一、研究的背景及問題：

連鑄是鋼鐵生產(chǎn)流程中的關(guān)鍵工序之一，其工序涉及冶煉技術(shù)和加工變形過程，因此鑄坯存在諸多的質(zhì)量問題。內(nèi)部質(zhì)量缺陷有裂紋、夾雜物、縮孔及疏松等問題，表面質(zhì)量缺陷有角橫裂、表面橫裂紋、表面縱裂紋、表面夾渣氣孔等，所有這些質(zhì)量缺陷問題，一直是連鑄科技工作者研發(fā)重點。

影響連鑄坯的質(zhì)量因素很多，如鋼水成分、密封狀況、流動控制、拉速、保護(hù)渣以及凝固和鑄機(jī)狀況等，每一個環(huán)節(jié)控制不好，都影響鑄坯的質(zhì)量，因此在連鑄生產(chǎn)過程中，鑄坯表面內(nèi)部或多或少的存在這樣、那樣的質(zhì)量問題。

就鑄坯的表面質(zhì)量而言，為了實現(xiàn)表面無缺陷，對于表面質(zhì)量要求高的鋼種（如汽車板、硅鋼等）、表面角橫裂和夾渣必須被清理掉。目前采取清理的方式是：冷卻后人工清理的方式，這樣不僅清理效率慢、熱量損失大，工人勞動強(qiáng)度大，且在清理過程中環(huán)境污染嚴(yán)重，滿足不了生產(chǎn)現(xiàn)場的要求。

開發(fā)在線自動化智能化滿足環(huán)保要求的鑄坯表面缺陷清理設(shè)備，是連鑄生產(chǎn)過程的迫切需求，也是鋼鐵公司實現(xiàn)智能化、綠色發(fā)展需要。

二、解決問題的思路與方案

1、技術(shù)思路：研究國內(nèi)外火焰清理裝置的實際現(xiàn)狀，對自動火焰清理裝置成套技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新性開發(fā)，形成具有自己知識產(chǎn)權(quán)的重大裝備技術(shù)；針對不同鋼種的清理質(zhì)量及要求，以及目前清理質(zhì)量的現(xiàn)狀，結(jié)合鋼種本身的固有物性，開發(fā)具有自主工藝模型的清理方式，滿足鑄坯的高表面質(zhì)量要求；解決原有技術(shù)裝備故障率高、漏清嚴(yán)重、作業(yè)環(huán)境差、存在安全隱患等方面的問題。

2、技術(shù)原理解決方案：自動火焰清理技術(shù)原理是通過熔化金屬表面并形成熔池，利用氧氣流與鑄坯表面熔池進(jìn)行氧化反應(yīng)，從而實現(xiàn)鑄坯表面缺陷去除的一種大型的專用設(shè)備。其核心機(jī)理如所示：

需要清理的鑄坯通過輥道輸送至火焰清理區(qū)域，首先對鑄坯進(jìn)行定位控制，然后實施燒嘴對鑄坯規(guī)格的自適應(yīng)，以上工序完成后開始燒嘴點火預(yù)熱，預(yù)熱的目是在鑄坯端部的局部區(qū)域形成熔池，當(dāng)熔池深度滿足工藝需求時，燒嘴噴射大流量平直、連續(xù)、純凈的氧氣流與熔池區(qū)域進(jìn)行氧化反應(yīng)，氧氣射流與鑄坯表面形成一個噴射角度，同時鑄坯以設(shè)定的清理速度向前運行，氧氣流推動熔池前進(jìn)，當(dāng)熔池在整個鑄坯表面流過后，鑄坯表面的缺陷將隨著熔池一并去除，完成自動火焰清理過程。

