精细化——连铸技术装备发展方向

1、    精细化连铸技术装备发展方向         1 概述2008年，全世界粗钢产量13.27亿t，连铸机的生产能力约11.6亿t，其中连铸板坯占53%，小方坯占27%，异型坯占11%，大方坯（含异型坯）占3.7%，薄板坯连铸机47台，占5%，带钢连铸机2台，占0.1%。到2009年，我国钢铁企业拥有各种连铸机918台、3034流。若按照连铸比99%计算，连铸坯的产量为5.62亿t。近几年，我国连铸技术装备发展已取得令人瞩目的成绩，连铸技术装备的发展也促进了炼铁、炼钢设备大

2、型化和现代化，推动了中国钢铁工业的整体技术进步。连铸技术装备的发展同整个钢铁行业的发展密切相关。今后，传统连铸技术装备将向高效、优质、低成本方向发展，近终形连铸技术将继续研发并推广应用。扩大连铸钢品种，提高连铸坯质量，提升自动化控制水平，强化连铸机专业化分工，加强设备维护，研发高精度、高水平连铸生产过程数学模型及应用软件，提高连铸工厂综合管理水平，积极采用连铸新技术、新成果，继续推进热送热装工艺，塑造企业自主品牌的良好形象，加速技术改造，提高竞争能力将成为缩小与国外连铸工厂综合差距的重要内容。这里所要强调的是，由于炼钢、连铸产能过剩，连铸技术装备规模发展的空间已受压缩。进一步发展必须走向深入，

3、优化技术装备，而精细化的产品研发既是优化的重点，又是今后长期的发展方向。以下主要从连铸总体设计、设备设计与制造、连铸生产运转三个方面分别说明目前连铸技术不断优化、精细化发展的情况。2 连铸总体设计的精细化总体设计是连铸机设计的第一步，很多问题都要在总体设计中先行解决，例如生产流程、总体技术配置、设备配置等。辊列设计是总体设计的核心。常规的辊列设计要考虑的因素很多。包括浇注钢种，炼钢炉容量，钢水精炼条件，炉机匹配，浇注断面，产量，拉速，连铸机机长，连铸机机型，连铸机主半径，结晶器长度，直弧形连铸机直线段长度，结晶器足辊的配置，零号段的侧面支撑，弯曲矫直形式，铸坯两相界应变指标，电磁搅拌位置，轻压

4、下方式（动、静态），辊子直径与辊距，辊身长度，辊子分节形式与分节数量，辊子刚度与强度，辊子轴承的型式与负荷，辊子排列规律，扇形段结构及更换方式，扇形段上抽时辊子与喷嘴的间隙等。进一步的考虑因素还有：扇形段夹紧液压缸和压下液压缸布置方式，各液压缸缸径与行程，引锭杆尺寸及装入方式，压引锭、压铸坯、重拉坯及扇形段夹紧液压缸压力的设定，扇形段传动装置的布置，驱动力设计、电机功率的平衡，滞坯及事故处理的方式等。为了设计顺行、不返工，辊列设计还要同时考虑钢种类型的划分，二冷水的配置，二冷区域的喷嘴选用与布置，切割周期与切割区域长度等因素。如果将辊列的设计向更加深入、更加精细化考虑，还应将理论与实践相结合，

5、认真总结生产现场经验，应特别重视以下问题。2.1 考虑周期性结晶器液面波动消除结晶器液面波动对稳定连铸机生产和提高铸坯质量非常重要，连续铸钢时，要求将结晶器内的钢液面在距上口70mm-110mm区域里，波动幅度控制在±3mm范围内。只有这样，才能做到：（1）在初生坯壳表面形成均匀的渣膜，创造良好的润滑条件，防止粘结和漏钢；（2）在结晶器内形成稳定的钢水流场和铸造条件，避免卷渣、表面皱褶及由此引发的凹坑、横裂纹，保证铸坯表面质量。所谓结晶器液面周期性波动就是指波动幅度超过了±5mm，甚至在±10mm-±20mm的范围内周期性变化。国内外都对液面周期性波动做

