張 敏 鐘 鵬 徐 鋼

（馬鋼股份公司）

0 前言

隨著鋼鐵行業(yè)同質化競爭愈加激烈，不斷降低成本、提高鑄坯品質是各大鋼鐵企業(yè)增強競爭力的工作重點，也是國內鋼鐵企業(yè)在世界領域內發(fā)展的必然趨勢。在連鑄生產中鑄坯切割是一個重要的環(huán)節(jié)，其目的是將鑄坯切割成定尺，以滿足后道工序裝爐條件和客戶產品卷重的要求。因此，為確?；鹧媲懈顧C的穩(wěn)定，要求火焰切割機必須具備以下優(yōu)異性能：切割可靠性高，確保鑄機順利生產；切割面平滑，掛渣少，為軋鋼工序提供無毛刺的坯料；割縫盡量小，以減少金屬切割損耗；氧、燃氣消耗少，節(jié)能減排。

馬鋼連鑄火焰切割機自從2007 年運營以來，一直存在割縫大、割面不齊、割縫下部掛渣嚴重等缺點。割縫大和割面不齊（需下線修整）都會造成鑄坯成材率低，掛渣嚴重時，毛刺去除不干凈，經常會造成熱軋卷異物壓入，卷子降級改判。通過改造及工藝優(yōu)化，解決了上述問題。

1 原工藝條件存在的問題

自2007 年投產至2011 年，馬鋼一直采用自產高焦煤氣作為火切機燃氣，盡管在維護和管理方面采取了多項措施，但是火焰切割情況仍不夠理想。主要表現在以下幾個方面：

（1）割縫寬度在 8 ～ 10 mm，偶有近 12 mm的割縫出現。對比同行業(yè)，先進企業(yè)的割縫一般為4 ～6 mm。割縫較大，切損較大，減少了金屬收得率；

（2）切割面有上部塌邊、下部掛渣現象（如圖1 所示），割縫過大勢必會產生過多的熔渣，造成毛刺過大，降低了去毛刺機的有效去除率；

（3）采用煤氣作為燃氣介質，雜質多，火切機管路堵塞故障多發(fā)，割嘴、止火器和減壓閥備件消耗多，時有因火切機故障導致鑄機停機發(fā)生。

圖1 煤氣切割后的鑄坯割縫形貌

2 原因分析

火焰切割是一個熱加工過程，給火焰切割提供能量的主要是鑄坯切割時自身燃燒產生的熱量。在切割鑄坯時，燃氣燃燒預熱鑄坯，鑄坯表面局部溫度升高到燃點溫度，此時鋼與高速氧氣噴嘴噴出的氧氣產生燃燒從而切開鑄坯。

火焰切割的條件：（1）金屬預熱到燃點溫度，與氧氣燃燒；（2）燃點必須低于熔化溫度，不同含碳量鋼種的燃點和熔點如圖2 所示（例如含碳量 0.1% 的鋼，燃點在 1 155 ℃，熔點在 1 526 ℃）；（3）氧化物的熔化溫度必須低于被切割金屬的燃點溫度；（4）燃燒熱盡可能高。

圖2 不同含碳量鋼的燃點溫度曲線

實驗發(fā)現火焰切割是靠鐵氧化為主要作用(約占2/3)，熔化作為輔助作用(約占1/3)的。根據上述火焰切割的機理可以發(fā)現，影響切割表面質量的因素主要包括燃氣種類、切割氧氣純度、壓力、流量、氧流形狀、切割速度、角度、火焰調整、預熱火焰能率、割嘴與鑄坯距離等。

3 采取措施

3.1 介質改造

馬鋼現場有兩種氣體作為選擇，一種是現階段切割使用的轉爐煤氣，雜質多，容易導致管路和噴嘴堵塞，造成切割面不均勻；另一種是天然氣，天然氣作為燃料時，燃燒速度慢、熱值適中，切割連鑄坯非常適合。

為了清除現場煤氣的雜質，對煤氣管道進行了改造，增加了兩套400 目的過濾器，但是使用效果并不理想，難以有效去除細小的顆粒雜質，未能從根本上解決管路堵塞問題。引進天然氣作為切割燃氣，火切機狀況明顯得到改善。天然氣屬于潔凈能源，幾乎沒有雜質，介質管路、閥件的堵塞故障大大降低，割嘴孔道內壁結垢的現象基本消除；切割面平整，割縫的平均值由原來的10 mm減小到8 mm 左右，顯著減少了切損。

