連鑄機方圓坯結晶器工作參數相關研究進展

周 磊

（攀鋼提釩煉鋼廠， 四川 攀枝花 617000）

1 連鑄機方圓坯結晶器的主要工作參數

現有方圓坯結晶器的工作原理是通過電磁攪拌、塑形和降溫結晶，在振動、重力和拉力輔助下完成鑄坯的成形。良好的結晶條件可以提高鑄坯材質的硬度、韌度，減少表面凹陷、斷裂、中心縮孔、白亮帶等缺陷。這些條件包括拉速、過熱溫度范圍、冷卻強度和振動頻率等。黃小東研究了5Cr9Si3馬氏體耐熱不銹鋼連鑄工藝，馬氏體耐熱不銹鋼是一類含鉻和碳的合金鋼，鋼水黏性高，不易成型。研究采用高過熱工藝實現了馬氏耐熱不銹鋼的連鑄生產。在黃小東的研究中，振動方式、溫度、電磁攪拌電流大小、拉速和冷卻方式均會影響鑄坯的質量。振動方式和拉速的不同，坯殼脫離結晶器的速度不同；電磁攪拌參數不恰當，則會導致鑄坯內部缺陷。經優化實驗，研究確定了在非正弦振動、氣霧冷卻、過熱度40℃左右，拉速1.1 m/min、結晶器電磁電流375 A，末端攪拌電流400 A時，鑄坯的質量最好。曹學欠，陳衛強，陳杰在《Φ800 mm圓坯連鑄機的技術特點和應用》一文中認為振動方式、鑄機拉速、冷卻方式、過熱度控制等因素會影響連鑄效果。研究以Φ380 mm～Φ800 mm的圓柱坯為實驗對象，在采用結晶器電子攪拌和末端電磁攪拌聯用，過熱度范圍20～35℃的基礎條件下，優化了振動頻率、冷卻水量和拉速等條件。以Φ500 mm圓坯，42CrMo鋼為例，當振動平臺振幅為（0～±7.5）mm、頻率 30～350 次 /min、非正弦系數在0～0.4之間、負滑脫時間在0.10～0.25 s內、結晶器水量 260～280 m3/h，拉速 0.36～0.44 m/min 時，產出的鑄坯的碳偏析可控制在0.96～1.06范圍內。

2 方圓坯結晶器連鑄拉速參數

連鑄拉速快，產品產出效率高，但也容易導致坯殼斷裂、內部缺陷等問題。因此，連鑄拉速是方圓坯連鑄工藝研究中的重要參數。朱喜達和張立峰研究了小方圓坯連鑄機設備的技術參數設定問題，研究對象是公司生產的10流的全弧形連續矯直連鑄機，該機型可生產150 mm×150 mm的小方坯和直徑在150～250 mm之間的圓坯，冷卻采用水冷或氣霧方式，研究采用的振動平臺的振幅為±3～9 mm，拉速在0.2～3.5 m/min之間。鄒中升研究了大方圓坯連鑄機的結構特點，認為高拉速會導致拉矯機低頻抖動，穩定性下降，因此，建議開澆速度為0.1～0.2 m/min，工作運行拉速也應小于1 m/min。王文章、洪名國、高和研究了四機四流方圓坯連鑄機的結構特點，研究以直徑Φ180～Φ350 mm的圓坯和280 mm×325 mm的方坯連鑄技術為例，機型為全弧形連鑄機，鑄坯的輸出方式為輥道、橫移機和冷床，連鑄的拉速隨著坯材截面的增大而減小。截面的增大也增加了振動滑脫的摩擦力，坯殼下滑的阻力增加，因此拉速必須相應地降低[1]。

高拉速不僅影響鋼水的結晶效果，而且由于摩擦生熱等因素，鑄坯表面的熱力學狀態會發生變化，進而影響鑄坯的缺陷發生率。邱東升、吳國慶、李亮等人研究了不同拉速下結晶器內的熱力學狀態。研究以斷面150 mm×150 mm的低碳鋼為研究對象，采用二維—熱—力學耦合有限元模型，研究認為高拉速下，坯殼出坯后熱力學狀態穩定，表面周向溫差變化小，鑄坯缺陷發生率會降低。研究同時分析了鋼水過熱度對坯殼結晶狀態的影響，研究認為過熱度過大，會導致冷凝后坯殼表面周向溫差的擴大，進而導致坯殼表面的拉應增大，從而增加了鑄坯的缺陷發生率。試驗在過熱度20～30℃條件下進行。采用方坯水量2 250 L/min，流速9.8 m/s；圓坯水量 1 950 L/min，流速10.5 m/s的冷卻方案。保護渣堿度0.90～1.20，保護渣主要成分包括氧化鈣、三氧化二鋁和二氧化硅等。保護渣的作用主要是保證結晶器向坯殼傳熱的均勻性，潤滑結晶器壁。通過冷卻方案和保護渣方案優化，方坯的工作拉速平均提高了0.2 m/min，達到1.5 m/min左右，圓坯的工作拉速平均提高了0.25 m/min，達到1.6 m/min左右。