6、了大量研究，已经发现，波动周期与连铸机的辊间距成正比，与拉坯速度成反比，则有公式 式中，T为波动周期，s；I为辊间距，mm；v为拉坯速度，m/min。经过长期观察、实际测试、收集生产数据，人们发现，结晶器液面波动的原因之一是由铸坯液腔周期性变化引起的。而铸坯液腔周期性变化是当二冷区扇形段辊子布置为等间距或近似等间距时铸坯内部钢水静压力产生的鼓肚造成的。也有观点认为，鼓肚造成的周期性波动又是由于辊距间鼓肚最高处与两个辊子间的距离不对称引起的。当然，不能把结晶器液面周期性波动的原因全部归因于等辊距设计的辊列上。因为结晶器液面波动还和以下因素有关：钢水成分，特别是碳含量，如包晶钢；湍动的铸

7、流引起钢液流速、流场的变化，与浸入式水口形状、浸入深度、使用状态（结瘤、孔径不规则等）及塞棒等控流装置控制精度有关；结晶器冷却强度；靠近结晶器区域的几个二冷区，冷却水过大或过小；浇注速度波动引起湍流并使得保护渣不均匀下滑；夹辊对铸坯的压力引起未凝固的钢液流动；钢水中的气体含量、钢水温度；结晶器液面检控系统的稳定性和检控精度；反复无常的动态轻压下。就是说，引起结晶器液面周期性波动的因素很多，各种因素或部分因素处于最佳状态时就能够避免液面波动。辊子排列的因素在辊列设计时可以在初始时就进行优化。国内某钢厂引进国外A公司的板坯连铸机，进行改造后避免了结晶器液面周期性波动。改造前，扇形段1有6对自由辊，

8、扇形段2有5对自由辊，1对驱动辊，整个弧形区6个扇形段的辊径全部为230mm，辊距全部为277mm。改造后的1、2扇形段每个段有6对自由辊，1对驱动辊，自由辊辊径190mm，驱动辊辊径230mm，辊距变为229mm、249.5mm、262mm三种，262mm是两个扇形段之间的辊距。生产实践证明，改造后的不等辊距扇形段（辊列）有效地消除了周期性液面波动，用户非常满意。攀钢经改造后的2号板坯连铸机已经平稳运行了4个多月，无论浇注什么钢种均未出现过结晶器液面大幅波动的情况。2.2 避开危险区域铸造速度1998年，新日铁草野等人发表了一篇题为“连铸坯中心裂纹的发生机理”。该文章介绍了新日铁大分厂4号板

9、坯连铸机追求高生产率，将拉速提高一定程度后，板坯出现了A、B两种类型的中心线裂纹，如图1所示。A型中心线裂纹发生的比例最高，是B型中心线裂纹的10-15倍。 用电子显微镜和超声波方法对中心线裂纹的形态进行分析，并针对连铸机参数、浇钢条件和矫直区设置的1mm辊子错位量试验，得出了以下几点结论：（1）中间罐钢水过热度10-40，对中心线裂纹的发生率没有影响。（2）二冷水比水量取0.8L/kg和1.4L/kg，中心线裂纹的发生率也没有什么差别。（3）中心线裂纹的产生周期与从矫直点起的水平辊子圆周长相一致，这一现象被认为是凝固前端附近严重的辊子错位（人为设定了1mm错位量）所造成的。因此，对

10、连铸机矫直区域、水平区域的辊子弧线进行严格管理，也可以在一定程度上避免中心线裂纹。如果辊子严重错位（1.0mm时），可计算其危险铸造速度区域，并通过调整拉速，避开危险铸造速度区域。（4）中心线裂纹的产生是在凝固前端附近处被封堵的钢液在凝固时产生的缩孔引起的，通过凝固收缩率计算，钢液被封堵时的厚度约为6mm。（5）矫直区内，钢液厚度0-6mm时，所对应的拉速是“危险区域铸造速度”。通过研究中心线裂纹形态和尺寸，又根据所浇钢种的凝固收缩率及其他测量方法，草野等人总结出了封堵钢液厚度的计算公式dc=2d1·l·w/（·lc·wc） （2）式中，dc为封堵钢液的

