摘要：为响应国家的节能环保政策，炼钢连铸生产逐步向连续化、节能化、高效化方向发展。九江萍钢炼钢厂积极探索连铸坯长距离热送工艺，在炼钢车间内拟建一台七机七流方坯连铸机，实现一座转炉对一台连铸机，一台连铸机对一台棒材轧机的全流程生产模式。本文重点介绍了连铸坯热送装置的设计及其生产运行后的效果。
关键词：小方坯连铸；热送设计；辊道；弧形辊道；
前言
九江萍钢炼钢厂积极探索连铸坯长距离热送工艺，在炼钢车间内拟建一台七机七流方坯连铸机。实现一座转炉对一台连铸机，一台连铸机对一台棒材轧机的全流程生产模式。根据用户要求，该方坯连铸机年最大生产能力为200×104t合格连铸坯，要求除非特殊情况，否则连铸坯需百分之百热送至棒材轧机线。我公司以工程总承包的方式承接该连铸机工程后，与用户精诚合作，精心组织设计，为满足用户要求积极寻求经济合理的热送工艺，从设计、制造、安装、生产调试，历经半年多时间，该工程于2018年7月初顺利建成投产。
1.铸坯热送厂房条件及布置方案
根据用户提供的厂房条件，连铸机布置在现有连铸车间厂房柱2~3柱之间，连铸车间主要由四跨厂房组成。在连铸机布置位置确定后发现连铸坯出坯方向与棒材轧机生产线轧件运行方向是一致的，但两者中心线不在一条线上而是平行关系。连铸机出坯中心线与棒材轧机中心线平行距离L1=165.5m，连铸机出坯辊道末辊中心线与棒材轧机蓄热式步进加热炉中心线距离L2=67m。采用辊道运输的方式最为经济合理，热送辊道的布置需要考虑如何避让两个厂房的厂房柱，途径厂房外露天的部分还不能影响厂内道路正常通行，为了减少场地占用及满足后工序需求，连铸坯需实现单根逐一热送，通过布置方案的比较，最终得出一个相对合理的连铸坯热送路线，如图1所示。
图1 连铸坯热送布置图
1—出坯辊道；2—热送辊道；3—铸坯在线称重装置；4—入炉辊道；5—固定挡板；6—蓄热式步进加热炉
2.新建连铸车间的生产情况
表1：连铸机生产能力表
现有冶炼条件为转炉2座，转炉的公称容量120t，转炉的平均出钢量130t/炉，最大出钢量145t、炉，平均冶炼周期为32~35min。连铸机生产铸坯断面为170x170mm（预留150x150mm），定尺长度为5.0~9.7m。连铸机主要生产钢种包括：碳素结构钢、优质碳素结构钢、低合金钢等。连铸机的生产能力见下表1，正常生产情况时所有的合格铸坯均热送至棒材轧机线使用。
3.连铸坯热送辊道线的设计
3.1 连铸坯热送工艺流程
根据已经确认的热送布置方案，连铸坯热送的工艺流程主要为快速并钢（7流并1流）、铸坯转弯（弧形辊道）、直线运输、中途在线称重（进入轧钢车间前）、再转弯（弧形辊道与轧钢加热炉入炉辊道对接）。整个工艺流程较为简单，设计的难点主要为：1）如何实现快速并钢；2）弧形辊道的设计；3）在线称重装置的设计。
3.2 并钢功能的设计
并钢机构通常主要有横向移钢机、液压推钢机、链式拨钢等。本项目连铸机共7流，流间距1.25米，第1流与第7流中心距为7.5m，辊面最宽处达8.2米，可想而知，如果采用横向移钢机，其横移行程将非常大，而且移钢机的传动布置需要占据很大的场地，现有厂房条件根本没有地方布置；同时根据出坯周期，约30秒钟就出一根铸坯，横向移钢机受传动结构、运行速度和行程的制约，动作周期较长，影响热送速度，热送节奏与连铸机出坯周期不匹配；多一套横向移钢机将增加设备投资成本，增加运行维护难度，无法实现轻便、快捷、便于维修的工艺要求。因此，综上所述，采用横向移钢机实现并钢的方案在这个项目上行不通。
要实现快速并钢，还得从热送辊道自身上做文章。公司历史项目设计中，在直线段上5流并1流、6流并1流，均可借助沿铸坯运行方向漏斗状收缩布置的侧挡板实现并钢功能，而且在多个现场实际生产实践中得到验证，如图2所示。
图2 热送辊道+侧挡板并钢示意图
