小方坯中间包自动化浇铸的连铸机及自动化浇铸工艺

摘要

一种小方坯生产过程中中间包自动化浇铸的连铸机，它包括：大钢包及支撑装置、中间包及中间包车装置、结晶器及振动装置、二冷喷淋冷却系统、拉矫机系统、引锭杆及存放装置、钢坯切断装置、输送辊道、钢坯推出装置，其要点在于结晶器的浇注口上加有半挂式深入保护套管，在中间包与结晶器之间具有摆动流槽，摆动流槽上连接有液压缸，摆动流槽后面接有溢流罐，结晶器内具有液面控制放射同位素源，有一个与放射同位素源相配合的控制器，控制器与液压缸相连，具有保护渣自动添加装置，保护渣自动添加机的输出导管的管口对着结晶器壁和保护套管外壁之间的空隙。本发明安装检修方便，减少人工劳动力，摆脱高温人工捞渣，提高控制的精度，减少事故率。

说明书

 技术领域

本发明涉及连续铸钢的设备，尤其是一种小方坯（150mm*150mm方以下断面）连铸机自动化生产线。

背景技术

根据现有文献在冶金行业大方坯（200*180mm²以上钢坯）、板坯（600*150 mm²以上钢坯）实现无人自动化浇铸技术已有国外厂家实现（奥钢联、德国西马克公司、意大利康梯纽公司等）。 

唯独在小方坯连铸机生产中还没有成功范例。小方坯是指150*150mm²方、120*120 mm²方以下断面的钢坯，然而恰恰是这些小断面钢坯，是市场需求建材类最大消耗品，如槽钢、角钢、圆钢、螺纹钢、φ8mm盘条圆钢、φ6.5mm盘条圆钢等。 

通常将连铸机工艺分成9大环节：1.大钢包及支撑装置、2.中间包及中间包车装置、3.结晶器及振动装置、4.二冷喷淋冷却系统、5.拉矫机系统、6.引锭杆及存放装置、7.钢坯切断装置、8.输送辊道、9.钢坯推出装置。 

要实现自动化生产，以上9大环节中最核心的是中间包钢水铸流稳定流入结晶器和结晶器液面自动控制及保护渣自动加入这一环节（即步骤2中间包钢液进入步骤3），一旦成功突破这一关口，其它各个环节自动化就相对容易了，如：自动给水、辊道自动开启和停止、火切机（液压剪）及推钢机自动运行和停止等。 

小方坯连铸机无人自动浇注操作技术的难度，这主要是由于小方坯断面小、拉坯速度快，高温液态钢水在结晶器内液面波动大。又因钢水铸流自上而下重力式自动流出，钢水流圆在φ17-10mm范围，极易引发冷凝断流、冒钢、夹杂漏钢、悬挂式漏钢、结壳拉断等事故，而使生产中断，既然事故发生是难免的，如何处理事故，减轻事故程度，避免人和机器受损就成为首要解决的问题。 

为了方便浇铸操作给视线和捞渣作业及事故处理留出空间，一般设计从中间包熔池外底面，到下面结晶器上端法兰保护盖板之间保留500-600mm的空间距离，钢流自上端的中间包定径水口流出，自上而下流入下面结晶器内（结晶器就是一个冷凝器，将液态钢水冷凝成具有一定坯壳厚度几何尺寸的固态钢坯，随着钢坯慢慢下移，冷凝坯壳连续不断的进行着，钢坯连续不断的变长），500-600mm的空间距离，是确保操作平稳进行的唯一可视点，为捞渣操作、添加润滑油脂、添加保护渣、更换保护套管、封堵盲板堵水口眼、事故处理提供了可能。 

事故处理一般有二种方式：一种是不能再继续连续浇铸事故处理，方法是只能人工把定径水口眼堵死，使钢水不再流出，或使用液压机构件将一块硬质耐火材料送入水口位置，直接封堵水口眼，使钢水不再流出。一种是事故处理完后可以继续连浇的处理，方法是使用摆动流槽将钢水暂时流向溢流罐内，事故处理完后将摆动流槽摆开到一侧，钢水正常流入结晶器；或者使用液压机构件将硬质耐材暂时封堵水口，待事故处理完毕后，再用一个定径水口将硬质耐材顶出，钢水自动流出进入结晶器内。摆动流槽和液压机构件二者相比较而言，摆动流槽内修砌耐火材料是最经济实惠和方便快捷的。 