3.2 切割操作參數對切割的影響

馬鋼內部氧氣為管道氧，純度是不可控因素。但是，切割氧氣壓力、切割速度、火焰調整和割嘴到鑄坯的距離作為可控因素，其直接影響火焰的尺寸和溫度，進而影響割縫的表面質量和割縫大小。

3.2.1 氧氣壓力對切割速度的影響

切割氧氣壓力對切割質量有很大的影響。過低，會使切割過程中的氧化反應減慢，切割產生的氧化物熔渣吹不掉，在割縫背面形成難以清除的熔渣粘粘物（毛刺），甚至不能將鑄坯割穿。

隨著切割氧氣壓力的增加，氧氣流量增加，氧化反應速度加快，切割厚度也隨之增加。但壓力增大到一定值，切割厚度達到最大值后，再增加壓力，切割厚度反而會減小。同時，過大的切割氧氣壓力并不能提高切割速度，反而會使割縫變大，切割斷面質量下降，掛渣難清，增加了切割后毛刺的去除難度。

不同割嘴在不同切割氧壓力下的切割速度如圖3 所示。由此可見壓力過小或過大對切割速度都有影響。

圖3 氧氣壓力對切割速度的影響

3.2.2 氧氣流量對切割速度的影響

以12 mm 鋼板切割為例，隨著氧氣流量的增加，切割速度會增加，但超過一個臨界值后切割速度反而會降低，如圖4 所示。因此，對于板坯來說存在一個最佳氧流量，此時不但切割速度最高，而且切割質量也最好。

圖4 氧氣流量對切割速度的影響

3.2.3 鑄坯溫度對切割速度的影響

在使用一種割嘴時，燃氣、氧氣參數一定時，切割速度與鑄坯溫度和成分有關。FRAMAG 公司在火切機操作手冊里給出了目前使用割嘴與鑄坯溫度相對應的切割速度如圖5 所示。

圖5 不同鑄坯溫度對應的切割速度

在操作中，操作工可以根據鑄坯實際溫度、厚度進行選擇調整。目前生產230 mm 厚度的鑄坯時，切割溫度約在800 ℃，根據圖5 理論切割速度約為430 mm/min。

3.2.4 鑄坯成分對切割速度的影響

現場跟蹤發(fā)現，生產不同鋼種時，切割速度需要根據現場實際情況進行調整，尤其是切割高Cr鋼時，Cr 含量高達4.7%，割速慢而且煙大。研究發(fā)現，鑄坯含碳量對切割速度的影響較大，其他對切割速度有影響的成分是：錳Mn、鎳Ni、鉻Cr、鏌Mo、釩V。合金元素對切割速度的影響可以折合為碳的影響量，引入碳當量的值，把所有元素的影響折合為單純碳的影響，公式為：

不同碳當量下合適的切割速度如圖6 所示。

圖6 碳當量對切割速度的影響

目前馬鋼四鋼軋板坯連鑄主要生產的鋼種及碳當量見表1。

表1 常見鋼種碳當量

現場結合圖6 和表1 選取合適的切割速度，例如低合金鋼的碳當量為0.38，約等于0.4，選取的切割速度約為理論切割速度的93%，實際切割速度約為400 mm/min；超低碳鋼的碳當量為0.07，選取的切割速度約為理論切割速度的98%，實際切割速度約為 421 m/min。

切割速度直接影響切割的穩(wěn)定性和質量。過快，使切割面產生凹陷和掛渣的缺陷，甚至不能切透，致使切割中斷，無法將鑄坯切斷。過慢，導致切面上部融化塌邊，下緣產生圓角，割縫過大，向下排出的氧化熔渣和熔化金屬形成大的毛刺，給毛刺清除帶來困難。

速度的降低會明顯增加介質的消耗。切割速度可以根據熔渣從切口排除的狀況進行判斷并調整。正常的切割過程切割氧流相對垂直的割槍來說稍微偏后一個角度，對應的位移成為后拖量，可以根據這個量來判斷切割速度是否合適。

