黃 華，夏春祥，徐李軍，時(shí)朋召

(1.鋼鐵研究總院連鑄技術(shù)國家工程研究中心，北京 100081；2.唐山燕山鋼鐵有限公司，河北 遷安 064403)

0 前言

在連鑄坯凝固過程中產(chǎn)生的中心偏析和中心疏松將引起鋼材的一系列質(zhì)量問題。對于高碳線材，中心偏析和疏松將導(dǎo)致拉拔性能降低，拉斷率增大；對于天然氣輸送管線鋼，氫擴(kuò)散到偏析、疏松處，產(chǎn)生裂紋并擴(kuò)展，最終導(dǎo)致管子破裂；對于海洋鉆探等結(jié)構(gòu)鋼，中心疏松、偏析會降低其焊接性能，不宜焊接，甚至開裂等[1-4]。目前，在連鑄坯生產(chǎn)過程中輕壓下技術(shù)是解決該缺陷最直接、最有效、最經(jīng)濟(jì)的措施，輕壓下尤其是動態(tài)輕壓下技術(shù)，為了達(dá)到精準(zhǔn)的輥縫控制，對設(shè)備和控制技術(shù)提出較高的要求[5-7]。本文著重對不同扇形段框架液壓缸夾緊形式進(jìn)行探討，并結(jié)合韓國POWER MnC輥縫儀在山東某鋼鐵廠的3臺板坯連鑄機(jī)、河北某鋼鐵廠的1臺板坯連鑄機(jī)測量的數(shù)據(jù)，對比分析不同扇形段框架夾緊形式下的輥縫偏差產(chǎn)生原因，并為不同的裝備條件采取合理有效的輕壓下參數(shù)提供依據(jù)。

1 中心偏析與中心疏松

在鋼水凝固過程中，溶質(zhì)元素在固-液兩相間再分配，柱狀晶使未凝固溶質(zhì)元素富集，而鼓肚和凝固末端凝固收縮使鑄坯中心產(chǎn)生強(qiáng)大抽吸力。根據(jù)“小鋼錠理論”，如圖1a所示，上部鋼水受晶橋阻隔不能對下部凝固收縮進(jìn)行補(bǔ)充，枝晶間富集溶質(zhì)向中心流動形成中心偏析，鼓肚量小于凝固末端收縮量產(chǎn)生中心疏松。因此，中心偏析與中心疏松主要起因于凝固末端兩相區(qū)凝固收縮[8]。如圖1b所示，輕壓下技術(shù)是通過在連鑄坯液芯末端附近施加壓力產(chǎn)生一定的壓下量來補(bǔ)償鑄坯的凝固收縮量，消除或減少鑄坯收縮形成的內(nèi)部空隙，并促進(jìn)液芯中心富集的溶質(zhì)元素鋼液沿拉坯方向反向流動，達(dá)到改善中心疏松和中心偏析的目的[9-11]。

圖1 小鋼錠凝固理論與連鑄坯凝固輕壓下示意圖

2 不同扇形段框架液壓缸夾緊形式與輥縫偏差

本文對導(dǎo)板式、SMART導(dǎo)柱式、Optimum連桿導(dǎo)柱式、CyberLink導(dǎo)柱式扇形段液壓缸夾緊形式和現(xiàn)場應(yīng)用的實(shí)際輥縫偏差進(jìn)行了分析。輥縫測量采用韓國POWER MnC輥縫儀，其輥縫傳感器使用線性位移傳感器為檢測元件，輥縫的定義為內(nèi)弧至外弧導(dǎo)輥之間的最小距離。輥縫傳感器在整個(gè)連鑄機(jī)扇形段區(qū)域內(nèi)對鑄坯寬度方向的6～7個(gè)點(diǎn)進(jìn)行輥縫檢測，在傳感器通過導(dǎo)輥時(shí)，所有傳感器都將同時(shí)進(jìn)行信號檢測；如果導(dǎo)輥處于良好工作狀態(tài)，所有傳感器測量得到的數(shù)值應(yīng)該相同。

