唐钢结晶器改造

NERC CCT 唐钢新型薄板坯连铸结晶器的 设计和使用效果 钢铁研究总院 唐山钢铁公司 2006年11月19日 2006年薄板坯连铸连轧技术交流会报告 NERC CCT 报告内容 1. 薄板坯连铸结晶器技术概况 2. H2结晶器的特点 3. H2结晶器的受力与凝固传热分析 4.结晶器的设计改造及使用情况 5. 论文结论 NERC CCT 1. 薄板坯连铸结晶器技术概况 薄板坯连铸结晶器是薄板坯连铸工艺的核心关键，也 是它区别于传统连铸的明显标志。薄板坯连铸结晶器技 术的演变与发展，派生了多种不同类型的不同类型的薄 板坯连铸连轧新技术。如：以漏斗型结晶器为核心的 CSP生产工艺、以H2长漏斗型结晶器为核心的FTSC工 艺、以橄榄球型结晶器为核心的ISP工艺、以及以平行 板结晶器为核心的CONROLL工艺等。 NERC CCT 采用漏斗型结晶器生产连铸坯的 纵裂纹缺陷 目前，在薄板坯连铸连轧生产领域中，CSP工艺和FTSC工 艺是被广泛应用的采用漏斗型结晶器的典型生产工艺。由于 两种漏斗型结晶器结构的不同，在实际生产使用中表现出的 特点和铸坯裂纹缺陷也有所不同。CSP工艺铸坯纵裂纹以中 碳钢（如SS400 ）为主，低碳钢很少，并且裂纹主要集中在 铸坯宽面的1/4处。 FTSC工艺在生产低碳钢（如SPHC）时， 在开浇初期或拉速较低的情况下，铸坯纵裂纹主要发生在铸 坯宽面的中心；在浇铸中碳钢时（如SS400 ），纵裂纹主要 发生在铸坯宽面约1/4宽度处。 NERC CCT 本文的研究内容 1）本文针对目前FTSC薄板坯连铸机生产中所表现出的 铸坯缺陷特征，以实际的漏斗型结晶器冷却结构和内腔曲 面为基础，通过测定稳定生产条件下结晶器铜板的温度分 布，获得了实际生产不同拉速时的结晶器热流分布；并以 该热流为边界条件，建立了结晶器内流动传热与凝固的计 算模型，模拟计算了漏斗型结晶器内的温度分布与坯壳凝 固生长状况；分析了铸坯纵裂纹缺陷形成的机理。 2）以上述结果为依据，提出了FTSC长漏斗型结晶器优 化设计和改造的方案；并将新型应用于工业实际生产。 NERC CCT 2. H2结晶器的结构特点 （1）结晶器长度为1200mm； （2）结晶器铜板上口单侧最大开口度为40mm； （3）结晶器铜板的漏斗区分为上下两部分，上部 高900mm，漏斗区开口度自上而下逐渐变小，由 40mm变为8mm；下部高300mm，结晶器铜板始终 保持8mm的开口度。而在结晶器下部的足辊和扇形 0段的前5对二冷支撑辊仍保持鼓肚形，并逐渐转变 为平辊。这样就使得漏斗型的过渡区延长到了约 2100mm。 （4）结晶器横截面面上漏斗区由三个不相等的圆 光滑连接，漏斗区与结晶器两侧的平面区域相交而 不相切。 （5）结晶器铜板工作面带有1mm镀镍层。 （6）结晶器冷却方式采用打孔的圆管式冷却。 NERC CCT NERC CCT NERC CCT 3.2 H2结晶器浇铸中碳钢时的热流与温度 H2结晶器浇铸中碳钢时，结晶器热流比较均匀，但由于铸 坯断面增大，浸入式水口的通钢量加大，出口射流的冲刷使 中、下部垂直中心线两侧200500 mm区间成为高温区，在 横向距中心300400mm处最大温差超过了150，并使得坯 壳变薄。该区域正好处于漏斗区与平面区的交界处，平面与 圆弧的不相切必然导致应力的增加，也就进一步增大了在漏 斗区的边缘产生纵裂缺陷的危险性。 