板坯連鑄結(jié)晶器在線調(diào)寬過程坯殼運(yùn)動(dòng)行為分析

封偉華 徐永斌 馬春武

（中冶南方工程技術(shù)有限公司，湖北武漢 430223）

板坯連鑄結(jié)晶器在線調(diào)寬過程坯殼運(yùn)動(dòng)行為分析

封偉華 徐永斌 馬春武

（中冶南方工程技術(shù)有限公司，湖北武漢 430223）

將鑄坯的凝固收縮導(dǎo)入結(jié)晶器在線調(diào)寬過程，系統(tǒng)分析了結(jié)晶器在線調(diào)寬過程中坯殼的運(yùn)動(dòng)行為。研究了在線調(diào)寬過程中速度設(shè)置，調(diào)錐過程坯殼與結(jié)晶器壁面間的幾何關(guān)系。結(jié)果表明，在線調(diào)寬速度與結(jié)晶器錐度變化和拉坯速度相關(guān)。設(shè)定調(diào)寬參數(shù)時(shí)，氣隙（或擠壓量）是重要的參數(shù)。

結(jié)晶器 在線調(diào)寬 氣隙

結(jié)晶器是連鑄機(jī)的核心部件，其結(jié)構(gòu)、性能直接影響著連鑄的生產(chǎn)效率。為提高鑄機(jī)作業(yè)率和適應(yīng)連鑄連軋生產(chǎn)頻繁變化的要求，需要不斷變更鑄坯尺寸。而通過更換結(jié)晶器或停機(jī)調(diào)整結(jié)晶器尺寸的手段耗時(shí)較長，嚴(yán)重影響鋼廠的生產(chǎn)節(jié)奏和鑄機(jī)產(chǎn)量，難以適應(yīng)高效連鑄的作業(yè)要求。

板坯連鑄結(jié)晶器在線調(diào)寬技術(shù)可以在不停止?jié)茶T的情況下使結(jié)晶器窄面實(shí)現(xiàn)連續(xù)移動(dòng)，將鑄坯寬度調(diào)整到所需尺寸，大大提高了鑄機(jī)的生產(chǎn)能力和生產(chǎn)效率，可明顯增加金屬收得率，降低生產(chǎn)成本［1-2］。但該項(xiàng)技術(shù)自問世以來，由于存在較為明顯的漏鋼風(fēng)險(xiǎn)，一直飽受爭議，并沒有獲得很普遍的應(yīng)用。目前結(jié)晶器在線調(diào)寬技術(shù)也主要由外方提供。本文擬從結(jié)晶器在線調(diào)寬過程機(jī)制出發(fā)，詳細(xì)分析調(diào)寬過程中的坯殼運(yùn)動(dòng)行為，并對(duì)結(jié)晶器在線調(diào)寬速度設(shè)置進(jìn)行分析，以期為研究結(jié)晶器在線調(diào)寬提供一定指導(dǎo)。

1 數(shù)學(xué)模型

結(jié)晶器在線調(diào)寬是一個(gè)寬邊固定、窄邊連續(xù)動(dòng)作的過程。調(diào)寬過程中，窄邊銅板一般都會(huì)先經(jīng)歷一個(gè)錐度變更過程，在錐度達(dá)到預(yù)先設(shè)定值之后，銅板上下口分別以固定的調(diào)寬速度Vm開始平行移動(dòng)。當(dāng)寬度運(yùn)動(dòng)到設(shè)定值后，窄邊銅板在對(duì)應(yīng)油缸驅(qū)動(dòng)下，二次調(diào)整錐度，恢復(fù)到當(dāng)前寬度下對(duì)應(yīng)的錐度。在該過程中，調(diào)寬速度是一個(gè)重要因素，與結(jié)晶器內(nèi)坯殼的運(yùn)動(dòng)規(guī)律息息相關(guān)。因此，從結(jié)晶器內(nèi)鋼液凝固傳熱過程出發(fā)，將調(diào)寬過程中坯殼的運(yùn)動(dòng)特征作為研究對(duì)象，分析坯殼與結(jié)晶器壁面間的位置關(guān)系。圖1為結(jié)晶器在線調(diào)寬基本模型示意圖。

