江兵¹

（1.麦格瑞（北京）智能科技有限公司  北京  100010）

摘  要：某钢厂一台小方坯的连铸连轧铸机进行高拉速改造，将结晶器长度延长1m，比水量提升至1.9L/Kg，延长二冷区长度，重新对喷嘴进行选型设计，并依据连铸连轧工艺需求，设计了变比水量的二冷水表，实际应用后，铸机平均拉速从2.8m/min提升至3.7m/min，低拉速下铸坯温度也能满足连铸连轧需求。

键词：小方坯；比水量；提速；连铸连轧

1　概述

某钢厂一台R8m五机五流方坯连铸机，主要生产150mm×150mm方坯，主要浇铸钢种为Q235，并采用连铸连轧工艺。为了增加铸机产能，计划对连铸机二冷区进行技术改造，将铸机拉速从平均2.8m/min提升至3.7m/min，最高需达到4m/min；为满足连铸连轧工艺需求，要求铸坯进轧机前温度不低于900℃。

对连铸机二冷区布置、切割设备进行改造，并对二冷水量进行优化设计，使铸机最大拉速达到4m/min。通过现场测温、模拟仿真，对二冷水表进行优化，当拉速大于2.6m/min时，铸坯进拉矫机温度大于900℃。

2　连铸机技术参数

本台连铸机为R8m五机五流方坯连铸机，生产断面为150mm×150mm。铸机的主要技术参数见表1。

表1 连铸机主要技术参数

Table 1 Technical Parameters of Casting Machine

二冷区各冷却区间长度分别为0.47m，1.8m，2.4m和2.4m。

3　设备改造方案

3.1　结晶器改造

根据以往经验，小方坯铸坯出结晶器坯壳厚度需达到10-15mm^[1]，否则容易出现脱方，严重时坯壳在钢水静压力作用下开裂而漏钢。

结晶器内坯壳后一般遵循凝固平方根定律^[2]，即：

                                S—铸坯出结晶器坯壳厚度,mm

                                k—结晶器内凝固系数，一般取20mm/min^0.5

                                t—铸坯在结晶器内停留时间,min

根据凝固平方根定律，在4m/min拉速下，要使出结晶器时的坯壳厚度达到10mm以上，则结晶器有效长度需大于1m。

随着国内小方坯连铸机提速改造的项目逐渐增多，铸坯出结晶器坯壳厚度逐渐减薄，已由之前的10-15mm降低至8mm^[3]，在实际改造工程中，设计拉速处于3.5—4m/min时，选取的结晶器长度为1m，出结晶器坯壳厚度控制在8-10mm。

依据实际工程经验，本项目结晶器铜管长度选定为1m，有效长度为900mm，采用双排足辊，防止铸坯脱方，减少漏钢几率。

3.2　二冷区改造

改造前，本台连铸机二冷区分为4个冷却区：足辊冷却区、二冷一区、二冷二区、二冷三区，全部采用全水冷却，各长度及喷嘴数量见表2。

表2 改造前二冷区长度及喷嘴数量

Table2 Second Cooling Zone Length and Number of Nozzles before Modification

改造前，比水量为1.4L/Kg，各区间二冷水量分配为33%，37%，20%，10%，经常发生偏离角纵裂漏钢。

Q235为亚包晶钢^[4]，凝固时会产生的较大的凝固收缩；如果结晶器腔型和锥度设计不合理，结晶器内铸坯角部凝固收缩，角部坯壳不能与结晶器壁紧密贴合，容易形成气阻，导致角部冷却降低，角部坯壳薄弱；出二冷区后，如果二次冷却不均匀，会形成热应力，角部附近的坯壳在钢水静压力和热应力的作用下开裂，导致漏钢。

由于Q235的特性，部分钢厂在二冷区采用强冷的措施抑制漏钢。本项目也采用强冷，4m/min拉速下最大比水量达到1.9L/Kg。

根据二冷法则^[6]，铸坯回温不应超过200℃/m，否则容易产生裂纹。对于方坯连铸机，铸坯出喷淋区会产生回温，拉速越高，回温越大，因此需要根据拉速相应的延长二冷区长度，控制回温速度。