大断面浇铸（流圆φ20-35mm）采用自中间包水口底到结晶器内全挂深入式保护水口。小方坯铸流受断面尺寸与水口外径最小极限尺寸限制（如小方坯断面150方、120方、100方、90方，相对应的定径水口直径17.5、16、15、13、10mm等规格孔径），和自上而下500-600mm保护套管水口内流程中极容易冷凝的缘故（通常钢水在大钢包中的温度为1640℃，进入中间包后温度降为1535℃，梯度温降95℃，中间包钢水进入结晶器内钢水温度是1528℃，一般钢种普碳Q235#钢的结晶温度是1515℃），虽可使用全挂式水口，但一旦出现冒钢、漏钢事故，要快速拿下整体水口所用的时间较长，容易使事故扩大化，延迟事故处理最佳有效时间，钢水极易烧坏机械设备。事故发生时操作工需要在最短时间摘下整体水口或者利用摆槽摆动冲击将水口打断，而这些可能造成高温钢水外溢，烧伤人毁坏设备，总之很被动，所以长期以来小方坯连铸机往往采用敞开式浇注模式。 

钢流敞开式浇注模式存在下列缺点：由于高温钢液流体裸露在空气中，发生剧烈的二次氧化，使3Fe+2O₂= Fe₃O₄  ，Fe被氧化成Fe₃O₄杂质并产生大量废弃固态氧化物，为避免杂质氧化物进入钢坯中，人工要将其用细铁棍一一捞出，通常左手调整拉坯速度旋钮，右手一根细钢条在结晶器里不停的捞渣操作，眼睛死死的盯住钢水液面波动范围。近距离的固定岗位操作模式成了必然，这样的人工操作就制约了自动化操作的实现，也迫使天下从事这一行业的操作工，要面对一千多度的高温钢水，在烟熏火燎中长期劳作，劳动强度大安全保障低，平台操作工频繁的捞渣操作，钢花飞溅，手脚烧伤事故时有发生。 

通常是通过添加结晶器保护渣的方式来防止高温钢液二次氧化，保护渣浮在钢液表面，使之隔开空气来解决高温钢流裸露在空气中所产生的有害固态氧化物，同时保护渣能起润滑作用，并能吸附部分其它杂质来源，使钢水纯净度得到改善。 

但钢流敞开式浇注模式却无法添加保护渣，因保护渣是粉质固体物，添加入结晶器内钢液上表面，保护渣在1528℃高温，被液化有个由固体转化成液体的时间要求，只有保护渣被高温裂解成液态时，才能铺展开在钢水上表面，当钢水遇到结晶器内壁受到冷却时会变成软化的固体钢壳，同时软化的钢壳发生收缩，在结晶器壁和软化的固体钢壳之间就会产生间隙，液态保护渣就会自动填充进间隙中，在初始钢壳和结晶器内壁之间形成一层膜，因而起到润滑作用。敞开浇注时，若是添加固体保护渣，钢水直接冲击保护渣将其包裹进钢水中，没有时间液态化就被钢水在结晶时期一同包裹在钢中，不仅起不到润滑作用，还会引起大量夹杂物超标，大大降低钢的纯净度 所以敞开浇注时添加保护渣是违反工艺纪律的行为，通常敞开浇注采用油品润滑，油品润滑方式不稳定，油膜厚薄不均，随之表现在钢坯表面质量上，（角部和内弧表面裂纹）。 

发明内容

本发明的目的是针对上述小方坯连铸机生产中存在的缺陷和问题，提供一种结构简单，能实现小方坯生产过程中中间包自动化浇铸的连铸机，为小方坯生产全过程中实现自动化浇铸提供可能。