11、厚度，mm；d1为中心线裂纹的平均厚度，mm；l为中心线裂纹的平均长度，mm；w为中心线裂纹的平均宽度，mm；为凝固收缩率，mm；lc为中心线裂纹的缺陷周期，mm；wc为封堵钢液的宽度，mm。此公式表明，在新日铁大分厂4号板坯连铸机具体条件下，试验并计算得出的封堵钢液的厚度是6mm。需要指出的是，每台连铸机的具体条件和所浇钢种的凝固收缩率略有不同，封堵钢液的厚度会有差异。能够推测；除有些特殊钢（如某些不锈钢）外，大部分钢种不会有太大差异。因此，不妨把6mm的封堵钢液厚度作为设计辊列的参考依据。以上结论表明，在辊列设计时应该注意到：（1）根据钢种、供钢周期、铸坯断面等条件确定连铸机拉速的合理范围

12、，以优化辊列。（2）必须考虑最终矫直点之前的连铸机外弧线长度，如果太长，将可能难以避免矫直区域0-6mm钢液厚度所对应的“危险区域铸造速度”。（3）由于连铸机矫直点之前的外弧线长度与主半径有关，则确定主半径也和“危险区域铸造速度”有直接联系。过去很多厂商设计辊列时，对连铸机主半径的考虑有：一是，按照铸坯厚度乘一个系数，此系数是计算铸坯变形率公式简化后的一个经验值；二是，参考已有连铸机主半径；三是，用弯矫区两相界综合应变对辊列和主半径进行校核。精细化的辊列设计，在确定主半径时，必须考虑“危险区域铸造速度”，亦即保证最终一个矫直点处的液芯厚度能够避开0-6mm液芯区域。当然，完全凝固的铸坯可以避开

13、0-6mm区域，但全凝固矫直对连铸机的损伤太大，如果把辊径变大，又不符合连铸机细辊密布、优化设计的原则，因为辊径、辊距变大又增加了鼓肚，恶化了板坯内部质量。（4）在矫直区域，对连铸板坯实施轻压下须慎重。综上所述，可以得出结论：在矫直区域，铸坯液芯能够避开某个厚度区域（例如0-6mm区域）是避开危险区域铸造速度的设计准则。特别是宽厚板连铸机和特厚板坯连铸机，计算最小拉速时必须考虑这一因素。国外B公司设计的400mm×2400mm板坯连铸机主半径为11m，就可认为考虑了危险区域铸造速度这一准则。当然，避开危险区域铸造速度的设计准则是避免连铸板坯中心线裂纹的重要手段之一，而产生板坯中心线裂

14、纹的原因很多，并非一个，例如中心偏析和疏松严重时，最终凝固区域设备刚性差或辊缝设定不合理时，都会在连铸板坯中引发中心线裂纹。2.3 优化最终矫直点前的连铸机外弧线长度最终矫直点之前的连铸机外弧线长度由垂直段、圆弧段和矫直段三部分组成，需要对每一个区域的长度进行优化，分析如下。（1）垂直段长度长，夹渣上浮充分；垂直段长度短，有利于控制拉速，不但使最终一个矫直点处的液芯厚度能够大于6mm，而且使得设备高度变低，节省设备造价和厂房造价。（2）圆弧段长度长，铸坯弯矫直应变小；圆弧段长度短，有利于控制拉速，特别是圆弧段长度短，连铸机主半径就可以变小，不但使最终一个矫直点处的液芯厚度能够大于6mm，同样可

15、使设备高度变低，节省设备造价和厂房造价。（3）矫直区域长，矫直应变小；矫直区域短，有利于控制拉速。因此，从考虑周期性结晶器液面波动、避开危险区域铸造速度、优化最终矫直点之前的连铸机外弧线长度可以看出，辊列设计是一个系统工程。考虑的因素很多，精细化设计实际上就是辊列优化设计的过程。3 连铸设备设计与制造的精细化3.1 扇形段辊子结构连铸机上支撑诱导铸坯的辊子有驱动辊和自由辊之分，驱动辊数量较少，一般为辊子总量的1/6-1/8，大多采用芯轴式结构，由于剖分轴承价格昂贵，采用剖分轴承的整体式驱动辊很少。目前连铸机上采用的自由辊有芯轴式分段辊和全断开分段辊两种类型。芯轴式分段辊是指整根辊子有一个“通轴

