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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）。 （图片）
图1 塞棒复合示意图 （图片）
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。（图片）
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。
1/23/2006
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