圖1 結(jié)晶器在線調(diào)寬基本模型示意圖Fig.1 Schematic diagram of the basicmodel of the on-linemold width adjustment

1.1 基本假設(shè)

在分析調(diào)寬過程坯殼運(yùn)動(dòng)行為前作如下假設(shè)［3］：

（1）結(jié)晶器在線調(diào)寬時(shí)，結(jié)晶器液面保持恒定；

（2）鋼液在結(jié)晶器內(nèi)收縮為線性收縮，不考慮厚度方向的收縮；

（3）忽略結(jié)晶器倒角及注流的影響。

1.2 基本原則

連鑄生產(chǎn)過程中，結(jié)晶器內(nèi)鋼液凝固形成初生坯殼，坯殼進(jìn)一步冷卻將產(chǎn)生收縮，精確考慮坯殼與壁面間的位置關(guān)系十分困難［4］。大量實(shí)踐總結(jié)發(fā)現(xiàn)，結(jié)晶器上部，初生坯殼較薄，坯殼受鋼液靜壓力作用，貼合結(jié)晶器壁面。而到結(jié)晶器下部時(shí)，初生坯殼具有一定的厚度，能夠經(jīng)受住鋼液靜壓力的擠壓作用，進(jìn)一步冷卻時(shí)形成收縮，與壁面間將會(huì)形成一定的氣隙。正常生產(chǎn)過程中的這種上部緊密貼合，下部一定間隙的關(guān)系將很難應(yīng)用到在線調(diào)寬過程中；而將鑄坯認(rèn)為是與結(jié)晶器壁面完全接觸，結(jié)晶器為單一錐度變化則是較好的簡化處理方式，這樣的錐度即結(jié)晶器初始錐度。

調(diào)寬過程中，一方面為使鑄坯與窄面銅板保持接觸，使窄邊的驅(qū)動(dòng)力保持穩(wěn)定，窄邊銅板平移變化速率應(yīng)略大于或等于坯殼的收縮速率；另一方面平移變化速率越大，可能對(duì)坯殼產(chǎn)生的間隙或者擠壓程度將越大。因此調(diào)寬變化速率等于坯殼的收縮速率則完全滿足在調(diào)寬過程中坯殼與結(jié)晶器壁面間的完美接觸，與正常生產(chǎn)相類似。

本文認(rèn)為結(jié)晶器在線調(diào)寬需要遵循的基本原則是調(diào)寬變化速率等于坯殼的收縮速率，滿足錐度變化關(guān)系；同時(shí)在調(diào)寬過程中，不考慮坯殼受形變應(yīng)力的影響。

2 調(diào)寬速度設(shè)置分析

結(jié)晶器在線調(diào)寬分為寬度減小和寬度增加兩種。調(diào)寬過程可通過錐度調(diào)節(jié)和平行移動(dòng)來實(shí)現(xiàn)。調(diào)錐和平行移動(dòng)是一個(gè)連續(xù)過程。若該過程之間強(qiáng)制出現(xiàn)時(shí)間間歇，將會(huì)增加結(jié)晶器窄面銅板的磨損，縮短結(jié)晶器壽命，嚴(yán)重時(shí)甚至出現(xiàn)漏鋼現(xiàn)象。因此應(yīng)導(dǎo)出結(jié)晶器在線調(diào)寬過程的基本速度關(guān)系。

圖2為平移調(diào)寬過程動(dòng)作分解示意圖，圖3為調(diào)寬過程速度設(shè)置關(guān)系示意圖?？梢?，從t0時(shí)刻到t1時(shí)刻，若無調(diào)寬，ABCD位置的初生凝固坯殼滿足錐度關(guān)系，發(fā)生凝固收縮變化，經(jīng)受結(jié)晶器銅板的支撐變化至abcd的位置；調(diào)寬時(shí)，窄邊銅板運(yùn)動(dòng)至ABCD位置，若保持錐度不變，則無法實(shí)現(xiàn)坯殼與結(jié)晶器壁面間的良好接觸，會(huì)產(chǎn)生氣隙。因此，完全可以利用該時(shí)刻的錐度變化關(guān)系，實(shí)現(xiàn)鑄坯收縮與結(jié)晶器壁面間的完好接觸。