本发明所采用的技术方案为一种小方坯生产过程中中间包自动化浇铸的连铸机，它包括：大钢包及支撑装置、中间包及中间包车装置、结晶器及振动装置、二冷喷淋冷却系统、拉矫机系统、引锭杆及存放装置、钢坯切断装置、输送辊道、钢坯推出装置，其要点在于结晶器的浇注口上加有半挂式深入保护套管，在中间包与结晶器之间具有摆动流槽，摆动流槽上连接有液压缸，摆动流槽后面接有溢流罐，结晶器内具有液面控制放射同位素源，有一个与放射同位素源相配合的控制器，控制器与液压缸相连，具有保护渣自动添加装置，保护渣自动添加机的输出导管的管口对着结晶器壁和保护套管外壁之间的空隙。 

本发明由于增加了半挂式钢流保护套管，保护渣自动添加机的输出导管的管口对着结晶器壁和保护套管外壁之间的空隙，避免了进入结晶器的钢水直接冲击保护渣，保护渣始终浮在钢水表面，以防止高温钢液二次氧化，改善钢水的纯净度，通过与放射同位素源相配合的控制器来控制摆动流槽自动摆动功能，在浇铸过程中遇到事故可自动将摆动流槽自动摆动到中间包浇铸口的下方，将钢水导入溢流罐，待事故处理完后再继续浇铸，将现有制约中间包自动化浇铸过程的所有问题解决，从而实现了中间包自动化浇铸。这样配合利用已经成熟的保护渣自动添加机和结晶器铯137液面控制技术和大钢包、中间包电子称量技术，液压技术可完全实现小方坯生产全过程的无人操作目标。 

半挂式深入保护套管的外部固定有三角支架，保护套管由三角支架固定在结晶器中心，保护套管喇叭口处的顶面与中间包底的间距大于等于260mm，最底端深入结晶器内100-150mm,保护套管下端插入结晶器钢液内80-50mm。 

保护套管管壁厚至少20mm，内孔至少20mm，插入结晶器时，保护套管外壁和结晶器内壁之间的间隙至少30mm。 

保护套管（材质：石英或镁碳），保护套管耐火材料使用时间越长越好，就必须考虑制作保护套管管壁厚至少需20mm，内孔20mm，整个保护套管圆外径尺寸最小需60mm。插入结晶器时正好留有结晶器壁和保护套管外壁之间30mm的间隙，30mm间隙才能保证起润滑作用的保护渣正常使用。 

摆动流槽2向着溢流罐22方向有3-8度的向下倾斜角度。以方便钢水流向溢流罐。 

利用本发明所述的一种小方坯生产过程中中间包自动化浇铸的连铸机实现中间包自动化浇铸的生产工艺：⑴中间包通过半挂式深入保护套管向结晶器内注入稳定的钢水，结晶器中同位素器放射出同位素粒子，接收装置受穿透粒子的疏密信号影响经过信号调整，就可以控制拉坯速度，使结晶器内钢水量始终保持在生产液位高度，钢水液面稳定在据上口100mm位置上，并控制在3-5mm范围上下波动，连续生产；结晶器内钢水液面按照在据上口开始，往下深度最低280mm,钢水液面距结晶器上口40mm为最高液位，这个区间按照最高液位40mm、中间生产液位100mm、最低液位300mm三段来设定；只有中间液位属于正常生产，最低、最高液位时属于事故情况，信号给出控制器将使摆槽动作迅速摆动到中间包浇铸口的下方，将钢水导入溢流罐； 

⑵保护渣自动添加机向结晶器壁和保护套管外壁之间的空隙自动添加保护渣；（2与1同步进行）

⑶中间包结束操作：当一个浇铸炉次达到8-12小时，接近中间包耐火材料寿命时，中间包要停止结束工作，此时中间包称量装置，检测到中间包钢水重量已达最低设定值时，发出指令使摆动流槽液压缸动作，摆动流槽摆入钢流中间位置，切断钢流继续流入结晶器，残余钢流顺着摆槽流入后面的溢流罐内，浇铸工作停止，中间包车开出浇铸位置，移动到一旁等待下次工作；

