从ECR无头连铸连轧看实现高效连铸的关键

从ECR无头连铸连轧看实现高效连铸的关键ECR无头连铸连轧工艺中的高效连铸技术环境保护、降低生产成本是钢铁生产永恒的主题。10几年来薄板坯连铸连轧、铸坯热送、热装技术使连铸成为最活跃的领域，这些技术的发展与实践大幅度地降低了设备投入及生产成本，提高了产品的竞争力。同板材相比，长材生产在这些方面的进展则没有那么明显。一方面长材生产是以小型钢厂生产为特点，投资少，见效快，众多的生产厂情况各异，技术水平差异很大。这是方坯连铸技术革新及新技术推广落后于板材的主要原因。另一方面，长材产品在钢材的总产量中占有相当的比重，长材生产推广高效连铸、铸坯热送、热装技术以及连铸连轧技术潜力巨大。ECR无头连铸连轧工艺生产实践表明，采用先进合理的连铸工艺及其配套的装备，浇注160x200mm规格的连铸坯，普碳钢浇铸速度最大可以达到6米/分钟，合金钢浇铸速度最大可以达到3.5米/分钟以上。实现了无漏钢连铸。经连铸机生产的连铸坯通过隧道式加热炉直接供给轧机，不间断地直接轧制。ECR无头连铸连轧生产线可极大地缩短从定单到最终产品发货之间的供货周期，最短供货周期可小于4小时，提高了生产的灵活性。与现有的其它生产工艺相比，ECR无头连铸连轧生产线特殊钢生产成本平均降低45-50美元/吨，普通钢生产成本平均降低12-14美元/吨。ECR无头连铸连轧技术1主要工业参数和产品大纲ABS厂的ECR无头连铸连轧生产线设计能力为年产50万吨特钢成品，一台90吨电炉及配套的精炼设备，车间生产能力为90吨/小时。特钢成品为用于机械加工行业、汽车制造工业以及其他特钢应用领域的优质圆钢、方钢、六角钢棒、线材和棒卷。ECR无头连铸连轧生产线生产特钢成品时可以保证在线处理，不经离线再加工就可以生产出符合要求的优质产品。ECR无头连铸连轧生产线同时也可生产普钢。生产普钢的优势是使工厂在非常广的成品规格范围内，具有非常高的生产能力。生产圆钢、螺纹钢筋、线材和棒卷、中小型钢、工字钢和特殊型钢的能力在80万吨/年左右。主要工业参数和产品大纲见下表：生产能力50万吨-90万吨铸坯规格160x200mm（最大200x220mm）钢种碳钢、表面硬化钢、淬火回火钢、低合金钢、轴承钢、弹簧钢、不锈钢成品规格棒材直径20-100mm圆钢、40-100mm方钢棒卷直径15-50mm圆钢2工艺与设备1）高速连铸机经处理的合格钢水进入高速连铸机，连铸机为二流，钢种及浇铸速度如下：钢种浇铸速度（m/min）碳钢6.0表面硬化钢5.5淬火回火钢、弹簧钢5.0低合金钢4.5轴承钢4.0不锈钢3.5根据钢种特性，连铸机可以单流或双流浇铸。单流连铸时，铸坯长度可以从14米到无限长，无需进行铸机和轧机之间的铸坯定尺切割，铸坯通过铸机和轧机间的在线隧道加热炉，实现ECR无头连铸连轧工艺。双流连铸时，两流同时浇铸，正常情况下将铸坯切成45米长的定尺，交替进入隧道炉。ECR无头连铸连轧生产线的生产分无头连铸连轧和半无头连铸连轧两种模式。实际生产中，只有普钢生产实现了无头连铸连轧，既单流连铸，无需进行铸机和轧机之间的铸坯定尺切割，铸坯经隧道式加热炉后直接进入轧机。特钢生产在半无头连铸连轧模式下生产，连铸机两流同时浇铸，隧道加热炉在连铸机和轧机之间起连接和缓冲作用。连铸机和隧道加热炉之间设有淬火水箱，用于含铝、氮的晶粒细化合金钢生产。2）隧道加热炉隧道加热炉的作用是控制材料流量，根据不同钢种的轧制要求，向轧机提供沿铸坯断面方向及长度方向温度分布均匀的铸坯。辊底式隧道加热炉由两段组成。第一段为“双流”加热段，位于铸机下游，接受铸坯。根据钢种及无头半无头生产模式，进行单流或双流操作。当工艺要求连铸机双流生产时，隧道加热炉能够提供足够的铸坯缓冲能力。在炉内，运送机构将铸坯从第二流移到第一流。第一段炉底的辊道为悬臂式，水冷辊。第二段为“单流”均热段，一直连到轧机。均热段的作用是将无头铸坯或半无头铸坯送入轧机。第二段的辊子为双支撑式，单独传动，无水冷。