結(jié)晶器窄面銅板結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

王文學(xué)，黃進(jìn)春，曾 晶，楊超武，史學(xué)亮

(中國重型機(jī)械研究院股份公司冶金裝備研究所，陜西 西安 710032)

0 前言

伊朗某鋼廠雙流板坯連鑄機(jī)生產(chǎn)包晶鋼、亞包晶鋼等裂紋敏感性鋼種時，鑄坯角部附近多出現(xiàn)表面縱裂以及少量橫裂、星狀裂紋等缺陷。根據(jù)國內(nèi)的生產(chǎn)經(jīng)驗，該類型鑄坯角部缺陷和連鑄工藝、設(shè)備的合理性都有不可密切的關(guān)系。通過改善連鑄工藝參數(shù)，如結(jié)晶器一次冷卻水量、二冷噴水參數(shù)優(yōu)化，設(shè)備對弧參數(shù)調(diào)整均可改善鑄坯質(zhì)量[1-2]，特別是近年來研發(fā)的內(nèi)倒角銅板改善鑄坯角部缺陷尤為突出[3-4]。 本文基于凝固計算回歸，研發(fā)一種外倒角式窄面銅板結(jié)構(gòu)，相比內(nèi)倒角結(jié)晶器銅板，通過增加銅板角部中下部空氣熱阻保證連鑄坯角部的緩冷，減少或消除鑄坯角部缺陷，提高鑄坯質(zhì)量，而且減少窄面銅板的磨損，延長窄面銅板使用壽命，減少結(jié)晶器維修量的特點。該技術(shù)為國際首創(chuàng)，得到了伊朗業(yè)主認(rèn)可。

1 板坯角部缺陷特點和原因分析

如圖1所示，鑄坯角部縱裂紋主要出現(xiàn)在鑄坯寬面邊部靠角部的縱向開裂狀缺陷，通常距離角部 10～20 mm，嚴(yán)重時將導(dǎo)致漏鋼。角部橫裂出現(xiàn)在鑄坯寬面和窄面交界處的裂紋，如圖2所示，其主要發(fā)生在振痕處，在鑄坯內(nèi)外弧的角部均出現(xiàn)。 另外還有很細(xì)小的星狀裂紋，深度約0.5～2 mm和Φ30～Φ50 mm 斑點。以上鑄坯角部缺陷的出現(xiàn)和連鑄工藝、設(shè)備的合理性都有不可密切的關(guān)系。

圖1 板坯角部縱裂

圖2 板坯角部橫裂

板坯澆鑄包晶鋼和亞包晶鋼等裂紋敏感性鋼種時，產(chǎn)生角部縱裂、橫裂的根本原因在于鋼種設(shè)計中碳含量在0.09 %～0.15 %范圍，凝固坯殼在結(jié)晶器彎月面處隨溫度下降發(fā)生包晶反應(yīng)(L+δ→γ)，伴隨較大的相變體積收縮。由于在結(jié)晶器中鑄坯角部屬于二維傳熱，冷卻速度較大以及冷卻不均勻引起的凝固收縮不均勻嚴(yán)重時就產(chǎn)生了裂紋[2]。

另外現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)該廠連鑄機(jī)窄面銅板下部的角部在澆鑄幾千噸后就出現(xiàn)嚴(yán)重磨損。根據(jù)生產(chǎn)分析，露銅基體的銅板繼續(xù)使用造成連鑄坯角部滲銅，引起鑄坯角部表面星狀裂紋，且引起幾次漏鋼事故。銅板磨損同時還增加了更換結(jié)晶器頻率，嚴(yán)重降低鑄機(jī)生產(chǎn)效率。

經(jīng)分析，幾種裂紋的出現(xiàn)不僅僅與鋼種特性有關(guān)，與連鑄工藝如結(jié)晶器寬面和窄面一冷水不協(xié)調(diào)、結(jié)晶器窄面二冷強(qiáng)度不合理，與設(shè)備參數(shù)設(shè)定如浸入式水口偏流、結(jié)晶器窄面錐度設(shè)定不合理等造成初生坯殼不均勻均有關(guān)。

因此伊朗現(xiàn)場在澆鋼過程中對結(jié)晶器冷卻參數(shù)、結(jié)晶器錐度等參數(shù)優(yōu)化調(diào)整，鑄坯質(zhì)量有所改善。但角部缺陷主要由鑄坯角部冷卻不均造成，這和設(shè)備原始設(shè)計參數(shù)有很大的關(guān)系，如窄面銅板結(jié)構(gòu)邊部水縫設(shè)計和工作面角部結(jié)構(gòu)設(shè)計等。

2 結(jié)晶器窄面銅板結(jié)構(gòu)優(yōu)化

結(jié)晶器銅板作為連鑄工藝中將液態(tài)鋼水凝固成固態(tài)坯殼的重要部件，特別是窄面銅板直接影響到鑄坯窄面角部附近的質(zhì)量。對于裂紋敏感性鋼種，通過窄面銅板角部合理性設(shè)計改善連鑄坯角部傳熱以解決鑄坯角部裂紋等缺陷是提高連鑄坯質(zhì)量是重要措施。

