武钢连铸二冷水系统分析与改进

刘 洋，鲁新义，胡念慈，吴 英，闻 臻，陈 玮

(1.武汉钢铁(集团)公司研究院，湖北 武汉，430080；2.武汉钢铁股份有限公司烧结厂，湖北 武汉，430083)

随着钢铁生产技术的快速发展，连铸技术已经被越来越多的钢铁企业采用[1]。武汉钢铁(集团)公司(以下简称武钢)于2003年从奥钢联集团公司引进一台具有国际先进水平的宽板坯连铸机[2]用于冷轧硅钢、汽车钢板的生产。随着高强度、高性能钢种的不断开发，对连铸机铸坯冷却效果提出了越来越高的要求，原连铸机二冷水系统冷却效果控制精度明显达不到要求，该生产线上的大量铸坯产生边角裂纹，每年铸坯废品量和改判量高达2000 t左右，直接经济损失达1000多万元。

为挽回直接经济损失，进一步提高生产效益，本项目组对该连铸二冷水系统进行了系统分析与改进。

1 二冷水系统工作流程简介

武钢宽板坯连铸机生产线分为两个铸流，每一铸流分别由立弯段(零段)、弯曲段(1～6段)、直线段(7～8段)和水平段(9～14段)组成，共有15个扇形段。铸坯上部(弯曲半径小)称为内弧，铸坯下部(弯曲半径大)称为外弧。立弯段、弯曲段、直线段及水平段内弧采用气雾[3]冷却，水平段外弧采用水冷却。二冷水系统示意图如图1所示。

整个二冷区域共划分为10个区域，每一区域均要求实现二冷水单独控制。其中，5～8区除了按内外弧分别控制外，还将内外弧上4排喷枪分为中心部和扩展部分别进行控制。铸坯宽度方向喷嘴分布如图2所示。

图1 二冷水系统示意图Fig.1 Secondary cooling water system

图2 铸坯宽度方向喷嘴分布Fig.2 Nozzle distribution in slab width direction

2 系统冷却现状分析

某种意义上讲连铸技术就是冷却技术[4]。钢水从浇注到铸坯成材需经过一次冷却和二次冷却[5]。一次冷却由结晶器完成冷却成型；二次冷却是通过喷淋水的冷却作用来加速铸坯内部热量的传递，传热量占板坯全部凝固传热的60%，此时铸坯侧面和弧面冷却不均匀或冷却速度过大均会产生三角区裂纹或其他质量缺陷，因此，二次冷却效果对铸坯质量有直接影响作用，合理调控冷却水量、提高冷却控制精度对提高二冷区铸坯质量和生产效率有重要意义[6]。

2.1 压缩空气控制系统分析

为保证压缩空气控制系统气压控制稳定，系统需分为多个控制支路按区域进行调节。对压缩空气控制系统分析发现，连铸机5～8区中心区与9～10区内弧共用一趟气路(见图3)，每个区均未设单独控制装置，从总气源到每个控制区管路长短不一，每根管路压差损耗不一，所引起的回路气压控制不稳，因而制约了冷却效果的精确控制。因此，管路气压控制不稳、不能实行气压分区调节影响了系统冷却效果的精确控制，这是导致铸坯边角裂纹的主要原因。

图3 压缩空气控制系统Fig.3 Compressed air control system

2.2 喷淋水控制系统分析

要避免铸坯因局部过冷导致边角裂纹等质量缺陷，须保证铸坯在冷却过程中沿铸坯宽度方向上各区域有足够小的温差。通过对连铸机喷淋水控制系统分析发现，连铸机矫直段、弯曲段5～8区内外弧中心区、扩展区共用1台水量调节阀(见图4)，致使该区域不能实行水量分区调节，从而导致铸坯宽度方向上温差高达100 ℃以上。分析结果表明，不能分别控制中心部和扩展部水流量是导致铸坯边角裂纹的又一主要原因。