16、”，外边安装了若干个辊套，“通轴”可通水冷却，在一定条件下也可不通水。芯轴式分段辊有四种类型，如国内某钢厂板坯连铸机采用插入式电磁搅拌器时，又配套采用直径190mm的六节分段辊，每一个辊套采用了两个调心轴承，两个调心轴承中间有支座支撑，该结构的优点是轴承受力较好。国内钢厂很多板坯连铸机直径150mm以下的辊子所采用分段辊型式是芯轴式。该结构的优点也是轴承受力较好，但滚针轴承调心性差，容易憋劲不转，进而磨损。国内引进国外设备比较多，无论自由辊和驱动辊，大部分连铸机辊子为芯轴式结构。全断开分段辊是指整根辊子被全部断开，没有芯轴和辊套之分，全断开的辊子通水冷却时，两节辊子之间用带唇式密封的套管连接。

17、以下对芯轴式分段辊和全断开分段辊进行比较。分析芯轴式辊子轴承的受力表明，对于芯轴式二分段辊，中间轴承的受力是边部轴承的3.33倍；对于芯轴式三分段辊，中间轴承的受力是边部轴承的2.75倍。当然因铸坯支撑的均匀性要求，前后辊子轴承的布置既要错开，而辊子又要互换，则实际辊子的分段尺寸是不等分的，可以优化调节，对于三分段辊，可以把中间的一段辊套缩短，使中间轴承受力比等分时略小一些。即使如此，中间轴承的受力还是要比边部轴承受力高出一倍以上。因此对于全断开分段辊，每一段都有两个轴承支撑，则中间轴承受力尽管比边部轴承大，但相对芯轴式分段辊，中间轴承的受力就要小多了。其次，再分析芯轴式辊子辊套和芯轴装配情况

18、。由于辊套和芯轴装配困难，将辊套中间部位内孔加工成比芯轴直径大2mm的孔；如果不加大，挤压装配时，因加工精度，芯轴和辊套不同心，会挤出一根长长的、冒着黑烟的铁屑；要不然，就要将辊套加热装配。理论和实践表明，对于二分段辊子，尽量不要采用芯轴式结构。当辊子分节数目大于等于三节时，全断开式辊子具有较高的综合优越性，因此不推荐使用芯轴式辊子结构。表2对两种类型的辊子从各个方面进行了详细比较。 3.2 连铸辊子受力以整体辊为例说明辊子受力情况，对整体辊而言，以往都看作简支梁，用均布载荷计算。当考虑鼓肚力、轻压下力和矫直力三者时，一般按照图2（a）计算；只考虑鼓肚力时，可简化为图2（b）所示型式

19、。 同内某连铸工厂误操作后，连铸机实际拉速高于机长规定的最高拉速，浇注出的铸坯发生鼓肚，使铸坏报废，鼓肚后冷却的铸坏如图3所示。山图可见，凝固的坯壳对因钢水静压力而产生的鼓肚力有着很大的约束力。当整体辊只考虑鼓肚力时，假设凝固坯壳对鼓肚力没有约束，鼓肚力产生的均布载荷是一个常数，凝固坯壳对鼓肚力有约束时，鼓肚力作用于辊子单位长度上的载荷是一个变量。此时，可以把连铸机整体辊子的受力状态设想成图4所示的状况。 图4所示的均布载荷曲线是一条抛物线还是一条别的什么曲线需要研究，但支撑液芯铸坯时，辊子中间受力最大是不争的事实。 3.3 轴承安全系数连铸机的轴承使用环境主要是

20、高温、低速和负荷的变化。对于高温，设备结构设计的主要对策是对轴承进行强制通水冷却，低速和负荷的变化则要在设计计算时准确把握。统计数据表明，日前使用的常规厚度板坯连铸机和中薄板坯连铸机，辊子直径为95-300mm，线速度3m/min，辊子和轴承的转速在3.2r/min-10.0r/min之间。按照机械工程设计规范，当轴承转速n10.0r/min时，应根据额定静负荷选择轴承尺寸。对于连铸机辊子轴承的安全系数，一直没有统一的规定或公认的指标。国外C公司设计连铸机时，在自己的设计计算体系中规定的安全系数fs为 式中，C0是1990年以前ISO的老标准，对于滚子轴承，新的ISO标准大约是老标准