NERC CCT 3.3 漏斗型结晶器内腔曲面结构分析 漏斗型结晶器水平截面上曲线的设计是结晶器设计的一个重要组成部 分， 不同薄板坯连铸工艺其漏斗型结晶器水平截面上的曲线结构有所不 同。FTSC工艺的H2结晶器上口曲线结构见下图。特点是采用两种非等圆 弧连接，凸圆半径小于凹圆半径。 H2结晶器上口曲线形状示意图 NERC CCT 为研究曲线结构对结晶器内坯壳受力的影响，本文对三种 不同圆弧的搭配形式即：R1R2、R1R2、R1R2时的应变 最大，R1R2时应变最小。 较大的压应变虽然对铸坯质 量不产生影响，但其将影响 其它方向应变的增加。 NERC CCT 在漏斗区底部坯壳表面节点Z向的 应变分量 坯壳在Z向（拉坯方向） 的应变量最大，并且是易使 坯壳产生裂纹的拉应变。Z 向应变分量沿宽面中心向两 边逐渐减小，应变变化速率 也趋平缓。R1R2的应变最 差，其应变值和应变速率都 最大。 NERC CCT 通过三种不同圆弧曲线组合模型的对比，可 知R1R2的等圆过渡曲面漏斗型结晶器在减少 初生凝壳应力应变方面效果更佳。与其他两个 模型相比，该模型应变分布更均匀，应变梯度 更小，因而性能更优越。 NERC CCT 采用等圆弧或等抛物线曲线的对比 （1） 减少初生凝壳向下运动过程中的应力应变一直是漏斗型 结晶器上口曲线优化设计的目标。本文还对采用等圆或等 抛物线组成的结晶器上口曲线进行了分析，得出： 首先在空间位置上，在结晶器漏斗区宽度和最大开口度 一定的情况下，等圆和等抛物线组成的空间曲线非常相近 ，两曲线在空间上的位移偏差最大只有0.05mm。 NERC CCT 采用等圆弧或等抛物线曲线的对比（2 ） 第二，由于等圆弧曲线与等抛物线曲线在空间位置上相近， 其各向的应变分量分布也相近；但与等圆曲线相比，等抛物 线曲线明显表现出了应变值大和应变分布波动大的缺点。 因此，采用等圆曲线可以较好的满足初生凝固壳在结晶器内 受力变形的需要。 X方向应变分量 Y方向应变分量Z方向应变分量 NERC CCT 3.3 结晶器漏斗区自有锥度的选择 漏斗区自有锥度是指结晶器漏斗区弧线长度比结晶器出口处直线长度 大所造成的锥度。典型企业薄板坯连铸连轧生产线结晶器自有锥度情况 见下表，可以看出：CSP结晶器漏斗区自有锥度一般在0.91.1， 即漏斗区自有锥度可以满足漏斗区内坯壳自身凝固收缩的需要。而唐钢 FTSC铸机结晶器由于上口铜板最大鼓肚量较小，为40mm，因此其自有 锥度仅为0.65%，较小的自有锥度意味着为了改善结晶器内坯壳与结晶 器的接触，提高传热效率，必须从窄边对宽面坯壳施加一个向中心的挤 压，这也就是FTSC结晶器采用大锥度的根本原因。 本次我们在新结晶器的改造中，将漏斗区自有锥度提高到了1.0。 企业名称 唐钢 企业B 企业C 企业D 生产线种类 FTSC CSP CSP CSP 最大鼓肚量mm 40 60 50 55 漏斗区自有锥度% 0.65 1.06 0.87 1.04 NERC CCT 3.4 锥度沿结晶器高度的分布 在浇铸低碳钢时，以窄断面 为主，结晶器总锥度为 1.73%， 结晶器上口锥度为3.5%/m ，下 口锥度为0.3%/m ；在浇铸宽断 面中碳钢时，结晶器总锥度为 1.89%，上口锥度为3.3%/m ， 下口锥度为0.61%/m 。 结晶器上口局部锥度过大是 造成粘结的主要原因。