很显然，这种并钢方式要求有较长的直线段距离，漏斗状的侧挡板与铸坯前进方向的夹角也不能太大，通过碰撞的近似计算，当铸坯以大于60m/min的速度运行时，碰撞夹角应不大于10度。本项目铸坯最大流间距7.5m，预设进入弯曲段时的辊面宽度为2.5m，通过计算直线段距离Lmin=（7.5-2.5）/2*tan10°=14.17m，根据现有布置，直线段距离只有11.6m，直线距离不够。因此为了能够在较短距离内实现快速并钢还需要增加其它手段，通过运行轨迹模拟，结合并项目热送线的布置特点，最终并钢方案确认为其中的一些辊子纵向中心线与铸坯运行方向成一夹角布置，让铸坯在辊面上前进的同时自动偏转并向特定方向平移，加上侧挡板的辅助作用，这样一来既可以实现在较短直线距离内快速并钢还改善了铸坯进入弯道时的角度，与后段弧形辊道可以很好地衔接。如图3所示。
图3 并钢辊道布置图
3.3 弧形辊道的设计
根据本项目热送线路布置图，有两处87°的转弯，传统转弯的设计有转盘加辊道的组合方式，即一组长度大于等于铸坯最大定尺长度的辊道安装在可360°转动的转盘上实现不同角度的转向。这种转弯方式转盘的回转半径大，需要有足够大的布置空间；铸坯进入转盘上时需要减速，转盘自身的回转也需用很长的工作周期，此种设计方案，铸坯在转弯处停顿时间太长。因此，不管是从空间布置还是工作周期上考虑，转盘加辊道的组合转弯方式不能满足本项目的工艺需求。
通过考察交流，得知南昌长力钢铁股份有限公司第一轧钢厂在连铸坯热送线改造中使用了弧形辊道，且运用效果很好，对本项目热送辊道线的设计具有很好的参考价值。采用弧形辊道形式，在设计方面虽有一定的难度，但经过综合比较，采用弧形辊道热送工艺，投入少、安装简单、占用场地小，设备维护和操作容易方便，坯料输送时间短、输送能力大，有利于上下工序的衔接和高效化生产。
弧形辊道的设计核心是转弯半径和辊子辊型的确定。辊子的辊型有平辊和锥形辊两种，转弯半径与辊型的确定需要综合考虑场地限制条件、辊道运行速度、向心角等。根据生产周期的需求，热送辊道线的运行速度V定为120m/min；根据厂房的布置条件，弧形辊道的转弯半径R定为25m，弧形辊道的辊身宽度定为2.5m。9.7m长的铸坯在2.5m宽的辊道上实现87°转弯，沿弧形辊道做圆周运动不与侧挡板擦碰，则要求铸坯圆周运动产生的向心力小于铸坯与辊面之间的摩擦力，根据圆周运动公式F=mV2/R：
公式中：F——圆周运动的向心力，单位N；
m——圆周运动的物体质量，单位Kg；
V——圆周运动物体的线速度，单位m/s；
R——圆周运动的半径，单位m
铸坯重量2.8吨，产生的向心力F为448N，当弧形辊道辊子采用平辊水平布置时，铸坯与辊面之间的摩擦力f=mgμ（g为重力加速度，μ为摩擦系数0.3~05），计算可得f为8232N，向心力F远远小于摩擦力f，也就是说铸坯以120m/min线速度在25m转弯半径的弧形辊道上前进时不会发生侧滑现象，同时也可以得出弧形辊道辊子采用平辊就能满足要求。弧形辊道辊子间距可按直线辊道辊子间距设计，本弧形辊道沿R圆心射线每隔3.5°一个辊子布置，如图4所示。
图4 弧形辊道布置图
3.4 热送连铸坯在线称重的设计
应用户要求，热送辊道线在进入轧钢车间之前需设置铸坯称重装置。进入轧钢车间之前将近150m，计算整个热送辊道线的运行周期后决定采用称重辊道的方式最快，占用整个输送周期的时间最短，称重辊道允许最大速度60m/min，从减速、停止、读数、重新启动大概需要10-15s左右。辊道直接安装在称重台上，称重台为钢结构件，称重传感器选用了国际品牌托利多产品，型号SB-3t CN（耐高温型），共6个支撑点，每个传感器量程为0.02~3t，工作环境温度-40℃~150℃。称重传感器安装底座焊接于基础预埋件上。
3.5 热送辊道线的控制
该热送线操作控制由PLC控制系统、MCC控制系统和操作台控制系统三部分组成。整个系统采用西门子S7-300系列PLC系统及PROFIBUS总线控制，和铸机公用部分共用一台CPU315-2DP控制器（位于连铸低压配电室），并在出坯操作室布置有两套ET200M从站。且有自动控制和人工手动控制两套操作模式，能互相转换，热送操作台位于出坯操作室。全过程设有工业电视安全监控，并由铸坯位置跟踪及热送铸坯称重系统，能与轧钢系统进行信息交流。
