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板坯连铸机弯曲段的工作原理 [工程 ] 收藏 转发至天涯微博
悬赏点数 10 该提问已被关闭 2个回答 匿名提问 2009-04-26 11:36:26
板坯连铸机弯曲段的工作原理
最佳答案
29700669 2009-04-26 12:52:27
近年来，我国钢铁行业发展迅速，我国已成为世界上钢铁消费和钢铁生产大国，2005年我国的粗钢产量～3.4亿吨，连铸比达到95％以上。其中由于连铸具有显著的高生产率、高成材率、高质量和低成本的优点，因此连铸技术对钢铁工业生产流程的变革、产品质量的提高和结构化等方面起了革命性的作用。
钢铁技术的引进为我国钢铁工业的发展做出了巨大的贡献，特别是上世纪90年代以来，连铸技术的引进与推广极大的壮大了我国钢铁工业的实力，同时在连铸技术的消化吸收和创新的方面也取得了长足的进步，极大提高了我国连铸技术的自行设计和制造能力，实现了连铸技术的国产化。中冶京诚（原北京钢铁设计研究总院）在板坯连铸技术的集成创新和自主开发方面始终走在前列，随着国内连铸技术和连铸设备制造能力的发展与进步，为我国板坯连铸机的国产化做出了重要贡献。
板坯连铸国产化实践
板坯连铸机机型经历了由立式-弧形-直弧形的发展历程，特别是从世界上近10多年来新建的高质量板坯连铸机来看，直弧形连铸机已成为发展趋势和方向。直弧形连铸机兼具弧形和立式连铸机的优点，可根据产品方案和生产品种的不同，设计不同的基本弧半径和适宜的结晶器及以下的直线段长度，从而大大提高铸坯的洁净度和内部质量；国内外的生产实践证明，特别是在生产汽车用钢、管线钢等高质量钢方面，直弧形板坯连铸机有不可替代的作用。
中冶京诚是国内最早研究开发并参与引进消化国外先进直弧形板坯连铸工艺及装备技术的单位。多年以来，中冶京诚一直致力于研究开发、重视技术和理念的创新，先后成功地设计或总包建设了一大批技术经济指标达到国际先进水平的板坯连铸工程，拥有着丰富的先进技术资源和设计经验。无论是设计水平、总包能力还是设备集成技术，京诚公司在国内板坯连铸行业均占据着不可动摇的业绩优势和技术领先地位。
在多年的设计和生产实践中，开发出了如多种连铸机机型的辊列设计（连续弯曲连续矫直技术）、结晶器铜板传热计算、矫直反力计算、大包回转台有限元计算、扇形段有限元计算、小辊径密排分节辊、结晶器电动及液压调宽、扇形段远程调辊缝等软件技术，以及结晶器液压振动、动态二冷控制、扇形段轻压下等连铸工艺技术。新技术的不断应用大大提高了连铸机的装备水平和工艺技术水平，亦使京诚公司牢牢占据着国内板坯连铸机设计水平和行业业绩的领先水平。
至今为止，不包括与国外公司联合设计的项目，中冶京诚成功完成设计或总承包的大中型板坯连铸机共41台49流；已投产的大中型常规板坯连铸机国内设计市场占有率近75％；设计生产能力占全国板坯连铸坯产量的～50％。
中冶京诚直弧形板坯连铸机的设计范围：铸坯厚度：150～300mm，铸坯宽度：700～3000mm，拉速0.5～2.0m/min；生产的钢种主要包括：普碳钢、优碳钢、低合金高强钢、船板钢、管线钢、压力容器钢、桥梁钢、汽车大梁用钢、深冲钢、工程机械用钢、不锈钢、硅钢等。
近年来中冶京诚投产及设计的主要直弧形板坯连铸机业绩表：
序号
用户名称
产量（万吨/年）
台×流
机型
铸坯规格（mm×mm）
范围
投产时间
承德钢铁公司双流板坯连铸机
200
2×2
直弧形R=10m
150/180/200/220×900-1650
总承包
2006.12
安钢双流板坯连铸机
250
1×2
直弧形R=10m
210/230×800-1650
总承包
2006.6
唐山不锈钢新建板坯连铸机
1×1
直弧形R=8.4m
150-220×900-1600
总承包
2005.9
北台钢铁公司二期板坯连铸机
