鮑規(guī)劃 任兵 王維 蘆寧

摘 要：為提高方坯鑄坯質(zhì)量，分別從工藝、設(shè)備兩方面進(jìn)行闡述，以改造二冷噴淋系統(tǒng)，開發(fā)連鑄坯溫度場(chǎng)分析及鑄坯動(dòng)態(tài)二冷水控制系統(tǒng)為主線， 通過(guò)采取相應(yīng)的工藝與改造措施，整體提升方坯鑄坯產(chǎn)品質(zhì)量，提高新開發(fā)鋼種的質(zhì)量保證能力，實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)焊絲鋼、高強(qiáng)彈簧鋼、合金冷鐓鋼系列全面發(fā)展和增強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力良好態(tài)勢(shì)。

關(guān)鍵詞：方坯；二冷噴淋；二次冷卻動(dòng)態(tài)控制

PRACTICAL APPLICATION OF SECONDARY COOLING AND DYNAMIC CONTROL OF SMALL SQUARE BILLET AEROSOl

Bao Guihua? ? Ren Bing? ? Wang Wei? ? Lu Ning

（Anyang Iron and Steel Co.， Ltd.? ? Anyang? ? 455000，China）

Abstract：In order to improve the quality of billet casting， the paper improves the billet product quality， improves the quality assurance ability of newly developed steel types， developed high strength welding wire steel， high strength spring steel and enhanced competitiveness.

Key words： square billet; secondary cooling spray; dynamic control of secondary cooling

1? ? 研發(fā)改造前存在的問(wèn)題

第一煉軋廠方坯6機(jī)6流連鑄機(jī)運(yùn)行22年，根據(jù)國(guó)內(nèi)經(jīng)驗(yàn)連鑄機(jī)服役時(shí)長(zhǎng)，現(xiàn)在方坯鑄機(jī)基本處于服役中后期。原始設(shè)計(jì)主要為高線提供碳素鋼、合金鋼、碳素冷鐓鋼、混凝土鋼棒等系列鋼種為主。近年隨著整個(gè)安鋼及高線產(chǎn)線的升級(jí)換代，生產(chǎn)的鋼種與原鑄機(jī)設(shè)計(jì)發(fā)生根本性變化，高線產(chǎn)品主要形成合金冷鐓鋼、膠管簾線鋼、彈簧鋼、合金鏈用鋼、焊絲鋼五大系列鋼種為主。其中方坯中高碳系列、彈簧鋼系列成為主要生產(chǎn)鋼種占比逐步提高。

受鑄機(jī)設(shè)計(jì)、鑄機(jī)弧半徑、配水工藝、鑄機(jī)精度等因素影響，連鑄在線工況很難滿足現(xiàn)有高線產(chǎn)品的質(zhì)量要求。從用戶反饋的產(chǎn)品質(zhì)量信息歸類，如中高碳拉拔脆斷、彈簧鋼拉拔斷裂，在裂紋的源頭發(fā)現(xiàn)有馬氏體等變形量小的組織，由鑄坯碳偏析導(dǎo)致軋鋼組織不均勻成為需要解決的根源問(wèn)題。

連鑄原始二冷噴淋冷卻系統(tǒng)，對(duì)連鑄進(jìn)行二冷分段冷卻，主要由積水盤、豎管、噴嘴、連接軟管等組成，隨著使用時(shí)間的延長(zhǎng)，同時(shí)受水壓力的影響，水中雜質(zhì)的侵蝕等原因，豎管的安裝精度得不到保障。水自身重力的影響，噴射出的水不能形成均勻形狀，內(nèi)弧側(cè)水沿著鑄坯形成水流，在下部鑄坯上聚集；外弧由于水流重力作用，直線流入沖渣區(qū)，不能有效起到冷卻作用。觀測(cè)鑄坯的二冷效果，發(fā)現(xiàn)鑄坯冷卻不均勻，個(gè)別地方發(fā)亮，個(gè)別地方顏色較深，這也說(shuō)明鑄坯表面的溫度已經(jīng)發(fā)生梯度差值，如果溫度梯度達(dá)到一定值，鑄坯熱應(yīng)力超出可變塑性范圍，鑄坯表面將形成裂紋。同時(shí)由于冷卻不均勻，坯殼生長(zhǎng)速度不同，鋼質(zhì)中元素選份結(jié)晶導(dǎo)致成分偏析。

