济钢板坯连铸高效生产技术的开发与实践 - 文章

济钢板坯连铸高效生产技术的开发与实践

作者：陈常义李作鑫牛宏波刘广马兴云

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摘要：通过对现有装备和工艺技术能力进行系统分析，济钢第一炼钢厂实施了全程保护浇注系统工艺优化、长寿命中间包技术、板坯结晶器表面镀层技术优化、铸坯在线诊断模型的建立、结晶器液面自动控制技术等，初步实现了高效化生产。
关键词：高效连铸；保护浇注；长寿中间包；表面镀层；在线诊断模型

1 前言

高效连铸工艺技术主要以保证铸坯质量为前提，以高拉速、高作业率为基本手段来实现高质量、低成本。实现铸机的高效生产不仅需要科学管理，更重要的是持续不断的技术创新，采用优质耐材和先进工艺、设备技术，以不断提高铸机工艺技术装备水平。

济南钢铁集团总公司第一炼钢厂（简称济钢第一炼钢厂）现有25t转炉3座，配套连铸机5台，其中四机四流120mm×120mm方坯连铸机1台，R6m150mm×850mm板坯连铸机2台，R6.5/12m180mm×1050mm板坯连铸机1台，200mm×1250mm超低头板坯连铸机1台。针对实际生产中存在的薄弱环节，济钢第一炼钢厂进行了系统优化改造，进一步发挥了板坯铸机的潜能，提高了质量，降低了成本。

2 高效改造技术方案

2.1 全程保护浇注系统的工艺优化

2.1.1 钢包加盖及纳米保温技术济钢第一炼钢厂受老厂房限制，铸机钢包浇注时均无加盖保温措施，包口热损耗大。据统计钢包包口处钢水温降高达81℃/h，虽然采用了炭化稻壳及覆盖剂，但仍有30%左右的热能损失，造成浇铸后期温降大，钢水流动性差，拉速不稳，操作波动大，影响浇铸质量。并且由于包口热损失大，钢包渣面容易结壳。为了解决这些问题，决定钢包包盖内衬选择轻质耐火材料、纤维毡或纯铝酸钙水泥组成的浇注料，重约400～500kg/m3，采用天车吊挂更换；钢包的保温层采用热屏蔽绝热板代替原来的轻质砖。采用钢包加盖工艺及纳米保温工艺技术降低钢包温降，到站温度降低5～10℃，稳定了中包温度；同时避免了钢包渣面结壳，有利于覆盖剂吸收上浮的夹杂物和包口渣的清除。

2.1.2 钢包长水口氩封大包到中间包钢水裸露在空气中，高温钢水在浇注过程中被空气二次氧化，产生吸气，增加钢中[N]、[H]、[O]，产生的氧化物夹杂易污染钢液，造成铸坯内部夹杂级别增高。另外，钢水飞溅容易造成烫伤、烧伤。根据现场实际分别设计了不同的大包到中间包的保护浇铸装置，采用保护套管并辅之以吹氩密封保护，使用效果较好。

2.1.3 浸入式水口氩环气封中间包与结晶器之间采用下部套装更换浸入式水口的同时，用氩环进行吹氩密封，防止水口间因接触不实而吸气。

2.1.4 长寿命水口的开发研制过去济钢第一炼钢厂使用的普通铝碳水口寿命短，主要原因是渣线、分流孔侵蚀过快导致损坏，平均寿命只有3.5炉，水口更换次数多，不仅吨钢成本高，而且造成铸坯夹杂物增多。为此，对不同铸机浸入式水口的渣线部位进行了复合，改进整体材质。复合材料选用耐高温、抗渣侵蚀、热稳定性好的ZrO2，渣线部位ZrO2含量达79.32%，常温耐压强度也由原来的24.60MPa提高到27.20MPa。水口使用寿命由原来的平均3.5炉提高到8炉后，针对试验存在的问题继续优化改进，目前水口平均寿命已超过10炉，最高达到了22炉。由于水口寿命延长，大大降低了钢铁料消耗，同时拉速得以稳定，也起到了净化钢质和减轻劳动强度的作用，对产量的提高有一定的作用。