浇铸低 碳钢时结晶器下口锥度太小或 因下口磨损造成的锥度丧失， 而无法对中心漏斗区坯壳进行 补偿是低碳钢生产中“冷结”产生 的根本原因。 1270mm低碳钢1520mm中碳钢 NERC CCT 4. 结晶器的设计改造及使用情况 4.1 新结晶器的结构特点 (1) 结晶器上口漏斗区曲线采用半径相等的二个凹圆弧(弧半径R2)和 一个凸圆弧(弧半径R1)光滑连接，结晶器漏斗区曲线与边部直线部 分保持相切过渡，这样有助于减小坯壳的局部应变。 (2) 提高结晶器漏斗区自有锥度，将漏斗区自有锥度设计为1.0%。 (3) 取消原H2结晶器下部8mm深的小漏斗区，新型结晶器下部300mm 区域为平面区，结晶器漏斗区缩短为900mm，使铸坯在结晶器内完 成最终成型。 (4) 取消二冷支撑辊的漏斗形，二冷支撑辊全部使用平面辊。 (5) 结晶器背板的冷却水槽与新的结晶器表面工作曲面保持平行。 (6) 热电偶的布置方式及位置与原有结晶器保持一致。 NERC CCT 4.2 新结晶器使用时开浇过程的起步拉速 考虑到新型结晶器漏斗区高度降低、自有锥度比原有结晶器 大的特点，为了保证开浇的顺利进行，决定提高起步拉速。将 起步拉速提高到3.2m/min。下图描述了典型开浇过程连铸机拉 速变化情况。新型结晶器起铸平稳，经历大约170s的时间后， 达到3.2m/min的起步拉速。在整个新结晶器的使用过程中，起 步都未出现异常事故，说明新结晶器可以满足现有铸机生产工 艺的要求。 NERC CCT 对粘结漏钢事故的准确判断和处理后的再起步是FTSC结晶 器的一个巨大优势。下图为使用新结晶器时典型粘结事故发 生的拉速变化。当发生粘结时，结晶器铜板的温度异常变化 并导致铸机粘结漏钢处理程序启动，拉坯速度马上降低至0。 随后连铸机自动按照粘结处理的计算机程序执行再启动、恢 复浇铸。在整个结晶器试生产过程中，所有的粘结都得到了 成功恢复。由此可见，新型结晶器完全能够满足了铸机原有 的漏钢预报与粘结处理功能，并对低拉速有较好的适应性。 4.3 粘结事故发生与处理 NERC CCT 4.4 新型结晶器对钢种和铸坯断面的适用性 上表所示为采用新型结晶器生产SPHC、SS400、SS490 和Q345B等4个钢种的情况。可见，新型结晶器对于钢种和 铸坯断面具有良好的适应性，能够生产不同铸坯断面的低 碳类和中碳类钢种。 NERC CCT 4.4 新型结晶器的使用寿命 上表所示为生产考核阶段新结晶器镀层一次使用寿 命的考核情况。从表中可以看出：有镀层的结晶器的 浇钢总炉数为326炉，浇钢量大约为54200吨，与唐钢 原有结晶器的使用寿命相当。 NERC CCT 4.5 铸坯质量 唐钢原有结晶器在生产冷轧基料SPHD钢种时，铸坯 纵裂纹或结晶器漏钢事故的发生频率较高，采用新型 结晶器后，铸坯质量得到了大幅度的提高，表现在两 个方面：一是头坯基本消除了铸坯纵向裂纹；二是在 铸坯的宽面上的纵向裂纹大幅度降低。新型结晶器在 低碳钢的浇铸试验中，浇钢炉数为221炉，仅在结晶器 寿命达到极限时出现了1炉轻微纵裂。 因此可以认为，新型结晶器在生产低碳钢时的铸坯 合格率大幅度提高。 NERC CCT 5. 结论 （1）在分析研究H2结晶器结构特征的基础上重新设计了 新型结晶器。它保持了原H2结晶器热流低、变形应力小的 优点；并且具备在结晶器内完成铸坯最终成型的特点。 （2）新型结晶