21、的1.5-1.9倍。国外D公司在设计连铸机时，在自己的设计计算体系中规定的安全系数fs1=2.5，也是针对1990年以前老的ISO标准规定的C0值。对于连铸辊子用轴承，如果按照新的C0值，亦即目前轴承样本和设计手册中的C0值，fs1应该在3-5之间，fs2应该在1.5-2之间。这里特别要强调的细节就是，新C0和老C0值的概念，不能单纯参考安全系数的大小，应注意有些厂商所给安全系数的时间点，这是精细化设计的重要细节之一。3.4 设备制造质量需要提高和稳定改革开放以来，随着加工制造条件的改善和人员素质的提高，国内装备制造业技术水平和生产能力大幅度提升，国际竞争力显著增强，但是设备制造质量不稳定仍然

22、是制造业发展的核心问题。在重型机械领域，连续铸钢设备的特点是焊接结构件相对较多，单件设备重量并不很大，设备中水路多，一台单体设备的零件较多，设备制造、安装、测量有较高精度要求。因此，连铸设备的制造还应从以下几个方面做起。（1）树立精品观念，把“精品产品”的目标落实到实践中。（2）以战略眼光牢固树立“质量决定生存”的意识。（3）坚持自主创新，掌握自主创新的新工具、新方法，提高自主创新产品的比例。（4）在竞争激烈的市场经济中，即使设备制造价格偏低，周期过短，也要克服急于求成，省略某些工艺环节，盲目追求低成本的错误思想。（5）加强对各类员工的技术培训和综合素质培训，提倡为企业献身的精神。（6）技术人

23、员要下力气吃透设备性能，正确编制制造工艺。（7）严格按照设计图纸和加工工艺要求办事，克服随意性，制造过程中有问题及时和设计者沟通。（8）建立必要的试验、测试条件。设备出厂时，坚持各种试验与综合性能测试，严格按照设计图纸和出厂验收大纲，把好制造过程最后一关。（9）提高管理者综合素质，建立企业各种管理制度，明确岗位职责，严格管理程序，使企业管理走向精细化、现代化。随着经济全球化进程的加快，我国已经成为世界上第二制造大国，但要成为制造强国，还有很长的路要走。如果不充分重视产品质量的提高与稳定，必将成为制造业今后发展的瓶颈。4 连铸生产运转的精细化4.1 连铸机运转模式精细化连铸技术的发展，自动化控制

24、水平的提高，很多新技术、新成果的应用，使得连铸机的运转模式进一步细化。细化的内容如下：细化冶金功能，细化生产操作环节，细化设备维修与生产管理。细化的目的是：各环节责任和义务更加明确，自动化控制走向精细化，连铸机的总体水平更加直观化、人性化，生产过程更加明了、更加可靠，从而减少连铸机的故障率。表3是连铸机运转模式精细化后的比较，把过去连铸机的运转模式由5个细化后变为13个，每个运转模式的定义更加准确；衔接更加科学。 4.2 连铸监控系统精细化连铸监控系统精细化不仅表现在细节上，而且也表现在大的系统上。从细节上考虑，比如监控结晶器进出水温差变成监控结晶器平均热流；比如利用结晶器振动的驱动

25、系统通过检测空负荷及热负载状态时驱动力变化而检测结晶器摩擦力；又比如利用结晶器漏钢预报系统检测到的温度又变成温度云图（热成像）等等。从系统上讲，连铸机本体的监控系统只有一次冷却系统、二次冷却系统、漏钢预报系统。近几年来，在结晶器漏钢预报系统的基础上又出现了“结晶器专家系统”、“连铸坯质量控制集成技术”的提法，简述如下。（1）漏钢预报系统；（2）热成像系统；（3）平均热流监控系统；（4）锥度及调宽监控系统；（5）摩擦力监控系统；（6）液面检控系统；（7）振动参数监控系统。（1）结晶器传热与铸坏凝固可视化技术：温度云图（热成像）、热流分布云图、连铸坯各截面温度分布云图、铸坯凝固坯壳厚度分布云图（2）结晶器漏钢预报系统；（3）结晶器内铸坯坯壳厚度与表面纵裂纹预测；（4）保护渣热态润滑检测和评价技术；（5）连铸动态二冷控制系统；（6）连铸动态轻压下控制系统。目前，“结晶器专家系统”和“连铸坯质量控制集成技术”两大系统还是一个比较松散的系统。即每一个系统所包含的项目在一定程度上还没有必然的逻