唐钢结晶器改造

唐钢新型薄板坯连铸结晶器的

设计和使用效果

钢铁研究总院唐山钢铁公司2006年11月19日2006年薄板坯连铸连轧技术交流会报告报告内容1.薄板坯连铸结晶器技术概况2.H2结晶器的特点3.H2结晶器的受力与凝固传热分析4.结晶器的设计改造及使用情况5.论文结论1.薄板坯连铸结晶器技术概况

薄板坯连铸结晶器是薄板坯连铸工艺的核心关键，也是它区别于传统连铸的明显标志。薄板坯连铸结晶器技术的演变与发展，派生了多种不同类型的不同类型的薄板坯连铸连轧新技术。如：以漏斗型结晶器为核心的CSP生产工艺、以H2长漏斗型结晶器为核心的FTSC工艺、以橄榄球型结晶器为核心的ISP工艺、以及以平行板结晶器为核心的CONROLL工艺等。

采用漏斗型结晶器生产连铸坯的

纵裂纹缺陷目前，在薄板坯连铸连轧生产领域中，CSP工艺和FTSC工艺是被广泛应用的采用漏斗型结晶器的典型生产工艺。由于两种漏斗型结晶器结构的不同，在实际生产使用中表现出的特点和铸坯裂纹缺陷也有所不同。CSP工艺铸坯纵裂纹以中碳钢（如SS400）为主，低碳钢很少，并且裂纹主要集中在铸坯宽面的1/4处。FTSC工艺在生产低碳钢（如SPHC）时，在开浇初期或拉速较低的情况下，铸坯纵裂纹主要发生在铸坯宽面的中心；在浇铸中碳钢时（如SS400），纵裂纹主要发生在铸坯宽面约1/4宽度处。本文的研究内容1）本文针对目前FTSC薄板坯连铸机生产中所表现出的铸坯缺陷特征，以实际的漏斗型结晶器冷却结构和内腔曲面为基础，通过测定稳定生产条件下结晶器铜板的温度分布，获得了实际生产不同拉速时的结晶器热流分布；并以该热流为边界条件，建立了结晶器内流动传热与凝固的计算模型，模拟计算了漏斗型结晶器内的温度分布与坯壳凝固生长状况；分析了铸坯纵裂纹缺陷形成的机理。2）以上述结果为依据，提出了FTSC长漏斗型结晶器优化设计和改造的方案；并将新型应用于工业实际生产。2.H2结晶器的结构特点（1）结晶器长度为1200mm；（2）结晶器铜板上口单侧最大开口度为40mm；（3）结晶器铜板的漏斗区分为上下两部分，上部高900mm，漏斗区开口度自上而下逐渐变小，由40mm变为8mm；下部高300mm，结晶器铜板始终保持8mm的开口度。而在结晶器下部的足辊和扇形0段的前5对二冷支撑辊仍保持鼓肚形，并逐渐转变为平辊。这样就使得漏斗型的过渡区延长到了约2100mm。（4）结晶器横截面面上漏斗区由三个不相等的圆光滑连接，漏斗区与结晶器两侧的平面区域相交而不相切。（5）结晶器铜板工作面带有1mm镀镍层。（6）结晶器冷却方式采用打孔的圆管式冷却。3.H2结晶器的受力与凝固传热分析

3.1

H2结晶器浇铸低碳钢时的热流与温度

H2结晶器浇铸低碳钢时，在开浇初期或拉速较低的情况下，在结晶器中下部中心区域经常出现低温“冷结”现象，并导致铸坯宽面的中心纵裂纹的发生。3.1

H2结晶器浇铸低碳钢时的热流与温度对浇铸低碳钢结晶器中下部“冷结”发生时，结晶器热面温度与热流分布、以及坯壳表面温度分布进行研究发现：由于结晶器窄边下部磨损严重或窄边锥度设计较小等原因，造成结晶器下部中心和边部热流降低，它使得结晶器内坯壳中心和边部温度升高。这是产生低碳钢铸坯中心裂纹和边角纵裂漏钢的主要原因。3.2

H2结晶器浇铸中碳钢时的热流与温度

H2结晶器浇铸中碳钢时，结晶器热流比较均匀，但由于铸坯断面增大，浸入式水口的通钢量加大，出口射流的冲刷使中、下部垂直中心线两侧200～500mm区间成为高温区，在横向距中心300～400mm处最大温差超过了150℃，并使得坯壳变薄。该区域正好处于漏斗区与平面区的交界处，平面与圆弧的不相切必然导致应力的增加，也就进一步增大了在漏斗区的边缘产生纵裂缺陷的危险性。3.3漏斗型结晶器内腔曲面结构分析

漏斗型结晶器水平截面上曲线的设计是结晶器设计的一个重要组成部分，不同薄板坯连铸工艺其漏斗型结晶器水平截面上的曲线结构有所不同。FTSC工艺的H2结晶器上口曲线结构见下图。特点是采用两种非等圆弧连接，凸圆半径小于凹圆半径。H2结晶器上口曲线形状示意图

为研究曲线结构对结晶器内坯壳受力的影响，本文对三种不同圆弧的搭配形式即：R1>R2、R1＝R2、R1<R2，建立了Marc软件计算模型，模拟了坯壳在结晶器内的运动状况，确定了不同曲面形状条件下坯壳在结晶器内受力情况，得到坯壳在结晶器内变形分布规律。在漏斗区底部出口处坯壳表面节点在X向的应变分量

X向（铸坯宽度方向）的应变是直接导致纵裂纹产生的原因，图中X向的应变分量有正有负，应变在曲面凸凹弧交界处附近改变方向，说明漏斗型结晶器的过渡曲面弧半径和交界位置对铸坯的变形有很大的影响。在靠近中心等效应变值越大，受拉应变，在靠近边部是受压变。其中，R1<R2的曲线X向应变最差，表现在两个方面：一是中心拉应变最大，二是应变的变化率最大。在漏斗区底部坯壳表面节点在Y向的应变分量

铸坯在Y向（厚度方向）受压应力产生压应变，Y向应变分量沿宽面中心向边部逐渐减小。其中R1>R2时的应变最大，R1＝R2时应变最小。较大的压应变虽然对铸坯质量不产生影响，但其将影响其它方向应变的增加。在漏斗区底部坯壳表面节点Z向的

应变分量

坯壳在Z向（拉坯方向）的应变量最大，并且是易使坯壳产生裂纹的拉应变。Z向应变分量沿宽面中心向两边逐渐减小，应变变化速率也趋平缓。R1>R2的应变最差，其应变值和应变速率都最大。

通过三种不同圆弧曲线组合模型的对比，可知R1＝R2的等圆过渡曲面漏斗型结晶器在减少初生凝壳应力应变方面效果更佳。与其他两个模型相比，该模型应变分布更均匀，应变梯度更小，因而性能更优越。采用等圆弧或等抛物线曲线的对比（1）

减少初生凝壳向下运动过程中的应力应变一直是漏斗型结晶器上口曲线优化设计的目标。本文还对采用等圆或等抛物线组成的结晶器上口曲线进行了分析，得出：首先在空间位置上，在结晶器漏斗区宽度和最大开口度一定的情况下，等圆和等抛物线组成的空间曲线非常相近，两曲线在空间上的位移偏差最大只有0.05mm。采用等圆弧或等抛物线曲线的对比（2）