图4 连铸机喷淋水控制系统Fig.4 Control system of spray water for the caster

2.3 喷嘴特性分析

对不同水、气压力条件下喷嘴水流量和气流量进行测量，绘制成喷嘴压力/流量特性测量曲线如图5所示。从图5中发现水气配比规律如下：①当气压一定时，随着水压的升高，水流量逐步增大，气流量逐渐减小；②当气压设定为0.1 MPa时，水压最大为0.4 MPa；③当水压超过0.4 MPa时，水压就会抑制气流，使二冷水无法形成气雾，导致水-气喷嘴变成水喷嘴。上述情况说明，喷嘴流量调节方法不当也是影响二冷水冷却效果的一个原因。

图5 喷嘴压力/流量特性曲线Fig.5 Nozzle pressure /flow characteristic curve

3 系统优化设计与改进

3.1 压缩空气控制系统设计改进

分别在9区、10区增设1路DN65不锈钢管，并在其上安装调节阀及压力检测器，以实现5～8区中心区与9～10区气压的单独控制和调节。此外，还在5～7区和8区扩展区分别加装1台DN80调节阀及压力检测器，以实现5～7区、8区中心区和扩展区气压的单独控制和精确调节，从而稳定回路压差。

3.2 喷淋水系统设计改进

在每一铸流5I(5区中心区)、5O(5区扩展区)、6I、6O、7I、7O、8I、8O上各增添1台调节阀及流量计(如图6)，通过调节阀合理调节管道内水流量，通过流量计实时反馈管道流量，通过信号反馈控制系统控制调节阀的开度，使管道水流量理论值与实际值相吻合。

图6 5～8区喷淋水控制系统改进图Fig.6 Optimized control system of spray water in Zones 5～8

3.3 水、气配比方式改进

通过检测分析，中心区与边部区水流量控制最佳方式为： ①中心水量=原水量×50%×影响系数；②边部水量=中心水量×{最小宽度配水比值+[(实际宽度-最小宽度) ×(最大宽度比值-最小宽度比值)/(最大宽度-最小宽度)]}×影响系数；③影响系数输入范围为0.65～1.25。对二冷水、气配比量进行改进，改进后的水、气配比如表1所示。

表1 改进后的水、气配比Table 1 Improved water gas ratio

3.4 效果分析

二冷水系统改进前后连铸机生产情况统计如表2所示。由表2中可看出，二冷水系统改进后，铸坯废品量、改判量大为降低，其他各项生产统计指标明显好于改进前相应指标，二冷水系统改进后的效果极为显著。

表2 二冷水系统改进前后连铸机生产情况统计Table 2 Caster production statistics before and after improvement of system of secondary cooling water

4 结论

(1)由于二冷水压缩空气压力控制不稳，不能实现喷淋水、气的自由调控，以及由于喷嘴流量调节方法不当使得铸坯宽度方向上温差较大，其结果导致了铸坯边角裂纹。

(2)解进方法是调整压缩空气控制方式，在支路上安装调节阀、压力检测器及流量计，优化调整二冷水、气配比参数，最终实现二冷水系统冷却效果的精确控制。

(3)二冷水系统改进后的效果极为显著，铸坯废品量、改判量大为降低，备件更换量明显减小。

[1] 肖波，潘丽梅.连铸二冷水系统喷嘴堵塞故障的防止[J].冶金动力，2013(3):70-75.

[2] 魏巍巍.连铸二冷水过程控制系统[J].天津冶金，2013(A01):69-75.

[3] 樊本义.气雾冷却在薄板坯连铸机中的应用[J].辽宁科技学院学报，2008，10(4):1-2.

[4] 朱宝晶，陶务纯.连铸二冷水的气—水平衡分析[J].冶金丛刊，2009(6):1-3.

[5] 刘浩. 板坯连铸动态二冷水控制模型的研究[J].自动化应用，2012(7):45-46.

[6] 朱康林.板坯连铸机二冷水自动化控制的实现[J].安徽冶金科技职业学院学报，2008，18(2):23-31.