基于熱狀態(tài)的大方坯連鑄機(jī)輥列設(shè)計(jì)

郭鵬飛

（中冶東方工程技術(shù)有限公司， 山東 青島 266555）

大方坯連鑄機(jī)由于鑄坯斷面較大，高溫坯殼在鋼水靜壓力作用下，在相鄰兩對(duì)夾輥之間乃至無機(jī)械約束的窄面都有發(fā)生鼓肚變形的可能。鼓肚變形會(huì)在坯殼中產(chǎn)生鼓肚應(yīng)力，鑄坯的鼓肚對(duì)中心偏析程度有重要的影響。此外，若鑄機(jī)輥列設(shè)計(jì)不合理，鑄坯的矯直、導(dǎo)輥位錯(cuò)及拉坯等眾多因素造成的應(yīng)力，很可能超過高溫坯殼的允許應(yīng)力，從而產(chǎn)生裂紋。因此大方坯連鑄機(jī)的輥列設(shè)計(jì)必須進(jìn)行綜合分析并詳細(xì)設(shè)計(jì)。一般來說大方坯連鑄機(jī)結(jié)晶器出口及二冷上部區(qū)域應(yīng)當(dāng)設(shè)計(jì)一段密排導(dǎo)輥段來支撐大方坯的四個(gè)面。當(dāng)坯殼在二冷區(qū)的厚度增加到足以抵擋鋼水靜壓力的作用而不至于產(chǎn)生鼓肚變形時(shí)，可以只考慮其導(dǎo)向功能省略其支撐功能，設(shè)備設(shè)計(jì)可以相應(yīng)簡化。

影響大方坯的輥列布置的因素主要有拉速、鑄坯表面溫度、鑄坯寬度厚度、輥間距、坯殼厚度、鋼水靜壓力等，其中除了表面溫度之外，其他參數(shù)一般在設(shè)計(jì)階段都可以確定。

1 表面溫度的確定

表面溫度一般用微分方程或者是有限元分析來計(jì)算，這里利用鑄坯的導(dǎo)熱微分方程進(jìn)行求解[1,2]，將鑄坯四分之一的斷面分成m排n列的格子，給定初始條件和邊界條件：

1）初始條件。t=0時(shí)，在彎月面的溫度等于澆注溫度。

2）邊界條件。鑄坯的傳熱關(guān)于中心軸對(duì)稱，中心軸可以看作是絕熱邊界。

3）結(jié)晶器表面熱流。q=A-B·t1/2.

4）二冷區(qū)表面熱流。q=h（Ts-Tw）.

5）空冷區(qū)表面熱流。q=εσ[（Ts+273）4-（To+273）4].

以上公式中：A、B是由結(jié)晶器水量、長度、進(jìn)出水溫差、冷卻面積等參數(shù)算出的常數(shù)；t是鑄坯在結(jié)晶器停留的時(shí)間，s；Ts，Tw，To分別是鑄坯表面、冷卻水和環(huán)境的溫度，℃；h是二冷綜合換熱系數(shù)，與二冷冷卻方式和強(qiáng)度等參數(shù)有關(guān)，W/（m2·℃）；ε是輻射系數(shù)黑度；σ是波爾茲曼常數(shù)，W/（m2·K4）。

通過上述初始條件和邊界條件可以建立內(nèi)部節(jié)點(diǎn)、角部節(jié)點(diǎn)、表面節(jié)點(diǎn)的差分方程[3]，經(jīng)過編程用計(jì)算機(jī)可以算出鑄坯在各個(gè)時(shí)間的表面溫度。

計(jì)算的表面溫度可以與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的表面溫度進(jìn)行比較，從而調(diào)整微分方程的各個(gè)參數(shù)，最后使得計(jì)算溫度與實(shí)測(cè)溫度比較接近。

2 密排輥列段設(shè)計(jì)

大方坯連鑄機(jī)二冷區(qū)設(shè)置密排導(dǎo)輥段，是為了減小連鑄機(jī)拉坯過程中產(chǎn)生的鼓肚變形和裂紋，提升鑄坯質(zhì)量。對(duì)于寬度小于200 mm的鑄坯，鼓肚量小于0.1 mm時(shí)，可不必設(shè)置密排導(dǎo)輥段（一般小方坯連鑄機(jī)都屬于此類）；而對(duì)于寬度大于250 mm的大方坯，則需設(shè)置一定長度的密排導(dǎo)輥段，如果鑄坯厚度大于250 mm，還需設(shè)置側(cè)導(dǎo)輥防止側(cè)面發(fā)生鼓肚變形。含碳量越高需要布置越長的密排輥[4]。

