提高连铸板坯收得率的工业实践

秦 聪，余作朋，温巨文，郭银涛，吴艳青

（1.河钢集团唐山不锈钢有限责任公司，河北063105；2.河北省镀锡基板技术创新中心，河北063105；3.河钢集团唐山钢铁集团有限责任公司，河北063600）

0 引言

连铸坯收得率是连铸生产工序的一项重要技术经济指标，也是反映连铸生产综合管理和技术水平的一项重要指标。提高铸坯收得率是连铸工序节能降耗、降本增效，实现绿色环保生产的关键环节[1]。为了提高企业效益，需要基于本企业的品种质量要求，研究提高铸坯收得率的措施。

统计显示，2019 年下半年唐山不锈钢公司的铸坯收得率为97.50%，这与其他企业报道的水平差距较大。虽然不同企业的品种和规格不同，会导致铸坯收得率存在差异，但是仅97.50%的铸坯收得率还是明显偏低。影响铸坯收得率的因素是多方面的，本文介绍了不锈钢公司铸坯生产工艺流程，通过对炼钢连铸生产过程钢铁料损耗的调查，分析了造成铸坯收得率低的原因，提出工艺改进措施。

1 铸坯收得率影响分析

1.1 铸坯生产工艺流程

唐山不锈钢公司炼钢厂主要配有100 t 顶底复吹转炉2 座、LF 精炼设备3 套、RH 真空循环脱气精炼炉1 座、（800～1 550）mm×200 mm 直弧型板坯连铸机3 台。

板坯连铸机采用液压振动、动态轻压下、动态配水、质量控制系统等先进设备及技术，年总产生能力300 万吨。板坯连铸主要产品为：汽车高强钢、超低碳深冲钢与高端镀锡基板系列用板坯。铸机基本参数见表1。

表1 单台连铸机的基本参数

1.2 铸坯损耗项目

统计显示，2019 年下半年唐山不锈钢公司的铸坯收得率仅为97.50%，与国内其他企业有较大差距，具体见表2 所示。虽然不同企业的品种和规格不同，铸坯收得率会有所差异，但是97.50%的铸坯收得率还是明显偏低。

表2 不同企业铸坯收得率的比较

影响铸坯收得率的因素较多，通过对连铸生产过程钢铁料损耗的调查，确定了影响铸坯收得率的关键因素，表3 为唐山不锈钢公司2019 年下半年铸坯损耗因素调查情况。由表3 可知，大包剩水、中包大块、切头、切尾、切割损失是可以进行有效控制的。

表3 铸坯损耗因素调查情况（2019 年下半年，铸坯总产量132 万t）

1.3 铸坯损耗原因分析

1.3.1 大包剩余钢水

生产汽车外板钢是不锈钢公司主打产品，由于汽车外板对夹杂物要求较高，为保证铸坯质量，需要进行剩钢水操作，基本每炉剩钢水3～5 t，加上其它普通钢浇铸的钢包剩余，2019 年下半年大包剩钢水6 300 t。

1.3.2 中包大块

因连铸板坯定尺要求为9.5～11.8 m，为达到定尺和匀尺，每个中包铸余大块在7～10 t，2019 年下半年中包铸余6 870 t。

1.3.3 切头、切尾、换包甩废损耗

统计显示，2019 年下半年不锈钢公司使用中包842 个，平均每个中间包的切头、切尾重量为8.31 t，主要是为保证开浇头、尾坯满足质量要求，减少降判。

1.3.4 切割损耗

不锈钢公司连铸现使用的火焰切割枪割嘴有许多弊端，主要是割缝宽（6～8 mm）、割缝不齐、燃气用量大、割嘴易堵塞等问题。统计显示，2019 年下半年铸坯切损量达到0.51～0.68 kg/t，这也是铸坯收得率低的另一重要原因。

