方坯连铸曲面结晶器横截面形状的研究

方坯连铸曲面结晶器横截面形状的研究张洪波彭国仲摘要分析了方坯连铸直面结晶器的工艺缺陷及曲面结晶器的工艺效果,探讨了曲面结晶器横截面的设计与选择,确定了铸坯规格对结晶器横截面形状设计的影响,提出了相应的方坯连铸的经济断面。关键词方坯连铸曲面结晶器模截面设计与选择StudyonShapeofCrossSectioninBilletCCCurveSurfaceMouldZhanHongboPengGuozhong(TangshanIron&SteelCo.Ltd)AbstractThispapergivescomparativeanalysisontheprocessdefectsofbilletCCstraightsurfacemouldandtheprocesseffectsofcurvesurfacemould,andalsoprovidesthediscussiononthedesignandchoiceofcrosssectionincurvesurfacemould.Afterdeterminingtheeffectsofspecificationofcastbilletonthedesignofthecrosssectionshapeofmould,thecorrespondingeconomicsectionforbilletcontinuouscasting(CC)hasbeensuggested.Keywordsbilletcontinuouscastingcrosssectionincurvesurfacemoulddesignandchoice1前言结晶器对于连铸稳定生产的重要作用早已为人们所普遍认识,随着连铸技术的发展,这种认识又提高到一个新的高度。可以说连铸技术的进步有懒于结晶器结构设计的发展与完善,正是结晶器内腔形状的优化构成了连铸技术发展的一个重要前提条件。结晶器内腔形状优化的中心目的就是最大限度地降低结晶器和坯壳间的所隙,改善结晶器的传热效果,以改善坯壳厚度的均匀性和增加结晶器出口处坯壳的厚度,从而提高铸坯质量和拉坯速度。为此目的,结晶器纵向上经过由单一锥度到多锥度及抛物线锥度的发展,取得了明显工艺效果,促使高速连铸技术取得突破性进展。与此相应,结晶器横截面形状也经过了由直面到曲面的完善,从而使结晶器横截面形状更接近坯壳横截面的实际形状,由此开发了方坯连铸的曲面结晶器。本文即对曲面结晶器横截面形状的选择与确定进行分析与讨论。2结晶器横截面形状设计的前提条件常规连铸中多采用单一锥度直面结晶器,这种结晶器虽然一定程度上能满足常规连铸的工艺要求,但随连铸拉速的提高,这种结晶器的工艺缺陷则逐渐表现出来,主要是结晶器内坯壳厚度不均匀,结晶器出口处坯壳变薄,导致工艺漏钢几率增加,铸坯质量恶化,尤其是连铸时偏离角处纵裂漏钢更难以控制。在方坯连铸中,铸坯偏离角部纵裂及纵裂漏钢一直是一个主要的技术工艺问题,在常规连铸中这一问题即十分突出,为适应高速连铸的工艺要求,则须对单一锥度直面结晶器进行改进,其方法是或是采用连续锥度结晶器,或是采用曲面结晶器,或是两者结合使用。铸坯偏离角部纵裂的根源在于结晶器和坯壳间气隙的存在及其在整个结晶器上分布的不均匀。在结晶器横向方向上,由于结晶器角部为二维传热,则钢水在弯月面处凝固后,角部坯壳首先长厚并收缩,而且于钢水静压力的作用及不同位置处坯壳承受静压力能力的不同,结晶器横截面侧面中心处坯壳仍保持和结晶器接触,并保持生长。这样,在已脱离结晶器的角部坯壳与结晶器接触的中心坯壳过渡处,出现相对薄弱的坯壳,如图1所示。在应力作用下,较薄坯壳处出现应力集中,导致纵裂出现,这就是偏离角部纵裂的形成原因。由图1,由于角部坯壳首先收缩,则结晶器内横截面上坯壳的四个顶角形成钝角,为适应方坯坯壳由于结晶器各处传热条件的不同导致的这一自然形状,将结晶器横截面四个直角设计成钝角形式,即将横截面由直线组成的直面结晶器改为横截面由曲线组成的曲面结晶器。文献［1］分析了直面结晶器内不同横截面处四个顶角的变化,认为顶角从弯月面到结晶器下口由大到小变化,变化范围为96°～90°,即沿结晶器纵向由96°变化到90°。为此,结晶器横截面形状应与坯壳形状相适应,结晶器内腔四个顶角亦应为钝角,其值亦应沿结晶器纵向方向由96°变化到90°,以消除不同横截面上结晶器角部的气隙,使气隙分布更均匀,促进结晶器的均匀传热,保证坯壳厚度均匀,如图2所示。这样即可稳定控制铸坯角部的纵裂,这即是曲面结晶器的优势所在。