350
2×2
直弧形R=8.4m
180/210/230/250×800-1650
总承包
2006.9
鞍山宝得板坯连铸机
120
1×1
直弧形R=8.4m
180/200/250×800-1600
总承包
2005.9
莱钢银山型钢3#板坯连铸机
150
1×1
直弧形R=10m
200/250×1500-2100
总承包
2005.2
天钢3#板坯连铸机
1×1
直弧形R=8.4m
180/200/250×1050-1600
总承包
2005.6
唐山中厚板1#板坯连铸机
130
1×1
直弧形R=10m
180/250×1500-2100
总承包
2006.5
北台钢铁公司1#板坯连铸机
125
1×1
直弧形R=10m
180/250×1500-2100
总承包
2004.2
营口中板厂2#板坯连铸机
1×1
直弧形R=10m
180/220/250×1500-2100
总承包
2005.9
营口中板厂1#板坯连铸机
1×1
直弧形R=8.4m
150/200/250×1200-1600
总承包
2004.3
韶关钢厂新炼钢2#板坯连铸机
1×1
直弧形R=8.4m
180/220/250×1200-1600
总承包
2003.3
昆明钢铁公司板坯连铸机
65-80
1×1
直弧形R=8m
200/230/250×900-1600
设计
2001
柳州钢铁公司炼钢厂板坯连铸机
45-65
1×1
直弧形R=8m
180/220×1050-1300
设计
2001
上钢三厚板坯连铸机
1×1
直弧形R=10.5m
200/250/300×1200-2000
设计
1995.10
舞阳钢厂厚板坯连铸机
40-60
1×1
直弧形R=10.5m
180/250/300×1200-1900
设计
1992.11
到目前为止，中冶京诚基本上完成了两大系列（基本弧半径8.4m和l0m）连铸机的自主开发和实际应用，在实际生产中取得了良好的效果，具有投资省、工期短、达产快、效益高的特点：
·莱钢单流2100mm宽板坯连铸机，投产当月产量即达10万吨，铸坯质量良好；
·唐山不锈钢公司的具有双浇能力的板坯连铸机，建设工期为7个月，由中冶京诚自主开发的板坯软压下技术一次投产成功。
该系列连铸机采用了一系列的新技术，以保证铸坯质量：
·采用直弧形连续弯曲连续矫直
·全程多支点密排分节辊
·全程无氧化保护浇注系统
·大容量加堰和坝中间罐
·带塞棒吹氩的铸流浇注系统
·结晶器液面自动控制
·结晶器高精度小振幅高频振动（机械或液压）
·连续收缩辊缝
·二冷动态气水雾化冷却
·铸机拉矫分散驱动
·全交流变频等技术
在提高铸机作业率方面采用了如下先进技术：
·结晶器在线停机调宽
·结晶器至扇形段的整体更换和线外维修
·扇形段液压远程调辊缝技术
·浸入式水口快速更换及事故闸板
·热中间罐快速更换
·全程计算机跟踪管理等技术。
图1 样板厂断面图示意
板坯连铸技术现状与展望
经过近年来连铸技术的自主研发和生产实践，在生产高质量钢方面，中冶京诚形成了自己特有的一系列连铸新技术：
大容量中间罐，优化中间罐设计。以便提高钢水收得率和钢的洁净度
中间罐工作液面深度为1200mm，溢流液面深度为1300mm。同时设置挡渣墙和堰，增加钢水停留时间（～9min 以上），使钢液中夹杂物充分上浮，有利于净化钢水。此外，在水口位置处中间罐底部局部凹下～200mm，有利于减少浇注结束时中间罐钢水残留量。
中间罐钢水流量的控制采用塞棒控制。
中间罐内腔示意见图2。
图2 中间罐内腔示意图（单流和双流）
全程无氧化保护浇注
采用钢包长水口及中间罐浸入式水口保护浇注，中间罐钢液面覆盖碱性保护渣，结晶器钢液面覆盖颗粒状保护渣，其中钢包长水口与钢包滑动水口、浸入式水口与中间罐快换装置及上水口之间接口处均采用吹氩密封，防止钢水二次氧化和吸N、H。