2? ? 研發(fā)改造的目的和意義

方坯連鑄生產(chǎn)過(guò)程中，連鑄坯的內(nèi)部質(zhì)量，中心疏松、中心偏析是制約產(chǎn)品升級(jí)及質(zhì)量提高的主要問(wèn)題。特別是在鑄機(jī)長(zhǎng)期服役過(guò)程，直冷水冷卻很難控制二冷段內(nèi)某固定點(diǎn)的鑄坯表面溫度的均勻性。二冷氣霧冷卻及動(dòng)態(tài)二冷配水的實(shí)質(zhì)是解決鑄坯由拉速變化所引起表面溫度的波動(dòng)，用數(shù)學(xué)模型對(duì)鑄坯表面溫度進(jìn)行計(jì)算，并使計(jì)算結(jié)果與設(shè)定溫度相同，從而確定冷卻二冷的水量，提高鑄坯表面冷卻的均勻性。

為了對(duì)鑄坯從結(jié)晶器鋼水彎月面到模型控制區(qū)終點(diǎn)進(jìn)行全程的溫度場(chǎng)實(shí)時(shí)跟蹤，模型首先將鑄坯沿拉坯方向離散化成許多切片。

如圖1所示，將鑄坯從結(jié)晶器彎月面到模型控制區(qū)末端等分為若干個(gè)切片，每個(gè)切片都是獨(dú)立的信息單元，這些信息包括切片的“壽命”、中心溫度、表面溫度、位置等。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，由于實(shí)際拉速、中包鋼水過(guò)熱度、各冷卻區(qū)的實(shí)際水量等因素的變化，因而切片在不同時(shí)刻就具有不同的信息，對(duì)每個(gè)切片建立該切片的凝固傳熱微分方程，通過(guò)每個(gè)切片的“壽命”、位置等信息確定出不同時(shí)刻下該切片的凝固傳熱微分方程邊界條件，對(duì)每個(gè)切片的凝固傳熱微分方程進(jìn)行周期性的求解，就可以動(dòng)態(tài)的描述出每個(gè)切片在不同時(shí)刻、不同位置下的溫度場(chǎng)。由于每個(gè)切片溫度場(chǎng)的變化都可代表該切片所處位置上鑄坯溫度場(chǎng)的變化，因而將所有切片串起來(lái)，就可以動(dòng)態(tài)的描述出整個(gè)鑄流的溫度場(chǎng)分布。

小方坯動(dòng)態(tài)二冷配水根據(jù)實(shí)際澆注條件，依據(jù)目標(biāo)表面溫度控制原理動(dòng)態(tài)地設(shè)定各二冷區(qū)水量，對(duì)鑄坯表面溫度進(jìn)行在線控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)鑄坯溫度場(chǎng)的優(yōu)化。設(shè)定二冷水量計(jì)算是根據(jù)模型計(jì)算的鑄坯表面溫度與目標(biāo)溫度曲線進(jìn)行比較，對(duì)各段的二冷水流量進(jìn)行調(diào)節(jié)配水量，從而盡量減小目標(biāo)溫度與計(jì)算溫度之間的差距，達(dá)到曲線的接近與吻合。

3? ? 改造實(shí)施過(guò)程

連鑄二冷系統(tǒng)決定鑄坯的內(nèi)部質(zhì)量。隨著國(guó)內(nèi)板坯連鑄、大斷面方坯技術(shù)的成熟，如氣霧冷卻系統(tǒng)、動(dòng)態(tài)配水等新技術(shù)開始在小方坯連鑄應(yīng)用。氣霧冷卻優(yōu)勢(shì)主要通過(guò)噴淋的霧化效果，提高冷卻的均勻性和精度。

2019年在第一煉軋廠方坯進(jìn)行氣霧冷卻系統(tǒng)改造：二次冷卻全水冷噴淋改造成氣霧噴淋，增加了二冷壓縮空氣系統(tǒng)，配置管網(wǎng)需要的各類儀表、閥門、管路等。二冷噴淋裝置設(shè)計(jì)：噴嘴重新選型，提高噴嘴流量調(diào)節(jié)范圍，改善鑄坯噴嘴霧化效果和冷卻效率。優(yōu)化噴嘴與連鑄坯表面的距離，保證連鑄坯均勻冷卻。重新設(shè)計(jì)二冷工藝：根據(jù)產(chǎn)品大綱，重新制定二冷水表，滿足了各類鋼種生產(chǎn)需要。二冷動(dòng)態(tài)配水軟件開發(fā)：根據(jù)鋼種的性能要求以及對(duì)裂紋的敏感程度，結(jié)合以往的經(jīng)驗(yàn)和生產(chǎn)實(shí)踐，開發(fā)了連鑄坯溫度場(chǎng)分析及鑄坯動(dòng)態(tài)二冷水控制系統(tǒng)。

