唐鋼結(jié)晶器改造

唐鋼新型薄板坯連鑄結(jié)晶器的

設(shè)計(jì)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(shù)交流會(huì)報(bào)告報(bào)告內(nèi)容1.薄板坯連鑄結(jié)晶器技術(shù)概況2.H2結(jié)晶器的特點(diǎn)3.H2結(jié)晶器的受力與凝固傳熱分析4.結(jié)晶器的設(shè)計(jì)改造及使用情況5.論文結(jié)論1.薄板坯連鑄結(jié)晶器技術(shù)概況

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

采用漏斗型結(jié)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(lǐng)域中，CSP工藝和FTSC工藝是被廣泛應(yīng)用的采用漏斗型結(jié)晶器的典型生產(chǎn)工藝。由于兩種漏斗型結(jié)晶器結(jié)構(gòu)的不同，在實(shí)際生產(chǎn)使用中表現(xiàn)出的特點(diǎn)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(shí)，在開(kāi)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(shí)（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?jī)?nèi)容1）本文針對(duì)目前FTSC薄板坯連鑄機(jī)生產(chǎn)中所表現(xiàn)出的鑄坯缺陷特征，以實(shí)際的漏斗型結(jié)晶器冷卻結(jié)構(gòu)和內(nèi)腔曲面為基礎(chǔ)，通過(guò)測(cè)定穩(wěn)定生產(chǎn)條件下結(jié)晶器銅板的溫度分布，獲得了實(shí)際生產(chǎn)不同拉速時(shí)的結(jié)晶器熱流分布；并以該熱流為邊界條件，建立了結(jié)晶器內(nèi)流動(dòng)傳熱與凝固的計(jì)算模型，模擬計(jì)算了漏斗型結(jié)晶器內(nèi)的溫度分布與坯殼凝固生長(zhǎng)狀況；分析了鑄坯縱裂紋缺陷形成的機(jī)理。2）以上述結(jié)果為依據(jù)，提出了FTSC長(zhǎng)漏斗型結(jié)晶器優(yōu)化設(shè)計(jì)和改造的方案；并將新型應(yīng)用于工業(yè)實(shí)際生產(chǎn)。2.H2結(jié)晶器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)（1）結(jié)晶器長(zhǎng)度為1200mm；（2）結(jié)晶器銅板上口單側(cè)最大開(kāi)口度為40mm；（3）結(jié)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(kāi)口度自上而下逐漸變小，由40mm變?yōu)?mm；下部高300mm，結(jié)晶器銅板始終保持8mm的開(kāi)口度。而在結(jié)晶器下部的足輥和扇形0段的前5對(duì)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(guò)渡區(qū)延長(zhǎng)到了約2100mm。（4）結(jié)晶器橫截面面上漏斗區(qū)由三個(gè)不相等的圓光滑連接，漏斗區(qū)與結(jié)晶器兩側(cè)的平面區(qū)域相交而不相切。（5）結(jié)晶器銅板工作面帶有1mm鍍鎳層。（6）結(jié)晶器冷卻方式采用打孔的圓管式冷卻。3.H2結(jié)晶器的受力與凝固傳熱分析

3.1

H2結(jié)晶器澆鑄低碳鋼時(shí)的熱流與溫度

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

H2結(jié)晶器澆鑄低碳鋼時(shí)的熱流與溫度對(duì)澆鑄低碳鋼結(jié)晶器中下部“冷結(jié)”發(fā)生時(shí)，結(jié)晶器熱面溫度與熱流分布、以及坯殼表面溫度分布進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)：由于結(jié)晶器窄邊下部磨損嚴(yán)重或窄邊錐度設(shè)計(jì)較小等原因，造成結(jié)晶器下部中心和邊部熱流降低，它使得結(jié)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(jié)晶器澆鑄中碳鋼時(shí)的熱流與溫度

H2結(jié)晶器澆鑄中碳鋼時(shí)，結(jié)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(cè)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(guò)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(dǎo)致應(yīng)力的增加，也就進(jìn)一步增大了在漏斗區(qū)的邊緣產(chǎn)生縱裂缺陷的危險(xiǎn)性。3.3漏斗型結(jié)晶器內(nèi)腔曲面結(jié)構(gòu)分析

漏斗型結(jié)晶器水平截面上曲線的設(shè)計(jì)是結(jié)晶器設(shè)計(jì)的一個(gè)重要組成部分，不同薄板坯連鑄工藝其漏斗型結(jié)晶器水平截面上的曲線結(jié)構(gòu)有所不同。FTSC工藝的H2結(jié)晶器上口曲線結(jié)構(gòu)見(jiàn)下圖。特點(diǎn)是采用兩種非等圓弧連接，凸圓半徑小于凹圓半徑。H2結(jié)晶器上口曲線形狀示意圖

為研究曲線結(jié)構(gòu)對(duì)結(jié)晶器內(nèi)坯殼受力的影響，本文對(duì)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(jì)算模型，模擬了坯殼在結(jié)晶器內(nèi)的運(yùn)動(dòng)狀況，確定了不同曲面形狀條件下坯殼在結(jié)晶器內(nèi)受力情況，得到坯殼在結(jié)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(diǎn)在X向的應(yīng)變分量

X向（鑄坯寬度方向）的應(yīng)變是直接導(dǎo)致縱裂紋產(chǎn)生的原因，圖中X向的應(yīng)變分量有正有負(fù)，應(yīng)變?cè)谇嫱拱蓟〗唤缣幐浇淖兎较颍f(shuō)明漏斗型結(jié)晶器的過(guò)渡曲面弧半徑和交界位置對(duì)鑄坯的變形有很大的影響。在靠近中心等效應(yīng)變值越大，受拉應(yīng)變，在靠近邊部是受壓變。其中，R1<R2的曲線X向應(yīng)變最差，表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是中心拉應(yīng)變最大，二是應(yīng)變的變化率最大。在漏斗區(qū)底部坯殼表面節(jié)點(diǎn)在Y向的應(yīng)變分量

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

應(yīng)變分量

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

通過(guò)三種不同圓弧曲線組合模型的對(duì)比，可知R1＝R2的等圓過(guò)渡曲面漏斗型結(jié)晶器在減少初生凝殼應(yīng)力應(yīng)變方面效果更佳。與其他兩個(gè)模型相比，該模型應(yīng)變分布更均勻，應(yīng)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(duì)比（1）

減少初生凝殼向下運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的應(yīng)力應(yīng)變一直是漏斗型結(jié)晶器上口曲線優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)。本文還對(duì)采用等圓或等拋物線組成的結(jié)晶器上口曲線進(jìn)行了分析，得出：首先在空間位置上，在結(jié)晶器漏斗區(qū)寬度和最大開(kāi)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(duì)比（2）