圖2 平移調(diào)寬過程動(dòng)作分解示意圖Fig.2 Schematic diagram of motion decomposition in the parallel adjustment process

在調(diào)寬寬度增加過程中，結(jié)晶器初始錐度角tanα，在經(jīng)歷變錐后達(dá)到tanθ，此時(shí)，彎月面位置A點(diǎn)鋼液經(jīng)t時(shí)間內(nèi)運(yùn)動(dòng)到BD平面，為保持結(jié)晶器壁面與坯殼完好接觸，需將結(jié)晶器銅板運(yùn)動(dòng)到DE位置，此時(shí)，

坯殼運(yùn)動(dòng)距離：

結(jié)晶器銅板運(yùn)動(dòng)距離：

因此，調(diào)寬過程中結(jié)晶器銅板的運(yùn)動(dòng)速度為：

圖3 調(diào)寬過程速度設(shè)置關(guān)系示意圖Fig.3 Schematic diagram of speed relationship during width adjustment

圖4 結(jié)晶器勻速變錐Z形調(diào)寬模式動(dòng)作示意圖Fig.4 Schematic diagram of Z-type width adjustment at the same speed

式中，Vm為調(diào)寬平移速度，Vc為拉坯速度，tanθ為結(jié)晶器錐度調(diào)整后窄邊的錐度夾角值，tanα為結(jié)晶器初始錐度的夾角值。

寬度減小過程與寬度增加過程類似，方向相反。為使結(jié)晶器不對(duì)坯殼產(chǎn)生擠壓變形，結(jié)晶器運(yùn)動(dòng)速度與調(diào)寬過程相同。

平行移動(dòng)可以做到坯殼始終與壁面間完好接觸。但錐度變化過程中，坯殼不可避免與結(jié)晶器壁面間產(chǎn)生氣隙或擠壓，這個(gè)過程是調(diào)寬順行中非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。以Z形調(diào)寬模式為基礎(chǔ)［5］，詳細(xì)分析勻速變錐和加速變錐兩種類型下坯殼與壁面間的幾何運(yùn)動(dòng)關(guān)系。

3 Z模式下勻速變錐時(shí)坯殼的運(yùn)動(dòng)行為

勻速變錐過程是將變錐速度和調(diào)寬速度設(shè)定為同一速度的運(yùn)動(dòng)方式。該方式的優(yōu)勢在于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)穩(wěn)定，調(diào)寬過程見圖4。

勻速變錐包含三個(gè)動(dòng)作過程：第一步結(jié)晶器下口固定，上口勻速變錐；第二步變錐完成之后，結(jié)晶器上下口同時(shí)作勻速運(yùn)動(dòng)；第三步結(jié)晶器上口運(yùn)動(dòng)到指定位置后固定，下口以恒定速度恢復(fù)到該寬度下的錐度過程。

第一步錐度增加過程中（見圖5），在由t1運(yùn)動(dòng)到t2時(shí)間時(shí)，鑄坯與結(jié)晶器壁面間的位置關(guān)系為：若以1 m／min的拉坯速度、8 mm／min的調(diào)寬速度，圖5（b）顯示了在一個(gè)t0時(shí)間內(nèi)（t0指的是結(jié)晶器彎月面鋼液開始凝固至其拉出結(jié)晶器所耗費(fèi)時(shí)間）不同高度下，初生坯殼與結(jié)晶器壁面間的位置關(guān)系。一個(gè)t0時(shí)間內(nèi)，最大變錐范圍0～6.4 mm。調(diào)寬開始時(shí)彎月面處凝固的初生坯殼在結(jié)晶器內(nèi)經(jīng)歷與壁面的位置關(guān)系會(huì)出現(xiàn)最大間隙，最大間隙為1.6 mm。10 mm／min的調(diào)寬速度達(dá)到最大間隙為2.0 mm。資料顯示［5-6］，Z模式下最大調(diào)寬速度為10 mm／min，即坯殼與結(jié)晶器壁面間的最大間隙為2.0 mm。

