鞍鋼170 mm厚鑄機(jī)大倒角結(jié)晶器優(yōu)化生產(chǎn)實(shí)踐

高立超，吳春杰，王鵬飛，杜林，潘統(tǒng)領(lǐng),宋宇，郭明源

（1.鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠，遼寧 鞍山 114021；2.西峽龍成特種材料有限公司，河南 南陽474550）

隨著冶金行業(yè)的快速發(fā)展，市場對產(chǎn)品質(zhì)量的要求不斷提升，鋼鐵制造企業(yè)內(nèi)部提質(zhì)、降耗、增效成為企業(yè)生存的基礎(chǔ)。鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠四分廠（以下簡稱“四分廠”）170 mm厚ASP連鑄機(jī)特點(diǎn)為短流程、高拉速、高作業(yè)率。鑄機(jī)弧形半徑為5 m（弧半徑/鑄坯厚度=29.41，低于常規(guī)≥40的設(shè)計理念），投產(chǎn)初期以生產(chǎn)常規(guī)低碳鋼普碳鋼品種為主，鑄坯質(zhì)量能夠滿足要求。隨著市場需求的變化，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)隨之調(diào)整，微合金包晶鋼比率不斷增加，包晶鋼因含有Nb、V、Ti等微合金，鑄坯凝固過程中裂紋敏感性增加，因此鑄坯角部裂紋難以控制。鑄坯角部橫裂紋發(fā)生比率相應(yīng)增加，包晶鋼角裂指數(shù)一度達(dá)到175，對鑄坯直裝影響較大。鑄坯清角既增加了清理費(fèi)用，又降低了軋制成材率。為了解決鑄坯角部橫裂紋，確保連鑄坯能夠滿足直接裝爐的軋制需求，四分廠從設(shè)備精度入手，在保證工藝參數(shù)的前提下，2018年初上線使用大倒角結(jié)晶器設(shè)備。使用之初鑄坯角部橫裂紋缺陷明顯減少，僅出現(xiàn)偶發(fā)現(xiàn)象，但存在結(jié)晶器銅板下口角部磨損嚴(yán)重，結(jié)晶器壽命短，鑄坯角部縱向壓痕重的問題。本文通過優(yōu)化工藝參數(shù)，提高了鑄坯質(zhì)量和結(jié)晶器壽命，為鑄坯直裝提供了有力保障。

1 生產(chǎn)設(shè)備概況

1.1 鑄機(jī)工藝流程及參數(shù)

鞍鋼170 mm厚鑄機(jī)應(yīng)用大倒角結(jié)晶器的工藝流程為：轉(zhuǎn)爐冶煉→精煉（LF、RH）→連鑄→切割。冶煉鋼種主要有超低碳鋼、低碳鋼、中碳鋼、包晶鋼和中高碳鋼等。鑄機(jī)主要參數(shù)見表1，除足輥處外二冷區(qū)均為氣水冷卻。

表1 鑄機(jī)主要參數(shù)Table 1 Main Parameters for Caster

1.2 大倒角結(jié)晶器基本參數(shù)

連鑄坯在彎曲、矯直段時，鑄坯存在兩個方向相反、間隔較短的受力區(qū)間，鑄坯應(yīng)力積累強(qiáng)烈。特別是鑄坯角部溫度低，應(yīng)力大，受直角結(jié)構(gòu)影響，鑄坯矯直時角部區(qū)域極易產(chǎn)生橫裂紋缺陷。

大倒角結(jié)晶器的工作原理是通過改變結(jié)晶器窄面銅板的結(jié)構(gòu)，在窄面銅板兩側(cè)各增加一個鈍角倒角，使原邊部直角位置的二維冷卻變?yōu)榻痪S冷卻，從而延緩鑄坯角部冷卻，提高鑄坯角部溫度。同時，相對于常規(guī)結(jié)晶器，大倒角結(jié)晶器由于具有物理結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，拉坯過程中角部應(yīng)力集中問題能夠得到有效緩解。