3.1? ? 二冷噴淋系統(tǒng)

氣霧二冷系統(tǒng)改造，將原連鑄二冷區(qū)的積水盤、豎管全部拆除；通過(guò)供氣系統(tǒng)、供水系統(tǒng)形成汽水霧化，將二冷段重新分配成足輥段、Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段，將原控制系統(tǒng)分開，形成四個(gè)段分別控制，形成四個(gè)段能夠分別調(diào)節(jié)的能力。

連鑄氣霧冷卻，主要在水冷基礎(chǔ)上增加氣的整個(gè)系統(tǒng)，其中氣源、管路、氣源控制閥門、內(nèi)混式氣霧冷卻噴嘴。一煉軋方坯六個(gè)流分別重新設(shè)計(jì)和安裝管路。

3.2? ? 二冷動(dòng)態(tài)控制軟件

目前連鑄坯二次冷卻廣泛采用靜態(tài)配水模型的參數(shù)控制法，即二冷水量Q=AV2+BV+C形式，在拉速穩(wěn)定時(shí)對(duì)鑄坯能起到較好的冷卻作用，但當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)拉速波動(dòng)較大時(shí)，滿足不了良好鑄坯質(zhì)量的要求。

二次冷卻動(dòng)態(tài)控制技術(shù)相比較靜態(tài)配水模型，動(dòng)態(tài)配水模型更適合于現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)。二冷區(qū)水量動(dòng)態(tài)控制模式有兩種。其中鑄坯表面溫度控制模式是根據(jù)鑄坯的凝固組織及內(nèi)部質(zhì)量設(shè)定鑄坯的表面溫度，采用凝固模型在線計(jì)算二冷各冷卻區(qū)的冷卻水量，通過(guò)PLC傳遞給氣動(dòng)（電動(dòng)）閥的執(zhí)行器，對(duì)鑄坯表面進(jìn)行噴水。

4? ? 研發(fā)改造成效

項(xiàng)目實(shí)施后，通過(guò)重點(diǎn)加入二冷供氣系統(tǒng)，改造全新的氣霧冷卻模式，建立新的二冷分區(qū)控制系統(tǒng)，專業(yè)氣霧冷卻噴嘴，氣霧噴嘴直接地向鑄坯表面?zhèn)鬟f高度霧化、高速度的水滴，水滴很容易地穿透鑄坯表面的蒸汽膜，良好地接觸鑄坯表面進(jìn)行熱傳導(dǎo)，鑄坯快速的散熱獲得超強(qiáng)的冷卻。

供氣、供水系統(tǒng)進(jìn)入噴嘴，在噴嘴內(nèi)形成內(nèi)混式混合模式，在豎管上下兩端進(jìn)行了加固設(shè)計(jì)，在噴淋過(guò)程中減少噴水反作用力對(duì)豎管的影響。在實(shí)際使用效果中可以看出，鑄坯冷卻更加均勻，最好的指標(biāo)就是二冷室內(nèi)氣霧狀況情況，之前水噴淋時(shí)，二冷室基本沒有水霧或是水霧量很?。桓脑旌?，氣霧噴嘴的起霧效果明顯，水霧量很大，在二冷室能見度僅在1 m范圍。

二冷噴嘴的霧化效果明顯，同時(shí)觀察鑄坯表面，沒有之前看到的水流聚集導(dǎo)致鑄坯局部發(fā)黑的問(wèn)題。鑄坯的內(nèi)弧側(cè)、鑄坯的外弧側(cè)表面顏色基本一致，沒有肉眼可觀測(cè)的差別。

4.1? ? 氣霧冷卻鑄坯角部質(zhì)量檢查

根據(jù)國(guó)內(nèi)其他簾線冶煉優(yōu)勢(shì)鋼鐵企業(yè)的冷卻模式，采用較強(qiáng)的二冷模式，通過(guò)鑄坯快速凝固，降低選份結(jié)晶的時(shí)間，減少中心偏析的程度。

