φ 150 mm鑄坯的不良形狀及其控制

李立凱 夏 磊 王二慶 倪俊路 張培強(qiáng) 馬愛(ài)成

（常州東方特鋼有限公司，江蘇 常州 213151）

1 概況

某廠采用五機(jī)五流全弧形連鑄機(jī)和輕壓下技術(shù)生產(chǎn)截面尺寸為200 mm×200 mm的鑄坯。后來(lái)為滿足市場(chǎng)需求，通過(guò)增加結(jié)晶器總成、重新設(shè)計(jì)二冷段設(shè)備及輕壓下拉矯機(jī)輥?zhàn)娱_(kāi)圓弧凹槽等措施，該連鑄機(jī)還能生產(chǎn)φ150 mm鑄坯，連鑄機(jī)的技術(shù)參數(shù)如表1所示。但該φ150 mm連鑄坯出現(xiàn)了不圓度超標(biāo)的問(wèn)題，最大直徑與最小直徑之差超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)要求6.75 mm，部分超過(guò)10 mm，嚴(yán)重影響了鑄坯的合格率，只能將拉速降低至1.8～2.1 m/min。形狀不良即不圓度超標(biāo)的φ150 mm鑄坯如圖1所示。

表1 3號(hào)連鑄機(jī)的技術(shù)參數(shù)Table 1 Technical parameters of the continuous casting machine No.3

圖1 不圓度超標(biāo)的φ150 mm鑄坯的橫截面Fig.1 Cross-section of the undesirably shaped casting blank 150 mm in diameter with overproofed out-off-roundness

為改善鑄坯質(zhì)量，提高鑄坯合格率以及提高連鑄圓坯的生產(chǎn)效率，根據(jù)以往生產(chǎn)圓坯的經(jīng)驗(yàn)及查閱相關(guān)文獻(xiàn)，曾通過(guò)控制熱坯壓力來(lái)解決鑄坯不圓度超標(biāo)的問(wèn)題，但效果不明顯。為此，改進(jìn)了連鑄冷卻工藝和拉矯機(jī)壓力，以減少φ150 mm鑄坯的熱變形及拉矯過(guò)程中產(chǎn)生的機(jī)械變形。

2 分析

鑄坯的外形如圖2所示。圖2（a）為部分φ150 mm鑄坯斷面，圖2（b）為該3號(hào)連鑄機(jī)生產(chǎn)的φ150 mm鑄坯的壓痕。

圖2 改進(jìn)連鑄冷卻工藝和拉矯機(jī)壓力前φ150 mm鑄坯的截面（a）和壓痕（b）Fig.2 Cross-section of the 150-mm-diam billet（a）and indents on it（b）before improving on both cooling process during continuous casting and pressure of tension leveller

由于采用火焰切割，在切割橫截面上留下了割痕，割痕方向與火焰方向平行，即與內(nèi)外弧平行。從圖2（a）可以看出，φ150 mm鑄坯內(nèi)外弧方向尺寸明顯大于側(cè)弧方向。圖2（b）所示的鑄坯與拉矯機(jī)接觸的壓痕彎曲，說(shuō)明鑄坯因冷卻不均勻而產(chǎn)生了明顯的變形，導(dǎo)致拉矯機(jī)輥?zhàn)优c鑄坯的接觸面發(fā)生變化。因此可以確定，由于冷卻不均勻，φ150 mm鑄坯進(jìn)入拉矯機(jī)前就已經(jīng)產(chǎn)生了不良的外形即不圓度超標(biāo)。

連鑄圓坯的拉矯機(jī)壓力設(shè)定既要保證鑄坯在不同生產(chǎn)條件下不下滑，還應(yīng)盡可能避免使用較大的壓力以避免連鑄坯不圓度超標(biāo)［1］。該連鑄機(jī)生產(chǎn)φ150 mm鑄坯時(shí)采用3臺(tái)單機(jī)架拉矯機(jī)，分別為5、6和7號(hào)機(jī)架，熱坯壓力約0.7 MPa，導(dǎo)致鑄坯承受較大的壓下力，對(duì)其外形有一定影響。根據(jù)以往的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，施加約55～60 kN的總壓下力即可防止鑄坯滑動(dòng)，還能確保鑄坯的斷面尺寸符合要求。計(jì)算出3號(hào)連鑄機(jī)作用于鑄坯斷面的拉矯機(jī)總壓力約為84 kN。φ150 mm鑄坯拉矯機(jī)壓力計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 φ150 mm鑄坯拉矯機(jī)壓力計(jì)算值Table 2 Calculated pressure values of tension leveller for the 150-mm-diam billet