鑄機(jī)厚度為170 mm，計算角部二維冷卻的低溫區(qū)延伸范圍一般在寬、窄面10 mm范圍內(nèi)，倒角高度為20 mm，以此覆蓋原低溫區(qū)域。同時，鑄坯角部形狀改變會引起該處流場的變化，設(shè)計角部角度時為盡量減少此處的渦流狀態(tài)，使流場整體呈層流狀態(tài)，角度為60°，并且將結(jié)晶器角部進(jìn)行冷卻深孔布置，提高同一截面鑄坯溫度的均勻性。

（1）倒角尺寸。大倒角結(jié)晶器窄側(cè)銅板截面尺寸見圖1。靠近結(jié)晶器寬面銅板直角邊長20 mm，倒角本體尖端夾角為60°。相同鋼種和參數(shù)條件下，大倒角結(jié)晶器與常規(guī)結(jié)晶器角部溫度場模擬圖見圖2。從圖2可以看到，大倒角結(jié)晶器角部頂端溫度區(qū)域收窄情況得到明顯改善，角部等溫線條變得更加圓滑。

圖1 大倒角結(jié)晶器窄側(cè)銅板截面尺寸圖（單位：mm）Fig.1 Sectional Dimension for Copper Plates of Mould with Big Chamfer at Narrow Side(mm)

圖2 結(jié)晶器角部溫度場模擬圖Fig.2 Simulation Diagram for Temperature Field of Mould at Corner

（2）結(jié)晶器水流量。為了保證鑄坯角部冷卻效果，防止角部冷卻不足存在的鼓肚漏鋼風(fēng)險，窄側(cè)銅板大倒角位置增加水縫，水流量比常規(guī)結(jié)晶器增加8%，結(jié)晶器寬面銅板水流量不變。窄側(cè)銅板水量增加后，鑄坯寬度方向收縮量增加，中碳鋼和包晶鋼寬度收縮系數(shù)設(shè)計比常規(guī)結(jié)晶器增加0.005%。

（3）二冷水流量。為了確保出結(jié)晶器鑄坯窄側(cè)坯殼厚度，防止窄側(cè)鼓肚風(fēng)險，出結(jié)晶器窄側(cè)冷卻水采用強(qiáng)冷，二次冷卻水其它環(huán)路均采用常規(guī)動態(tài)水。

（4）錐度。大倒角結(jié)晶器窄側(cè)銅板錐度見表2。

表2 大倒角結(jié)晶器錐度表Table 2 Tamper Form for Mould with Big Chamfer %

（5）長度補(bǔ)尺。為了保證大倒角結(jié)晶器金屬量，根據(jù)大倒角尺寸，計算出大倒角結(jié)晶器生產(chǎn)鑄坯不足量，從鑄坯長度上面補(bǔ)足，統(tǒng)一規(guī)定補(bǔ)尺量=鑄坯長度×5.5 mm/m。

1.3 大倒角結(jié)晶器整備精度要求

大倒角結(jié)晶器足輥與窄側(cè)銅板的接弧要求為≤±0.10 mm。鑄坯出結(jié)晶器后，窄側(cè)坯殼失去結(jié)晶器銅板支撐，利用窄側(cè)足輥為窄側(cè)坯殼提供支撐作用，防止窄側(cè)鼓肚。

使用大倒角結(jié)晶器生產(chǎn)的鑄坯，近寬面鑄坯角部角度接近120°，近窄面接近150°，有效地減輕了鑄坯拉坯彎曲矯直過程中角部的應(yīng)力集中。另外，紅外測溫得知，扇形段出口處大倒角鑄坯角部溫度較直角鑄坯的高50℃以上。

2 生產(chǎn)中存在的問題

2.1 鑄坯寬度超寬

針對不同鋼種組包括低碳鋼、包晶鋼、中碳鋼和高碳鋼，進(jìn)行實(shí)物尺寸測量，每個鋼種測量10～20塊鑄坯。結(jié)果發(fā)現(xiàn)。中碳鋼Q235B鑄坯存在超寬現(xiàn)象，實(shí)測寬度與理論寬度的差值為11 mm，其它鋼種實(shí)際寬度均符合要求。

