1、NERCCCT唐鋼新型薄板坯連鑄結(jié)晶器的唐鋼新型薄板坯連鑄結(jié)晶器的設(shè)計和使用效果設(shè)計和使用效果鋼鐵研究總院鋼鐵研究總院唐山鋼鐵公司唐山鋼鐵公司2006年年11月月19日日2006年薄板坯連鑄連軋技術(shù)交流會報告年薄板坯連鑄連軋技術(shù)交流會報告NERCCCT報告內(nèi)容報告內(nèi)容1. 薄板坯連鑄結(jié)晶器技術(shù)概況薄板坯連鑄結(jié)晶器技術(shù)概況2. H2結(jié)晶器的特點結(jié)晶器的特點3. H2結(jié)晶器的受力與凝固傳熱分析結(jié)晶器的受力與凝固傳熱分析4.結(jié)晶器的設(shè)計改造及使用情況結(jié)晶器的設(shè)計改造及使用情況5. 論文結(jié)論論文結(jié)論 NERCCCT1. 薄板坯連鑄結(jié)晶器技術(shù)概況薄板坯連鑄結(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

2、的核心關(guān)鍵，也薄板坯連鑄結(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，派生了多種不同類型的不同類型的薄術(shù)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(shù)。如：以漏斗型結(jié)晶器為核心的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、以生產(chǎn)工藝、以H2長漏斗型結(jié)晶器為核心的長漏斗型結(jié)晶器為核心的FTSC工工藝、以橄欖球型結(jié)晶器為核心的藝、以橄欖球型結(jié)晶器為核心的ISP工藝、以及以平行工藝、以及以平行板結(jié)晶器為核心的板結(jié)晶器為核心的CONROLL工藝等。工藝等。 NERC

3、CCT采用漏斗型結(jié)晶器生產(chǎn)連鑄坯的采用漏斗型結(jié)晶器生產(chǎn)連鑄坯的縱裂紋缺陷縱裂紋缺陷 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。NERCCCT本文的研究內(nèi)容本文的研究內(nèi)

4、容 1）本文針對目前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)，通過測定穩(wěn)定生產(chǎn)條件下結(jié)晶器銅板的溫度分布，獲得了實際生產(chǎn)不同拉速時的結(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)流動傳熱與凝固的計算模型，模擬計算了漏斗型結(jié)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(jī)理。 2）以上述結(jié)果為依據(jù)，提出了FTSC長漏斗型結(jié)晶器優(yōu)化設(shè)計和改造的方案；并將新型應(yīng)用于工業(yè)實際生產(chǎn)。NERCCCT2. H2結(jié)晶器的結(jié)構(gòu)特點結(jié)晶器的結(jié)構(gòu)特點（1）結(jié)晶器長度為1200mm；（2）結(jié)晶器銅板上口單側(cè)最大開口度為40mm；（3）結(jié)晶器銅

5、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(jié)晶器銅板始終保持8mm的開口度。而在結(jié)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)槠捷仭＿@樣就使得漏斗型的過渡區(qū)延長到了約2100mm。（4）結(jié)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(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。NERCCCT3. H2結(jié)晶器的受力與凝固傳熱分析結(jié)晶器的受力與凝固傳熱分析 3.1 H2結(jié)晶器澆鑄低碳鋼時的熱流與溫度結(jié)晶器澆鑄低碳鋼時的熱流與

6、溫度 H2結(jié)晶器澆鑄低碳鋼時，在開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。NERCCCT3.1 H2結(jié)晶器澆鑄低碳鋼時的熱流與溫度結(jié)晶器澆鑄低碳鋼時的熱流與溫度 對澆鑄低碳鋼結(jié)晶器中下部“冷結(jié)”發(fā)生時，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。-800-600-400-2000200400600800850900950100010501

7、100115012001250130013501400145012高度出口附近液面下 100 mm拉速 m/min. 3.2 3.5 4.0溫 度,oC距銅板中心線距離，mm低碳鋼SPHDNERCCCT3.2 H2結(jié)晶器澆鑄中碳鋼時的熱流與溫度結(jié)晶器澆鑄中碳鋼時的熱流與溫度 H2結(jié)晶器澆鑄中碳鋼時，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)200500 mm區(qū)間成為高溫區(qū)，在橫向距中心300400mm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(dǎo)致應(yīng)力的增加，也就進(jìn)一步增大了在漏

8、斗區(qū)的邊緣產(chǎn)生縱裂缺陷的危險性。NERCCCT3.3 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)計是結(jié)晶器設(shè)計的一個重要組成部分， 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(jié)晶器上口曲線形狀示意圖結(jié)晶器上口曲線形狀示意圖NERCCCT 為研究曲線結(jié)構(gòu)對結(jié)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：R1R2、R1R2、R1R2，建立了Marc軟件計算模型，模擬了坯殼在結(jié)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(jié)晶