2.1 結(jié)晶器銅板技術(shù)現(xiàn)狀

為解決連鑄板坯角部缺陷，目前國際上對結(jié)晶器窄面銅板結(jié)構(gòu)優(yōu)化主要采用窄面銅板倒內(nèi)直角或者倒內(nèi)圓[5-7]，如圖3所示為改變窄面銅板冷卻水縫結(jié)構(gòu)技術(shù)，內(nèi)倒角布局整個銅板長度，盡管一定程度上提高了鑄坯角部質(zhì)量，但是對于銅板倒內(nèi)角，母材消耗量大，成本較高，加工復(fù)雜，該技術(shù)仍未解決銅板下部角部的磨損嚴(yán)重、銅板壽命低的問題，增加了鋼廠企業(yè)的噸鋼成本[8]。

圖3 板坯角部橫裂

2.2 新式結(jié)晶器銅板結(jié)構(gòu)

根據(jù)鋼液在結(jié)晶器中的凝固機(jī)理，通過在結(jié)晶器窄面銅板下部的角部加工外倒角增加鑄坯和銅板角部之間熱阻，保證鑄坯角部緩冷，改善鑄坯角部質(zhì)量；鑄坯角部屬于二維傳熱，角部坯殼厚、強(qiáng)度較大，直接和銅板發(fā)生滑動摩擦，降低了銅板的壽命[9-10]。因此在結(jié)晶器下部銅板角部和鑄坯角部虛接觸以改善銅板磨損和減少鑄坯角部滲銅，解決鑄坯角部星狀裂紋的產(chǎn)生，提高了銅板的利用率和使用壽命。

如圖4所示結(jié)晶器窄面銅板倒外角，根據(jù)鋼液在結(jié)晶器中的凝固收縮特性進(jìn)行計算回歸，按照計算回歸的方程在窄面銅板中下部的兩側(cè)角部，距離銅板上沿A處、在窄面銅板寬度B兩側(cè)開始加工外倒角α。這樣鑄坯角部和結(jié)晶器角部間隙向下呈線性增加，熱阻也隨之增加，實現(xiàn)鑄坯角部均勻、緩慢的冷卻，使鑄坯角部缺陷得以減少或消除，鑄坯質(zhì)量得到保證。

圖4 窄面銅板倒外角

依據(jù)鑄坯凝固計算結(jié)晶器窄面銅板下部的兩側(cè)角部加工外倒角，得到加工參數(shù)A、B以及角度α。

(1)

(2)

(3)

式中，A為銅板上沿到開始加工倒角的距離，mm；x為距離銅板上沿的尺寸，mm；B為高度x時，倒角加工后的平面寬度，mm；α為倒角角度，(°)；a為線性系數(shù)，mm/min；b為線性常數(shù)，mm；k為鋼的凝固系數(shù)， mm·min-1/2；v為設(shè)計正常拉坯速度，mm/min；C為窄面銅板下口寬度，mm。

倒角和銅板工作面相交線過渡圓角R≥50 mm，R表示倒角和工作面交點處倒圓弧R，避免尖角及銅板工作面應(yīng)力集中。根據(jù)經(jīng)驗倒角R≥50 mm才能有效改善銅板工作面應(yīng)力集中。

伊朗外方的雙流板坯連鑄機(jī)為歐洲一設(shè)計公司2012年成套供貨、投產(chǎn)。此次結(jié)晶器改造后熱試規(guī)格為200 mm×1 630 mm，熱試鋼種為包晶鋼3034即等同于Q215。生產(chǎn)實踐證明，使用設(shè)計的外倒角窄面銅板的結(jié)晶器澆鑄后，鑄坯外形尺寸和常規(guī)的無倒角結(jié)晶器生產(chǎn)的鑄坯外形無區(qū)別，和內(nèi)倒角結(jié)晶器生產(chǎn)的鑄坯角部出現(xiàn)多倒角相比，后續(xù)不需要改變軋鋼工藝，最主要是解決了包晶鋼角部裂紋缺陷。外倒角結(jié)晶器生產(chǎn)出的鑄坯尺寸規(guī)整，鑄坯窄面質(zhì)量良好，窄面無缺陷，如圖5所示。窄面銅板磨損大大改善，得到外方業(yè)主的高度認(rèn)可和贊賞。

圖5 窄面無缺陷的高質(zhì)量鑄坯

3 結(jié)論

(1)解決連鑄板坯角部缺陷，不僅僅通過連鑄工藝和設(shè)備參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，應(yīng)從原始設(shè)計就要杜絕鑄坯產(chǎn)生角部缺陷的可能性，如窄面銅板冷卻結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

(2)基于鋼液在結(jié)晶器中凝固原理，設(shè)計外倒角的窄面銅板具有加工參數(shù)A、B、角度α，倒角和銅板工作面相交線過渡圓角R。此外倒角銅板保證鑄坯角部和結(jié)晶器角部間隙呈線性增加而達(dá)到增加熱阻的目的。

(3)實踐證明，對于裂紋敏感性鋼種，外倒角窄面銅板不僅保證連鑄坯角部的緩冷，減少或消除鑄坯角部缺陷，提高鑄坯質(zhì)量，而且減少窄面銅板的磨損，延長窄面銅板使用壽命。