馬鋼雙板坯連鑄機結晶器優化設計

朱廣宏，鄭志成，王碩煜，楊 鈞，倪振航

(安徽馬鋼表面技術股份有限公司 安徽馬鞍山 243000)

為了滿足市場需求，馬鋼在2020年投資新建了一條重型H型鋼生產線及重型異型坯生產線。該重型異型坯產線共配置了四種端面的結晶器，分別為三種異型坯端面1300×510×140、1030×440×130、900×510×130和一種小板坯端面280×550。由于其斷面尺寸正好適合在一流異型坯的空間中設置兩流小板坯，所以稱之為“雙板坯”。該產線由國外知名公司設計，其中關鍵設備(含結晶器)也是該公司提供的，只是產線建成投產后其結晶器的使用效果并不理想，經常出現漏鋼事故，特別是生產雙板坯產品時，其提供的幾套結晶器上線使用后均在短時間內出現了漏鋼現象，因此用戶迫切的需要解決這一難題。

1 原結晶器分析

在結晶器出現漏鋼事故后，就對各項參數進行了逐一排查，均與設計相符。最終矛頭指向了結晶器錐度。國外公司作為保密技術不向用戶提供錐度設計圖。我們對原裝的雙板坯結晶器的錐度進行了檢測。我們用等距截面測量型腔尺寸，測量結果如表1所示：

表1 原裝雙板坯結晶器錐度實測數據 mm

我們根據所檢測到的數據繪制了結晶器型腔尺寸的變化曲線圖(見圖1)，從曲線的變化趨勢可以看出，原裝的結晶器錐度基本上可以分為三段，0 mm-250 mm為第一段，250 mm-450 mm為第二段，450 mm-780 mm為第三段。其設計理念符合了現下結晶器設計的主流前沿思想——使結晶器錐度設計盡可能的貼近鋼水在結晶器內冷卻收縮的形變，以達到精確控制鑄坯與結晶器表面的氣隙，保證鑄坯在結晶器內的冷卻過程與理論計算的結果相一致，進而保證高拉速生產，提高生產效率[1]。

圖1 結晶器實物型腔尺寸變化曲線圖

為了驗證其錐度是否合理，我們通過查看連續鑄鋼手冊[2]和王碩明、曹廣疇、張家泉、錢宏智等的著作[3]-[5]，使用其理論：在已知結晶器總錐度和結晶器下口尺寸的前提下，通過簡易的拋物線方程計算結晶器的型腔尺寸。

首先我們可以利用下列公式計算結晶器的下口尺寸：

a2=a+xa+A1

b2=b+xb-A2

其中a2為結晶器下口寬度尺寸；b2為結晶器下口厚度尺寸；a為鑄坯冷態公稱寬度尺寸；b為鑄坯冷態公稱厚度尺寸；x為收縮系數，一般在1.3%-2.5%之間，本次計算取其最大值2.5%進行；A1、A2為弧形連鑄機減薄量，參照表2選取。代入公式計算結晶器下口尺寸：

寬度：a2=550+0.025×550+2=565.75 mm

厚度：b2=280+0.025×280-0=287.00 mm

表2 A 值得選擇

參考原裝機結晶器總裝圖圖示下口尺寸，取結晶器下口尺寸：寬度563.5 mm，厚度287 mm。結合實測結晶器上口水平截面尺寸：寬度569.55 mm，厚度290.25 mm(徑向尺寸為290.08 mm)代入結晶器總錐度計算公式計算結晶器總錐度：

寬度：(569.55 mm - 563.5 mm) ÷ (569.55 mm·0.78 m) ≈ 0.0136 = 1.36 %/m

厚度：(290.08 mm - 287 mm) ÷ (290.08 mm·0.78 m) ≈ 0.0136 = 1.36 %/m

我們用基于結晶器總錐度的拋物線錐度設計，根據經驗我們選擇了拋物線的簡易表達式：y=kx2，根據結晶器上下口尺寸、結晶器長度、總錐度等這些已知條件，可以得出結晶器距離下口x處的結晶器邊長尺寸表達式[6]：

其中a(x)為寬度在距離下口x處的尺寸；b(x)為厚度在距離下口x處的尺寸；R為結晶器總錐度；R’為結晶器下口錐度。我們取R’=0和R’=R代入公式，可以得到相應的錐度曲線。我們把計算所得曲線與實物測量所得曲線進行對比，如圖2所示，我們發現實物的錐度存在超出理論錐度曲線極限范圍的現象，因此需要對其進行優化。

圖2 型腔理論曲線與實物曲線對比圖

2 優化設計

通過查閱相關文獻我們發現使用多錐度結晶器雖然能夠降低鑄坯縱裂紋趨勢，提高拉坯速度，但是也更強調特定的鋼種和特定的目標拉速。因此多錐度結晶器比較適合鋼種單一、拉速穩定、大批量生產的高速連鑄機；而對于連鑄品種較多、拉速底、小批量生產的連鑄機多錐度結晶器并不完全適應[7]。

通過與客戶之間的交流，該生產線的特點就是生產批量小、生產的鋼種變化多。所以并不適合使用其原裝機的結晶器。我們參考了李建超關于板坯連鑄結晶器的研究結果：單錐度結晶器更具有適應性[8]。最終決定采用單錐度。綜合結晶器總錐度、連鑄機大弧、等相關參數對結晶器型腔進行了三維造型，并優化型腔曲面。優化完成之后，我們按設計的型腔錐度繪制錐度曲線，將其所形成的曲線與圖2曲線進行綜合比較(見圖3)，所得錐度與理論單錐度曲線接近，并按該錐度制作了結晶器上線試用。

圖3 優化后型腔錐度曲線對比圖

3 結論

優化后的結晶器上線試用后效果較好，未出現漏鋼等問題，鑄坯質量達到了設計要求。隨著現代科技的發展，對于結晶器內鋼水的冷卻過程的模擬越加貼近實際。也促進了結晶器內部型腔的升級發展，從單錐度到雙錐度再到多錐度，每一次升級都伴隨著生產效率的提高。但是由于鋼種、拉速、截面尺寸等限制條件多錐度結晶器只適用于大批量、單品種連鑄生產線。而對于小批量、多品種的連鑄生產線則是單錐度結晶器更適合。