2.2 长寿命中间包技术

济钢第一炼钢厂中间包内衬原砌筑绝热板，1999年在3#、4#板上试用涂抹料，中间包寿命由12～13炉提高到22～26炉。但板坯中间包平均寿命提高到30多炉后，由于中间包功能耐材损坏侵蚀严重，限制了中包寿命的进一步提高，成为制约中包寿命提高的“瓶颈”。

2.2.1 优化中间包砌筑工艺，提高冲击区抗冲刷能力扩大中间包冲击区的宽度，根据铸机的作业区间，选用不同的改进方式：

（1）3#板实施了扩容方案，冲击区两侧各扩宽了200mm，总宽度增加400mm。
（2）4#板永久层由平砌改为立砌，两侧各扩宽了50mm，总宽度增加100mm。
（3）针对4#板坯中间包窄，在大包钢流冲击区三面贴Mg-Cr质壁板，壁板尺寸：

侧面壁板：500mm×800mm×30mm
窄面壁板：550mm×750mm×30mm
壁板材质：Mg-Cr质
密度：2.6kg/m3

为保证冲击区的耐冲刷力，设计了耐侵蚀性能良好的镁铬质绝热板，砌筑在中包包壁3个方位，增加冲击区耐材的强度，提高抗钢流翻转冲刷的能力，防止包衬冲刷剥落，保证包龄的进一步提高。实施后，砌用镁铬质绝热板的中间包最高包龄达到了80炉，平均包龄达50多炉。

2.2.2 改进涂抹料材质及工艺涂抹料质量波动大，易出现裂纹、脱落、凹坑等现象。通过提高涂抹料中MgO含量，增强原料的体积密度，减少线收缩率，使原材料在使用时具有高的抗侵蚀性。试验不同成分及不同粒度的产品，摸索不同的涂抹方式，找出合理的化学指标和合适的颗粒配比，确定作业的最佳方式，达到提高涂抹料质量稳定性和耐侵蚀性的目的。

2.2.3 根据塞棒、上水口侵蚀状况，对塞棒渣线、塞头，上水口碗口部位，采用新型材料-复合锆碳，提高其抗冲刷、侵蚀能力（见图1、2）。

图1 塞棒复合示意图

图2 上水口结构示意图

2.2.4系统研究，全面提高生产组织强化设备维修、提高铸机作业率，加强生产组织协调，保证钢水衔接时间，减少非计划停机；稳定吹炼工艺参数，提高操作水平，强化生产衔接，降低出钢温度，减少高温钢水对耐材的冲刷侵蚀。

2.3 板坯结晶器长寿技术的优化

2.3.1 水缝母材方面对结晶器水缝进一步优化改进，宽面铜板紧固螺栓孔两侧的水缝由26mm加深为28mm，增强螺栓附近的冷却，均匀铜板表面传热。选用强度、硬度等性能更好的CrZrCu板，取代AgCu板。

2.3.2 宽边表面镀层保护母材、减轻母材磨损是提高铜板使用寿命的关键。根据结晶器各部位的热流和磨损不同，及目前4#铸机结晶器铜板母材及镀层存在的问题，系统分析，进行优化选择设计，逐步淘汰AgCu板镀Cr技术结晶器。

（1）镀层厚度设计与分析：根据铸坯在结晶器上下口冷却传热的不同特性：沿结晶器高度热流是逐渐降低的，在弯月面区域热流密度最大，以后逐渐减少。在结晶器弯月面及上部区域与坯壳接触最好，且镀层比铜板的传热阻力大，因此镀层不易太厚，以防坯壳粘结或粘钢。结晶器下口坯壳较厚且硬，下口镀层适宜较厚一点，一方面减缓传热，促进坯壳与结晶器的均匀接触、均匀传热，另一方面提高结晶器下口的耐磨性，保护铜板母材。结晶器镀Cr层易剥落，每次拉钢后铜板表面普遍存在2～4mm的划痕和凹坑，特别在结晶器中心线以下部位，主要集中在结晶器400mm以下，剥落处磨损露铜、并且坑坑洼洼修镀的加工量很大，新铜板修镀3~5次即报废，铜板耗量大，成本高。为此进行镀层厚度的梯度设计（见图3），即在结晶器上口采用较薄的镀层设计，这样既不影响铜板的导热性，又能有效的防止铜板在弯月面附近产生的热裂；下口区域采用较厚的镀层设计，既促进了铸坯的均匀传热，又保证了镀层磨损需要，保护了母材铜板，提高了结晶器铜板的使用寿命。其次根据结晶器窄面磨损程度大于宽面的现状，窄面镀层厚度要求取图3中上限尺寸，以确保宽面板与窄面板使用寿命同步。

