CSP 薄板坯连铸机改造方案和经验

LIU1018

CSP 薄板坯连铸机改造方案和经验

    本文介绍可提高设备生产率的铸坯导向段延长方案。实现位置控制和压力控制扇形段调整技术，能够改进浇铸厚度以便轧制超薄厚度的带钢。大量的电—机驱动短连杆振动器已经改造为液压振动器，但由于空间限制改造四偏心式振动器较为困难。本文所述的方案还是一种应用4个液压缸的快速更换单元。如今结晶器监控系统不仅涵盖了漏钢预报系统，而且，热电偶也将应用于预测凹坑/表面纵裂新特点。
    自1989年世界上第一台CSP设备在纽柯克劳福茨维尔投产以来，一些客户为了提高产品质量和设备生产率，决定采用西马克研发的设备改造成套方案，对设备进行现代化改造。
    这主要关注延长铸坯导向段长度以提高生产率或扩大产品大纲范围，转换四偏心式振动为液压振动，以及可提高工厂作业率和质量的结晶器监控系统。
    一、延长铸坯导向段
    SMS Siemag的VSB型（立式固态弯曲）CSP铸机的基本方案就是带有少量（2～5个）扇形段的铸坯导向系统和引锭杆系统，它包括一个简单，但能保证工艺、操作和维护优点的刚性钢板（图1）。
     期间，调试了3套铸坯导向段延长改造：
    .中国包钢(2005)
    .美国动力钢公司(2006)
    .墨西哥特尔尼钢公司(前Hylsa)(2008)
    以上3个铸机中，固态铸坯在弯曲段的拉坯和弯曲都是通过两对夹紧辊和顶弯辊实现。在各种CSP设备经验中得知，拉坯可以仅通过一对夹紧辊实现，因此可利用多余的空间新增加了一个扇形段。
    根据空间的大小和客户的需求，可以考虑各种驱动方案，如在原弯曲段只有一对夹紧辊，其驱动在夹紧辊水平更换的位置。另外，夹紧辊在新扇形段内或者作为独立的夹紧辊但能垂直更换方案也可供选择。
    1.1中国包头钢铁公司
    包钢的CSP设备是中国第一台1×2CSP设备，该设备于2001年6月投产。2003年其产量就已经超过了设计产能的15%。包钢2004年订购了第一次铸坯导向段延长改造，冶金长度由7265mm延长到了8215mm（+950mm）。缩短弯曲段，热铸坯由一对夹紧辊拉出。夹紧辊还是在冷却室外并且水平更换。
    调试于2005年9月进行，1流的停机时间只有8天，2流于1天之后开始调试。同时，振动器也转换为液压振动器。包钢浇铸的板坯结晶器出口厚度为72mm，通过LCR（液芯压下）生产70/55mm的薄板坯。特别是70mm的薄板坯可以在较高的拉速下浇铸。
    铸坯导向段延长后，公司2006年的年产量达到了286万t，2007年甚至达到了290万t，2008年6月产量达到了26.7万t/月。
    1.2美国动力钢公司（SDI）
    对于方案，美国动力钢铁厂决定将夹紧辊集成在新增加的4号扇形段中，以便最大程度地利用导向段延长空间。原冶金长度为6340mm，延长到7767mm（+1427mm）。然而，净延长的长度只有1207mm，因为铸坯到最后夹紧辊时必须已经凝固。SDI实际上浇铸的结晶器出口厚度为58mm。轧机改造后，浇铸厚度可以增加以便更好地利用导向段延长改造。4号扇形段可以在拆除传动轴后垂直更换。由于铸机下部的磨损比较小，漏钢也不会发生在下部扇形段。4号扇形段大约每一年只需要更换两次。
    SDI的CSP设备是2×1型，因此改造可以分两步进行，包括振动器转换为液压振动器。第一次停机时间7.5天，第二次只有4.5天。
    1.3墨西哥特尔尼钢公司（前Hylsa）
    墨西哥特尔尼是第一台生产0.91mm厚的超薄热带钢的CSP厂，结晶器出口厚度为54mm。
