連鑄寬厚板坯窄面鼓肚分析與解決方法

周士凱，王西林，王 新，田松林，孟 春

(1.中國重型機械研究院股份公司，陜西 西安 710032;2.南陽漢冶特鋼有限公司，河南 南陽 474500)

0 前言

南陽漢冶特鋼3#連鑄機是中國重型機械研究院自主創新設計的420 mm×2 700 mm直弧形連鑄機，該連鑄機采用了先進的連鑄設備和工藝技術，如結晶器在線調寬、漏鋼預報及結晶器專家系統、二冷水動態控制及隨鑄坯寬度變化的二冷幅切技術、動態輕壓下技術等。投產后分別澆注了厚度250 mm、300 mm、350 mm、400 mm，多個鋼種。在澆注300 mm厚Q460C鋼時，窄面出現10～12 mm鼓肚。

窄面鼓肚可能會造成板坯斷面尺寸超差、角部縱裂紋和三角區裂紋，甚至漏鋼，嚴重影響連鑄坯的產量和質量。

1 窄面鼓肚分析

3#連鑄機主要參數見表1，Q460C的目標成分見表2。由Q460C的成分可知，該鋼種為包晶鋼，鋼水在凝固時會發生包晶反應 (L+δ→γ)，伴隨著較大的相變體積收縮，初生凝固坯殼生長不均勻，易造成鑄坯表面的質量問題。為使結晶器內初生凝固坯殼均勻生長，結晶器冷卻制度采用弱冷，其結果是出結晶器坯殼厚度較薄，在鋼水靜壓力的作用下，會產生較大鼓肚。

表1 3#連鑄機主要參數Tab.1 Main parameters of 3#continuous caster

表2 Q460C目標成分Tab.2 Composition of Q460C casting slab

澆注300 mm厚Q460C鋼窄面鼓肚情況如圖1所示。

圖1 300 mm厚Q460C鋼窄面鼓肚Fig.1 Bulging on narrow face of 300 mm thick slab of Q460C steel

結合漢冶特鋼實際情況分析認為，窄面支撐長度短、窄面冷卻強度弱、窄面足輥錐度小是導致窄面鼓肚的主要原因。

1.1 窄面足輥支撐長度分析

由于結晶器采用弱冷制度，鑄坯出結晶器后坯殼較薄，如果窄面沒有足夠支撐，由于鋼水靜壓力的作用，鑄坯窄面易產生較大鼓肚。

結晶器窄面足輥裝配如圖2所示，原設計300 mm厚度結晶器設置4對足輥，出結晶器后對鑄坯窄面的有效支撐長度為500 mm。澆注厚300 mm，拉速為0.85 m/min的鑄坯，其窄面單側鼓肚量可通過如下公式計算:

式中，δ為鼓肚量，cm;Pi為某時刻的鋼水對窄面的靜壓力，Pa;Ih為鋼水靜壓力在鑄坯厚度方向上的作用長度，可近似的視為鑄坯厚度，cm;E為相當彈性系數，Pa;Si為某時刻的坯殼厚度，cm;ti為從足輥的有效支撐結束起，鑄坯到某時刻為止所經歷的時間 (ti+1=ti+Δti)，min;△ti為某時刻的時間增量，min。

在式 (1)中，△ti取0.01 min;n取60。計算窄面單側鼓肚量。

由上可知，支撐長度短，窄面沒有形成足夠厚度的坯殼，在鋼水靜壓力的作用下，窄面產生較大鼓肚，這是產生鼓肚的主要原因。

圖2 結晶器窄面足輥裝配Fig.2 Assembly of narrow foot roll of crystallizer

1.2 窄面足輥區冷卻強度分析

由于結晶器冷卻采用弱冷制度，鑄坯出結晶器后表面溫度高，窄面足輥區需采用較強的冷卻制度，以降低鑄坯表面溫度，增加坯殼厚度，提高坯殼高溫強度以抵抗鋼水靜壓力。

由圖2可知，窄面冷卻長度約為600 mm;表3所示為澆注300 mm厚Q460C時，窄面足輥(兩側)冷卻水量。現場試驗表明窄面冷卻區長度短鑄坯不能得到有效地冷卻，這也是窄面鼓肚產生的重要原因。

表3 窄面足輥水量Tab.3 Water consumption of narrow foot roll

1.3 窄面足輥錐度分析

鑄坯出結晶器后，在二冷區繼續冷卻，坯殼逐漸變厚，鑄坯凝固收縮，當結晶器窄面足輥錐度小于坯殼在寬度方向上的收縮比例時，足輥就不能及時給鑄坯有效支撐，在鋼水靜壓力的作用下加劇鼓肚。

澆注300 mm厚Q460C時，結晶器銅板設定錐度為1.05%，窄面足輥錐度為0，不能根據坯殼的收縮對窄面給予支撐。

2 窄面鼓肚解決方法

結合上述窄面鼓肚產生的原因，需對結晶器窄面足輥支撐長度、冷卻區長度、冷卻強度及足輥錐度等結構和工藝參數進行優化。

2.1 結晶器窄面支撐長度加長

鼓肚主要是窄面支撐長度短造成，加強對鑄坯窄面的支撐，抵抗鋼水靜壓力對窄面的作用，減輕窄面鼓肚。將窄面足輥數量由4對改為6對，支撐長度增加到760 mm。

依據公式 (1)驗證，在公式 (1)中，△ti取0.01 min;n取60，經計算窄面單側鼓肚量，滿足質量控制要求。

2.2 增加窄面冷卻區長度

在增加2對足輥的基礎上增加2排噴嘴，即原來窄面5排改為7排噴嘴，按照窄面原水量密度，加強窄面的冷卻。調整后的窄面足輥水量見表4。進一步加強了窄面的冷卻。

表4 調整后的窄面足輥水量Tab.4 Water consumption of narrow foot roll after adjustment

2.3 增大窄面足輥錐度

增加窄面足輥的錐度，使結晶器窄面足輥錐度略大于坯殼的收縮比例值，給鑄坯窄面及時有效地支撐。窄面足輥錐度測量示意圖如圖3所示，澆注300 mm×2 100 mm斷面窄面足輥錐度設定值見表5(窄側銅板錐度為1.05%)。

表5 窄面足輥錐度設定值Tab.5 Set value for taper of narrow foot roll

圖3 窄面足輥錐度測量示意圖Fig.3 Diagram for taper measurement of narrow foot roll

3 結論

(1)將窄面足輥數量由4對改為6對，將鑄坯窄面支撐長度增加到760mm;

(2)將窄面足輥噴嘴數量由5對改為7對，平均水量密度保持不變;

(3)增加窄面足輥錐度，使結晶器窄面足輥錐度略大于坯殼的收縮比例值。

通過采取以上措施，鑄坯窄面鼓肚問題得到明顯改善，單側窄面鼓肚量已控制在4mm之內，鑄坯質量得到提高。

［1］王西林等.南陽漢冶特鋼420 mm×2 700 mm直弧形板坯連鑄機 ［J］.重型機械，2012(1):9－13.

［2］劉明延，李平.板坯連鑄機［M］.北京:機械工業出版社，1990.

［3］蔡開科，程士富主編.連續鑄鋼原理與工藝［M］.北京:冶金工業出版社，2008.