设有液压压紧的钢包长水口安装机构，使得长水口的安装操作更为方便。
优化SEN设计和结晶器液面自动控制
浸入式水口（SEN）的主要作用除保护钢流防止钢水二次氧化外，还能起到改变钢流在结晶器内的流动状态，减少注流的冲击深度，促进夹杂物在结晶器内上浮，以及分散注流带入的热量，利于坯壳的均匀生长，同时对结晶器的弯月面也能起到相应的稳定作用。一般可通过改变水口侧孔倾角的大小来实现。
自行设计的快速而准确塞棒结构，加上结晶器液面自动控制技术的采用可使结晶器液面的波动控制在3mm以下，达到提高铸坯表面质量和减少最终产品缺陷，提高连铸机的操作水平。
直弧形连续弯曲连续矫直辊列布置
在弯曲段采用连续弯曲技术，在矫直段采用连续矫直技术，从而避免多点弯曲和多点矫直带来的坯壳变形突变，使高温坯壳的变形比较平滑，在恒定的变形速率作用下，使每一点的变形近似为无穷小，进而避免了高温坯壳因弯曲或矫直变形过大而产生的裂纹。
根据产品方案的不同，可以设计不同基本弧半径的直弧形连铸机，根据我们的实践经验，当结晶器以下的直线段长度达到2.5m以上时，对提高铸坯的洁净度，达到生产高级汽车板的要求最为有利。同时，采用小辊径密排分节辊技术，增加辊子的刚度，减少铸坯的鼓肚变形，提高对的铸坯的有效支撑，改善铸坯质量。
图3 辊列计算变形曲线
动态二冷控制和凝固模型的应用
根据自主开发的板坯连铸机凝固传热计算模型，确定最佳的二冷分区。
根据该三维不稳态模型，可计算出不同钢种、不同拉速、不同冷却制度下的铸坯凝固情况，进而优化二冷配水，得出不同钢种在不同拉速下的二冷水表，对铸坯的冷却实现动态控制，以达到高效生产和保证铸坯质量的目的。
如图4所示：采用优化设计的水表对铸坯二冷实现控制后，在不同的拉速条件下，其铸坯的表面温度基本上是按目标温度控制的，可实现动态控制。
图4 二冷模型模拟结果
采用二冷动态控制技术，实现二次冷却对铸流的实时动态跟踪，保证不同拉速变化条件下，使铸坯的表面温度控制在一个合理的目标表面温度区间，提高铸坯的表面质量。
结晶器液压振动
结晶器液压振动可以根据浇铸参数（钢种、拉速、铸坯规格、保护渣类型等）的变化，任意改变波形、频率、振幅，这也是液压振动的优点之一。其优点在于：
*较小的振痕
*适应大范围的浇注速度，得到良好的表面质量
*特别在高拉速下能通过振动型式的改变增加保护渣消耗，实现高拉速
*高精度导向，控制精度高
*维修量小
根据液压振动的控制特点，可以通过调整振幅和振动频率之间的关系，通过使用非正弦系数的改变，来达到控制结晶器振动负滑脱时间在0.1～0.12s的范围内，使整个拉速范围内结晶器的负滑脱时间控制在一个稳定的区间，达到对保护渣消耗的良好控制，实现铸坯良好的表面质量。
而结晶器液压振动技术是连铸机升级的核心技术之一，也是我们必须自主掌握的技术。目前我们开发出了具有自主知识产权的结晶器液压振动（见图5）技术，并利用CAE技术进行了动态模拟仿真，具有下述主要特点：
图5 新型结晶器液压振动
*结构上采用无磨损设计、无润滑点
*振动油缸采用间隙密封、保证长期恶劣条件下免维护
*采用预应力板弹簧导向，可有效控制水平各方向上的位移和转角，精度高
扇形段远程调辊缝和轻压下
在设计扇形段时，既要保证铸坯的内部质量和表面质量，也要尽量降低设备高度；既要保证扇形段设备的强度和刚度、更长的寿命和更便于维修，也要具备铸坯凝固末端动态轻压下和远程快速调节辊缝的功能。
中冶京诚在多年板坯连铸机设计所积累经验的基础上，开发了新型结构的板坯连铸机扇形段（见图6）。这种新型结构板坯扇形段，采用了液压缸夹紧内外框架，液压缸压下驱动辊；小辊径密排分节辊，框架采用立板结构，具有很高的强度和刚度；辊子和轴承座通水冷却、辊子表面和各基准面、结合面均堆焊不锈钢，提高了使用寿命和对弧精度；框架和辊子结构保证了装拆更换方便，可接近性好，便于在线检测和维修。
图6 新型扇形段结构