2.2 鑄坯表面質(zhì)量問題

（1）合金包晶鋼生產(chǎn)期間偶發(fā)鑄坯角部橫裂紋，見圖3。該種缺陷只在包晶鋼（合金包晶鋼）鑄坯中發(fā)現(xiàn)，一般發(fā)生在澆鑄過程升降速位置，在倒角面的兩個頂端，嚴(yán)重的貫通倒角面，肉眼可見?；鹧孑p微清理后觀察，缺陷更加清晰。

圖3 鑄坯角部橫裂紋缺陷Fig.3 Transverse Cracks at Corner of Casting Blank

（2）鑄坯角部壓痕缺陷見圖4。使用大倒角結(jié)晶器初期，中碳鋼、包晶鋼（合金包晶鋼）鑄坯角部多發(fā)縱向壓痕，一般是整澆次產(chǎn)生。超低碳鋼、低碳鋼鑄坯角部縱向壓痕缺陷比較輕微。

圖4 鑄坯角部壓痕缺陷Fig.4 Indentation Defect at Slab Corner

2.3 結(jié)晶器銅板下口角部磨損

結(jié)晶器銅板下口角部磨損嚴(yán)重，不能滿足使用周期要求。大倒角結(jié)晶器銅板下口角部磨損情況見圖5。大倒角結(jié)晶器使用1萬t左右時，窄側(cè)銅板出口處磨損非常嚴(yán)重，而結(jié)晶器窄側(cè)銅板錐度設(shè)計并未發(fā)現(xiàn)明顯異常。

圖5 大倒角結(jié)晶器銅板下口角部磨損情況Fig.5 Wear Condition at Lower Corner of Copper Plate of Mould with Big Chamfer

3 優(yōu)化措施

3.1 優(yōu)化結(jié)晶器窄側(cè)銅板與足輥接弧方式和接弧標(biāo)準(zhǔn)

3.1.1 優(yōu)化接弧方式

大倒角結(jié)晶器窄側(cè)銅板面存在兩個錐度面，上部錐度較大，下部錐度較小，接弧尺的兩個接觸足點(diǎn)在銅板的上端和下端處，足點(diǎn)跨兩個錐度，接弧時接弧尺并非垂直，而是上部向銅板方向傾斜一定角度，接弧后足輥相對于銅板出口位置偏向結(jié)晶器中心線位置，實(shí)際生產(chǎn)必然造成足輥給窄側(cè)坯殼較大阻力，易發(fā)生鑄坯窄側(cè)和角部表面質(zhì)量缺陷。

優(yōu)化前后結(jié)晶器窄側(cè)銅板與足輥接弧方案的對比見圖6。如圖6所示，改變原來接弧尺跨結(jié)晶器銅板兩個錐度的接弧方式，采用平尺對大倒角結(jié)晶器銅板與足輥進(jìn)行接弧。

圖6 優(yōu)化前后結(jié)晶器窄側(cè)銅板與足輥接弧方案的對比（mm）Fig.6 Comparison of Programs for Arc Connection between Copper Plates and Foot Rollers of Mould at Narrow Side before and after Optimization(mm)

3.1.2 優(yōu)化接弧標(biāo)準(zhǔn)

為了進(jìn)一步提高結(jié)晶器銅板和足輥壽命，同時提高窄側(cè)銅板與足輥接弧精度要求，對原有接弧標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行優(yōu)化。

（1）平尺越過結(jié)晶器銅板上口400 mm，測量結(jié)晶器窄側(cè)下部600 mm部分與足輥的接弧情況；

（2）平尺接弧時按壓平尺的部位為銅板下口向上 100～200 mm；

（3）足輥接弧標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定平尺與足輥間隙為0.15～0.30 mm。