⑷突发事故自动系统的处理，当结晶器液位达到最高位置或者因漏钢钢液降至最低，铯源剂量突变时，控制器在1秒之内自动向摆动流槽液压缸发出摆动指令，使其摆动流槽摆动至中间包浇铸口的下方承接钢水流向溢流罐，阻止钢液继续进入结晶器，待人员处理事故后决定是继续浇铸或者停止，经过人员评估决定可以继续浇铸，操作一键式按钮，摆动流槽摆开，钢水流入喇叭口深入式保护套管，钢水进入结晶器内，工作继续。

利用本发明所述的一种小方坯生产过程中中间包自动化浇铸的连铸机，结合大钢包、中间包电子称量技术，液压技术实现小方坯生产全过程的自动化浇铸的生产工艺：⑴钢水注入带有电子称量装置的中间包内，钢液在中间包内缓慢上涨，电子称重装置数值也在增加，当钢水重量达到设定值时，电子称量读数与计算机联机，通过PLC指令液压站阀块使大钢包液压缸开度大小得以控制，控制使得大钢包注入中间包钢水量和中间包流出钢水量达到平衡； 

⑵中间包通过半挂式深入保护套管向结晶器内注入稳定的钢水，结晶器中同位素器放射出同位素粒子，接收装置受穿透粒子的疏密信号影响经过信号调整，就可以控制拉坯速度，使结晶器内钢水量始终保持在生产液位高度，钢水液面稳定在据上口100mm位置上，并控制在3-5mm范围上下波动，延续生产； 

⑶保护渣自动添加机向结晶器壁和保护套管外壁之间的空隙自动添加保护渣；（2与3同步进行）

⑷当第一炉大钢包钢水，快要浇铸完毕时尾期钢渣下渣检测报警仪发出蜂鸣，PLC指令液压系统自动关闭下水口，钢包承载装置移动开空钢包，将第二炉钢水移动到浇铸位置，开始连浇；

⑸大钢包下水口钢渣报警仪：是在水口位置可装配下渣报警仪，当比重较轻的钢渣穿越水口孔径时，可以使用红外线或超声波检测检出与钢液不同的色别或波形，仪器发出报警指令，通过自动程序使液压缸动作，关闭钢包下水口；

⑹中间包结束操作：当一个浇铸炉次达到8-12小时，接近中间包耐火材料寿命时，中间包要停止结束工作，此时中间包称量装置，检测到中间包钢水重量已达最低设定值时，发出指令使摆动流槽液压缸动作，摆动流槽摆入钢流中间位置，切断钢流继续流入结晶器，残余钢流顺着摆槽流入后面的溢流罐内，浇铸工作停止，中间包车开出浇铸位置，移动到一旁等待下次工作；

⑺突发事故自动系统的处理，当结晶器液位达到最高位置或者因漏钢钢液降至最低，铯源剂量突变时，计算机在1秒之内自动向摆动流槽液压缸发出摆动指令，使其摆动流槽摆动至中间包浇铸口的下方承接钢水流向溢流罐，阻止钢液继续进入结晶器，待人员处理事故后决定是继续浇铸或者停止，经过人员评估决定可以继续浇铸，操作一键式按钮，摆动流槽摆开，钢水流入喇叭口深入式保护套管，钢水进入结晶器内，工作继续。

本发明的优点在于：安装检修方便，有利于钢坯质量的提升，大幅度减少人工劳动力、少量岗位人员只做生产准备，完全摆脱高温状态下捞渣操作，提高控制的精度，减少事故率，使生产更加平稳高效。钢坯质量摆脱人为情绪因素大幅度提高，迫使上游环节必须按标准化时间提供合格的温度及钢水量，为生产数字化建模提供依据。保护渣润滑好处要远远超过油品润滑，渣膜稳定、连续性强，润滑充分。半挂深入式水口，有效的解决了事故突发时的摆动流槽工作状态，有效的连接二次开浇和最简单的操作实现，同时也保证了保护渣的有效合理使用。避免了整体式水口必须人工打断这一弊端，或者使用堵盲板方式截断钢流（堵盲板方式又需要一整套机构设置比较复杂）都不如摆动流槽截断钢流来的直接和简单。 