2 生产工艺改进措施

2.1 减少大包剩水措施

2.1.1 钢包异形包底

不锈钢公司现有钢包底部为平面结构，增加了大包浇注末期旋涡卷渣的临界高度，在剩钢水量一定时，下渣量较大，下渣量一定时，剩水量多，此平面结构包底既不利于提高钢水收得率，又不利于钢水质量。为此，开发了异形包底堆砌结构，水口座砖附近的包底较冲击区高出50 mm，较非冲击区高出100 mm，有效的减少了钢包剩余钢水。异形包底结构示意图如图1 所示。

图1 异形包底结构示意图

2.1.2 大包下渣检测系统的升级改造

不锈钢公司采用的是振动式下渣检测系统。系统存在以下问题：硬件过于分散，不利于维护；软件界面过于复杂，不利于分析问题；传感器陈旧，预报和漏报率高。为此，对下渣系统检测进行了升级改造。

（1）整合模块，减少现场模块数量，方便界面维护优化，软件界面友好优化；

（2）增加摄像仪，对着长水口和中包液面接触区域进行时时监控，防止出现意外下渣，并与振动报警协同判段；

（3）现场增加显示器，方便现场操作工人获知上包浇钢时间，本包浇钢时间，中包液位控制的状态，传感器振动状态，冲击区域状态，中包覆盖济情况；

（4）传感器升级，提高传感器灵敏度。

下渣检测系统升级后，下渣报警准确率由62.8%提高到了92.5%，既减轻了大包下渣几率，又减少了钢包剩余钢水。

2.2 减少中包大块措施

2.2.1 铸坯定尺优化

通过与轧钢工序技术论证，将铸坯定尺范围由9.5～11.8 m 扩大到8.8～12.1 m，这样增加了匀尺操作的灵活性，中包大块可以控制在6.5～8 t，减少了中包大块重量，提高了连铸坯的收得率。另外，为了降低岗位匀尺计算偏差，使匀尺效果达到最优化，还自主开发了自动匀尺计算模型。

2.2.2 中包寿命提高

对普通中包干式料和定型预制件材质进行提升，使中包寿命由19.5 h 提升到32 h，较普通中间包使用数量减少了至少50%，有效降低了中包大块和头尾甩坯数量。

2.3 头坯、尾坯甩坯优化

2.3.1 非稳态浇注过程的洁净度评价方法

通常造成铸坯表面缺陷的主要因素为钢液氧含量偏高[2]。钢中氧在凝固过程中会形成氧化物夹杂，氧化夹杂物在钢液中不断聚集、长大、上浮，大颗夹杂比小粒径夹杂更容易上浮去除。因此钢中全氧含量既代表了钢中夹杂物数量，又可以作为评价钢洁净度的指标[3，4]。

为了指导优化非稳态铸坯甩坯长度，对头、尾坯不同位置处的非金属夹杂物含量进行了分析。以典型的低碳钢（成分见表4）作为研究对象，选取4个头坯和4 个尾坯，在开浇头坯、停浇尾坯的侧面沿拉坯方向距端头每隔0.5m 取1 个40 mm×40 mm×200 mm 的试样（如图2 所示），分别取5 个试样，共40 个试样。每个试样分别在距板坯上、下表面20 mm 处经车削加工成两种尺寸类型的试样：一个为直径5 mm 的棒状样，采用美国力可ON836 型氧氮分析仪分析全氧、氮含量（T.O、N）；另一个为直径30 mm、高度25 mm 的圆柱样，将试样的圆截面磨抛光亮后，采用ASPEX 夹杂物全自动扫描电镜对夹杂物数量、尺寸进行检测分析，每个试样的检测面积均为100 mm2。另外，采用依斯拉表面检测系统，对甩坯优化方案后的热轧板卷表面质量的控制情况进行评价。

表4 低碳家电板钢水成分 /wt%

图2 取样示意图（图中取样个数仅为示意）

2.3.2 氧氮含量分析结果

图3 所示为头坯不同长度T.O、N 含量，由图3可见，平均T.O 和T.N 含量随着距头部距离增加呈明显下降的趋势，当距头部2.0 m 以后，T.O 和T.N 含量几乎不随距离的增加而变化。图4 所示为尾坯不同长度T.O、N 含量，由图4 可见，平均T.O 和T.N 含量随着距尾部距离增加呈明显下降的趋势，当距尾部1.0 m 后，T.O 和T.N 含量几乎不随距离的增加而变化。