2.1 導(dǎo)板式液壓夾緊扇形段

導(dǎo)板式液壓夾緊扇形段如圖2所示，其框架夾緊與輥縫調(diào)整裝置主要是由夾緊液壓缸、輥縫調(diào)整裝置、油缸缸頭、上下鉸接軸、連接連桿等部分構(gòu)成。夾緊液壓缸的缸頭通過上鉸接軸與連桿鉸接，連桿通過下鉸接軸與下框架鉸接。當(dāng)夾緊液壓缸活塞桿伸出時(shí)，整個(gè)上框架包括自由輥和活動梁上的驅(qū)動輥同時(shí)抬起，使輥縫增大；當(dāng)夾緊液壓缸活塞桿縮回時(shí)輥縫減小[12-13]。

圖2 導(dǎo)板式扇形段示意圖

目前德國西馬克-德馬格(SMS-Demag)公司、國內(nèi)某研究院采用該種扇形段液壓夾緊形式，該形式由于連桿兩端采用鉸接方式連接，在實(shí)現(xiàn)扇形段輥縫調(diào)節(jié)過程中可降低作用在液壓缸上的徑向力，扇形段上框架能夠完成直線與轉(zhuǎn)動的復(fù)合運(yùn)動，滿足連鑄機(jī)鑄軋所要求的大錐度輥縫。

河北某鋼鐵廠6#直弧形板坯連鑄機(jī)為國內(nèi)某研究院設(shè)計(jì)，鑄機(jī)1機(jī)2流，基本半徑9.5 m，板坯規(guī)格為230 mm×(700～1550) mm，連鑄機(jī)最大工作拉速1.6 m/ min；直弧段共17對3分節(jié)輥，1～13扇形段為7對2分節(jié)輥，結(jié)構(gòu)為導(dǎo)板式液壓夾緊形式。從圖3輥縫儀測得數(shù)據(jù)可以看出，直弧段為離線對弧與輥縫標(biāo)定，輥縫在目標(biāo)±0.5 mm范圍內(nèi)；1～9扇形段輥縫實(shí)際值與目標(biāo)值偏差最大為-3.0 mm。

圖3 導(dǎo)板式液壓扇形段輥縫

該形式由于連桿兩端采用鉸接方式連接，扇形段上框架能夠完成直線與轉(zhuǎn)動的復(fù)合運(yùn)動，滿足連鑄機(jī)鑄軋所要求的大錐度輥縫，其單個(gè)扇形段最大壓下量50 mm。隨著CSP、ESP等連鑄連軋以及特厚板連鑄機(jī)的推廣，該形式扇形段能夠滿足鑄軋功能和重壓下功能；但上框架不穩(wěn)定，處于浮動狀態(tài)，輥縫精度差，需要通過輥縫偏差補(bǔ)償來彌補(bǔ)該形式造成的缺陷[14]。

2.2 SMART導(dǎo)柱式液壓夾緊扇形段

奧地利奧鋼聯(lián)(VAI)公司SMART液壓扇形段結(jié)構(gòu)如圖4所示，驅(qū)動輥的升降由一個(gè)傳動液壓缸實(shí)現(xiàn)，升降和夾緊由4個(gè)配有內(nèi)置式位移傳感器的定位液壓缸完成。扇形段由一個(gè)上部框架和一個(gè)下部框架構(gòu)成，兩個(gè)框架通過安裝在上部框架上的4個(gè)定位液壓缸夾持固定在一起。夾緊液壓缸的缸桿固定在導(dǎo)柱上，通過導(dǎo)柱的彎曲變形作用，可實(shí)現(xiàn)4臺液壓缸不對稱小位移移動。VAI SMART扇形段帶有遠(yuǎn)程控制裝置，4個(gè)位置調(diào)整液壓缸對扇形段的開口度和輥縫進(jìn)行遠(yuǎn)程設(shè)定，利用標(biāo)準(zhǔn)閥定位的準(zhǔn)確性可以實(shí)現(xiàn)±0.1 mm控制精度[15-16]。

圖4 S MART扇形段示意圖

山東某鋼鐵廠2#立彎形VAI板坯連鑄機(jī)，鑄機(jī)1機(jī)2流，基本半徑9.5 m，板坯規(guī)格為230 mm× max.1950 mm，連鑄機(jī)最大工作拉速1.5 m/ min；直弧段共17對分節(jié)輥，SMART液壓扇形段1～13為7對分節(jié)輥。從圖5輥縫儀測得數(shù)據(jù)可以看出，直弧段為離線對弧與輥縫標(biāo)定，輥縫在目標(biāo)±0.5 mm范圍內(nèi)；扇形段輥縫測量過程中采用平行輥縫模式，1～7扇形段輥縫實(shí)際值與設(shè)定目標(biāo)值偏差為±0.5 mm，8～9扇形段為矯直段，為了避免損壞輥縫儀特將扇形段抬起，因此輥縫波動較大。