图3 镀层厚度设计

（2）镀层种类选择：镀铬层的耐飞溅性好、耐磨性高，但耐剥离性差，因此镀Cr层不能太厚，否则更容易剥落。济钢4#铸机结晶器原采用镀Cr设计，结晶器上、下口厚度相同，目的是利用Cr的耐磨性。但镀Cr易产生应力集中，且Cu与Cr热膨胀系数差异大易造成镀Cr层的剥落，直接导致母材铜板损伤脱落。本着镀层既不能剥落、又能提高铜板耐磨性的原则，根据母材及镀层的不同特性（见表1），选择不同的镀层技术，先后进行了AgCu板表面Ni+Cr复合电镀技术、CrZrCu板表面镀Ni-Fe合金技术、AgCu板表面镀Ni-Co合金技术试验。

表1 结晶器铜板镀层技术性能

镀层	Cr	Ni+Cr	Ni-Fe	Ni-Co
热传导率/(m.k)^-1	66.3	75.6～83.7	62.8～86.1	83.7
热膨胀系数/×10⁶℃^-1	7	14～16.7	14	14
硬度HV	＞600	200/600	400	220

2.3.3窄面铜板宽度修复采用电镀修复法，弃用角垫板。即新铜板使用下线后根据侧壁（与宽面接触面）变形量加工、电镀修复到规定铜板宽度。过去结晶器窄边修复主要采用添加角垫板的办法，在实际修复过程中发现角垫板法存在很大弊端：

(1)角垫板法因采用开槽沉头式螺钉定位，而定位螺钉头部需一定厚度；

(2)角垫板(材质为Cu)的加工和使用需一定厚度，角垫板太薄则易变形。在实际生产中结晶器使用后上口母材铜板收缩变形，一次的加工厚度至少大于2mm，从而造成结晶器窄边修复次数减少、备件消耗增加。采用电镀方法可有针对性微量加工修补，使用后的收缩变形仍从电镀修复后的尺寸开始，大大减少了母材修复加工量。

2.4 板坯连铸在线快速更换浸入式水口技术

在3#、4#板坯铸机逐步采用快速更换浸入式水口实现全封闭浇注，杜绝换水口停速、敞浇等带来的夹杂、裂纹缺陷和接头废坯损失，进一步提高铸坯质量、降低生产成本。

2.5 采用结晶器液面自动控制

引进法国技术，采用浮子法在4#铸机实现结晶器液面自动控制技术，稳定了结晶器液面，结晶器液面波动2mm，小于手动控制的±10mm,大大提高了铸坯质量和操作的稳定性。

2.6 建立铸坯在线诊断模型

根据凝固理论，以Q235B、Q345B等钢种建立中间裂纹在线诊断模型,根据生产实践对理论凝固系数进行校对分析，作出不同铸机、不同拉速下凝固曲线图。

在低倍及硫印图上发现铸坯缺陷时，可测量缺陷位置对应拉速选取不同的凝固曲线，从凝固曲线查到相应的辊号，检查该区域的铸机的状态，诊断分析设备状况或工艺不当对此的影响，从而对设备、工艺参数加以调整、改进，以达到及时准确提高铸坯质量的目的。

3 应用效果

3.1 中包寿命提高

采用全程保护浇注和使用纳米新型绝热材料后，钢包、中间包包壳散热减少，整个系统钢水的热损失减少，因此转炉冶炼终点温度降低了5～10℃，钢水内在质量也有明显提高，稳定了连铸浇注条件，利于实现铸机的低过热度浇注，减轻对中包耐材的冲刷侵蚀，并且通过应用长寿命中包技术和功能耐材锆质复合技术，中间包寿命平均提高33.5炉,连浇时间提高22h，减少了换包次数，提高了铸机作业率。如表2所示。

