唐鋼結晶器改造

唐鋼新型薄板坯連鑄結晶器的

設計和使用效果

鋼鐵研究總院唐山鋼鐵公司2006年11月19日2006年薄板坯連鑄連軋技術交流會報告報告內(nèi)容1.薄板坯連鑄結晶器技術概況2.H2結晶器的特點3.H2結晶器的受力與凝固傳熱分析4.結晶器的設計改造及使用情況5.論文結論1.薄板坯連鑄結晶器技術概況

薄板坯連鑄結晶器是薄板坯連鑄工藝的核心關鍵，也是它區(qū)別于傳統(tǒng)連鑄的明顯標志。薄板坯連鑄結晶器技術的演變與發(fā)展，派生了多種不同類型的不同類型的薄板坯連鑄連軋新技術。如：以漏斗型結晶器為核心的CSP生產(chǎn)工藝、以H2長漏斗型結晶器為核心的FTSC工藝、以橄欖球型結晶器為核心的ISP工藝、以及以平行板結晶器為核心的CONROLL工藝等。

采用漏斗型結晶器生產(chǎn)連鑄坯的

縱裂紋缺陷目前，在薄板坯連鑄連軋生產(chǎn)領域中，CSP工藝和FTSC工藝是被廣泛應用的采用漏斗型結晶器的典型生產(chǎn)工藝。由于兩種漏斗型結晶器結構的不同，在實際生產(chǎn)使用中表現(xiàn)出的特點和鑄坯裂紋缺陷也有所不同。CSP工藝鑄坯縱裂紋以中碳鋼（如SS400）為主，低碳鋼很少，并且裂紋主要集中在鑄坯寬面的1/4處。FTSC工藝在生產(chǎn)低碳鋼（如SPHC）時，在開澆初期或拉速較低的情況下，鑄坯縱裂紋主要發(fā)生在鑄坯寬面的中心；在澆鑄中碳鋼時（如SS400），縱裂紋主要發(fā)生在鑄坯寬面約1/4寬度處。本文的研究內(nèi)容1）本文針對目前FTSC薄板坯連鑄機生產(chǎn)中所表現(xiàn)出的鑄坯缺陷特征，以實際的漏斗型結晶器冷卻結構和內(nèi)腔曲面為基礎，通過測定穩(wěn)定生產(chǎn)條件下結晶器銅板的溫度分布，獲得了實際生產(chǎn)不同拉速時的結晶器熱流分布；并以該熱流為邊界條件，建立了結晶器內(nèi)流動傳熱與凝固的計算模型，模擬計算了漏斗型結晶器內(nèi)的溫度分布與坯殼凝固生長狀況；分析了鑄坯縱裂紋缺陷形成的機理。2）以上述結果為依據(jù)，提出了FTSC長漏斗型結晶器優(yōu)化設計和改造的方案；并將新型應用于工業(yè)實際生產(chǎn)。2.H2結晶器的結構特點（1）結晶器長度為1200mm；（2）結晶器銅板上口單側最大開口度為40mm；（3）結晶器銅板的漏斗區(qū)分為上下兩部分，上部高900mm，漏斗區(qū)開口度自上而下逐漸變小，由40mm變?yōu)?mm；下部高300mm，結晶器銅板始終保持8mm的開口度。而在結晶器下部的足輥和扇形0段的前5對二冷支撐輥仍保持鼓肚形，并逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槠捷?。這樣就使得漏斗型的過渡區(qū)延長到了約2100mm。（4）結晶器橫截面面上漏斗區(qū)由三個不相等的圓光滑連接，漏斗區(qū)與結晶器兩側的平面區(qū)域相交而不相切。（5）結晶器銅板工作面帶有1mm鍍鎳層。（6）結晶器冷卻方式采用打孔的圓管式冷卻。3.H2結晶器的受力與凝固傳熱分析

3.1

H2結晶器澆鑄低碳鋼時的熱流與溫度

H2結晶器澆鑄低碳鋼時，在開澆初期或拉速較低的情況下，在結晶器中下部中心區(qū)域經(jīng)常出現(xiàn)低溫“冷結”現(xiàn)象，并導致鑄坯寬面的中心縱裂紋的發(fā)生。3.1