第二步平移調(diào)寬過程與上述分析的平移運(yùn)動(dòng)過程相同，坯殼與結(jié)晶器壁面間保持良好接觸，不存在擠壓和變形影響。

第三步錐度恢復(fù)過程中（見圖6），由B運(yùn)動(dòng)到D的t1時(shí)間段內(nèi)，鑄坯凝固收縮關(guān)系：S1＝SW，結(jié)晶器運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的間隙：S2＝ST。

因此，錐度恢復(fù)產(chǎn)生的間隙大小為（負(fù)號(hào)代表擠壓）；

與第一步調(diào)錐錐度增大時(shí)相似，調(diào)寬完成后錐度恢復(fù)過程中，坯殼經(jīng)歷了一系列的擠壓變形關(guān)系，最大擠壓變形出現(xiàn)在錐度恢復(fù)開始時(shí)彎月面凝固的初生坯殼到其出結(jié)晶器的過程中。在所有坯殼完成錐度恢復(fù)出結(jié)晶器時(shí)，均與結(jié)晶器底邊銅板保持二次接觸。

圖5 勻速變錐Z模式下第一步變錐過程中坯殼的運(yùn)動(dòng)行為示意圖Fig.5 Schematic diagram of taper change during Z-type width adjustment at the same speed

圖6 勻速變錐Z模式下第三步錐度恢復(fù)過程中坯殼的運(yùn)動(dòng)行為示意圖Fig.6 Schematic diagram of taper recovering during Z-type width adjustment at the same speed

上述指的是Z模式下寬度增大過程。對(duì)于寬度減小過程，所出現(xiàn)的情況與此類似，僅是氣隙和擠壓出現(xiàn)的順序不同。第一步調(diào)錐過程中，坯殼與結(jié)晶器壁面出現(xiàn)擠壓變形，第三步錐度恢復(fù)時(shí)，出現(xiàn)的是間隙關(guān)系。

由此可知，Z模式下勻速變錐過程中，變錐、平移和復(fù)錐時(shí)，坯殼與結(jié)晶器壁面依次出現(xiàn)氣隙、良好接觸和擠壓關(guān)系。調(diào)寬速度受到第一次變錐過程中的時(shí)間和位移量的限制，1 m／min的拉速條件下，最大只能達(dá)到10 mm／min的調(diào)寬速度。氣隙關(guān)系是Z模式下速度設(shè)置的限制性因素，在調(diào)寬過程中需要引起注意。

4 Z模式下加速變錐時(shí)坯殼的運(yùn)動(dòng)行為

雖然勻速變錐是一個(gè)狀態(tài)較為穩(wěn)定的調(diào)寬方式，但調(diào)寬啟動(dòng)時(shí)，油缸以較大的沖擊力獲得恒定速度對(duì)設(shè)備的平穩(wěn)運(yùn)行不利，因此提出加速變錐模式。加速變錐有兩種方式，其一是在調(diào)寬開始變錐時(shí)，結(jié)晶器下部固定，上部以恒定加速度勻加速運(yùn)動(dòng)，在速度達(dá)到設(shè)定值時(shí)，上下口同時(shí)以該速度運(yùn)動(dòng)；其二是在上部速度達(dá)到設(shè)定值之后勻速運(yùn)動(dòng)，下部以相同的加速度勻加速運(yùn)動(dòng)，上下口同時(shí)達(dá)到設(shè)定速度時(shí)進(jìn)入勻速平移階段。錐度恢復(fù)過程與錐度增加過程相同。前一種加速變錐無法避免設(shè)備的沖擊，后一種加速變錐則對(duì)設(shè)備的平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)較為有利，新日鐵提出的NS-VWM調(diào)寬模式就是以此為基礎(chǔ)開發(fā)的調(diào)寬過程。因此，下面以該模式為基礎(chǔ)分析坯殼的運(yùn)動(dòng)行為。