9、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。 NERCCCT在漏斗區(qū)底部出口處坯殼表面節(jié)點在在漏斗區(qū)底部出口處坯殼表面節(jié)點在X向的應(yīng)變分量向的應(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)變在曲面凸凹弧交界處附近改變方向，說明漏斗型結(jié)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(yīng)變值越大，受拉應(yīng)變，在靠近邊部是受壓變。其中，R1R2時的應(yīng)變最大，R1R2時應(yīng)變最小。較大的壓應(yīng)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(yīng)變的增加。NERCCCT在漏斗區(qū)底部坯殼表面節(jié)點在漏斗區(qū)底部坯殼表面節(jié)點Z向的向的應(yīng)變分量應(yīng)變分量

10、 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。R1R2的應(yīng)變最差，其應(yīng)變值和應(yīng)變速率都最大。 NERCCCT 通過三種不同圓弧曲線組合模型的對比，可知R1R2的等圓過渡曲面漏斗型結(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。 NERCCCT采用等圓弧或等拋物線曲線的對比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(yīng)力應(yīng)變一直是漏斗型結(jié)晶器上口曲線優(yōu)化設(shè)計的目標(biāo)。本文還對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

11、： 首先在空間位置上，在結(jié)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。051015202530354045-240 -160-80080160240距l(xiāng)兩弧交接點的距離，mm距基準(zhǔn)面的開口度，mm拋物線圓弧-0.05-0.04-0.03-0.02-0.0100.010.020.030.040.05-240-160-80080160240距兩弧交接點的距離，mm圓弧與拋物線偏差，mmNERCCCT采用等圓弧或等拋物線曲線的對比（采用等圓弧或等拋物線曲線的對比（2） 第二，由于等圓弧曲線與等拋物線曲線在空間位置上相近，

12、其各向的應(yīng)變分量分布也相近；但與等圓曲線相比，等拋物線曲線明顯表現(xiàn)出了應(yīng)變值大和應(yīng)變分布波動大的缺點。 因此，采用等圓曲線可以較好的滿足初生凝固殼在結(jié)晶器內(nèi)受力變形的需要。X方向應(yīng)變分量Y方向應(yīng)變分量Z方向應(yīng)變分量NERCCCT3.3 結(jié)晶器漏斗區(qū)自有錐度的選擇結(jié)晶器漏斗區(qū)自有錐度的選擇 漏斗區(qū)自有錐度是指結(jié)晶器漏斗區(qū)弧線長度比結(jié)晶器出口處直線長度大所造成的錐度。典型企業(yè)薄板坯連鑄連軋生產(chǎn)線結(jié)晶器自有錐度情況見下表，可以看出：CSP結(jié)晶器漏斗區(qū)自有錐度一般在0.91.1，即漏斗區(qū)自有錐度可以滿足漏斗區(qū)內(nèi)坯殼自身凝固收縮的需要。而唐鋼FTSC鑄機(jī)結(jié)晶器由于上口銅板最大鼓肚量較小，為40mm，因此

13、其自有錐度僅為0.65%，較小的自有錐度意味著為了改善結(jié)晶器內(nèi)坯殼與結(jié)晶器的接觸，提高傳熱效率，必須從窄邊對寬面坯殼施加一個向中心的擠壓，這也就是FTSC結(jié)晶器采用大錐度的根本原因。 本次我們在新結(jié)晶器的改造中，將漏斗區(qū)自有錐度提高到了1.0。 企業(yè)名稱 唐鋼 企業(yè)B 企業(yè)C 企業(yè)D 生產(chǎn)線種類 FTSC CSP CSP CSP 最大鼓肚量mm 40 60 50 55 漏斗區(qū)自有錐度% 0.65 1.06 0.87 1.04NERCCCT3.4 錐度沿結(jié)晶器高度的分布錐度沿結(jié)晶器高度的分布 在澆鑄低碳鋼時，以窄斷面為主，結(jié)晶器總錐度為 1.73%，結(jié)晶器上口錐度為3.5%/m ，下口錐度為0.

14、3%/m ；在澆鑄寬斷面中碳鋼時，結(jié)晶器總錐度為 1.89%，上口錐度為3.3%/m ，下口錐度為0.61%/m 。 結(jié)晶器上口局部錐度過大是造成粘結(jié)的主要原因。澆鑄低碳鋼時結(jié)晶器下口錐度太小或因下口磨損造成的錐度喪失，而無法對中心漏斗區(qū)坯殼進(jìn)行補償是低碳鋼生產(chǎn)中“冷結(jié)”產(chǎn)生的根本原因。01002003004005006007008009001000110012000 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4FTSC結(jié) 晶 器 局 部 錐 度 ， %/m距結(jié)晶器下口的垂直距離，mm01002003004005006007008009001000110012000 0.5 1 1.5 2

