提高四流圆坯连铸机铸坯质量的改造实践

庞 聪，王学东，彭可雕，冯立军

（1. 成都攀成钢冶金工程技术有限公司，四川 成都 610303；

2. 攀钢集团成都钢钒有限公司，四川 成都 610303）

20 世纪90 年代初，攀钢集团成都钢钒有限公司（简称攀成钢）从美国SMS Concast 公司引进了一台四机四流圆坯连铸机（简称四流机），主要为下游各无缝钢管轧管机组提供不同规格的合格铸坯，其工艺路线为：高炉→80 t 转炉→80 t LF 炉→四流机→无缝钢管轧管机组。该铸机从投产至今已有20 余年，虽然生产一直顺行，但其技术装备水平已落后于国内的主流连铸机水平，易出现铸坯表面裂纹、凹坑和浇铸拉漏等问题，导致铸机作业率及金属收得率低、下游钢管产品竞争力差。因此，为提高铸坯质量，需对该四流机进行技术改造。

1 铸坯质量问题分析

1.1 铸坯质量现状分析

由于铸坯表面裂纹、凹坑等质量缺陷，铸坯的废品量和轧管的退废量过大。2013 年，因上述缺陷产生的废品铸坯约5 350 t、废品钢管约1 700 t。此外，在钢管进入市场后发生的质量异议中，有一部分与铸坯内部质量缺陷有关，对企业影响恶劣。

连铸坯表面裂纹形成于结晶器内，并在二冷区扩展。铸坯表面出现裂纹，轻者需要精整，重者会导致漏钢或铸坯报废，既影响连铸机的生产率，又影响铸坯的质量。铸坯表面裂纹的形成原因较为复杂，但总体来讲，钢的高温力学行为、凝固行为以及铸机设备运行状态是影响裂纹产生的主要因素；而设备运行状态，如结晶器振动、浸入式水口参数、足辊段对弧等，是常被优先考虑的因素［1-3］。

冷却不均匀易引起铸坯表面收缩不均匀，造成铸坯表面粗糙，轻者形成裂纹，重者形成凹坑（呈山谷状的凹陷）［4］。文献［5-7］指出，铸坯表面凹坑的产生主要与结晶器结构、钢水成分、保护渣性能、结晶器振动等有关。

1.2 四流机设备现状分析

该四流机采用的主要技术包括：钢水全程无氧化保护浇铸，采用大容量中间包，高频小振幅结晶器振动技术，结晶器液面在线监测及控制技术，两点弯曲矫直，在线切割试样等。

（1） 结晶器振动装置。

该四流机现有的结晶器振动装置为带偏心轮的四连杆机构，采用电机、减速机驱动，通过偏心轮调节正弦振动的振幅。该结晶器振动装置具有以下特点：①可对结晶器振动从角部位置进行支撑，故振动平稳且无摆动现象；②振动曲线与浇铸弧线同属一个圆心，无任何卡阻现象，不影响铸坯顺利前行［8］。

然而，由于设备陈旧老化及自身结构特点，该装置存在以下问题：①机构复杂，振幅调整不便、耗时长，且随着设备磨损日益严重，振幅调节精度难以保证，铸坯表面易出现裂纹、凹坑等缺陷，严重时会造成漏钢；②不能在生产过程中随拉坯速度变化适时调节振幅，且不能实现非正弦振动；③电耗较大。

（2） 结晶器未配置电磁搅拌装置。

结晶器电磁搅拌可以均匀结晶器内钢水温度并降低过热度，改善凝固条件，促进气体和夹杂物的聚集上浮，从而提高铸坯质量，扩大铸坯等轴晶区，减少铸坯中心偏析、疏松和缩孔等缺陷［9-10］。目前，该四流机未配置结晶器电磁搅拌装置，铸坯质量已不能满足下游轧管生产要求。

由于现有结晶器振动装置机构复杂且陈旧老化，不能实现在线适时调节振幅、调节精度差，铸坯表面易出现凹坑、裂纹等质量缺陷，严重时易出现拉漏现象。此外，由于未配置结晶器电磁搅拌，一方面不能促进保护渣的熔化，改善铸坯润滑，降低拉坯阻力，更重要的是不能改善结晶器内钢液的流场和温度场，易出现中心偏析、疏松和缩孔等质量问题。

2 技术改造方案及实施

2.1 技术改造方案

（1） 采用结晶器电动缸振动技术。

目前，带伺服机构的非正弦振动装置已成为现在连铸设备的主流配置，并在国内的多条连铸生产线上应用。非正弦振动工艺的优势有：①在正滑脱时间里，结晶器向上振动的最大速度与拉坯速度之差减小，从而降低结晶器对坯壳的摩擦阻力，改善铸坯的表面振痕；②在负滑脱时间里，结晶器向下振动的最大速度与拉坯速度之差增大，作用于坯壳上的压力增大，有利于对坯壳的愈合和强制脱模，且负滑脱时间短，可以有效地减轻振痕深度，减小坯壳应力集中，减少拉裂、拉漏现象，提高铸坯表面质量［11-13］。

