连铸宽厚板坯窄面鼓肚分析与解决方法

周士凯，王西林，王 新，田松林，孟 春

(1.中国重型机械研究院股份公司，陕西 西安 710032;2.南阳汉冶特钢有限公司，河南 南阳 474500)

0 前言

南阳汉冶特钢3#连铸机是中国重型机械研究院自主创新设计的420 mm×2 700 mm直弧形连铸机，该连铸机采用了先进的连铸设备和工艺技术，如结晶器在线调宽、漏钢预报及结晶器专家系统、二冷水动态控制及随铸坯宽度变化的二冷幅切技术、动态轻压下技术等。投产后分别浇注了厚度250 mm、300 mm、350 mm、400 mm，多个钢种。在浇注300 mm厚Q460C钢时，窄面出现10～12 mm鼓肚。

窄面鼓肚可能会造成板坯断面尺寸超差、角部纵裂纹和三角区裂纹，甚至漏钢，严重影响连铸坯的产量和质量。

1 窄面鼓肚分析

3#连铸机主要参数见表1，Q460C的目标成分见表2。由Q460C的成分可知，该钢种为包晶钢，钢水在凝固时会发生包晶反应 (L+δ→γ)，伴随着较大的相变体积收缩，初生凝固坯壳生长不均匀，易造成铸坯表面的质量问题。为使结晶器内初生凝固坯壳均匀生长，结晶器冷却制度采用弱冷，其结果是出结晶器坯壳厚度较薄，在钢水静压力的作用下，会产生较大鼓肚。

表1 3#连铸机主要参数Tab.1 Main parameters of 3#continuous caster

表2 Q460C目标成分Tab.2 Composition of Q460C casting slab

浇注300 mm厚Q460C钢窄面鼓肚情况如图1所示。

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

结合汉冶特钢实际情况分析认为，窄面支撑长度短、窄面冷却强度弱、窄面足辊锥度小是导致窄面鼓肚的主要原因。

1.1 窄面足辊支撑长度分析

由于结晶器采用弱冷制度，铸坯出结晶器后坯壳较薄，如果窄面没有足够支撑，由于钢水静压力的作用，铸坯窄面易产生较大鼓肚。

结晶器窄面足辊装配如图2所示，原设计300 mm厚度结晶器设置4对足辊，出结晶器后对铸坯窄面的有效支撑长度为500 mm。浇注厚300 mm，拉速为0.85 m/min的铸坯，其窄面单侧鼓肚量可通过如下公式计算:

式中，δ为鼓肚量，cm;Pi为某时刻的钢水对窄面的静压力，Pa;Ih为钢水静压力在铸坯厚度方向上的作用长度，可近似的视为铸坯厚度，cm;E为相当弹性系数，Pa;Si为某时刻的坯壳厚度，cm;ti为从足辊的有效支撑结束起，铸坯到某时刻为止所经历的时间 (ti+1=ti+Δti)，min;△ti为某时刻的时间增量，min。

在式 (1)中，△ti取0.01 min;n取60。计算窄面单侧鼓肚量。

由上可知，支撑长度短，窄面没有形成足够厚度的坯壳，在钢水静压力的作用下，窄面产生较大鼓肚，这是产生鼓肚的主要原因。

图2 结晶器窄面足辊装配Fig.2 Assembly of narrow foot roll of crystallizer

1.2 窄面足辊区冷却强度分析

由于结晶器冷却采用弱冷制度，铸坯出结晶器后表面温度高，窄面足辊区需采用较强的冷却制度，以降低铸坯表面温度，增加坯壳厚度，提高坯壳高温强度以抵抗钢水静压力。

由图2可知，窄面冷却长度约为600 mm;表3所示为浇注300 mm厚Q460C时，窄面足辊(两侧)冷却水量。现场试验表明窄面冷却区长度短铸坯不能得到有效地冷却，这也是窄面鼓肚产生的重要原因。

表3 窄面足辊水量Tab.3 Water consumption of narrow foot roll

1.3 窄面足辊锥度分析

铸坯出结晶器后，在二冷区继续冷却，坯壳逐渐变厚，铸坯凝固收缩，当结晶器窄面足辊锥度小于坯壳在宽度方向上的收缩比例时，足辊就不能及时给铸坯有效支撑，在钢水静压力的作用下加剧鼓肚。

浇注300 mm厚Q460C时，结晶器铜板设定锥度为1.05%，窄面足辊锥度为0，不能根据坯壳的收缩对窄面给予支撑。

2 窄面鼓肚解决方法

结合上述窄面鼓肚产生的原因，需对结晶器窄面足辊支撑长度、冷却区长度、冷却强度及足辊锥度等结构和工艺参数进行优化。

2.1 结晶器窄面支撑长度加长

鼓肚主要是窄面支撑长度短造成，加强对铸坯窄面的支撑，抵抗钢水静压力对窄面的作用，减轻窄面鼓肚。将窄面足辊数量由4对改为6对，支撑长度增加到760 mm。

依据公式 (1)验证，在公式 (1)中，△ti取0.01 min;n取60，经计算窄面单侧鼓肚量，满足质量控制要求。

2.2 增加窄面冷却区长度

在增加2对足辊的基础上增加2排喷嘴，即原来窄面5排改为7排喷嘴，按照窄面原水量密度，加强窄面的冷却。调整后的窄面足辊水量见表4。进一步加强了窄面的冷却。

表4 调整后的窄面足辊水量Tab.4 Water consumption of narrow foot roll after adjustment

2.3 增大窄面足辊锥度

增加窄面足辊的锥度，使结晶器窄面足辊锥度略大于坯壳的收缩比例值，给铸坯窄面及时有效地支撑。窄面足辊锥度测量示意图如图3所示，浇注300 mm×2 100 mm断面窄面足辊锥度设定值见表5(窄侧铜板锥度为1.05%)。

表5 窄面足辊锥度设定值Tab.5 Set value for taper of narrow foot roll

图3 窄面足辊锥度测量示意图Fig.3 Diagram for taper measurement of narrow foot roll

3 结论

(1)将窄面足辊数量由4对改为6对，将铸坯窄面支撑长度增加到760mm;

(2)将窄面足辊喷嘴数量由5对改为7对，平均水量密度保持不变;

(3)增加窄面足辊锥度，使结晶器窄面足辊锥度略大于坯壳的收缩比例值。

通过采取以上措施，铸坯窄面鼓肚问题得到明显改善，单侧窄面鼓肚量已控制在4mm之内，铸坯质量得到提高。

［1］王西林等.南阳汉冶特钢420 mm×2 700 mm直弧形板坯连铸机 ［J］.重型机械，2012(1):9－13.

［2］刘明延，李平.板坯连铸机［M］.北京:机械工业出版社，1990.

［3］蔡开科，程士富主编.连续铸钢原理与工艺［M］.北京:冶金工业出版社，2008.