图1直面结晶器横截面上的气隙分布根据上述分析,提出如下两条假设,以做为确定曲面结晶器横截面曲线方程的前提条件。(1)在直面结晶器条件下,结晶器弯月面处相邻坯壳形成的夹角为96°,并且其大小与铸坯规格无关。(2)偏离角纵裂的位置距角部距离通常为10～20mm之间,亦与铸坯规格无关。图2曲面结晶器横截面上的气隙分布由上述两个前提条件,可得如下推论。在直面结晶器条件下,结晶器上口弯月面处,角部气隙厚度比中心处气隙厚度大1.0mm左右,其值亦与铸坯规格无关,即对任何规格铸坯,结晶器弯月面处角部气隙基本上为1.0mm左右。在上述前提条件下,即可分析曲面结晶器横截面的形状。3曲面结晶器横截面形状的设计研究图3示出了曲面结晶器上口横截面示意图。只要确定曲线A的方程，由对称性即可得到整个结晶器横截面的形状，假设曲线的方程为图3曲面结晶器上口示意图(1)式中a——为结晶器上口两相邻顶点的距离/mmd——为结晶器上口角部气隙和侧面中心处气隙厚度的差值/mmk、n——为常数。由有(2)θ角如图3所示。解上述方程组K=。代入式(1),得(3)式(3)即给出了曲线AB在坐标系XOY中的方程。由上述前提条件,对任意断面的方坯均有d=1.0mm、θ=3°即tgθ=tg3°≈3°=,则有(4)由式(3)为(5)式(4)即给出了n与铸坯断面规格a的关系。可见,随铸坯断面a的变化,n应取不同的数值,两者呈正比对应关系。以下讨论n的取值范围。当n=0时,A为直线,对应直面结晶器,其工艺缺陷前面已有分析。当0＜n≤1时,曲线在A点出现“奇点”,此处的导数不连续,不能满足连铸的工艺要求。当1＜n＜2时,可由式(3)推知,曲线在A处的曲率为无穷大,曲率半径为零。在曲面结晶器中,坯壳由结晶器弯月面处运动到结晶器下口的过程中经过由弯变直的“矫直”过程,若结晶器上口曲率半径为零,则坯壳“矫直”应变极大,此时亦不能满足连铸的工艺要求。因此,n的取值范围应为n≥2(6)将式(6)代入式(4),得a≥80(mm)(7)式(7)即给出了方坯连铸的最小经济断面,其值与文献2的结果相近。这一结果可解释为:当铸坯断面小于一定限度时,不能通过调整结晶器横截面形状来适应角部坯壳的收缩,从而控制铸坯偏离角部的纵裂。反之,为实现结晶器横截面的均匀传热,结晶器横截面应为曲线形式,为此要求铸坯规格应大于一个最小的取值限度。以上确定了曲面结晶器上口横截面的方程,这里在结晶器上口θ取值为3°,由前述分析,θ随结晶器长度逐渐减少,至结晶器下口θ值为零,亦即d值随结晶器长度逐渐减少。为此取d随结晶器长度线性减少,可得到如下结果(8)式中dZ——为结晶器某一长度上角部气隙厚度/mmZ——为距结晶器上口距离/mL——为结晶器长度/m。则在结晶器上口为Z处的横截面方程为(9)由式(7)得(10)由有(11)式(11)即给出了Qz值随L的变化情况,由于Q、Qz均较小,由式(11)可得(12)因此,结晶器任一横截面的曲线方程为(13)以上讨论未考虑结晶器纵向上的锥度,若考虑锥度,则式(13)中的a应随Z的变化而按一定规律变化,但a的变化并不改变曲线的形状,所以本文不再讨论,与此有关内容参见文献［3］。综上所述,为适合方坯角部坯壳的优先收缩,保证结晶器横截面上气隙小且均匀,结晶器任一横截面应设计成曲线形式,形成曲面结晶器,其方程由式(13)表示,其中前一项反映结晶器纵向锥度的变化,后一项则表示结晶器横截面的形状。4结语结晶器内腔形状的优化与完善已经成为连铸技术进一步发展的重要技术措施,其目的是使结晶器的整体内腔形状与其所形成的坯壳实际形状最大限度地相接近,从而改善结晶器的工艺效果,具体内容是:结晶器纵向上采用多锥度、连续锥度结晶器,结晶器横向上采用曲线形式的曲面结晶器。这样才能最大限度地控制结晶器任一局部或部位的气隙,改善结晶器内坯壳质量、增加出结晶器坯壳厚度,为实现方坯高速连铸奠定基础。联系人:张洪波,工程师,硕士,唐山市(0630161)唐山钢铁股份有限公司技术中心冶炼室作者单位：唐山钢铁股份有限公司参考文献1B.Rischka.etal.Specialbarqualityproductiononhighproductivitybilletcasters.thesecondlnternationalConferenceonContinuousCostingofSteel.TheChineseSocietyforMetals.1997:261～2652王素志等.连铸小方坯坯壳不均匀性与临断面的热模拟研究.炼钢,1995,14(1):41～513张洪波.方坯连铸连续锥度结晶器的设计与选择.炼钢,1999,15(1):42～46