鑄坯表面清理的深度可以通過調(diào)節(jié)鑄坯移動速度、燃?xì)饬康葏?shù)來控制。自動火焰清理裝置其系統(tǒng)組成如下圖所示：

（1）自動火焰清理裝置本體系統(tǒng)，板坯連鑄自動火焰清理裝置成套技術(shù)中的核心，包括自動火焰清理裝置本體設(shè)備和能介控制系統(tǒng)，本體設(shè)備上根據(jù)清理鑄坯規(guī)格設(shè)置相應(yīng)數(shù)量的燒嘴。燒嘴為燃?xì)饨橘|(zhì)的最終用戶點，燃?xì)饨橘|(zhì)通過管道輸送至燒嘴對鑄坯進(jìn)行火焰清理，自動火焰清理裝置分配器可根據(jù)鑄坯斷面的不同而自動定尺，自動火焰清理裝置通過燒嘴的閉合接觸，自動確定板坯的規(guī)格，選擇合適的燒嘴數(shù)量投入工作范圍。能介控制系統(tǒng)為自動火焰清理裝置本體提供精確的介質(zhì)調(diào)節(jié)和穩(wěn)定的壓力控制。

（2）鑄坯輸送系統(tǒng)

鑄坯輸送系統(tǒng)主要用于鑄坯的輸送、鑄坯對中、為清理過程提供穩(wěn)定的運動速度。包括，對中輥道1套、對中裝置1套、入口夾送輥1套、惰輥小車1套、出口夾送輥1套、出口輥道1套、高溫計1套、激光檢測器4套、增量編碼器6套（鑄坯定位用2套，電機(jī)用4套）

（3）煙氣收集和除塵系統(tǒng)

自動火焰清理裝置在工作過程中產(chǎn)生煙塵，煙氣量約6000 Nm3/min，煙氣經(jīng)煙罩收集后通過地下煙道輸送到除塵系統(tǒng)。另外自動火焰清理裝置廠房外周設(shè)除塵管道，收集清理過程中從自動火焰清理裝置中溢出煙氣，并與地下煙道會合后送電除塵系統(tǒng)。主要設(shè)備組成：煙罩閘板升降裝置1套、氣缸控制設(shè)備1套、煙罩本體1套、除塵系統(tǒng)1套、除塵廢水輸送設(shè)備1套、煙道風(fēng)門擋板裝置2套、地溝除塵隧道1套、隔音室除塵風(fēng)管1套。

（4）高壓水除鱗系統(tǒng)

高壓水除鱗裝置主要用于去除清理后鑄坯表面的氧化鐵皮。主要設(shè)備包括：除鱗裝置框架1套、除鱗高壓水噴嘴1套、吹掃空氣噴嘴1套。

（5）濁環(huán)水處理系統(tǒng)

濁環(huán)水主要用于去處理火焰清理過程中的濁環(huán)水處理，并提供處理后的高壓水和低壓水給火焰清理使用。

三、主要創(chuàng)新性成果

機(jī)械火焰清理過程涉及氣固傳熱、高溫燃燒熔化及流體流動等科學(xué)問題，通過理論計算和實際實踐，取得如下創(chuàng)新性成果：

1、精確的氧分壓控制燃燒器的研制，滿足清理質(zhì)量的最佳氧分壓氣氛控制。

2、高鑄坯表面質(zhì)量的新型燒嘴開發(fā)。

傳統(tǒng)燒嘴因清理過程中速度場和壓力場不夠穩(wěn)定，清理表面容易產(chǎn)生壟溝、漏清等現(xiàn)象，無法滿足高端面板生產(chǎn)需要，通過建立三維可壓縮粘性流體流動的數(shù)值模型，模擬氣體在燒嘴中及作用在鑄坯表面的流場狀態(tài)，改進(jìn)燒嘴結(jié)構(gòu)、調(diào)整出口煤氣通道，使得清理氣體在整個鑄坯清理表面上的速度場和壓力場分布均勻、穩(wěn)定，有效解決了鑄坯清理表面出現(xiàn)的壟溝和漏清等問題。實現(xiàn)清理指標(biāo)：平整度高差≤1mm；漏清率≤5% 。

3、介質(zhì)預(yù)混精確控制技術(shù)