    当时考虑采用一种特殊方案用于延长铸坯导向段，考虑另外采用LCR3,这包括位置控制和压力控制扇形段调整以实现浇铸过程中可变的浇铸厚度。根据期望产品大纲以及锲形最小化以利于轧制超薄带钢。
    对于生产52～62mm的薄板坯，借助于液芯压下LCR可以采用结晶器出口厚度64mm的浇铸厚度。这就保证产能提升，不管是通过浇铸厚一些的板坯还是通过浇铸仅52mm厚的板坯来获得小于1mm厚的超薄尺寸带钢。
    此种类型LCR改造的一大特点就是取代1号扇形段液芯压下而改在仅在2号扇形段液芯压下，这样就大大节省了改造投资成本，因为所有现存的1号扇形段都还可以使用。2号扇形段的长度不变，因此扇形段有独立的活动侧，压下的作用区域在2号扇形段的上部。此方案最初在西班牙AMS（安赛乐米塔尔赛套，前ACB）实现。
    通过增加3号新扇形段，冶金长度由6020mm延长到7020mm（+1000mm）。原2号扇形段的最后一对辊与前上夹紧辊的距离要比包钢的短。由于冷却室底部的空间不足，将夹紧辊加在已缩短的弯曲段中。因此，SMS Siemag设计了一种新的夹紧辊扇形段型式，并于3号新扇形段一起垂直更换。
    通过动作控制器调节阀控制数字动态位置和压力来控制液压缸，可以无级位置控制实现液芯压下（LCR）。另外，薄铸坯的热收缩通过位置控制液压缸实现。LCR扇形段可以在线标定。
    自动化系统的升级改造在SMS Siemag工程技术人员的帮助下由墨西哥特尔尼公司完成。
    墨西哥特尔尼也是2×1CSP，所以可以单独改造这两个铸机。铸机的停机时间受炼钢车间大改造时时间关键因素的影响。1流的恢复生产日期为2008年9月26日，第四包钢水后LCR成功正常运行。恢复生产一个月后，产量达到了之前的日产量记录297t/天。2流的恢复生产日期为2008年12月2日。
    297t/天。2流的恢复生产日期为2008年12月2日。
    二、四缸结晶器液压振动器
    电—机驱动振动器以固定振幅做正弦振动；仅有振频与拉速一起变化。液压驱动振动器的优点是能够灵活改变振幅和振频。目前正弦振动的曲线形状可以修改，其他振动曲线也可以实现。
    短连杆电—机驱动振动器已经基本上准备好转换为液压驱动，由于可用空间的限制，四偏心振动器的转换就显得更关键了。为确保较短的停机时间，快速更换段和底座必须保持不变。SMS Siemag的解决方案包括用利用冷却室外部的四个液压缸来实现转换所有前提条件。
    纽柯克劳福茨维尔钢厂的新四缸液压振动器调试非常成功（图2）。该厂对新振动器的性能非常满意。无负荷调试时，新振动器以7mm/400cpm，10mm/340cpm下做正弦振动。这远远超过正常工作范围，只是受到6.5m/s2最大加速度的限制。第一炉的拉速为205inch/min(5.2m/min)。没有检测到谐振现象。
    决定采用新振动器的主要因素为：
    ◆浇铸过程得到可靠的改善
    避免不明漏钢(液压振动器初始几个振动周期的较短振幅改善了铸坯开始凝固时的润滑条件)
    液压振动器四缸的协调动作比四偏心振动器振幅输出量更精确
    ◆环境改善
    较少的干油消耗量
    较少的干油污染喷淋水
    ◆维护量减少
    每12～18个月四偏心振动器需要重新组装一次
    较少的砂滤清洁 (干油污染喷淋水造成)
    ◆质量改善
    其他钢厂的一些非对称正弦曲线表明可以明显地影响振痕以产生扁平开口形状。这也使下道工序能充分除去振痕留下的残留氧化铁皮和保护渣以取得更高的表面质量。
    三、MMS-结晶器监控系统
    MMS结晶器监控系统包括以下3个功能(见图3)：
    ◆BPS：漏钢预报系统—通过预报粘结漏钢提高设备作业率
    ◆MMS：LFC表面纵裂检测以提高产品质量