隧道加热炉用装在炉壁上的煤气烧嘴加热。3）轧机ECR无头连铸连轧工艺配有17架最新一代紧凑型无牌坊轧机组成的粗轧、中轧和预精轧机组，以及RSB三辊减径定径机组。实现“自由尺寸”轧制。无需人工干预，全自动的规格改变在5分钟内完成。ECR无头连铸连轧工艺的设计在每个工艺区域，从连铸机到炉子、轧机，都有非常高的灵活性，符合“及时”生产的理念，可以完成小批量定单的生产。ECR无头连铸连轧工艺采用控制轧制技术和在线热处理技术；低温轧制，控制轧制、正火轧制等均能在ECR实现。4）成品精整ECR无头连铸连轧工艺根据特钢生产需要，专门设计了在线检验和精整，这是特殊钢在线连续生产工艺的重要组成部分之一。棒材经机械除鳞和定尺锯切以后，冷精整设施还包括无损探伤，棒材倒棱、标码、码垛和打捆。大棒卷生产和精整线由两台加勒特特卷曲机、大棒卷运输设施、步进梁式控制冷却运输线、大棒卷压紧打包设施和成品收集系统组成。5）自动化与控制ECR无头连铸连轧生产线实现全程生产自动化。这是现代自动控制技术与连铸连轧技术完美结合的结果。计算机过程控制系统通过对工艺过程进行动态仿真，自动生成工艺最佳设定值，保证了从钢水到成品的自动控制。ECR无头连铸连轧生产线的质量保证系统将钢水从连铸机结晶器开始化分成“元素”，对“元素”从初生坯壳到最终成品“终身”跟踪记录，实现全程质量控制，保证了产品质量。ECR无头连铸连轧工艺实现的核心是高效连铸机的工艺革新和先进设计，高效连铸机高效性和设备与铸坯质量的可靠性实现了最高连铸速度和最低可接受的轧机“咬入”速度之间的匹配。1连铸机基本参数ABS厂的ECR无头连铸连轧生产线的高速连铸机基本弧半径为9米，2流。结晶器采用直弧形，上段为直段，下段为半径很大的弧形段。由于高拉速连铸机冶金长度较长，采用多点弯曲、带液心的多点矫直。2中间包技术中间包设计要求达到以下目标。①耐火材料寿命最长。中间包设计成Δ形，可以防止耐火材料从包体脱落。②保温。浇注过程中温降最小。使用中间包预热及保护渣，中间包加热装置，保证了钢水温度。合适的保护渣可以更好地吸收杂质，减少钢水氧化。③多流浇注的安全性。合理设计中间包，保证钢包更换及多流浇注时水口上方不出现湍流。④铸流保护。由于钢水氧化的一半是由于钢包至中间包铸流保护不当造成的，设计采用浸入式长水口保护套管，惰性气体保护。长期监控保护套管，保证套管的有效使用。⑤钢水在中间包内停留的时间最优。大容量中间包对夹杂物的分离上浮有重要影响。ABS厂的ECR连铸机采用30吨中间包，液面高度800-850mm。τ=C/Rτ—钢水在中间包内的平均停留时间，min；C—中间包容量t；R—浇注速度t/min。ABS厂的ECR连铸机中间包钢水在中间包内的平均停留时间τ=5—8.6min。3结晶器技术结晶器技术是实现高速连铸的关键技术。结晶器铜管极其壁厚的设计一方面要保证铜管在使用中避免产生永久变形。永久变形会降低结晶器铜管使用寿命，铸坯产生缺陷。另一方面壁厚要保证良好的传热效果。ECR连铸机为了适应高拉速需要，采用1.2米结晶器。结晶器锥度采用多锥度。结晶器内腔形状设计是将铜管设计成倒锥度，补偿铸坯凝固收缩，减少气隙。结晶器锥度是按照浇注的主要钢种凝固收缩数据设计的。结晶器冷却水缝在结晶器技术中起到了重要作用。高效连铸结晶器水缝中冷却水流速普遍认为应控制在8-12m/s。高水速才能保证铜板温度足够低避免冷却水沸腾。冷却水沸腾，特别是弯月面附近，会影响传热，使铜管壁面温度升高，导致结晶器产生永久变形。铜管壁面温度升高会加剧冷却水中盐份的析出，进一步影响冷却效果。ECR连铸机为保证冷却水缝的均匀，采用了“自对中”形式的设计，水套自动调整，保证冷却水缝的均匀。ECR连铸机结晶器安装了测温热电偶，浇注过程中连续测量结晶器壁的温度，通过测量结晶器壁的温度结合数学模型，对连铸坯实行质量控制，为过程控制提供数据。通过测温热电偶，连铸机漏钢预报系统实时监控坯壳在结晶器内的状态，根据情况自动采取措施，实现了“零漏钢率”。