通過(guò)氣霧冷卻模式下，試驗(yàn)不同比水量0.7、0.8、0.9和1.0 L/kg情況下，鑄坯表面質(zhì)量，檢驗(yàn)是否存在角部缺陷。

驗(yàn)證生產(chǎn)鋼種，在有效冷卻強(qiáng)度增加的情況下，是否存在熱應(yīng)力裂紋、矯直裂紋，防止有效冷卻強(qiáng)度增加導(dǎo)致矯直溫度低，鑄坯熱塑性降低導(dǎo)致裂紋。鋼種膠管鋼絲C72DA，比水量0.7 ～ 1.0 L/kg，拉速2.1 m/min，過(guò)熱度27 ～ 30 ℃。鑄坯表面質(zhì)量良好，角部沒有裂紋缺陷。

4.2? ? 氣霧冷卻鑄坯內(nèi)部質(zhì)量檢查

在不同比水量的模式下，檢驗(yàn)氣霧冷卻鑄坯的內(nèi)部質(zhì)量，重點(diǎn)檢驗(yàn)在有效冷卻強(qiáng)度增加的基礎(chǔ)上，鑄坯內(nèi)部是否存在內(nèi)部裂紋缺陷，同時(shí)檢驗(yàn)鑄坯中心縮孔情況。

通過(guò)在SWRH72A、C72DA鑄坯，拉速2.1 ～?2.2 m/min，過(guò)熱度25 ～ 30 ℃工藝條件下，取樣低倍橫剖、銑樣、熱酸浸檢驗(yàn)在不同比水量情況下取樣，0.7 L/kg、0.8 L/kg、0.9 L/kg三種不同比水量模式下，橫剖檢驗(yàn)均沒有鑄坯內(nèi)部裂紋。

4.3? ? 方坯二冷氣霧冷卻改造后各項(xiàng)指標(biāo)

4.3.1? ? 內(nèi)部裂紋

4.3.2? ? 鑄坯等軸晶率

4.3.3? ? 中心疏松、中心縮孔

4.3.4? ? 鑄坯中心偏析

通過(guò)安鋼技術(shù)中心提供的檢驗(yàn)數(shù)據(jù)，以碳偏析為檢驗(yàn)指標(biāo)，一煉軋二冷改造投用后偏析共做了11套（每套15個(gè)鉆點(diǎn)），涉及鋼種有65Mn-OB、82B、65鋼和C72DA等4個(gè)高碳鋼。凝固中心或凝固中心附近偏析指數(shù)匯總?cè)缦隆?/p>

從表5中可以看出：11套偏析結(jié)果中，凝固中心或凝固中心附近最大偏析指數(shù)大于1.10的有2塊，占比18%；偏析指數(shù)小于1.10的有9塊，占比81.8%。（以82B等為代表的鋼種中心偏析≥80%試樣為1.1以下）通過(guò)鑄坯檢驗(yàn)，綜合各方檢驗(yàn)數(shù)據(jù)，方坯連鑄機(jī)二冷系統(tǒng)適應(yīng)性改造，冶金效果指標(biāo)達(dá)到預(yù)期要求。

5? ? 結(jié)? ? 語(yǔ)

經(jīng)過(guò)方坯二冷系統(tǒng)改造后，組織開發(fā)簾線膠管用C82DA，之前在SWRH82A試驗(yàn)C82DA使用效果不好，導(dǎo)致在2017年7月之前高線機(jī)組沒有生產(chǎn)簾線膠管用C82DA。由于C82DA鋼碳含量在0.80%～0.83%范圍，屬于過(guò)共析鋼，凝固過(guò)程碳偏析嚴(yán)重，經(jīng)過(guò)方坯二冷氣霧冷卻的改造完成，中高碳鋼中心偏析得到極大的改善，開發(fā)生產(chǎn)的C82DA能夠滿足用戶的使用要求。

根據(jù)公司新開發(fā)C72DA、C82DA等鋼種的生產(chǎn)量及產(chǎn)量提升情況，對(duì)比原冶煉鋼種70號(hào)、80號(hào)鋼種價(jià)格的差值，計(jì)算改造后的直接經(jīng)濟(jì)效益：（14 009.3+8 124.96）×200=442.6萬(wàn)元。

此項(xiàng)目整體提升了方坯鑄坯產(chǎn)品質(zhì)量，隨著鑄坯質(zhì)量的持續(xù)穩(wěn)定提升，穩(wěn)定和拓寬了高線盤條的用戶市場(chǎng)，提高了新開發(fā)鋼種的質(zhì)量保證能力，實(shí)現(xiàn)了高強(qiáng)焊絲鋼、高強(qiáng)彈簧鋼、合金冷鐓鋼系列全面發(fā)展，增強(qiáng)了企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。