15、2.5 3 3.5 4FTSC結(jié)晶器局部錐度，%/m距結(jié)晶器下口的垂直距離，mm1270mm低碳鋼1520mm中碳鋼NERCCCT4. 結(jié)晶器的設(shè)計改造及使用情況結(jié)晶器的設(shè)計改造及使用情況 4.1 新結(jié)晶器的結(jié)構(gòu)特點新結(jié)晶器的結(jié)構(gòu)特點 (1) 結(jié)晶器上口漏斗區(qū)曲線采用半徑相等的二個凹圓弧(弧半徑R2)和一個凸圓弧(弧半徑R1)光滑連接，結(jié)晶器漏斗區(qū)曲線與邊部直線部分保持相切過渡，這樣有助于減小坯殼的局部應(yīng)變。 (2) 提高結(jié)晶器漏斗區(qū)自有錐度，將漏斗區(qū)自有錐度設(shè)計為1.0%。 (3) 取消原H2結(jié)晶器下部8mm深的小漏斗區(qū)，新型結(jié)晶器下部300mm區(qū)域為平面區(qū)，結(jié)晶器漏斗區(qū)縮短為900mm，使

16、鑄坯在結(jié)晶器內(nèi)完成最終成型。 (4) 取消二冷支撐輥的漏斗形，二冷支撐輥全部使用平面輥。 (5) 結(jié)晶器背板的冷卻水槽與新的結(jié)晶器表面工作曲面保持平行。 (6) 熱電偶的布置方式及位置與原有結(jié)晶器保持一致。NERCCCT4.2 新結(jié)晶器使用時開澆過程的起步拉速新結(jié)晶器使用時開澆過程的起步拉速 考慮到新型結(jié)晶器漏斗區(qū)高度降低、自有錐度比原有結(jié)晶器大的特點，為了保證開澆的順利進(jìn)行，決定提高起步拉速。將起步拉速提高到3.2m/min。下圖描述了典型開澆過程連鑄機(jī)拉速變化情況。新型結(jié)晶器起鑄平穩(wěn)，經(jīng)歷大約170s的時間后，達(dá)到3.2m/min的起步拉速。在整個新結(jié)晶器的使用過程中，起步都未出現(xiàn)異常事故

17、，說明新結(jié)晶器可以滿足現(xiàn)有鑄機(jī)生產(chǎn)工藝的要求。 NERCCCT 對粘結(jié)漏鋼事故的準(zhǔn)確判斷和處理后的再起步是FTSC結(jié)晶器的一個巨大優(yōu)勢。下圖為使用新結(jié)晶器時典型粘結(jié)事故發(fā)生的拉速變化。當(dāng)發(fā)生粘結(jié)時，結(jié)晶器銅板的溫度異常變化并導(dǎo)致鑄機(jī)粘結(jié)漏鋼處理程序啟動，拉坯速度馬上降低至0。隨后連鑄機(jī)自動按照粘結(jié)處理的計算機(jī)程序執(zhí)行再啟動、恢復(fù)澆鑄。在整個結(jié)晶器試生產(chǎn)過程中，所有的粘結(jié)都得到了成功恢復(fù)。由此可見，新型結(jié)晶器完全能夠滿足了鑄機(jī)原有的漏鋼預(yù)報與粘結(jié)處理功能，并對低拉速有較好的適應(yīng)性。4.3 粘結(jié)事故發(fā)生與處理粘結(jié)事故發(fā)生與處理NERCCCT4.4 新型結(jié)晶器對鋼種和鑄坯斷面的適用性新型結(jié)晶器對鋼種

18、和鑄坯斷面的適用性 上表所示為采用新型結(jié)晶器生產(chǎn)SPHC、SS400、SS490和Q345B等4個鋼種的情況?？梢姡滦徒Y(jié)晶器對于鋼種和鑄坯斷面具有良好的適應(yīng)性，能夠生產(chǎn)不同鑄坯斷面的低碳類和中碳類鋼種。 NERCCCT4.4 新型結(jié)晶器的使用壽命新型結(jié)晶器的使用壽命 上表所示為生產(chǎn)考核階段新結(jié)晶器鍍層一次使用壽命的考核情況。從表中可以看出：有鍍層的結(jié)晶器的澆鋼總爐數(shù)為326爐，澆鋼量大約為54200噸，與唐鋼原有結(jié)晶器的使用壽命相當(dāng)。 NERCCCT4.5 鑄坯質(zhì)量鑄坯質(zhì)量 唐鋼原有結(jié)晶器在生產(chǎn)冷軋基料SPHD鋼種時，鑄坯縱裂紋或結(jié)晶器漏鋼事故的發(fā)生頻率較高，采用新型結(jié)晶器后，鑄坯質(zhì)量得到了大幅度的提高，表現(xiàn)在兩個方面：一是頭坯基本消除了鑄坯縱向裂紋；二是在鑄坯的寬面上的縱向裂紋大幅度降低。新型結(jié)晶器在低碳鋼的澆鑄試驗中，澆鋼爐數(shù)為221爐，僅在結(jié)晶器壽命達(dá)到極限時出現(xiàn)了1爐輕微縱裂。 因此可以認(rèn)為，新型結(jié)晶器在生產(chǎn)低碳鋼時的鑄坯合格率大幅度提高。NERCCCT5. 結(jié)論結(jié)論 （1）在分析研究H2結(jié)晶器結(jié)構(gòu)特征的基礎(chǔ)