3 措施

3.1 優(yōu)化冷卻工藝

連鑄初生坯殼在彎月面形成后，存在冷面和熱面。冷面即與結(jié)晶器銅管壁接觸的面，熱面即與鋼水接觸的面，如果兩面的溫差過(guò)大，則會(huì)導(dǎo)致初生坯殼兩個(gè)面收縮量不一致，從而導(dǎo)致初生坯殼熱變形［2］，影響鑄坯的外形尺寸。因此，澆鑄時(shí)應(yīng)盡量控制鋼水的過(guò)熱度［3］，以減小冷面與熱面的溫差。生產(chǎn)φ150 mm鑄坯時(shí)，將鋼水過(guò)熱度控制在35℃以內(nèi)，盡量控制在20～30℃［4］，以減少?gòu)澰旅娉跎鳉さ臒嶙冃巍?/p>

現(xiàn)場(chǎng)檢查結(jié)晶器并反復(fù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，足輥段冷卻不均勻，連鑄坯殼薄，傳熱量大，會(huì)導(dǎo)致鑄坯熱變形，且該熱變形易傳遞到結(jié)晶器彎月面，不利于初生坯殼在結(jié)晶器均勻傳熱［5］，因此對(duì)φ150 mm鑄坯結(jié)晶器結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，并更換了足輥噴嘴型號(hào)。優(yōu)化后的結(jié)晶器足輥段離線試驗(yàn)的冷卻效果如圖3（a）所示。在現(xiàn)有二冷段長(zhǎng)度的基礎(chǔ)上增加一段噴淋條，噴淋條上噴嘴為9排，增加二冷長(zhǎng)度約3.2 m，二冷段總長(zhǎng)度從6.75 m增加至約10 m，如圖3（b）所示。通過(guò)增加二冷段長(zhǎng)度降低鑄坯在拉矯機(jī)區(qū)域的溫度，從而提高鑄坯的抗變形性能［6］。優(yōu)化二冷各段水量分配還可以改善鑄坯質(zhì)量［7-8］。檢測(cè)結(jié)果表明，在鋼種、拉速及冷卻強(qiáng)度相同的情況下，延長(zhǎng)二冷段可使φ150 mm鑄坯進(jìn)入拉矯機(jī)時(shí)的溫度降低40～50℃，效果明顯。

圖3 φ150 mm鑄坯在結(jié)晶器足輥段均勻冷卻（a）和在延長(zhǎng)的二冷段噴淋冷卻（b）Fig.3 Uniform cooling in the foot roller zone（a）and spray cooling in the extended secondary cooling zone（b）for the 150-mm-diam billet

保護(hù)渣的理化性能對(duì)初生坯殼的外形也有很大影響［7-8］。現(xiàn)場(chǎng)觀察發(fā)現(xiàn)，C50831K型保護(hù)渣會(huì)導(dǎo)致φ150 mm鑄坯一冷傳熱不均勻，而C53351K型保護(hù)渣則可確保其一冷傳熱均勻，因此改用了C53351K型保護(hù)渣。兩種保護(hù)渣的理化特性如表3所示。

表3 兩種保護(hù)渣的理化特性Table 3 Physical and chemical characteristics of two types of casting powder

由表3可知，C53351K型保護(hù)渣的黏度比C50831K型大，結(jié)晶器振動(dòng)過(guò)程中涂抹在銅管壁的液態(tài)渣膜厚度更均勻?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)顯示，保護(hù)渣黏度過(guò)大或過(guò)小都會(huì)導(dǎo)致渣膜厚度不均勻，從而導(dǎo)致結(jié)晶器傳熱不均勻［9-10］。此外，C53351K型保護(hù)渣的堿度比C50831K型大，因此在凝固過(guò)程中會(huì)形成較多的導(dǎo)熱性差的固態(tài)渣膜［9］，提高彎月面初生坯殼的冷面溫度，減小坯殼冷面與熱面的溫差，改善初生坯殼熱變形導(dǎo)致的外形質(zhì)量，也能明顯改善一冷傳熱的均勻性［10］。

