湛江鋼鐵4號連鑄機二冷5～9區(qū)幅切方式的研究

胡 克

（寶鋼股份湛江鋼鐵煉鋼廠，廣東 湛江 524000）

板坯角橫裂多發(fā)生在包晶鋼、中碳鋼（0.08%～0.18%）的板坯角部寬面或窄面振痕的凹部。若鋼中含有Nb、V等裂紋敏感元素，角橫裂的風(fēng)險更大。根據(jù)鐵碳合金相圖可知，高溫鋼液凝固到1495℃時，會發(fā)生包晶反應(yīng)：L+δ→γ。由于體心立方向面心立方轉(zhuǎn)變會伴隨體積的變化，導(dǎo)致凝固過程中坯殼收縮，產(chǎn)生氣隙，引起晶粒長大，坯殼塑性降低，在機械外力作用下容易產(chǎn)生角橫裂[1]。湛江鋼鐵4號連鑄機是由原羅涇2臺單流2300mm連鑄機搬遷改造成的1臺雙流2300mm連鑄機，投產(chǎn)后板坯角部橫裂紋缺陷嚴(yán)重，特別是中碳鋼、包晶鋼等鋼種角橫裂缺陷更加嚴(yán)重，需要通過手工火焰清理倒大圓弧角才能消除缺陷。為解決角橫裂問題，進行了多項技術(shù)改造，如結(jié)晶器錐度、結(jié)晶器振動、一冷水、二冷水、二冷氣和輥縫收縮等，其中二冷幅切參數(shù)的優(yōu)化起到了關(guān)鍵作用。

1 4號連鑄機二冷模式介紹

4號連鑄機二冷設(shè)計思路是基于鑄坯目標(biāo)表面溫度的控制方法，即根據(jù)沿拉坯方向上設(shè)置的鑄坯內(nèi)弧表面中心溫度控制點處相應(yīng)理論計算溫度值與目標(biāo)設(shè)定溫度值之間的對比并結(jié)合由離線仿真計算獲得的各區(qū)流量-溫度增量變化關(guān)系，對當(dāng)前各控制回路水量進行自動設(shè)置。板坯橫向溫度的控制原則是使橫向溫度梯度盡量小。對于板坯，存在由二維傳熱引發(fā)的邊角部過冷現(xiàn)象，通過模型在線實時調(diào)整邊部回路的噴淋流量大小或開關(guān)狀態(tài)（幅切），可以減緩鑄坯角部與鑄坯中心的溫度梯度，同時使其盡量避開鋼種的脆性溫度區(qū)間矯直，以免引發(fā)角部裂紋[2]。

4號連鑄機二冷水共分為11個區(qū)，其中5～9區(qū)為冷卻弧形段與矯直段。5～9區(qū)橫向單排有6個噴嘴，中心1對、向外1對、最外側(cè)1對噴嘴分別由單獨一路水管供水，分別稱為窄部（N）、中部（M）、寬部（W）。根據(jù)澆鑄的板坯寬度不同，噴嘴工作模式不同，具體如表1所示。

表1 4號連鑄機幅切改進前參數(shù) 單位：mm

以5～7區(qū)為例，板坯寬度小于1530mm時，只開窄部噴嘴；板坯寬度在1530～2010mm時，開窄、中部噴嘴；板坯寬度大于2010mm時，窄、中、寬部噴嘴全開。噴嘴沿鑄造方向為交錯循環(huán)分布，每個扇形段內(nèi)共7排噴嘴交錯排列，沿鑄造方向，稱第1、3、5、7排噴嘴為奇排，第2、4、6排噴嘴為偶排。5～9區(qū)內(nèi)噴嘴具體布置如圖1所示。

圖1 5～9區(qū)內(nèi)噴嘴布置圖（單位：mm）

2 水量密度公式的推導(dǎo)

對于一個噴射角度為A的噴嘴，過噴嘴中心做一截面，如圖2所示。

圖2 過噴嘴中心的噴射截面示意圖

式中：q為水量密度，L/min·mm；Q為噴嘴噴出的水量，L/min；A為噴嘴的噴射角度；h為噴嘴到內(nèi)弧表面的垂直距離，m；x為計算點到噴嘴正下方中心點的距離，m。

3 5～9區(qū)內(nèi)弧表面二冷水密度計算

因鑄機具有對稱性，所有文章僅以右側(cè)半寬為研究對象，以內(nèi)弧表面中心為原點，南側(cè)（圖2中右側(cè)）為正方向建立坐標(biāo)系。將相關(guān)尺寸數(shù)據(jù)代入式（1）中求出以下水量密度公式。