Z模式下加速變錐過程也包含三個(gè)動(dòng)作過程（見圖7和圖8），第一步結(jié)晶器變錐，該過程第一個(gè)t0時(shí)刻內(nèi)，結(jié)晶器下口固定，上口以恒定加速度勻加速運(yùn)動(dòng)，直至上口達(dá)到設(shè)定速度Vm，第二個(gè)t0時(shí)刻內(nèi)，結(jié)晶器上口以Vm勻速運(yùn)動(dòng)，下口以恒定加速度勻加速運(yùn)動(dòng)，直至速度與上口相等，完成變錐、加速過程；第二步平移，結(jié)晶器上下口勻速運(yùn)動(dòng)到指定位置；第三部錐度恢復(fù)，在第一個(gè)t0時(shí)刻內(nèi)，結(jié)晶器上口以恒定加速度勻加速運(yùn)動(dòng)到靜止，下口以Vm勻速運(yùn)動(dòng)，第二個(gè)t0時(shí)刻內(nèi)，結(jié)晶器上口固定，下口以恒定加速度勻加速運(yùn)動(dòng)到靜止時(shí)刻，此時(shí)完成全部調(diào)錐過程。

由Z模式勻速變錐過程的分析可知，在一個(gè)t0時(shí)刻內(nèi)，最大間隙出現(xiàn)在彎月面附近的初生坯殼在結(jié)晶器內(nèi)的運(yùn)動(dòng)過程，因此可以僅對(duì)彎月面初生坯殼的運(yùn)動(dòng)行為進(jìn)行分析。

當(dāng)拉坯速度為1 m／min，調(diào)寬加速度為20 mm／min2時(shí)，在第一個(gè)t0時(shí)刻內(nèi)，彎月面位置初生坯殼與結(jié)晶器壁面間的位置關(guān)系為：

在第二個(gè)t0時(shí)刻內(nèi)，彎月面位置初生坯殼與結(jié)晶器壁面間的位置關(guān)系為：

圖7 結(jié)晶器加速變錐Z形調(diào)寬模式動(dòng)作示意圖Fig.7 Schematic diagram of Z-type width adjustment at the same acceleration

圖8 加速變錐Z模式調(diào)寬過程中坯殼運(yùn)動(dòng)行為圖Fig.8 Schematic diagram of taper change during Z-type width adjustment at the same acceleration

圖9顯示了在第一步調(diào)錐變化過程中（2t0），彎月面位置生成的坯殼與結(jié)晶器壁面間的關(guān)系。與勻速變錐不同的是，整個(gè)調(diào)錐過程，由于調(diào)錐時(shí)間延長至2t0，出現(xiàn)最大間隙位置逐漸后移，為0.4 min時(shí)彎月面初生坯殼運(yùn)動(dòng)位置。以氣隙作為判據(jù)限制調(diào)寬速度和加速度時(shí)，則應(yīng)該將最大間隙（0.4 min時(shí)彎月面初始坯殼）位置作為限制因素。倘若條件允許，可以降低調(diào)寬加速度，延長調(diào)錐時(shí)間，使不受t0限制，這樣在調(diào)寬速度上能夠提升一個(gè)數(shù)量級(jí)。

平移調(diào)寬與上述分析的平移運(yùn)動(dòng)相同，坯殼與結(jié)晶器壁面間保持良好接觸，不存在擠壓和變形影響。

相似地，對(duì)于Z模式加速變錐過程的錐度恢復(fù)階段，坯殼與結(jié)晶器壁面間的關(guān)系見圖10，與之前分析的錐度增加過程相對(duì)應(yīng)，趨勢相同，由間隙變?yōu)閿D壓過程。

