous casting thick slab is expected to be improved together with slab thickness control.Key words: cast-rolling machine, thick slab, large reduction, internal quality引言近年来，连铸过程中的凝固末端压下技术发展越来越成熟。20世纪80年代日本新日铁公司尝试在常规连铸坯凝固末端处实施压下率约为0.60.8mm/m的压下，即板坯静态轻压下1,2，20世纪九十年代奥钢联率先将其发展成为常规板坯远程动态收缩辊缝控制技术，即动态轻压下技术。此外，连铸与在线轧制耦合，在铸机上通过铸轧机对铸坯进行大压下加工也一直受到关注3-5。连铸轻压下和铸轧机大压下都属于凝固末端机械压下。热机械变形不仅可以控制中心偏析和疏松，较大的轧制变形还具有调节铸机出坯厚度的作用。现行应用于板坯的液芯轻压下技术是在连铸机的后部各冷却段采用连续压下的方法实现凝固末端液芯的压下。动态轻压下对实际生产工况适应性强，但是确定与实施合理的轻压下工艺参数有一定难度。其对设备和控制技术要求高,每个扇形段辊缝都需要准确的位置控制。应用铸轧机完成液芯压下较易实现，工艺控制过程简单，但应在连铸机冷却段对连铸坯进行合理冷却，使得进入铸轧机的连铸坯具有合适的坯壳厚度和边部温度6,7。铸轧工艺是在铸坯内部尚有相当数量未开始凝固钢液时便对铸坯施加较大的压下变形,其主要目的是减少轧制前铸坯的厚度，以缩短流程、提高钢厂的生产效率。为了保证压下效果，必须配备合适的过程控制模型。本文介绍一种利用铸轧机对厚板坯连铸液芯大压下的工艺方法8，铸坯厚度为250 340 mm，最终产品尺寸为160 250 mm，该铸轧机大压下工艺压下量最大为90 mm。其中，基于连铸过程铸坯热状态跟踪，实现浇铸过程大压下的动态控制。1铸轧控制设备与工艺如图1所示，钢水浇注入结晶器后，经过连铸机的扇形段、水平段，通过调节连铸机拉速和二冷段的冷却强度来调整连铸坯的凝固速度，以保证连铸坯在进入液芯大压下轧机时有按照大压下工艺要求的液芯长度和铸坯温度场。带液芯连铸坯在经过液芯大压下轧机单道次大压下量轧制到目标厚度后，完全凝固；并且轧制时，连铸坯在机前摆动辊道和轧机之间采用秒流量相等原则，使得连铸坯轧制时处于三向压应力状态，从而显著提高连铸坯质量。液芯大压下轧机还能在线连续对连铸坯进行变厚度规格轧制。1.中间包；2.结晶器；3.冷却段；4.冷却段；5.冷却段；6.高压水除鳞装置；7.铸轧机组图1液芯大压下工艺及铸轧机位置Fig.1 Liquid core large reduction and position of cast-rolling machine1.1液芯大压下控制设备（1）轧机轧机牌坊采用闭口机架，上辊液压压下，液压缸安装在机架和上辊轴承座之间，上辊行程由压下液压缸控制，每个油缸上安装有一个位移传感器和一个高压压力传感器，它们将为AGC计算机系统提供单缸的辊缝和油液压力反馈信号。轧机以下辊上表面为基准，下辊调整最大辊径和最小辊径的变化量，采用在换辊时，更换垫板厚度。垫板装在下辊轴承座下面。轧辊长期处于超低速大压下高温条件下工作，产生龟裂现象是不可避免的。设计采用轧辊内通冷却水，外面喷雾同时冷却轧辊。为提高轧辊使用寿命采用堆焊结构，堆焊厚度30mm可以车削35次。轧辊采用四列圆锥滚动轴承，油气润滑，油气润滑可以达到润滑、降温和密封作用。为防止辐射热影响轴承温度，在轴承座内侧开槽通冷却水。为了实现快速换辊，在每个下辊轴承座安装两个升降顶杆，顶杆上端安装顶头，换辊时顶头可以插入上辊轴承座孔内，支撑上辊重量。 顶杆下部装车轮，车轮坐在机架内升降轨道上，下辊轴承座可以顺顶杆上下滑动，在轧钢时顶杆下部及顶头与轴承座不接触，换辊时，升降轨道由液压缸传动升起，将顶杆抬起同时下辊轴承座也抬起，上辊轴承座下降到顶头上，这位置即为换辊位置。