3.1 奇排噴嘴水量密度公式

只開窄部水：

0≤x＜121m時，

121m≤x＜581m時，

開窄、中部水：

0≤x＜121m 時，

121m≤x＜450m時，

450m≤x＜581m時，

581m≤x＜820m時，

窄、中、寬部水都開：

0≤x＜121m 時，

121m≤x＜450m時，

450m≤x＜581m時，

581m≤x＜735m時，

735m≤x＜820m時，

820m≤x＜1105m時，

式中：QN、QM、QW分別為窄、中、寬部單個噴嘴的水量。q1、q2、q3分別為只開窄部，開窄、中部，窄、中、寬部都開3種情況下的橫向水量密度。

偶排噴嘴水量密度公式與奇排噴嘴完全類似，這里不再列出。

3.2 水量密度分布圖

此研究的目的僅在于考察噴嘴布置及對內(nèi)弧表面橫向水量的影響，不考慮鋼種、目標(biāo)表面溫度、斷面、拉速等工藝參數(shù)，因此僅以中冷模式下拉速為1.5m/min時的實際二冷靜態(tài)水表中的水量為例，求得內(nèi)弧窄、中、寬部奇、偶排總水量如表2所示。

表2 5～9區(qū)內(nèi)弧窄、中、寬部奇、偶排總水量 單位：L/min

將表2中5～7區(qū)內(nèi)的奇排總QN（64L/min）、偶排總QN（48L/min）等水量值代入前述水量密度公式，計算x=0，1，2，…，1105（奇排噴嘴），x=0，1，2，…，975（偶排噴嘴）對應(yīng)的橫向水量密度q1、q2、q3，再將奇排與偶排水量密度相加可得到5～7區(qū)、8～9區(qū)的總水量密度。作出散點圖，并用光滑的曲線連接各點得到板坯內(nèi)弧南側(cè)半寬橫向水量密度變化趨勢圖，如圖3、4所示。

圖3 5～7區(qū)南側(cè)半寬內(nèi)弧表面二冷橫向水量密度分布

圖4 8～9區(qū)南側(cè)半寬內(nèi)弧表面二冷橫向水量密度分布

圖中的水量密度其意義可理解為在板坯內(nèi)弧表面橫向取一直線微元，線上各點從1#seg入口進入、移動到4#seg出口時獲得的總水量，從5#seg入口進入、移動到8號段出口時獲得的總水量。

4 結(jié)果分析

根據(jù)上述計算和分析結(jié)果，對4號鑄機二冷幅切參數(shù)進行優(yōu)化。優(yōu)化思路：從中心向兩邊水量先基本保持恒定，接近邊部時逐漸減小，既保證邊部弱冷，又不能留出過多空冷區(qū)導(dǎo)致回溫。改進前后的幅切參數(shù)對比如表3所示。5～9區(qū)的幅切寬度值在上圖中用虛（改進前）實（改進后）細(xì)線表示。

表3 二冷改進前后的幅切對比 單位：mm

由圖3可知，在5～7區(qū)內(nèi)，改進前當(dāng)600mm≤x＜765mm（板坯寬度1200～1530mm，4號機最小澆鑄寬度為1200mm）或820mm≤x＜980mm（板坯寬度為1640～1960mm）范圍時，邊部存在一段冷卻強度為零的區(qū)域，最大達185mm。改進后則不存在這樣的空白區(qū)。

改進后的另一個特點是，當(dāng)600mm≤x＜790mm（板坯寬度為1200～1580mm）、x＞820mm（板坯寬度＞1640mm）時，板坯邊部都有一段冷卻強度漸弱的區(qū)域，且減弱的梯度基本相等。這樣板坯內(nèi)弧表面從中心向兩邊絕大部分是均勻冷卻區(qū)，靠近邊部開始緩冷，不僅保證了橫向溫度與內(nèi)弧中心溫度的一致，并且角部的溫度得以適當(dāng)提高，降低了角部低溫進入矯直的風(fēng)險。8～9區(qū)的情況與5～7區(qū)完全類似，不再贅述。

二冷幅切參數(shù)改進后，板坯角橫裂缺陷取得了大幅改善，從投產(chǎn)初期的幾乎100%的角橫裂改進至除部分中碳合金鋼以外的鋼種零角裂。后工序角橫裂缺陷封鎖率從開工初期的最高2.69%降至0.35%。

5 結(jié)束語

（1）二冷幅切方式對板坯角部橫裂紋有較大影響，理想的冷卻方式是冷卻強度從板坯中心開始向邊部先保持恒定，再逐漸減弱，邊部空白區(qū)不能過大。（2）二冷水流量密度可通過噴嘴分布位置、噴嘴高度、噴射角度等幾何參數(shù)計算，可用于二冷冷卻效果的簡單分析。