4结晶器液面控制技术ECR连铸机结晶器液面控制采用液压驱动塞棒控制方式，液位检测采用铯源型。塞棒控制由手动、自动两种操作模式，可以自由转换。自动操作模式下，来自液位检测装置的结晶器内钢水液位信号经PLC处理后，传给伺服阀，控制塞棒动作。快速复位功能保证手动、自动两种操作模式平稳切换。自动操作模式下，手动杆完全脱开，保证不受振动干扰。手动操作可以通过杠杆，也可以通过伺服阀上的按扭实现。ECR高速连铸机液面控制的特点是可以通过控制钢水微小流量来保证很高的液位控制精度。塞棒以适当的频率振动，通过振动避免水口区域结瘤，保证钢水流的正常。机构设计使所有的连接件间隙控制在最小，保证设备维修量最低。当出现事故时，即使没有动力的情况下，塞棒自动复位，关闭水口。每个塞棒由液压伺服阀单独控制。正常浇注时，拉速恒定，钢水液面由塞棒控制。在开浇时，钢水液面由塞棒和拉矫装置同时控制。铸机可以手动开浇，也可以自动开浇。自动开浇时，塞棒连续控制水口开、闭。当液位到达一定位置时，拉矫机以预先设定的加速度启动，使拉速达到一设定值。当液位达到液位检测装置工作区时，应避免过快加速。结晶器液位控制系统是由PLC实现的，PLC将实际测量的液位与设定的液位比较，由计算的差值调整塞棒。液位控制系统采用了自适应PID、模糊逻辑相结合的控制算法实现控制。5结晶器振动结晶器振动装置设计的目标是保证铸坯表面质量，减少振痕和裂纹。保证凝固坯壳良好的润滑。振动装置设计中影响铸坯质量的基本参数是负滑脱时间（NST）及结晶器超前量（mouldlead）。负滑脱时间与其它参数关系：NST=Vc——拉速（m/min），f——振动频率（opm），s——行程（m）。负滑脱时间与振痕深度有直接关系，给定的负滑脱时间条件下，结晶器以高频率、小振幅振动时，振痕深度减少。频率随拉速变化的前提是保证负滑脱时间恒定。频率、振幅的确定是以优化的负滑脱时间及拉速基础上确定的。频率、振幅的确定对保证铸坯表面质量至关重要。结晶器超前量（mouldlead）对铸坯的表面质量也是一个重要影响因素。结晶器超前量（mouldlead）定义为结晶器在负滑脱时间内的行程。ML=S·sin(π·F·Tn)-Vc·TnS——总行程（m）,F——振动频率（opm），Vc——拉速（m/min）。ML取值范围３－５.５ｍｍ之间可以使结晶器与坯壳之间的摩擦效果对铸坯表面质量最有利。ML小于３ｍｍ，结晶器与坯壳之间易产生粘钢。ML大于５.５ｍｍ，会导致振痕不规则，振痕深度加深，影响铸坯表面质量。结晶器振动装置采用液压伺服驱动，振动波形、振幅、频率可以在线调整。可以在线实现正弦、非正弦振动。6支撑导向及二次冷却ECR连铸机的特点是扇形段可以自动离开铸流位置，便于例行和非正常检修和维护，不影响车间吊车的正常工作。这种独特的“小车式”系统能够将铸流（包括从结晶器到全部扇形段）拉出一个可横向侧移的小车上，整个扇形段可以自由从铸流底部抽出、穿入。这种完整的操作周期（不含维修）小于10分钟，显著地提高了设备效率及生产能力。二次冷却区分成１１个区域，每个区域由自动控制系统独立控制。这样设计目的是使铸坯通过二冷达到理想的冷却效果，其特点是传热系数从结晶器到二冷末端逐渐减小，使得铸坯机械应力最小。这一原理同样用来确定最佳的二冷长度。冷却强度的分配对液芯长度和铸坯均匀的温度分布是最有效的影响因素。喷淋系统的设计是以凝固和传热数学模型为基础完成的。以设定的理论温度分布曲线为基准，通过计算对喷嘴的布置进行评价。二冷区的优化设计提供了快速、合理的凝固速度，避免产生表面和内部缺陷。这主要是通过以下方法和技术：①喷淋冷却后减少表面温度回升。②通过合理布置喷嘴使中心、角部冷却速度差异最小。独立的二次冷却区各段根据钢种和拉速情况调整水量大小，每段冷却水并非所有钢种都同时开放，每段冷却水是根据工艺情况优化确定的，实现自动配水。7电磁搅拌与铸坯质量ECR无头连铸连轧生产线配置结晶器（Ｍ－ＥＭＳ）、二冷段（Ｓ－ＥＭＳ）、末端（Ｆ－ＥＭＳ）电磁搅拌