    ◆MTM：结晶器温度成像—通过传热可视化确保产品质量
    本论文主要关注表面纵裂的检测经验(LFC)。
    先前的LFC检测可以从传统连铸，通过检查冷铸坯的表面检测。目测检查可以和铸机结晶器热电偶的温度记录异常下降联系在一起。总之，LFC表面纵裂的出现是一种产品缺陷。在一些极端情况下，由于LFC影响造成浇铸过程中热应力撕裂坯壳，甚至造成漏钢，就会中断浇铸。
    为满足产品质量的需求，数据库必须监控并识别工艺数据和LFC缺陷，通过自学习以形成最优的工艺数据设置，以便最大限度地减少缺陷的发生。这要依靠全自动化系统，最重要是要减少误报警率。
    研发的模型与CSP?铸机结晶器监控系统(MMS)的热电偶一起运行。该系统作为一个附加的MMS功能在3个不同钢厂的5流铸机上运行。
    3.1 LFC特点和基本算法流程图
    LFC算法主要针对结晶器内部出现的裂纹。通过金相学研究显示结晶器保护渣成分以及裂纹的连续反应产物，来证明缺陷的来源。LFC在铸坯宽边上的长度可能为几厘米到几米不等。图4显示了3组不同的形式。
    图4（a）显示的是薄板坯连铸里最普遍的LFC，此LFC与凹坑在一起，浅边的总宽度大约为20mm。裂纹位于凹坑的下部并沿浇铸方向。若裂纹在结晶器内撕裂，即为图4（b）显示的溢流型凹坑。最后，图4（c）显示的是典型的尖角形态的热裂纹。浇铸方向的裂纹形态经常在宽度方向上变化位置。所有上述裂纹类型都是受结晶器内部的局部传热影响，这是由按列排放的MMS热电偶监控的。
    裂纹的检测由浇铸形式和浇铸方向接触长度内一列热电偶读数执行。为确保工业条件下，可靠地判别LFC，建议一列安置5个热电偶。
    热电偶柱列前出现缺陷时就会产生最显著的信号特征。由于产生的裂纹传热干扰宽度以及铜板的两维热流量，可以检测出距离一列热电偶±50mm地方的裂纹。
    多步技术加上数据预处理（Step 1），PCA法（Step 2），以及模糊技术诀窍（Step 3+4）提供了LFC信号很高的命中率，包括可接受的高假信号率。以下应用实例就是研发的MMS功能在薄板坯连铸机日常运行中的检测应用图解。
    3.2 LFC缺陷在人机界面的图例 (HMI)
    MMS可以产生大量的信息和过程显示数据。大部分的信息对操作工是无用的，典型的无LFC分析的温度—时间图对操作工开放。MMS—LFC图用缺陷图的方式标出浇铸过程中宽边产生的裂纹位置。图5显示靠近窄边的偏离角LFC纵裂纹。大量的LFC报警信息就会提醒操作工，缺陷产生的位置，操作工也会采取相应的措施，比如检查窄边锥度或结晶器保护渣渣圈的形成。
    3.3.保护渣开发
    新保护渣的性能可通过比较工艺稳定性与使用LFC算法制定标准的产品，来对比LFC的形成趋势。图6为a)标准保护渣与b)新测试的保护渣的直接比较。甚至经过一个相对短的试用后，还可以用不同的保护渣来比较LFC的行为发生趋势。
    3.4统计评估计算
    所有过程信息和LFC检测信息都存储在一个长期数据库中，而且与一些工艺变量的统计相关性也能实现。离线状态下使用MMS—LFC功能，可于次日评估大量的数据集。
    四、结论
    包钢、美国动力和墨西哥特尔尼3个不同的铸坯导向段延长的实例,证实了立式CSP铸机延长铸坯导向段后的性能，而且也考虑了客户的不同需求。
    独特的四缸振动器可以将四偏心式振动器转化为先进振动器，而且它还保留了快速更换方式。
    一种新的稳健LFC检测技术已经在5流薄板坯连铸机中成功开发,并集成于结晶器监控系统。系统稳健，针对热电偶故障具有比较高水平的LFC检测精度。本文介绍的方法是未来提高产品质量和改善工艺过程稳定性的强有力工具。