升降轨道与操作侧轨道衔接，换辊装置液压缸将上下轧辊一起拉出线外。上辊平衡采用液压平衡，活塞杆通过平衡梁，拉杆，平衡钩钩住上轴承座，平衡上辊重量。上下轧辊轴向固定采用液压锁紧。液压锁紧装置安装在操作侧牌坊上。当需换辊时锁紧板打开，换辊装置液压缸将上下轧辊拉出，新辊由液压缸推进牌坊内，轴向锁紧缸带动锁紧板至关闭位置。操作侧的上下辊轴承座凸缘部分装有球形垫，使轧辊轴承自位，提高轴承寿命。接轴抱紧装置安装在传动侧牌当换辊时，接轴抱紧装置托住万坊上，向接轴头部。上下轧辊拉出时万向接轴头部不会低头，上下轧辊推进时能准确进入万向接轴头部。（2）侧边平整机侧边平整机用来平整经轧机轧出来的铸坯两侧鼓肚。侧边平整机由机架、2个立辊、4个锁紧缸、2个调辊缝液压缸等组成。用4个锁紧缸将平整机固定在轧机出口侧牌坊上。2个调辊缝液压缸驱动两个立辊在立辊机架内滑动，每个油缸上安装有一个位移传感器和一个高压压力传感器，它们将为AGC计算机系统提供单缸的辊缝和油液压力反馈信号。机架采用焊接结构，内通冷却水。立辊为自由辊，立辊内装四列圆锥滚子轴承，集中干油润滑。 （3）轧辊应用液芯大压下轧机对连铸坯进行铸轧的过程中，轧辊是最重要的生产工具，其质量和寿命直接关系到铸坯质量和生产率。由于带液芯轧制的工作环境差，连铸坯厚度为250 mm340 mm，受拉坯速度限制最大轧辊线速度为1.09 m/min，连铸坯表面温度高达1100，轧制力约为1200 t。如此的高温、低速、大轧制力工作条件，使得对轧辊的要求大大升高。在保证连续生产的同时，要尽量降低轧辊耗损。而轧辊工作时表面和近表面处于复杂的受力、受热状态，伴生着机械疲劳和热疲劳。轧辊失效主要有剥落、断裂、裂纹等形式。铸轧机轧辊的失效以裂纹为主。轧辊裂纹是由于多次温度周期性循环产生的热应力所造成的逐渐破裂，是发生于轧辊表面薄层的一种微表面层现象。1.2液芯大压下控制工艺（1）连铸机开浇阶段在连铸坯到达轧机前，轧机开口度摆至能使引锭杆通过高度，机前摆动辊道在抬升液压缸的作用下，绕着支点向上摆动，脱离固定支撑座，直至机前摆动辊道辊面与轧机的下辊辊面在同一平面停止。此时，引锭杆便顺利通过轧机，进入与轧机下辊辊面标高相同机后夹送辊道，至此完成引锭杆喂入轧机工序。在连铸坯引锭杆段顺利通过轧机后一定距离后，当机前高温计反馈的连铸坯表面温度达到预设定的允许轧制温度（如1000）时，轧机的上辊开始以设定压下速度带载压下，并实时反馈辊缝和轧制力，并判断轧制力是否超限，在轧制力未超限的前提下，直至压下到目标厚度，之后进入稳定轧制阶段。如果在未压到目标厚度时，检测轧制力提前到达安全上限，则停止压下并自动报警，由工厂调度系统重新设定新的合理目标厚度替换当前目标厚度进行轧制。在此过程中，机前摆动辊道在抬升液压缸的作用下，绕着支点按照上辊压下速度同步向下摆动至计算的设定位置。机后摆动辊道在抬升液压缸的作用下，绕着支点上下摆动，其抬升液压缸采用恒压力控制。（2）连铸机稳定浇铸阶段稳定轧制阶段锁定目标厚度轧制，同时实时检测轧制力是否超限，直至完成该规格连铸坯产品轧制。轧制过程中，一旦检测轧制力超限，压下液压缸立即快卸以保证轧机设备安全。经过一段调整时间后（调整时间为该连铸坯产品定尺长度运行时间的倍数，以保证该段未进行大压下的连铸坯可按照厚规格产品进行定尺切割），便可按照前述流程重新开始压下。在线变厚度规格调整。处于稳定轧制阶段时，通过工厂调度系统向轧机发出变厚度轧制指令后，轧机过程机计算当前产品厚度与待轧产品厚度差，通过调整压下液压缸行程对轧机辊缝进行动态设定，直至位移传感器检测辊缝已达新的设定厚度，进入稳定轧制，此时轧机出口处为新厚度连铸坯产品。在此过程中，机前摆动辊道也需按照前述方法同步摆动，以保证连铸坯对称进入轧机。