常见的非正弦振动装置按动力驱动分为电动缸振动和液压振动两种。其中，电动缸振动技术利用目前成熟先进的计算机技术和数字交流伺服控制技术，由计算机系统产生并控制振动波形曲线，以电动缸为动力驱动，直接驱动振动台实现结晶器的全弧振动；具有结构简单紧凑、运行维护成本低、可在线适时调节振动波形曲线，且控制精度高等特点。因此，综合设备性能、投资、工程量及工期等多方面因素，确定选用电动缸振动装置。

采用结晶器电动缸振动技术，可实现不同钢种和拉坯速度条件下选择最佳的振动特性参数，在线适时调节结晶器振动的波形、频率和振幅，以获得合适的正滑脱时间和负滑脱时间，减少坯壳应力集中，减少拉裂、拉漏现象，改善铸坯振痕，从而提高铸坯表面质量，减少铸坯修模量，提高金属收得率和铸机作业率。

（2） 采用结晶器电磁搅拌技术。

结晶器电磁搅拌技术通过定量输入磁场，控制结晶器内钢水流动、传热和凝固，改善结晶器内的钢水流场和温度场，扩大铸坯等轴晶区，减少成分偏析，减轻中心疏松和缩孔，同时促进夹杂物上浮，提高钢液洁净度，从而改善铸坯内部质量。

2.2 技术改造实施

基于上述方案，攀成钢从结晶器振动系统、结晶器总成及新增结晶器电磁搅拌系统等方面对四流机进行改造。

（1） 结晶器振动系统。

结晶器振动装置采用电动缸非正弦振动装置，可以实现正弦振动和非正弦振动两种模式的相互切换，其主要技术参数见表1。

表1 电动缸非正弦振动装置主要技术参数

（2） 结晶器电磁搅拌系统。

结晶器电磁搅拌系统主要技术参数见表2。在电磁力的作用下，使结晶器内钢水产生正向或逆向旋转流动，以控制结晶器内的钢液流场和温度场，从而改善铸坯质量。

表2 结晶器电磁搅拌系统主要技术参数

（3） 结晶器总成。

现有结晶器总成由于未安装电磁搅拌装置，不能同时支撑结晶器振动装置和电磁搅拌装置，因此对结晶器总成（含部分规格的结晶器）进行改造。改造后，结晶器为单锥度弧形铜管，采用高磷铜材质，长度700 mm。

四流机改造前后的主要技术参数对比见表3。

表3 四流机改造前后的主要技术参数对比

3 技术改造实施效果

实践证明：通过改造结晶器振动装置、增设结晶器电磁搅拌装置等技术措施，使铸坯质量得到显著改善。

（1） 铸坯表面裂纹、凹坑等缺陷明显减少。

统计了改造前（2014 年7—8 月）和改造后（2014 年9—10 月）共计1 600 余炉钢水的铸坯质量情况，铸坯表面缺陷统计如图1 所示。从图1 可以看出：出现凹坑的铸坯数量明显减少，出现表面裂纹的铸坯从改造前的3 支（2014 年7 月）降低至改造后的0 支（2014 年10 月）。

（2） 漏钢率明显降低。

由于容易引起漏钢现象的表面缺陷明显减少，使漏钢率由改造前的0.18%降至改造后的0.07%。

（3） 铸坯等轴晶率显著提高。

铸坯中柱状晶比较发达，易导致冷却不均，凝固过程中常发生“搭桥”现象，阻碍凝固收缩后的钢水补充，最终在铸坯中心形成疏松和缩孔。铸坯中等轴晶所占比例（即等轴晶率）可以反映铸坯内部质量情况，等轴晶率越高，柱状晶越不发达，中心疏松、缩孔等内部缺陷越轻。表4 为不同钢种、规格铸坯使用电磁搅拌前后的等轴晶率对比。从表4 可以看出：在同等条件下，相对于未使用电磁搅拌，使用电磁搅拌的铸坯中心等轴晶面积明显增加，铸坯等轴晶率显著提高。

图1 2014 年四流机改造前后铸坯表面缺陷统计（7—8 月改造前，9—10 月改造后）

表4 使用电磁搅拌前后的铸坯等轴晶率对比

4 结论与展望

4.1 结 论

（1） 针对铸坯易出现表面裂纹、凹坑和浇铸易拉漏等问题，通过分析并结合生产实践发现：由于现有结晶器振动装置机构复杂且陈旧老化，不能实现在线适时调节振幅，调节精度差，且未配置结晶器电磁搅拌装置，铸坯表面质量和内部质量较差。

（2） 采用电动缸振动、结晶器电磁搅拌等技术，可改善铸坯表面和内部质量。

（3） 改造后，铸坯表面裂纹、凹坑的数量明显减少，漏钢率明显降低，铸坯中心等轴晶率显著提高，验证了技术改造措施的正确性。

4.2 展 望

本次技术改造新增设了电磁搅拌装置，通过控制结晶器内钢液的流场和温度场达到了改善铸坯内部质量和表面质量的目的。然而，由于Φ350 mm结晶器断面最大，且700 mm 的长度仍较短，其上部的钢液流动过强，易出现钢液翻渣现象。建议开展以下两方面的专题研究，以优化出合理的电磁搅拌参数：

（1） 对设有结晶器电磁搅拌的钢液流场和温度场进行数理模拟，找出电流、频率对Φ350 mm 结晶器内钢液流场和温度场的影响规律，并优化出合理的电流和频率。

（2） 根据电磁搅拌装置生产厂家已有经验数据进行工业试验研究，优化出适应于生产的电流和频率。

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