表2 中间包寿命对比炉

转炉	1999年	2000年	2001年	2002年
3^#	19.3	27.6	38.9	55.3
4^#	21.3	26.0	39.1	53.8

3.2提高铸机作业率和机时产量

铸机连浇时间的延长以及铸机的非计划停机的减少，使铸机作业率由76％提高到88％；由于采取了上述一系列技术措施，稳定了连铸生产，达到了增产增效目的，板坯铸机平均拉速提高了0.05m/min，机时产量大幅度提高。

3.3 浸入式水口寿命得到很大提高

通过应用锆质复合技术，浸入式水口寿命由2001年的平均4.5炉提高到10炉左右。

3.4 结晶器使用寿命大幅度提高

CrZrCu板镀Ni-Fe技术和AgCu板镀Ni-C铜板及镀层表现出较高的抗变形性能和抗磨性能，使用效果良好，改善了目前结晶器铜板变形、镀Cr层剥落现象，并可有效防止渗铜现象，利于减轻板坯表面裂纹及星裂缺陷。2002年新型结晶器镀层技术在板坯铸机的推广应用，大大提高了结晶器平均使用寿命，如表3所示。

表3 1997～2002年4^#铸机结晶器寿命变化炉

项目	1997年	1998年	1999年	2000年	2001年	2002年
平均寿命	326	463	691	774	892	1978
最高寿命	589	768	975	1383	1257	2934

3.5 提高钢水收得率

采用中间包快速更换水口技术，一方面可减少铸坯接头废钢，增加产量；另一方面可缩短换水口降速、提速时间，稳定生产提高产量。采用普通水口，每次换水口必须产生接头废钢，每次接头废钢长度约700～900mm，按800mm计算，4#板坯一年使用浸入式水口2200支，则年减少废钢3476t。其次由于铸坯质量提高，事故减少，生产稳定顺行，减少了钢水损失，提高了钢水收得率。

3.6 铸坯质量提高

采用全程保护浇注工艺和使用新型绝热材料后，稳定了连铸工艺，大包至中包、中包至结晶器的保护水口吹氩环，可明显防止钢水吸气，钢中[N]、[H]、[O]均有不同程度地降低，并有效避免了原大包渣面结壳现象，使钢液面上面的熔渣始终保持为液态，有利于覆盖剂吸收钢水中上浮的夹杂物，且便于注后清渣。

1999～2002年铸坯合格率分别为97.67%、98.06%、98.41%、98.45%，铸坯表面质量逐年提高。铸坯内部质量有了明显改善，铸坯内部低倍评级降低了0.5级。

通过高效连铸技术的开发与应用,铸坯表面和内部质量的保证能力和在线检测能力得到很大提高，大大提高了铸坯质量，减少了轧制废品，确保了钢板轧制分层、裂纹、夹杂废品的减少。

3.7 缩短生产周期

实施高效连铸前，铸机机时产量远小于轧机能力，铸坯的表面缺陷较多，只能采用冷送冷装工艺。由于所有铸坯需离线冷却、检查、精整，然后再运输到轧钢厂，通常最低需要1～2天。而经过一系列铸机高效改造后，连铸坯质量和产量都满足了热送热装工艺要求，从连铸开始到热轧成材的时间大大减少，产品生产周期的大幅度缩短降低了流动资金的占用，加快了资金周转，其带来的经济效益是非常巨大的。

3.8 提高铸坯红送率

由于济钢第一炼钢厂的铸坯一次合格率得到了较大的提高，基本上满足了红送直接轧制的要求，铸坯红送率达到73%以上，红送坯表面温度大于700℃。铸坯红送热装比例的提高，充分利用了铸坯的热能，节约了大量的煤气资源，同时轧钢系统产量得到了大幅度提高，质量也得到了进一步改善，一火成材率提高。

4 结语

济钢板坯铸机经过一系列高效技术的开发和应用，使铸机拉速和钢水纯净度得到很大提高，钢中夹杂减少，实现铸机恒温恒速浇注，生产得以稳定，同时职工劳动强度和劳动环境得到了改善，减少了各种生产事故，更重要的是整个铸机系统高效运行，为企业的发展增强了后劲。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (1/23/2006)


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