附图说明

图1为本发明的原理结构示意图 

    其中：1结晶器   11保护套管111三角支架   12控制器    13放射同位素源2摆动流槽21液压缸 22溢流罐4中间包  3保护渣自动添加装置 31输出导管的管口 。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细的说明，可以使本专业的技术人员更理解本发明，对下述的实施例进行修改，添加和替换都是可能的，都没有超出本发明的保护范围。 

如图1所示，一种小方坯生产过程中中间包自动化浇铸的连铸机，它包括：大钢包及支撑装置、中间包及中间包车装置、结晶器及振动装置、二冷喷淋冷却系统、拉矫机系统、引锭杆及存放装置、钢坯切断装置、输送辊道、钢坯推出装置，结晶器1的浇注口上加有半挂式深入保护套管11，在中间包4与结晶器1之间具有摆动流槽2，摆动流槽上连接有液压缸21，摆动流槽后面接有溢流罐22，结晶器1内具有液面控制放射同位素源13，有一个与放射同位素源相配合的控制器12，控制器12与液压缸21相连，具有保护渣自动添加装置3，保护渣自动添加机的输出导管的管口31对着结晶器壁和保护套管外壁之间的空隙。半挂式深入保护套管的外部固定有三角支架，半挂式深入保护套管由三角支架111固定在结晶器中心，保护套管喇叭口处的顶面与中间包底的间距大于等于260mm，最底端深入结晶器内100-150mm,保护套管下端插入结晶器钢液内80-50mm。摆动流槽2向着溢流罐22方向有3-8度的向下倾斜角度，以方便钢水流向溢流罐。 

本发明是在现有连铸机上进行改进，增加了与中间包铸流和结晶器自动化配套的相关关键设备组配：具有称量中间包重量功能的中间包车、保护渣自动添加机、结晶器铝碳质深入式半挂水口、铯137同位素结晶器液面自动控制系统、摆动流槽的（PLC及计算机）液压缸控制系统、大钢包滑动开关机构及液压缸和耐材、中间包摆动流槽（自动方式）液压缸与铯137控制。 

利用本发明所述的小方坯生产过程中中间包自动化浇铸的连铸机实现中间包自动化浇铸的生产工艺：⑴中间包通过半挂式深入保护套管向结晶器内注入稳定的钢水，结晶器中同位素器放射出同位素粒子，接收装置受穿透粒子的疏密信号影响经过信号调整，就可以控制拉坯速度，使结晶器内钢水量始终保持在生产液位高度，钢水液面稳定在据上口100mm位置上，并控制在3-5mm范围上下波动，延续生产；结晶器内钢水液面按照在据上口开始，往下深度最低280mm,钢水液面距结晶器上口40mm为最高液位，这个区间按照最高液位40mm、中间生产液位100mm、最低液位300mm三段来设定；只有中间液位属于正常生产，最低、最高液位时信号给出将使摆槽动作迅速摆动到中间包浇铸口的下方； 

⑵保护渣自动添加机向结晶器壁和保护套管外壁之间的空隙自动添加保护渣；（2与1同步进行）

⑶中间包结束操作：当一个浇铸炉次达到8-12小时，接近中间包耐火材料寿命时，中间包要停止结束工作，此时中间包称量装置，检测到中间包钢水重量已达最低设定值时，发出指令使摆动流槽液压缸动作，摆动流槽摆入钢流中间位置，切断钢流继续流入结晶器，残余钢流顺着摆槽流入后面的溢流罐内，浇铸工作停止，中间包车开出浇铸位置，移动到一旁等待下次工作；

⑷突发事故自动系统的处理，当结晶器液位达到最高位置或者因漏钢钢液降至最低，铯源剂量突变时，计算机在1秒之内自动向摆动流槽液压缸发出摆动指令，使其摆动流槽摆动至中间包浇铸口的下方承接钢水流向溢流罐，阻止钢液继续进入结晶器，待人员处理事故后决定是继续浇铸或者停止，经过人员评估决定可以继续浇铸，操作一键式按钮，摆动流槽摆开，钢水流入喇叭口深入式保护套管，钢水进入结晶器内，工作继续。