圖5 S MART液壓扇形段輥縫

VAI SMART導(dǎo)柱式液壓扇形段在壓下時(shí)，扇形段出入口輥縫需要適時(shí)動態(tài)變化，這樣就使導(dǎo)桿產(chǎn)生彎曲變形，如果彎曲變形超過導(dǎo)桿的安全范圍，會導(dǎo)致導(dǎo)桿的損壞，因此該扇形段適用于無輕壓下功能的常規(guī)輥縫模式、小錐度輥縫收縮的動態(tài)輕壓下模式。在采用動態(tài)輕壓下模式時(shí)可采用多段壓下累積變形達(dá)到消除或減輕鑄坯芯部質(zhì)量差的效果[17-18]。

2.3 Optimum連桿導(dǎo)柱式液壓加緊扇形段

意大利達(dá)涅利公司(DANIELI)開發(fā)的Optimum液壓夾緊扇形段結(jié)構(gòu)如圖6所示，上下框架通過液壓缸、導(dǎo)向柱、連桿連接，液壓缸缸筒與上框架法蘭連接，活塞桿與導(dǎo)向柱螺紋連接，導(dǎo)向柱通過連桿與下框架連接。

圖6 Optimum扇形段示意圖

每個(gè)扇形段的人口側(cè)和出口側(cè)各設(shè)置2個(gè)液壓缸，實(shí)現(xiàn)扇形段的抬起和壓下動作；扇形段出口側(cè)為雙銷連桿，使上框架相對下框架能傾斜移動，允許扇形段延伸及旋轉(zhuǎn)；扇形段入口側(cè)的兩個(gè)連桿可以轉(zhuǎn)動且承受鑄流方向的剪切分力。驅(qū)動輥安裝在扇形段的中間位置處，這樣的驅(qū)動布置可確保任意時(shí)刻驅(qū)動輥與鑄坯之間存在最大的牽引力[19]。

山東某鋼鐵廠4#直弧形DANIELI板坯連鑄機(jī)，鑄機(jī)1機(jī)1流，板坯規(guī)格為300 mm×(1 800～2 300)mm，連鑄機(jī)工作拉速0.9～1.4 m/min。直弧段共16對分節(jié)輥；1～13扇形段為7對3～4分節(jié)輥，其結(jié)構(gòu)為Optimum液壓夾緊形式。從圖7輥縫儀測得數(shù)據(jù)可以看出，0號段進(jìn)出口實(shí)際輥縫值與目標(biāo)值接近，而5～13#輥縫偏差較大，判斷為彎曲段離線對弧引起的；扇形段測量輥縫值與目標(biāo)輥縫值偏差在±0.5 mm以內(nèi)，測量輥縫出現(xiàn)的峰值為避免驅(qū)動輥壓到輥縫儀上而抬起保護(hù)時(shí)輥縫。

圖7 Optimum液壓扇形段輥縫

DANIELI Optimum連桿導(dǎo)柱式液壓扇形段具有良好的剛性和可靠性，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好，出口連桿為雙銷連桿，允許扇形段上框架作微量移動，扇形段進(jìn)口和出口輥縫可根據(jù)輕壓下工藝的需要自動設(shè)置。這種形式的扇形段離線裝配精度±0.05 mm，設(shè)計(jì)在線輥縫精度高達(dá)±0.1 mm。

2.4 CyberLink導(dǎo)柱式液壓夾緊扇形段

德國西馬克-德馬格(SMS-Demag)公司CyberLink扇形段包含4個(gè)帶壓力和位移傳感器的液壓缸，通過液壓缸的動作來實(shí)現(xiàn)扇形段開口度的調(diào)節(jié)，這種僅有上框架和下框架而沒有側(cè)框架的扇形段結(jié)構(gòu)，通過兩根導(dǎo)桿來引導(dǎo)上框架的運(yùn)動，相對于普通扇形段來說極大的簡化了設(shè)備結(jié)構(gòu)，如圖8所示。