由于3號(hào)連鑄機(jī)采用柔性引錠桿，故二冷室托輥較多，過(guò)多的托輥與鑄坯接觸摩擦?xí)?dǎo)致鑄坯外弧發(fā)生塑性變形，因此只保留4～5組二冷托輥，僅需保證送引錠桿過(guò)程順利，從而大大減少了連鑄坯與機(jī)械設(shè)備的接觸摩擦。

3.2 優(yōu)化拉矯機(jī)壓力系統(tǒng)

拉矯機(jī)壓力系統(tǒng)的優(yōu)化主要包括壓下制度、更換拉矯機(jī)減壓閥和拉矯輥凹槽尺寸的優(yōu)化。解決φ150 mm鑄坯冷卻不均勻?qū)е碌臒嶙冃螁?wèn)題后，將原5、6、7號(hào)輥三壓下制度優(yōu)化為6、7號(hào)輥兩壓下制度，施加0.7 MPa的熱坯壓力時(shí)，對(duì)鑄坯產(chǎn)生約56 kN的正壓力。計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 優(yōu)化后φ150 mm鑄坯拉矯機(jī)壓力計(jì)算值Table 4 Calculated pressure values of tension leveller for the 150-mm-diam billet after optimization

調(diào)壓?jiǎn)卧捎帽本┤A德先導(dǎo)式減壓閥，型號(hào)為DR20-4-50B/200YM。該通徑的減壓閥可穩(wěn)定輸出的最小壓力為1 MPa，故將調(diào)壓閥更換為DR10-1-30B/200YMV型。該閥門的最低理論輸出壓力為0.3 MPa，能滿足3號(hào)連鑄機(jī)生產(chǎn)φ150 mm鑄坯所需的最低壓力要求。

考慮到較大斷面圓鑄坯的生產(chǎn)，將拉矯輥開(kāi)槽圓弧半徑定為135mm，槽深4mm。由于暫時(shí)不生產(chǎn)φ200 mm以上斷面的鑄坯，將6、7號(hào)輥拉矯輥開(kāi)槽圓弧半徑定為110 mm，通過(guò)減小圓弧半徑以增加拉矯輥與小圓斷面的接觸面積［11］。

4 結(jié)果與討論

采取上述優(yōu)化措施后，φ150 mm鑄坯壓痕不再扭曲，說(shuō)明鑄坯外形合格，與拉矯機(jī)接觸穩(wěn)定，不圓度不大于6 mm，滿足標(biāo)準(zhǔn)及用戶要求，內(nèi)在質(zhì)量也合格，如圖4所示。目前，拉速已提高至2.5 m/min。

圖4 連鑄機(jī)優(yōu)化后生產(chǎn)的φ150 mm鑄坯的壓痕（a）和截面（b）Fig.4 Indents on the 150-mm-diam billet produced by the improved continuous casting machine（a）and its cross-section（b）

5 結(jié)論

（1）冷卻不均勻?qū)е碌臒嶙冃问悄硰S連鑄機(jī)生產(chǎn)的φ150 mm鑄坯形狀不良的主要原因，為解決鑄坯不圓度超標(biāo)的問(wèn)題，不僅要考慮壓力造成的機(jī)械變形，還需考慮冷卻不均勻?qū)е碌臒嶙冃巍?/p>

（2）鋼水過(guò)熱度過(guò)大、保護(hù)渣理化性能不合乎要求以及連鑄結(jié)晶器冷卻不均勻，是導(dǎo)致φ150 mm鑄坯熱變形的主要原因。

（3）適當(dāng)提高保護(hù)渣的堿度可有效減小φ150 mm鑄坯初生坯殼冷、熱面的溫差，從而減小初生坯殼的熱變形。