馬鋼雙板坯連鑄機結晶器優(yōu)化設計

朱廣宏，鄭志成，王碩煜，楊 鈞，倪振航

(安徽馬鋼表面技術股份有限公司 安徽馬鞍山 243000)

為了滿足市場需求，馬鋼在2020年投資新建了一條重型H型鋼生產線及重型異型坯生產線。該重型異型坯產線共配置了四種端面的結晶器，分別為三種異型坯端面1300×510×140、1030×440×130、900×510×130和一種小板坯端面280×550。由于其斷面尺寸正好適合在一流異型坯的空間中設置兩流小板坯，所以稱之為“雙板坯”。該產線由國外知名公司設計，其中關鍵設備(含結晶器)也是該公司提供的，只是產線建成投產后其結晶器的使用效果并不理想，經常出現(xiàn)漏鋼事故，特別是生產雙板坯產品時，其提供的幾套結晶器上線使用后均在短時間內出現(xiàn)了漏鋼現(xiàn)象，因此用戶迫切的需要解決這一難題。

1 原結晶器分析

在結晶器出現(xiàn)漏鋼事故后，就對各項參數(shù)進行了逐一排查，均與設計相符。最終矛頭指向了結晶器錐度。國外公司作為保密技術不向用戶提供錐度設計圖。我們對原裝的雙板坯結晶器的錐度進行了檢測。我們用等距截面測量型腔尺寸，測量結果如表1所示：

表1 原裝雙板坯結晶器錐度實測數(shù)據 mm

我們根據所檢測到的數(shù)據繪制了結晶器型腔尺寸的變化曲線圖(見圖1)，從曲線的變化趨勢可以看出，原裝的結晶器錐度基本上可以分為三段，0 mm-250 mm為第一段，250 mm-450 mm為第二段，450 mm-780 mm為第三段。其設計理念符合了現(xiàn)下結晶器設計的主流前沿思想——使結晶器錐度設計盡可能的貼近鋼水在結晶器內冷卻收縮的形變，以達到精確控制鑄坯與結晶器表面的氣隙，保證鑄坯在結晶器內的冷卻過程與理論計算的結果相一致，進而保證高拉速生產，提高生產效率[1]。

圖1 結晶器實物型腔尺寸變化曲線圖

為了驗證其錐度是否合理，我們通過查看連續(xù)鑄鋼手冊[2]和王碩明、曹廣疇、張家泉、錢宏智等的著作[3]-[5]，使用其理論：在已知結晶器總錐度和結晶器下口尺寸的前提下，通過簡易的拋物線方程計算結晶器的型腔尺寸。

首先我們可以利用下列公式計算結晶器的下口尺寸：

a2=a+xa+A1

b2=b+xb-A2

其中a2為結晶器下口寬度尺寸；b2為結晶器下口厚度尺寸；a為鑄坯冷態(tài)公稱寬度尺寸；b為鑄坯冷態(tài)公稱厚度尺寸；x為收縮系數(shù)，一般在1.3%-2.5%之間，本次計算取其最大值2.5%進行；A1、A2為弧形連鑄機減薄量，參照表2選取。代入公式計算結晶器下口尺寸：

寬度：a2=550+0.025×550+2=565.75 mm

厚度：b2=280+0.025×280-0=287.00 mm

表2 A 值得選擇

參考原裝機結晶器總裝圖圖示下口尺寸，取結晶器下口尺寸：寬度563.5 mm，厚度287 mm。結合實測結晶器上口水平截面尺寸：寬度569.55 mm，厚度290.25 mm(徑向尺寸為290.08 mm)代入結晶器總錐度計算公式計算結晶器總錐度：

寬度：(569.55 mm - 563.5 mm) ÷ (569.55 mm·0.78 m) ≈ 0.0136 = 1.36 %/m

厚度：(290.08 mm - 287 mm) ÷ (290.08 mm·0.78 m) ≈ 0.0136 = 1.36 %/m

我們用基于結晶器總錐度的拋物線錐度設計，根據經驗我們選擇了拋物線的簡易表達式：y=kx2，根據結晶器上下口尺寸、結晶器長度、總錐度等這些已知條件，可以得出結晶器距離下口x處的結晶器邊長尺寸表達式[6]：

其中a(x)為寬度在距離下口x處的尺寸；b(x)為厚度在距離下口x處的尺寸；R為結晶器總錐度；R’為結晶器下口錐度。我們取R’=0和R’=R代入公式，可以得到相應的錐度曲線。我們把計算所得曲線與實物測量所得曲線進行對比，如圖2所示，我們發(fā)現(xiàn)實物的錐度存在超出理論錐度曲線極限范圍的現(xiàn)象，因此需要對其進行優(yōu)化。

圖2 型腔理論曲線與實物曲線對比圖

2 優(yōu)化設計

通過查閱相關文獻我們發(fā)現(xiàn)使用多錐度結晶器雖然能夠降低鑄坯縱裂紋趨勢，提高拉坯速度，但是也更強調特定的鋼種和特定的目標拉速。因此多錐度結晶器比較適合鋼種單一、拉速穩(wěn)定、大批量生產的高速連鑄機；而對于連鑄品種較多、拉速底、小批量生產的連鑄機多錐度結晶器并不完全適應[7]。

通過與客戶之間的交流，該生產線的特點就是生產批量小、生產的鋼種變化多。所以并不適合使用其原裝機的結晶器。我們參考了李建超關于板坯連鑄結晶器的研究結果：單錐度結晶器更具有適應性[8]。最終決定采用單錐度。綜合結晶器總錐度、連鑄機大弧、等相關參數(shù)對結晶器型腔進行了三維造型，并優(yōu)化型腔曲面。優(yōu)化完成之后，我們按設計的型腔錐度繪制錐度曲線，將其所形成的曲線與圖2曲線進行綜合比較(見圖3)，所得錐度與理論單錐度曲線接近，并按該錐度制作了結晶器上線試用。

圖3 優(yōu)化后型腔錐度曲線對比圖

3 結論

優(yōu)化后的結晶器上線試用后效果較好，未出現(xiàn)漏鋼等問題，鑄坯質量達到了設計要求。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，對于結晶器內鋼水的冷卻過程的模擬越加貼近實際。也促進了結晶器內部型腔的升級發(fā)展，從單錐度到雙錐度再到多錐度，每一次升級都伴隨著生產效率的提高。但是由于鋼種、拉速、截面尺寸等限制條件多錐度結晶器只適用于大批量、單品種連鑄生產線。而對于小批量、多品種的連鑄生產線則是單錐度結晶器更適合。