3 方圓坯結晶器平臺振動參數

振動的結晶器出坯方式可防止結晶器壁與坯殼黏著。重力、拉力和振動平臺的摩擦力等會影響坯殼出坯效果，這些作用力與結晶器平臺的振幅、振動頻率和振動波形等參數密切相關。李文濤，李瑞剛，肖俊生等研究了伺服電機控制下的結晶器振動系統設計問題。伺服電機可以通過電源的變頻控制技術實現電機運轉的有效控制，與液壓技術聯用，可以組成PLC控制下的任意波形的振動平臺系統。該系統可以通過輸入振動參數而實現結晶器平臺的跟蹤振動。實驗中，在輸入4.5 Hz頻率、偏斜率0.4，內外弧中心點位置52的非正弦曲線參數時，控制系統對振動曲線的跟蹤性能良好。何慶文、王廣連和房緒江等對改造后的萊鋼特鋼廠方圓坯共用連鑄機的性能進行了研究。該廠改造前的結晶器平臺為原有機械式四連桿設計,只能輸出正弦波曲線振動方式，且存在偏振現象[2]，因此，本次設計將機械四連桿系統改成液壓非正弦系統。為驗證改造效果，研究以180 mm×220 mm、260 mm×300 mm的方坯和Φ280 mm的圓坯為實驗對象，采用的非正弦波參數為：振幅（0～±5）mm,振動頻率 40～360 次 /min,非正弦波最大偏斜率40%。結晶器冷卻水流量180～200 t/h。經試驗驗證，鑄坯質量明顯改善。李百煉、高亦斌、王鵬等在《自振式結晶器在奧氏體不銹鋼方圓坯上的應用》一文中研究了專門針對不銹鋼結晶器振動方案。

4 方圓坯結晶器其他工作參數

電磁攪拌方式、冷卻方式、水口長度等參數也會影響鑄坯質量，相關研究人員對此類參數的設定也展開了分析。閻建武、李萬國研究了某特鋼廠Φ800 mm圓坯連鑄機的性能。該連鑄機為全弧連鑄矯直型，鑄坯的直徑可達800 mm，拉速范圍0.1～1.0 m/min，結晶器采用氣水聯用冷卻，出坯方式可聯用輥道、橫移機、起吊機等設備。為保證特大圓坯內部質量，工程采用了結晶器液面自動控制技術，鋼水攪拌采用了結晶器攪拌，二冷電磁攪拌和末端電磁攪拌的電磁攪拌聯用技術。周力、高書成、蔣棟初等在《小方坯連鑄機末端電磁攪拌位置及連鑄工藝優化實踐》一文中探討了不同的末端電磁攪拌技術對鑄坯中心偏析等質量缺陷問題的改善作用。研究用鑄機為全弧形4機4流。平臺非正弦振動，氣水聯用冷卻，實驗用鑄坯為200 mm×200 mm方坯，拉矯機距離結晶器液面14.1 m。電磁攪拌采用變頻電流形成的變化磁場實現結晶器內鋼水的流動，從而達到攪拌效果。電磁攪拌強度大有利于均勻傳熱，但過大的攪拌強度會造成液面控制困難和保護渣的混入。因此，應在現場條件下優化電磁攪拌強度，以提高鑄坯質量。電磁攪拌器的安裝高度可以影響攪拌強度，在一定的拉速條件下，改變末端電磁攪拌器的安裝高度可減少鑄坯的中心偏析等現象。實驗中，設計人員將末端電磁攪拌（FEMS）后移到距離結晶器9.85 m處，顯著地降低了碳鋼的中心偏析度。通過實驗，研究還發現二次冷卻強度與末端電磁攪拌強度需要完美匹配，否則攪拌液芯厚度會不符合要求。通過優化，研究在加強末端攪拌強度的前提下，將冷卻水量從130 m3/h降低至110 m3/h，從而抑制了鑄坯內柱狀晶生長，擴大了等軸晶區比例，改善了鑄坯質量。

馬鋮佑對結晶器水口長度對結晶器流場數值模擬的影響進行了分析[3]。研究認為由于水口長度的變化會影響水口出水的最大流速，因此，結晶器流場模擬計算時應特別注重水口長度的變化。研究以220 mm×260 mm的方坯為實驗對象，拉坯速度為0.9 m/min。水口為浸入式直通型，水口內徑40 mm，浸入結晶器液面深度為100 mm。研究采用了水口長度為 0、300、600、1 000 mm四個類型的水口，分別計算了水口出口最大流速和最大沖擊深度等數值，研究認為，為保證模擬計算數值的準確行，推薦使用水口長度為1 000 mm的原型水口。除開本文提到的拉速、振動方式、攪拌方式、出水水口長度因素，結晶器水冷的冷卻時間，壓強，結晶器的形狀等因素，也會影響方圓坯結晶器的出坯質量，后續的研究應采用多因子實驗設計方案，以確定多種影響因素下的特定方圓坯結晶器的最佳工作狀態。

[1]黃小東.連鑄工藝參數對5Cr9Si3馬氏體耐熱不銹鋼方坯質量的影響[J].江西冶金，2018（1）：24-25.

[2]曹學欠，陳衛強，陳杰.Φ800 mm圓坯連鑄機的技術特點和應用[C].高品質鋼連鑄生產技術及裝備交流會，2014.

[3]朱喜達，張立峰.小方圓坯連鑄機設備技術應用[C].連鑄裝備的技術創新和精細化生產技術交流會會議，2015.