文獻(xiàn)中關(guān)于鼓肚變形的計(jì)算公式很多，主要分為按照梁彎曲理論計(jì)算和按照板彎曲理論計(jì)算。本文用公式[5，6]：

式中：P是鋼水靜壓力，P=ρgh；l是輥間距和鼓肚寬度兩者的最小值；t是輥間距間停留時(shí)間；E是相當(dāng)彈性模量是鋼的凝固溫度，Tm是凝固殼平均溫度，S是坯殼厚度。

從式（1）可以看出，變量主要是坯殼溫度和拉速以及輥間距。坯殼溫度與鋼種的凝固溫度決定了彈性模量；拉速?zèng)Q定了停留時(shí)間；輥間距和拉速?zèng)Q定了連鑄機(jī)某處坯殼的厚度。

計(jì)算時(shí)取鑄機(jī)能實(shí)現(xiàn)的最大拉速，先選定一定的輥間距，然后從結(jié)晶器出口開始算起，將此時(shí)的表面溫度代入，可以算出鼓肚變形量，一般工程上取鼓肚變形量小于0.3 mm，如果鼓肚變形量大于0.3 mm，則重新選取輥間距重新計(jì)算，直到小于鼓肚變形量的允許值為止。計(jì)算程序基本框圖如圖1所示。

圖1 計(jì)算程序框圖

3 設(shè)計(jì)實(shí)例

某廠新建1臺(tái)大方坯連鑄機(jī)，現(xiàn)有120 t轉(zhuǎn)爐1座，要求鑄機(jī)斷面320 mm×420 mm，經(jīng)計(jì)算，采用六機(jī)六流連鑄機(jī)連續(xù)矯直，平均拉速0.5～0.6 m/min，鑄機(jī)半徑R為12 m，設(shè)計(jì)的輥列如圖2所示。

圖3是在新建的連鑄機(jī)經(jīng)過熱試并運(yùn)行一段時(shí)間后，得到的低倍照片。經(jīng)檢驗(yàn)，最大角裂缺陷控制在1.0級(jí)，最大中間裂紋和中心裂紋控制在0.5級(jí)[7]。

4 結(jié)語

目前連鑄機(jī)在招標(biāo)階段，基本上業(yè)主就已經(jīng)定好了連鑄機(jī)的弧半徑、斷面、拉速等一些參數(shù)。因此，在設(shè)計(jì)階段，主要考慮的就是輥列。

圖2 320 mm×420 mm輥列圖

圖3 鑄坯的低倍照片

本文分析了輥列設(shè)計(jì)需要考慮的因素，在相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，將鑄坯的表面溫度的變化考慮進(jìn)來，綜合分析各個(gè)因素對(duì)鑄機(jī)輥列的影響，提供了密排輥段的設(shè)計(jì)方法。在上述設(shè)計(jì)原則的基礎(chǔ)上，列舉了1個(gè)320 mm×420 mm全弧形連鑄機(jī)的設(shè)計(jì)實(shí)例。經(jīng)熱試并運(yùn)行一段時(shí)間之后，在業(yè)主的檢化驗(yàn)室進(jìn)行了低倍分析，最大角裂缺陷控制在1.0級(jí)，最大中間裂紋和中心裂紋控制在0.5級(jí)。

[1]常運(yùn)合.連鑄工藝過程控制模型研究與應(yīng)用[D].北京：北京科技大學(xué)，2012.

[2]韓占光.大斷面圓坯連鑄數(shù)值仿真與過程控制研究[D].北京：北京科技大學(xué)，2010.

[3]留津津.45鋼連鑄矩形坯凝固規(guī)律和內(nèi)部質(zhì)量的研究[D].北京：北京科技大學(xué)，2010.

[4]陳馳.大方坯輥列及其計(jì)算機(jī)輔助研究[D].北京：北京科技大學(xué)，2008.

[5]陳家祥.連續(xù)鑄鋼手冊(cè)[M].北京，冶金工業(yè)出版社，1991.

[6]賈凌云.大方坯連鑄機(jī)輥列設(shè)計(jì)程序的研究[J].重型機(jī)械，1998（1）：35-38.

[7]蔡開科.連鑄坯裂紋[J].鋼鐵，1982（9）：45.