火焰清理過程中，高壓、大流量清理氣體的快速響應(yīng)和精確控制是最核心技術(shù)環(huán)節(jié)，由于清理過程中氧氣調(diào)節(jié)范圍大，通常需要用兩套減壓閥進(jìn)行兩次減壓控制，這種設(shè)計不僅占地空間大，響應(yīng)時間也無法滿足工藝需求，開發(fā)了一種將兩級減壓集成在一套閥體內(nèi)的專用裝置（雙膜片兩級減壓氧氣調(diào)節(jié)閥），加之前置反饋，可以保證氧氣控制點大范圍調(diào)壓，并能迅速達(dá)到設(shè)定壓力，實現(xiàn)了大流量燃?xì)鈮毫φ{(diào)節(jié)和快速響應(yīng)能力。同時，為了滿足清理周期的壓力精確穩(wěn)定性，設(shè)計開發(fā)了閉環(huán)控制系統(tǒng)（PID），用于保證清理氣體工作壓力和設(shè)定壓力的精確控制。

4、“一鍵式”機(jī)清控制技術(shù)

通過知識模型，加之在線檢測系統(tǒng)及圖像識別系統(tǒng)，結(jié)合工藝模型，實現(xiàn)火焰清理機(jī)的“一鍵式”操作，基本實現(xiàn)了機(jī)清無人化或者少人化操作，提高了鋼廠的自動化水平。 

5、獨有的煙氣控制及熔渣粒化技術(shù)

火焰清理過程中，煙氣收集和熔渣的?；恢笔抢_的難題，通過設(shè)計采用專用的水噴嘴產(chǎn)生的水簾來控制煙氣，徹底解決了煙氣外泄，所有煙氣進(jìn)入除塵系統(tǒng)，實現(xiàn)了火焰清理生產(chǎn)煙氣的環(huán)保排放。設(shè)計專用的噴嘴對清理過程中的熔渣進(jìn)行?；行Ц纳屏髓T坯表面結(jié)渣、輥面結(jié)渣和熔渣積塊等問題，同時也解決困擾的環(huán)保難題，并申請了專利。

6、安全及環(huán)保設(shè)計技術(shù)

火焰清理涉及高壓高溫燃?xì)猓?jīng)常發(fā)生燃爆安全隱患，也是困擾傳統(tǒng)設(shè)備不能正常穩(wěn)定工作的難點之一。設(shè)置緊急切斷裝置，緊急切斷的下游設(shè)置排放功能，在任何緊急狀態(tài)下首先切斷燃?xì)庵鞴苈菲鹪?，使得氧氣和煤氣不能繼續(xù)流向下游，并將下游管路中的殘余介質(zhì)排空。采用壓差控制，火焰清理機(jī)主管路供氣為1.7MPa的高壓氧氣，氧氣閥門直接打開會使得開發(fā)瞬間的流速過快，容易產(chǎn)生安全事故，通過該設(shè)計，自動檢測閥門上下游的壓力差值，在打開閥門之前預(yù)先充滿下游的氧氣管道，避免氧氣管道的流速過快。燒嘴自清潔技術(shù)，清理不同鑄坯的規(guī)格，清理燒嘴投入的工作范圍會相應(yīng)變化，工作過程對氧氣通道采用專用設(shè)備進(jìn)行自清潔。

五、應(yīng)用情況與效果

上海東震冶金科技有限公司通過近20年的持續(xù)研究和推廣使用，開發(fā)的自動火焰清理設(shè)備，通過院士專家的成果評價，達(dá)到國際先進(jìn)水平。具體見下表：

近5年以來，不僅開發(fā)了板坯清理設(shè)備，也開發(fā)了方坯清理設(shè)備，實現(xiàn)了自動火焰清理設(shè)備國內(nèi)三個100%，即整機(jī)市場占有率100%，核心備件市場占有率100%，技術(shù)服務(wù)市場占有率100%；同時設(shè)備和備件遠(yuǎn)銷海外市場，如臺灣及韓國 等，深得廣大鋼鐵公司用戶的肯定和好評。