H2結晶器澆鑄低碳鋼時的熱流與溫度對澆鑄低碳鋼結晶器中下部“冷結”發(fā)生時，結晶器熱面溫度與熱流分布、以及坯殼表面溫度分布進行研究發(fā)現(xiàn)：由于結晶器窄邊下部磨損嚴重或窄邊錐度設計較小等原因，造成結晶器下部中心和邊部熱流降低，它使得結晶器內(nèi)坯殼中心和邊部溫度升高。這是產(chǎn)生低碳鋼鑄坯中心裂紋和邊角縱裂漏鋼的主要原因。3.2

H2結晶器澆鑄中碳鋼時的熱流與溫度

H2結晶器澆鑄中碳鋼時，結晶器熱流比較均勻，但由于鑄坯斷面增大，浸入式水口的通鋼量加大，出口射流的沖刷使中、下部垂直中心線兩側200～500mm區(qū)間成為高溫區(qū)，在橫向距中心300～400mm處最大溫差超過了150℃，并使得坯殼變薄。該區(qū)域正好處于漏斗區(qū)與平面區(qū)的交界處，平面與圓弧的不相切必然導致應力的增加，也就進一步增大了在漏斗區(qū)的邊緣產(chǎn)生縱裂缺陷的危險性。3.3漏斗型結晶器內(nèi)腔曲面結構分析

漏斗型結晶器水平截面上曲線的設計是結晶器設計的一個重要組成部分，不同薄板坯連鑄工藝其漏斗型結晶器水平截面上的曲線結構有所不同。FTSC工藝的H2結晶器上口曲線結構見下圖。特點是采用兩種非等圓弧連接，凸圓半徑小于凹圓半徑。H2結晶器上口曲線形狀示意圖

為研究曲線結構對結晶器內(nèi)坯殼受力的影響，本文對三種不同圓弧的搭配形式即：R1>R2、R1＝R2、R1<R2，建立了Marc軟件計算模型，模擬了坯殼在結晶器內(nèi)的運動狀況，確定了不同曲面形狀條件下坯殼在結晶器內(nèi)受力情況，得到坯殼在結晶器內(nèi)變形分布規(guī)律。在漏斗區(qū)底部出口處坯殼表面節(jié)點在X向的應變分量

X向（鑄坯寬度方向）的應變是直接導致縱裂紋產(chǎn)生的原因，圖中X向的應變分量有正有負，應變在曲面凸凹弧交界處附近改變方向，說明漏斗型結晶器的過渡曲面弧半徑和交界位置對鑄坯的變形有很大的影響。在靠近中心等效應變值越大，受拉應變，在靠近邊部是受壓變。其中，R1<R2的曲線X向應變最差，表現(xiàn)在兩個方面：一是中心拉應變最大，二是應變的變化率最大。在漏斗區(qū)底部坯殼表面節(jié)點在Y向的應變分量

鑄坯在Y向（厚度方向）受壓應力產(chǎn)生壓應變，Y向應變分量沿寬面中心向邊部逐漸減小。其中R1>R2時的應變最大，R1＝R2時應變最小。較大的壓應變雖然對鑄坯質(zhì)量不產(chǎn)生影響，但其將影響其它方向應變的增加。在漏斗區(qū)底部坯殼表面節(jié)點Z向的

應變分量

坯殼在Z向（拉坯方向）的應變量最大，并且是易使坯殼產(chǎn)生裂紋的拉應變。Z向應變分量沿寬面中心向兩邊逐漸減小，應變變化速率也趨平緩。R1>R2的應變最差，其應變值和應變速率都最大。

通過三種不同圓弧曲線組合模型的對比，可知R1＝R2的等圓過渡曲面漏斗型結晶器在減少初生凝殼應力應變方面效果更佳。與其他兩個模型相比，該模型應變分布更均勻，應變梯度更小，因而性能更優(yōu)越。采用等圓弧或等拋物線曲線的對比（1）

減少初生凝殼向下運動過程中的應力應變一直是漏斗型結晶器上口曲線優(yōu)化設計的目標。本文還對采用等圓或等拋物線組成的結晶器上口曲線進行了分析，得出：首先在空間位置上，在結晶器漏斗區(qū)寬度和最大開口度一定的情況下，等圓和等拋物線組成的空間曲線非常相近，兩曲線在空間上的位移偏差最大只有0.05mm。采用等圓弧或等拋物線曲線的對比（2）