新型扇形段可实现动态软压下功能和辊缝的远程调节。我公司在消化吸收国外板坯连铸扇形段压下的基础上，总结国外各家公司的板坯连铸扇形段压下经验，自主开发出一套全新的板坯连铸扇形段压下的设备和自控（L1）软硬件系统，在唐钢一次投产成功，得到了用户的赞誉。自动化控制系统（L1）具有，高安全性，稳定性，可视性、可读性、方便快捷操作性（可远距离离线、在线调整辊缝和辊缝的收缩程度），操作方式灵活，有完善的故障处理和报警功能，具有很好的工程推广应用价值。其控制方式见图7，位置控制精度+/-0.1mm，测量范围300mm。整套装置稳定可靠，工艺适应性强，操作使用方便。通过对投入扇形段开口度控制后的产品测量发现，铸坯两侧的厚度均匀，符合产品要求，并且铸坯表面要明显优于采用压垫块控制的效果，充分证明了控制系统良好的稳定性和控制成效，达到了国外设备的水平。
图7 扇形段辊缝控制原理
配合铸坯二冷凝固模型的进一步开发和应用，该扇形段结构完全可以实施动态轻压下，达到改善铸坯内部质量的目的。
液芯凝固是一个动态过程，进行轻压下的最佳点及变形方案要根据生产过程中的冶金参数（冷却水量、浇铸温度、浇铸速度、钢种等）来确定，轻压下的理想时间应是铸坯受压不破裂之时，若不在理想时间进行或过了理想时间继续轻压下则不但不能改善铸坯的金相组织，反而会由于内裂纹而损害板坯内部的质量。为此需要一个高度智能的凝固模型系统实时计算变形曲线，动态控制压下的终点位置，动态调节需要的辊缝形状，使静态的压下调节变成动态的压下控制。这也是国内下一步需要努力的方向。
提高连浇炉数的技术
采用了浸入式水口快速更换装置，可提高单个中间罐的连浇炉数；采用热中间罐快速更换技术，可进一步提高一个浇次的连浇炉数，以达到降低消耗，提高金属收得率的目的。
目前，该两项技术在实际生产中使用效果良好，经济效益明显。
提高铸机作业率的技术
采用结晶器在线调宽和扇形段远程调辊缝技术，提高铸机作业率。
连铸机主要设备：结晶器、快速更换台、弯曲段、扇形段等均采用整体更换，离线维修的方式。为此配备了较完善的设备维修设施，可对离线设备进行维修、对中及各种试验，保证离线设备的快速维修，提高连铸机的作业率。
自动化和工艺控制
采用三电一体化设计，按整个工艺过程控制要求，可实现对整条生产线的自动、半自动、手动控制。
三电自动控制系统为多级分散式控制系统，系统分为二级：
一级是电气、仪表系统组成的基础自动化级，二级是以过程计算机为中心的过程控制级。
*基础自动化级的主要功能：
◇驱动系统的联锁和控制
◇仪表系统的联锁和控制
◇铸坯及引锭杆跟踪
◇基础自动化级控制计算和设定
◇过程实际值数据收集
◇过程状态信息检测及显示
◇故障报警及故障打印
*过程控制级的主要功能：
◇过程控制动态计算和设定
◇数据信息收集
◇操作指导
◇数据记录和数据报告（报表等）
◇产品质量信息的收集和管理
◇铸机状态跟踪
操作站过程监控由按要求显示的总体图、彩色图来实现。包括：
◇总体状态画面
◇运行准备画面
◇控制设定画面
◇运行状况画面
◇故障报警画面
创新也是由一些外部因素造成的，比如总体技术工艺的自动化水平，由于计算机动力的不断增强，以及使用标准软件包的舒适性，连铸机的工艺控制能实现全动态，可以保存大量数据进行数据分析。连铸系统的质量判定系统和二冷动态凝固和控制模型良好配合，为提高铸坯质量和满足客户需求提供了保证，这也是国内需要努力的方向。
结论和展望
通过近年来，冶金相关行业的共同努力和奋斗，国内板坯连铸机国产化工作取得了很大成绩，打破了以往板坯连铸机必须引进的束缚，各个用户单位可以根据自己的资金实力来选择国产还是集成引进，这主要是因为国内在板坯连铸机的结晶器液压振动、轻压下等一些的软件和模型方面与国外还有一定的差距。而目前国内在设备设计和制造方面越来越具有优势，为推动中国钢铁事业的发展做出了贡献，相信在不久的将来，在板坯连铸机的各个方面会有更大的突破。