圖8 CyberLink扇形段結(jié)構(gòu)示意圖

該結(jié)構(gòu)形式在上框架設(shè)計(jì)有一個(gè)懸吊機(jī)構(gòu)，在澆鑄過程中可對上框架自動進(jìn)行對中，這種結(jié)構(gòu)允許上框架低頻低幅振動，且上框架末輥?zhàn)鳛轵?qū)動輥，無須額外的提升橫梁。Cyber Tracking可以在線檢測最終凝點(diǎn)和鑄流固-液態(tài)區(qū)的液態(tài)部分；Cyber Taper可以在線檢測優(yōu)化的輥縫和進(jìn)行錐度調(diào)整，消除了因輥縫太寬造成的幾何形狀和質(zhì)量問題[20]。

山東某鋼鐵廠3#直弧形SMS-Demag板坯連鑄機(jī)，鑄機(jī)1機(jī)1流，基本半徑6.67 m，板坯規(guī)格為150 mm×(2 000～3 250)mm，連鑄機(jī)最大工作拉速2 m/min。直弧段共16對分節(jié)輥；1～7扇形段為7對4分節(jié)輥，其結(jié)構(gòu)為CyberLink液壓加緊形式。從圖9輥縫儀測得數(shù)據(jù)可以看出，直弧段為離線對弧與輥縫標(biāo)定，輥縫在目標(biāo)±0.5 mm范圍內(nèi)；扇形段輥縫測量過程中采用平行輥縫模式，1～5扇形段輥縫實(shí)際值與目標(biāo)值偏差最大為-1.5 mm，6～7扇形段輥縫實(shí)際值與目標(biāo)值偏差減小，7扇形段最后1對輥為驅(qū)動輥抬起。

圖9 CyberLink液壓扇形段輥縫

SMS-Demag CyberLink扇形段基本優(yōu)化思路同Optimum扇形段相似，均是是通過由扇形段液壓缸傳感器反饋回來的信息對鑄坯的最終凝固點(diǎn)位置進(jìn)行在線監(jiān)測，從而準(zhǔn)確地給出輕壓下實(shí)施的區(qū)域和相應(yīng)的輕壓下率，實(shí)現(xiàn)動態(tài)輕壓下。CyberLink扇形段簡化了扇形段的結(jié)構(gòu)，允許上部框架周期性低頻低幅振動，可在澆鑄條件發(fā)生變化時(shí)快速地反映出鑄坯凝固狀態(tài)的相應(yīng)變化，從而實(shí)現(xiàn)真正意義上的完全動態(tài)輕壓下技術(shù)。

從現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)來看，彎曲段由于采用固定輥縫形式，在離線對弧精度保證的前提下，其輥縫偏差基本都能滿足設(shè)計(jì)和生產(chǎn)要求；而扇形段框架夾緊結(jié)構(gòu)的不同，對測量輥縫數(shù)據(jù)產(chǎn)生較大的影響。

3 結(jié)論

通過對導(dǎo)板式、S MART導(dǎo)柱式、Optimum連桿導(dǎo)柱式、CyberLink導(dǎo)柱式扇形段液壓缸夾緊形式的結(jié)構(gòu)對比，研究并現(xiàn)場驗(yàn)證了不同夾緊形式下的輥縫值偏差，得出如下結(jié)果：

(1)導(dǎo)板式液壓夾緊形式扇形段適用于鑄軋功能和“重壓下”要求的大錐度輥縫，單個(gè)扇形段壓下量參數(shù)可以設(shè)置較大值；

(2)SMART導(dǎo)柱式液壓扇形段適用于無輕壓下功能的常規(guī)輥縫模式、小錐度輥縫收縮的動態(tài)輕壓下模式，在采用動態(tài)輕壓下模式時(shí)可采用多段壓下累積變形達(dá)到消除或減輕鑄坯芯部質(zhì)量差的效果；

(3)Optimum連桿導(dǎo)柱式液壓扇形段在線輥縫精度高，對離線裝配精度要求嚴(yán)格，采用動態(tài)輕壓下時(shí)應(yīng)用實(shí)際液相穴末端位置監(jiān)測ALCE M系統(tǒng)，能較好的改善鑄坯芯部質(zhì)量；

(4)CyberLink扇形段上部框架周期性低頻低幅振動，通過由扇形段液壓缸傳感器反饋回來的信息對鑄坯的最終凝固點(diǎn)位置進(jìn)行在線監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的完全動態(tài)輕壓下技術(shù)。