整个轧制过程中，机后摆动辊道均采用恒压力控制。（3）连铸机出尾坯阶段连铸机进入出尾坯阶段，铸轧机轧辊辊缝设定值跟随前扇形段出口辊缝值，轧制结束。图2铸轧控制曲线示意图Fig.2 Cast-rolling control curve diagram如图2所示， 为该工艺的轧制控制曲线。某一规格常规连铸坯产品轧制过程分为引锭杆通过阶段（A）、头部低温连铸坯通过阶段（B）、带载压下阶段（C）、稳定轧制阶段（D）和出尾坯（E）五个阶段。在连铸机发出出坯信号后，轧机辊缝（1）摆至连铸坯入口厚度（5）加10毫米位置，待引锭杆（6）和头部低温连铸坯段（7）通过轧机后，进入带载压下阶段（C）。此时，上辊按照设定带载压下速度沿着带载压下曲线（8）下压，在轧制力（2）未超限前提下，直至压到目标厚度（4），此后进入稳定轧制阶段（D）。若在带载压下阶段（C），轧制力（2）在辊缝（1）未达到目标厚度（4）时提前达到设定上限值时，为了保证轧机设备安全，便开始以此时辊缝值为新的目标厚度锁定辊缝，进入稳定轧制阶段（D）。在稳定轧制阶段（D），轧机按照锁定辊缝进行连续稳态轧制，直至接到下一次动态调整辊缝信号。稳定轧制阶段（D），若是轧制力（2）超限，轧机压下液压缸便开始快泄。调整一段时间后，重新进入带载压下阶段（C）和稳定轧制阶段（D）。稳定轧制阶段（D）若是得到变厚度轧制信号，轧机过程机计算当前辊缝（1）与待轧产品厚度差，通过调整压下液压缸行程对轧机辊缝（1）进行动态设定，直至位移传感器检测辊缝已达新的目标辊缝后，完成动态调整辊缝过程，重新进入新产品的稳定轧制阶段（D）。连铸机进入出尾坯阶段（E），铸轧机轧辊辊缝设定值跟随前扇形段出口辊缝值，轧制结束。在液芯大压下轧机后布置一架非传动式全液压的侧边平整机，用于对连铸坯侧边鼓肚现象的修正。2铸轧大压下控制模型2.1铸坯温度场跟踪模型如图3所示，模型将铸坯从结晶器弯月面到控制区末端划分为若干个切片，切片厚度为100mm，每个切片都是独立的信息单元，这些信息包括切片的“寿命”、中心温度、表面温度与凝固末端位置。图3 模型切片的划分示意图Fig.3 Schematics of slices generation for the control model在实际生产过程中，由于拉速、中包钢水过热度、各冷却区的水量等因素在实时变化，切片在不同时刻就具有不同的信息。通过动态跟踪每个切片在不同时刻下的“寿命”、位置等信息，确定出每个切片在不同时刻下的凝固传热微分方程边界条件，对每个切片的凝固传热微分方程进行周期性的求解，就可以动态的描述出每个切片在不同时刻、不同位置下的温度场。由于每个切片温度场的变化都可代表该切片所处位置上铸坯温度场的变化，因而将所有切片串起来，就可以动态地描述出整个铸流的温度场分布。2.2铸轧机大压下控制模型图4铸轧机大压下控制模型的结构简图Fig.4 Structure diagram of the process control model for cast-rolling铸机液芯大压下控制模型在动态热跟踪模型对铸坯凝固终点进行实时跟踪计算与动态二冷控制模型对铸坯进行合理控制铸坯温度场的基础上，通过对铸坯芯部进行焊合，来有效提高连铸坯的内在及表面质量，增加产品规格。如图4所示，铸轧机液芯大压下控制模型包括铸轧机液芯大压下工艺参数模块、铸轧机辊缝在线计算模块、轻压下辊缝数据交互模块、热跟踪模型数据输入模块和大压下结果处理模块等五个模块。铸轧机工艺参数模块主要为辊缝在线计算模块提供铸坯目标厚度，并进行轧制力反馈判断。3结语对新开发投产的板坯连铸过程铸轧设备与过程控制技术进行了描述。其中，控制连铸机冷却段冷却强度和拉速，有效控制连铸坯的温度场，使得进入铸轧机的连铸坯具有合适的坯壳厚度和边部温度，可实现其冶金长度的合理控制。此外，经铸轧机完成对连铸坯的液芯压下、焊合与机械变形，将有望显著提