由图3、图4 可见。与正常铸坯相比：头坯的T.N含量有大幅度的提高，而尾坯中的T.N 含量变化不大，这表明连铸开浇过程中钢水的二次氧化比较严重，浇铸末期的保护浇铸水平与稳态浇铸阶段相差不大，钢水的二次氧化比较轻微；头、尾坯中的T.O均有不同程度的上升，造成T.O 升高的原因是渣子的卷入，另外，根据不同浇铸阶段T.N 含量的变化可知，开浇过程中钢水二次氧化严重也是头坯中T.O升高的原因之一[5]。

图3 头坯不同浇注长度T.O、N 含量

图4 尾坯不同浇注长度T.O、N 含量

2.3.3 夹杂物数量分析结果

采用ASPEX 扫描电镜观察试样100 mm2的面积，未发现≥50 μm 的显微夹杂物。头坯不同浇注长度每平方毫米面积上2～50 μm 的显微夹杂物数量如图5 所示，由图5 可见，其显微夹杂物数量随浇注长度增加而减少，头坯0.5 m 时夹杂物数量为17.68 个/mm2，为正常铸坯夹杂物数量的2.40～2.58倍，头坯长度到2.0 m 时，显微夹杂物数量基本与稳态铸坯水平持平[6]。

图5 头坯不同浇注长度夹杂物数量

尾坯不同浇注长度显微夹杂物数量如图6 所示，由图6 可见，其显微夹杂数量随浇注长度增加而增加，尾坯5 m 时夹杂物数量为16.61 个/mm2，为正常铸坯夹杂数量的2.70～2.96 倍。尾坯浇注长度到4.0 m 时，尾坯中的显微夹杂物数量基本与稳态铸坯水平持平。

图6 尾坯不同浇注长度夹杂物数量

2.3.4 甩坯优化措施实施

在头尾坯洁净度分布规律研究的基础上，对头坯、尾坯甩废制度进行优化。深冲钢、冷轧镀锡板等表面质量要求较高钢种，开浇头坯甩废长度由3 m降低为2 m；结构钢等表面要求较低的钢种，开浇头坯甩废长度由3 m 降低为1.5 m；另外，为了降低头坯甩废重量，每个浇次尽量从小断面开始排产。尾坯甩废长度也由1.5～2 m 降低至1 m。

为了保证甩废制度优化后，热卷质量的稳定性，对优化后的头坯和尾坯进行了大量的试轧（试轧量约1 200 吨），用依斯拉表面检测仪检测热轧板卷表面质量合格率为100%，满足质量要求。

2.4 切割缝优化

为降低铸坯切割损失，对连铸机火切机割枪割嘴进行改造，采用节能型割枪割嘴，这种割嘴喷出的火焰束高度集中，切割端面光滑、割缝小，可有效降低铸坯割损，提高铸坯质量，两种割枪割嘴效果对比如表5、图7 所示。

图7 两种割枪切割端面效果对比图

表5 现有与节能割枪割嘴效果对比表

3 经济效益分析

通过上述措施的实施，唐山不锈钢公司2020年1～4 月份的铸坯收得率逐月提高，至2020 年4月铸坯收得率已提高至98.72%，相较2019 年下半年的97.5%，提高了1.22 个百分点（见图8），年创效可达到近2 000 万元。

图8 1～4 月份铸坯收得率对比图

4 结语

本文对唐山不锈钢公司连铸生产过程铸坯收得率低的原因进行了分析和归纳，确定了大包剩余钢水、中包铸余大块，铸坯切头、切尾、换包甩废和切割损耗等方面是影响铸坯收得率的关键环节。

通过钢包采用异形包底、大包下渣检测系统升级改造、铸坯定尺优化、中包寿命提高、头坯和尾坯甩坯优化、切割缝优化等措施，铸坯收得率由2019 年下半年的97.5%提高至98.72%，达到和超过了国内其他企业铸坯收得率的水平，降低了连铸生产制造成本，公司每年可以获得2 000 万元的经济效益。