在4m/min拉速下，用凝固传热模型^[5] 对不同二冷区长度进行凝固仿真模拟，根据凝固仿真模拟结果设计合适的二冷区间长度，凝固仿真模拟结果见图1。

图1　不同冷却长度下铸坯表面温度

Fig 1 The Surface Temperature of Billet with different Cooling Zone Length

依据图1，原铸机二冷区总长度为7.1m，在4m/min拉速下，铸坯出喷淋区后，开始回温，进拉矫机时的表面温度高达1200℃，回温150℃，铸坯回温过高，容易产生中间裂纹和三角区裂纹^[6]；进拉矫机温度过高，铸坯氧化铁皮增多，金属收得率降低，产量下降。

依据铸机结构，增加二冷四区，长度2.4m，并进行模拟仿真计算，结果见图1。依据图1，二冷区延长后，铸机二冷区总长度延长至9.5m，在4m/min拉速下，铸坯进拉矫机时的表面温度高达1150℃，回温100℃，回温得到有效控制。

最终，在铸机原有二冷回路的基础上，增加一个冷却回路和冷却区，并依据新的比水量，对喷嘴重新进行选型，具体结果见表3。

表3 改造后二冷区长度及喷嘴数量

Table3 Second Cooling Zone Length and Number of Nozzles after Modification

4　连铸连轧二冷水优化

4.1　连铸连轧温度控制

根据业主要求，当拉速大于2.6m/min时，进入轧机温度不低于900℃（坯头），根据现场实测，铸坯切割后，从辊道进入轧机所需时间约为2.5min；从结晶器弯月面到切割原点距离为24m，铸坯定尺12m，则不同拉速下，坯头从切割原点到轧机入口所需的时间见表4；铸坯在辊道上辐射散热降温，依据传热模型模拟结果，降温速度一般为20℃/min，由此可以推算出切割原点处要求的铸坯温度如下：

Tsur—切割原点处铸坯表面温度，℃

Vc—浇铸速度，m/min

表4 连铸连轧温度控制

Table 4 The Temperature Controlling of Continue Casting and Continue Rolling

4.2　二冷水表设计

根据表4，拉速越低，铸坯要求的温度反而更高，因此二冷水量的控制应遵循如下原则：

（1） 低拉速时，需要防止铸坯表面温度过低而进不了轧机，因此需要采用弱冷；

（2） 高拉速时，需要防止铸坯表面温度太高而产生漏钢、脱方等现象，因此需要采用强冷。

由于低拉速时采用弱冷、高拉速时采用强冷，常规的固定比水量控制无法实现此目的，因此二冷配水采用变比水量的水表控制方式^[7]，即比水量和各区间分配系数随拉速变化而变化，使切割原点处的铸坯温度高于设定的温度。通过现场调试、测温修正及模拟仿真，最终拉速和比水量、拉速和二冷区分配系数的关系见图2和图3。

图2　拉速和比水量

Fig2 The Casting Speed and Water Flow Rate

图3　拉速和分配系数

Fig 3 The Casting Speed and Distribution Coefficient

通过变比水量的水表设计，实现了低拉速下弱冷、高拉速下强冷的目的，现场实际使用，拉速大于2.6m/min时，轧机入口处铸坯温度大于900℃，平均拉速达到3.7m/min以上，达到了钢厂改造目的。

5　总结

通过模拟仿真分析，确定了本项目的改造方案，将铸机二冷区长度延伸2.4m，并设计了变比水量的二冷水表，在低拉速下，铸坯温度也满足了连铸连轧的要求。

参考文献:

[1]  蔡开科．《连铸结晶器》[M]．北京：冶金工业出版社，2008.

[2]  陈树林．小方坯结晶器传热状况初探［J］．河南冶金，2004（3）

[3]  关文博．小方坯连铸机高拉速生产时间［J］．山西冶金，2019（6）

[4]  乔明．小方坯角裂漏钢的原因分析及控制措施［J］．莱钢科技，2016（3）

[5]  李慧春．连铸坯凝固传热过程的数值模拟[D]．兰州：兰州理工大学，2008

[6]  夏金魁．Q235B连铸板坯内部裂纹控制［J］．连铸，2016（3）

[7]  王建新，孙利斌．方坯连铸机二次冷却的变比水量控制[J]．中国钢铁年会，2013