利用本发明所述的一种小方坯生产过程中中间包自动化浇铸的连铸机，结合大钢包、中间包电子称量技术，液压技术实现小方坯生产全过程的自动化浇铸的生产工艺：⑴钢水注入带有电子称量装置的中间包内，钢液在中间包内缓慢上涨，电子称重装置数值也在增加，当钢水重量达到设定值时，电子称量读数与计算机联机，通过PLC指令液压站阀块使大钢包液压缸开度大小得以控制，控制使得大钢包注入中间包钢水量和中间包流出钢水量达到平衡； 

⑵中间包通过半挂式深入保护套管向结晶器内注入稳定的钢水，结晶器中同位素器放射出同位素粒子，接收装置受穿透粒子的疏密信号影响经过信号调整，就可以控制拉坯速度，使结晶器内钢水量始终保持在生产液位高度，钢水液面稳定在据上口100mm位置上，并控制在3-5mm范围上下波动，延续生产；结晶器内钢水液面按照在据上口开始，往下深度最低280mm,钢水液面距结晶器上口40mm为最高液位，这个区间按照最高液位40mm、中间生产液位100mm、最低液位300mm三段来设定；只有中间液位属于正常生产，最低、最高液位时信号给出将使摆槽动作迅速摆动到中间包浇铸口的下方。

⑶保护渣自动添加机向结晶器壁和保护套管外壁之间的空隙自动添加保护渣； （2与3同步进行） 

⑷当第一炉大钢包钢水，快要浇铸完毕时尾期钢渣下渣检测报警仪发出蜂鸣，PLC指令液压系统自动关闭下水口，钢包承载装置移动开空钢包，将第二炉钢水移动到浇铸位置，开始连浇；

⑸大钢包下水口钢渣报警仪：是在水口位置可装配下渣报警仪，当比重较轻的钢渣穿越水口孔径时，可以使用红外线或超声波检测检出与钢液不同的色别或波形，仪器发出报警指令，通过自动程序使液压缸动作，关闭钢包下水口；

⑹中间包结束操作：当一个浇铸炉次达到8-12小时，接近中间包耐火材料寿命时，中间包要停止结束工作，此时中间包称量装置，检测到中间包钢水重量已达最低设定值时，发出指令使摆动流槽液压缸动作，摆动流槽摆入钢流中间位置，切断钢流继续流入结晶器，残余钢流顺着摆槽流入后面的溢流罐内，浇铸工作停止，中间包车开出浇铸位置，移动到一旁等待下次工作；

⑺突发事故自动系统的处理，当结晶器液位达到最高位置或者因漏钢钢液降至最低，铯源剂量突变时，计算机在1秒之内自动向摆动流槽液压缸发出摆动指令，使其摆动流槽摆动至中间包浇铸口的下方承接钢水流向溢流罐，阻止钢液继续进入结晶器，待人员处理事故后决定是继续浇铸或者停止，经过人员评估决定可以继续浇铸，操作一键式按钮，摆动流槽摆开，钢水流入喇叭口深入式保护套管，钢水进入结晶器内，工作继续。

连铸机中间包自动化后经济效益效果 

一． 按照三机三流方坯连铸平台上，常规是大包工2人、中间包操作是工5人、1个机长，共计8人。

大钢包和中间包自动化后，用人只用到3人做开浇前生产准备和生产监护即可，每个工人按照平均月收入6000元计算，少用5人的年工资费用就是6000*12*5=360000元。 

二． 三流连铸机按照年产30万吨计算，合格率一般是96%左右，用上自动化后克服了人为情绪因素生产更稳定，降低事故率提高产品质量二个百分点是有把握的，即可达98%以上。吨钢价格按照4500元每吨。 

   吨钢效益30*104*97%*4500/30*104=4365万 

   全年30*104*（97%-95%）*4500=2700万。 

全年综合效益是2700万+36万=2736万元。