自动控制：整个热送辊道线分成若干个逻辑控制组，光电开关对铸坯的位置进行检测。7个流的铸坯进入出坯辊道末端后，由升降挡板截停，并按铸坯进入出坯辊道的顺序排队，待热送辊道1段出现空位后，将热送辊道队列中排位最高的铸坯末端升降挡板移开，将此铸坯送入热送辊道1段，该铸坯完全进入热送辊道1段后，如检测到热送辊道2段的铸坯未送出，则将铸坯停留在热送辊道1段，待热送辊道2段出现空位后，将热送辊道1段的铸坯送入热送辊道2段，依此逻辑滚动前进，最终将铸坯送入热送辊道6段，并将铸坯停入称重辊道上并进行称重，称重完成后将铸坯重量发送到轧钢车间，并向轧钢车间请求将铸坯送入轧钢车间辊道，接到轧钢车间允许进入信号后，将钢坯送出，交由轧钢车间辊道处理。
铸坯热送辊道线设备的润滑采用集中干油润滑的方式，由于设备布置路线长，润滑点多，热送辊道线全程分段设置SSPQ-L2干油分配器，电动润滑泵集中供油系统DRB7-P235-100，配QZTDK电控箱，实现对设备定时定量的自动加油润滑。
4.设备安装与调试
本项目设备安装与调试由我公司承担，设备从2018年5月份开始进场，历时一个多月的紧张施工、调试，于2018年7月正式投产使用。
5.效果
5.1 生产周期明显加快
按照平均出钢量130t/炉计算，每炉钢水将浇注46根9.7米长的铸坯，汽车运输需要5趟，含装车卸车和路程时间，一趟至少得30分钟，要将46根铸坯运完至少得2.5小时。而采用热送辊道线运输，连铸坯与轧钢车间实现无缝对接，一边出坯一边输送，单炉浇注周期约32分钟，即40分钟内就可以将46根连铸坯热送到轧钢车间，整个流程的生产周期明显加快。
5.2 铸坯转运成本大大降低
热送辊道线一次投资永久受益，结合热送辊道自身操作简单、维护方便等特点，投产运行后的运行和维护费用很低。相比汽车运输的人工投入、设备投入、车损及燃油消耗，铸坯转运成本大大降低。同时缓解了厂内道路交通的运输压力。
5.3 降低了后工序加热炉的能耗
连铸机出坯辊道末端铸坯温度950℃左右，如果采用翻转冷床冷却下线后再用汽车运输的方式，以最快的速度将铸坯运至轧钢车间，铸坯温度在400℃以下，如果是下线直接堆垛，再根据需要安排汽运，则铸坯温度接近常温，热损非常大。采用热送辊道线的运输方式，铸坯快速到达轧钢车间入炉辊道，按温降速度15℃/min计算，铸坯温度可达850℃以上。这大大减少了轧钢加热时间和天然气耗气量，降低了能源消耗。
5.4 减少了铸坯堆放场地占用和装卸坯人员投入
连铸坯直接热送至轧钢车间，减少了出坯跨连铸坯堆放的场地占用，同时也降低出坯工的人员投入和劳动强度。
6.存在的问题
该热送系统试生产中存在的主要问题：1）边上两流铸坯在并流辊道上的运行轨迹还不够理想，铸坯头部存在擦碰侧挡板的现象；2）未采用变频控制，发出辊道停止信号后铸坯滑行距离大，辊道分组长度要求较长；3）高速运行的连铸坯对辊道的冲击较大，影响在线称重装置的正常使用，出现传感器损坏现象；4）热送辊道全程未设计保温装置，铸坯实际热损较大。
7.采取的措施
1）通过观察，铸坯头部擦碰侧挡板没有影响铸坯的前行，进入弯道后可按轨迹正常运行，需加强热送辊道的检修力度，定期检查侧挡板紧固螺栓是否松动，对侧挡板磨损严重的应及时更换；
2）更改称重传感器安装形式，避免过约束，加强称重框架自身的耐冲击能力；优化辊道分组控制逻辑，在输送周期允许的范围内，铸坯进入在线称重装置前减速慢行，减小铸坯对称重装置的冲击；后期建议改用耐冲击能力更好的（如称重轴加辊轮）称重传感器装置。
3）根据用户需求，可考虑后期再称重辊道上方增设保温罩。
8.结论
采用辊道的热送方式运输效率高，降低出坯工的人员投入和劳动强度，减少了连铸机铸坯堆放场地占用，缓解厂内道路交通的运输压力，最终能够节约能源，降低轧钢生产成本，创造巨大的经济效益，虽然在线称重装置的耐冲击能力不够，但本项目连铸坯的热送设计方案还是一个成功的、值得其它类似工程参考和推广的方案。
参考文献：
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[2]衷金勇，项幼阳.弧形辊道在连铸坯热送热装中的运用[J].江西冶金，2007，10，第27卷第5期：23-24.
论文作者:黄昌金
论文发表刊物:《基层建设》2018年第34期
论文发表时间:2019/1/3
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