3.3 火焰的影響

火焰分為氧化焰、中性焰和還原焰，如圖7 所示。

圖7 不同狀態(tài)的火焰區(qū)分

正?；鹧娴奶卣魇窃谄溥€原區(qū)沒有自由氧和活性碳，有三個明顯的區(qū)域，焰芯有鮮明的輪廓，切割效果最好。氧化焰是在氧氣過剩的情況下產生的，其焰芯呈圓錐形，長度明顯縮短，輪廓也不清楚，亮度是暗淡的。如果使用氧化焰進行切割，將會使切割質量明顯惡化。還原焰是在天然氣過剩的情況下產生的，其焰芯沒有明顯的輪廓，其焰芯的末端有綠色的邊緣，按照這綠色的邊緣來判斷有過剩的燃氣；還原區(qū)異常的明亮，幾乎和焰芯混為一體；外焰呈黃色。當天然氣過剩時，火焰發(fā)黃，這是由于火焰中天然氣燃燒缺乏必需的氧氣造成的。

預熱火焰的能量大小與切割速度、切口質量密切相關。隨著板厚增大和切割速度的加快，火焰的能量也應隨之增強，但又不能太強，尤其在割厚板時，金屬燃燒產生的反應熱增大，加強了對切割點前沿的預熱能力。這時，過強的預熱火焰將使切口上邊緣嚴重熔化，塌邊；太弱的預熱火焰，又會使鋼板得不到足夠的能量，減低切割速度，甚至造成切割過程中斷。預熱火焰的強弱與切割速度的關系是相互制約的。一般來說，使用中性焰可以獲得較好的切割質量。火焰的合適長度是板厚的1.2 倍以上。通過多次的實驗得出了合理的參數設定值，具體見表2。

表2 火切機介質參考壓力

3.4 割嘴高度的影響

過高和過低的割嘴高度都會對切割質量造成影響。割嘴高度過高，會造成切割風線不夠集中，割縫大；過小容易濺渣回火。通過摸索發(fā)現，切割氧氣壓力大小的不同，對距離的要求也不一樣。在使用較低壓力時，適當調小高度可以得到高壓力同等的效果。一般取80 ～100 mm 的距離，可以適當的降低切割氧氣壓力，降低氧氣消耗，一般為 0.85 ～ 0.90 MPa。

3.5 優(yōu)化割嘴

優(yōu)化割嘴內腔形狀，選用性能更好的割嘴。采用拉瓦爾噴管型割嘴，可以將切割氧氣流加速到超音速狀態(tài)，控制切割氣流的現狀，減小割縫寬度。

通過選用合適的割嘴減小割縫寬度是行之有效的。目前使用的PB0400N 割嘴過大，此型號割嘴適合切割厚度在400 mm 左右的鑄坯，而馬鋼現場鑄坯厚度在 230 mm 和 250 mm，拉速1.2 m 左右，選用PB0300N 的割嘴就可以滿足使用要求。

PB0400N 與 PB0300N 割嘴對比如圖 8 所示，切割氧氣窄喉截面直徑由4 mm 同比例縮小到3 mm。重新選型后的割嘴經過試用后效果明顯提升，割縫寬度能夠達到5 ～7 mm。

圖8 不同孔徑的割嘴對比

5 改造效果

圖9 優(yōu)化后的割縫和切割面

通過介質改造和切割參數的優(yōu)化、噴嘴改型后，割縫與以前相比有了明顯改善。割縫寬度目前穩(wěn)定控制在5 ～7 mm，大約每年可減少689.6萬元的割損。同時割縫的減小，氧化和融化的金屬減少，切割渣毛刺隨之減少，明顯提高了去毛刺機的毛刺去除率，降低了去毛刺機的負載，減少了錘刀損耗,如圖9 所示。在使用天然氣的前期，壓力調整較高，一般在0.08 ～0.1 MPa 左右。通過攻關活動開展降低為0.4 ～0.6 MPa。在同樣的通徑下壓力的降低意味著流量也相應減少，降低了燃氣的消耗。據港華燃氣提供的數據到2019 年12 月為止共計消耗燃氣55.6 萬m3，合計生產鑄坯約830 萬噸，折合噸鋼消耗燃氣約0.12 m3。這一數據達到先進企業(yè)的指標。