3.2 調(diào)整窄側(cè)銅板錐度和窄側(cè)二冷水流量

針對包晶鋼 （合金包晶鋼）偶發(fā)的角部橫裂紋，進(jìn)行如下調(diào)整：

（1）調(diào)整包晶鋼開澆時窄側(cè)銅板錐度，結(jié)晶器開澆窄側(cè)銅板錐度減小0.05%。

（2）調(diào)整窄側(cè)二冷水流量：生產(chǎn)期間出結(jié)晶器窄側(cè)二次冷卻水水量由100 L/min恢復(fù)為動態(tài)水。

3.3 調(diào)整鑄坯寬度收縮系數(shù)

針對Q235B鋼種鑄坯超寬問題，修正其寬度收縮系數(shù)，由1.015調(diào)整為1.010。

4 實(shí)施效果

優(yōu)化接弧方案后，與兩點(diǎn)接觸式接弧相比，平尺接弧偏差減少0.50～0.60 mm，平尺接弧的鑄坯實(shí)物圖見圖7，鑄坯角部壓痕消失。而且鑄坯角部橫裂紋缺陷未再發(fā)生，鑄坯窄側(cè)無鼓肚現(xiàn)象發(fā)生，坯型正常。優(yōu)化Q235B鋼種鑄坯寬度收縮系數(shù)后，該鋼種鑄坯寬度尺寸符合要求。大倒角結(jié)晶器銅板本體磨損減輕，通鋼量從最初的2.5萬t增加到4.5萬t以上，能夠滿足生產(chǎn)要求。

圖7 平尺接弧的鑄坯實(shí)物圖Fig.7 Photograph of Casting Blank after Arc Connection by Levelling Rule

大倒角結(jié)晶器工藝優(yōu)化后，跟蹤包晶鋼及中碳鋼生產(chǎn)8澆次78罐，鑄坯不清角下送軋制，均未發(fā)現(xiàn)邊部質(zhì)量缺陷。檢查低碳鋼、中高碳鋼鑄坯表面質(zhì)量符合要求。常規(guī)結(jié)晶器、大倒角結(jié)晶器優(yōu)化前后鑄坯軋后邊部裂紋情況對比見表3。

表3 常規(guī)結(jié)晶器、大倒角結(jié)晶器優(yōu)化前后鑄坯軋后邊部裂紋情況對比Table 3 Comparison of Crack Defects at Edges of Casting Blanks Cast by Conventional Mould and Mould with Big Chamfer before and after Optimization after Rolled

由表3看出，大倒角結(jié)晶器比常規(guī)結(jié)晶器生產(chǎn)的鑄坯軋后邊部裂紋指數(shù)大幅下降，優(yōu)化后的大倒角結(jié)晶器生產(chǎn)的包晶鋼鑄坯軋后邊部裂紋指數(shù)由47降至5，中碳鋼由35降至4。

5 結(jié)語

鞍鋼170 mm高拉速鑄機(jī)使用常規(guī)結(jié)晶器生產(chǎn)包晶鋼存在的角部橫裂問題，通過采用大倒角結(jié)晶器得到解決。針對大倒角結(jié)晶器使用初期存在的結(jié)晶器壽命短、鑄坯角部縱向壓痕及鑄坯角部偶發(fā)橫裂紋問題，優(yōu)化了結(jié)晶器窄側(cè)銅板與足輥接弧方式和接弧標(biāo)準(zhǔn)，調(diào)整了窄側(cè)銅板錐度和窄側(cè)二冷水水量，優(yōu)化了鑄坯寬度收縮系數(shù)，結(jié)果大倒角結(jié)晶器通鋼量從最初的2.5萬t增加到4.5萬t以上，優(yōu)化后的大倒角結(jié)晶器生產(chǎn)的包晶鋼鑄坯軋后邊部裂紋指數(shù)由47降至5，中碳鋼由35降至4，能夠滿足常規(guī)鋼種鑄坯直裝需求。