Z模式下加速變錐的寬度減小與寬度增加相似。當(dāng)速度、加速度設(shè)置條件相同時(shí)，調(diào)寬中兩個(gè)錐度變化過程分別受到擠壓和氣隙作用。

5 結(jié)論

本研究以理論模型為基礎(chǔ)，對(duì)結(jié)晶器在線調(diào)寬過程中的坯殼運(yùn)動(dòng)行為進(jìn)行分析，將坯殼的凝固收縮過程引入在線調(diào)寬過程中，分析了結(jié)晶器在線調(diào)寬速度設(shè)置，調(diào)錐過程坯殼與結(jié)晶器壁面間的氣隙和擠壓關(guān)系，得到如下結(jié)論：

圖9 加速變錐Z模式調(diào)寬過程中錐度增大過程坯殼運(yùn)動(dòng)行為關(guān)系圖Fig.9 Schematic diagram of shell behavior during taper change of Z-type width adjustment at the same acceleration

圖10 加速變錐Z模式調(diào)寬過程中錐度恢復(fù)過程坯殼運(yùn)動(dòng)行為關(guān)系圖Fig.10 Schematic diagram of shell behavior during taper recovering of Z-type width adjustment at the same acceleration

（1）在線調(diào)寬過程中，調(diào)寬速度與錐度變化和拉坯速度密切相關(guān)，錐度變化必須考慮坯殼與結(jié)晶器壁面間的間隙大小及擠壓變形程度。

（2）可以采用最大間隙（或最大擠壓量）作為判定標(biāo)準(zhǔn)，以此設(shè)定結(jié)晶器在線調(diào)寬過程速度參數(shù)。

［1］王良斌，袁作新.連鑄機(jī)結(jié)晶器在線調(diào)寬系統(tǒng)技術(shù)改進(jìn)與應(yīng)用［C］／／第七屆全國板坯連鑄結(jié)晶器技術(shù)研討會(huì).上海，2007：179-181.

［2］蔡開科.連鑄結(jié)晶器［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2008.

［3］高琦，張小龍，謝東鋼，等.結(jié)晶器在線熱態(tài)調(diào)寬速度的研究［J］.煉鋼，2009，25（5）：70-72.

［4］趙靜，周湛，張捷宇，等.鋼錠凝固過程中溫度場和流場的數(shù)值模擬研究［J］.上海金屬，2014，36（1）：55-58.

［5］孫鋒.板坯連鑄機(jī)結(jié)晶器調(diào)寬控制系統(tǒng)［J］.冶金標(biāo)準(zhǔn)化與質(zhì)量，2006，44（1）：11-13.

［6］柴艷紅.結(jié)晶器自動(dòng)在線調(diào)寬系統(tǒng)在中薄板坯連鑄機(jī)上的應(yīng)用［C］／／2007年中國鋼鐵年會(huì).成都，2007：1-6.

收修改稿日期：2016-06-29

Analysis on the Motion Behavior of Solidified Shell in Slab Mould during On-Line Width Adjustment Process

Feng Weihua Xu Yongbin Ma Chunwu
（WISDRIEngineering Technology Co.，Ltd.，Wuhan Hubei430223，China）

The solidification shrinkage of the cast slab was introduced into the on-line width adjustment process，so the motion behavior of solidified shell in slab mould during on-line width adjustment processwas systematically analyzed.The velocity setting during on-line width adjustment process，and the relationship between mold tube and the shell during taper adjustment process were analyzed.The results showed that the online width-speed adjustmentwas related to the taper changes and caster speed.When setting adjustment parameters，the gap size（or extrusion value）between mold tube and the shell was an important parameter.

mould，on-line width adjustment，air gap

國家“863”計(jì)劃資助項(xiàng)目（No.2014AA041803）

封偉華，男，高級(jí)工程師，主要從事煉鋼工藝及流程優(yōu)化的技術(shù)管理工作

徐永斌，男，高級(jí)工程師，主要從事煉鋼工藝及流程優(yōu)化的研究及設(shè)計(jì)相關(guān)工作，電話：027－81996543，Email：02089＠wisdri.com