浅析异型坯连铸特点1

1、 . . . 近终形异型坯连铸特点分析建华1，包燕平1，杜松林2，维2，黄社青2（1.科技大学冶金与生态工程学院，100083；2.马钢铁股份技术中心， 马 243011）摘要：异型坯连铸生产存在诸多特点：铸坯横向表面温度严重不均匀；比表面积较大，冷却速度快，在矫直区表面温度易低于900，处于大部分钢种的低温脆性区；冶金长度短；坯壳生长不均匀；结晶器坯壳应力应变复杂，腹板表面、R角和翼缘端部表面受到较强的拉应力；翼缘窄面侧柱状晶带最宽，R角处柱状晶带厚度次之，再其次是腹板处，翼缘端部柱状晶带最窄；翼缘窄面侧、R角处和腹板处柱状晶较粗，翼缘端部柱状晶最细小；铸坯型夹杂物数量较多；异型坯连铸生产对

2、精炼和连铸工艺均具有较高的要求。关键词：异型坯；连铸；特点Analysis of the Characters of Near Net Beam Blank Continuous CastingJianhua Liu, Yanping Bao, Gaoxing ChenSchool of Metallurgical and Ecological Engineering, USTB, Beijing 100083Wei Sun, Kaizhong Wang, Sheqing WangTechnology center, Maanshan Iron and Steel Co., Ltd., Maa

3、nshan 243011, Anhui, ChinaAbstract: Some characters about the beam blank continuous casting are analyzed and described in this paper: the lateral surface temperature is seriously uneven; the surface temperature of the beam blank in the straighten section is often blew 900 and locates in the fragile

4、temperature ranges of most cast steel categories, because of the rapid cooling due to the high surface area per mass blank; the metallurgical length is short; the shell grows unevenly in the mould, the stress and strain in the shell in the mould is complicate, high tensile stress is found in the sur

5、face of webs, fillets, and flange tips; the thicknesses of columnar crystalzones in the narrow sides of the flanges are the widest, and those in the flange tips are the narrowest, while those in fillets and webs are among them; the columnar crystal in the narrow sides of the flanges, fillets and web

6、s are cruder than those in the flange tips; the large inclusion amount in the beam blank is high; and strict processes for refining and casting are required for beam blank continuous casting.Key words: Beam blank, continuous casting, character基金项目：国家高技术创新项目（No.2002566）作者简介：建华（1966），男，博士，教授； E-mail:采

7、用近终形异型坯代替方坯生产型钢，可显著减少开坯机轧制工作量，节省轧制和加热能耗，改善表面质量1。近年来，近终形异型坯连铸在国外发展较为迅速2。与常规铸坯（板坯、方坯、园坯）连铸相比，近终形异型坯连铸具有许多显著特点：（1） 浇铸断面复杂，结晶器形状和二冷区支撑辊的支撑形式特殊。结晶器腔为H型，并常采用双锥度；根据鼓肚凝固特征，异型坯连铸机夹辊在铸机上、中和后部的布置方式也各不一样2。（2） 常采用敞开式浇铸。由于异型坯的腹板和翼缘壁较薄，要求中间包水口的钢液铸流尽量靠近结晶器钢液面，减少注流对初生坯壳的冲击作用。因此，许多厂家为减小从中间包底面到结晶器钢液面之间的距离，采用半敞开式水口。（3）

8、 常采用双水口浇铸。异型坯连铸多采用每流两个水口的敞开式浇铸方式，但随着坯形的近终化和品种、质量要求的提高，也发展了单水口浇铸、浸入式水口浇铸和半敞开式水口浇铸。（4） 轧制生产中缺陷发生率高，成材率低。与板坯轧制生产各种板材、方坯轧制生产各种长才相比，异型坯在轧制成型钢的生产中，裂纹、结疤、掉肉等各种缺陷发生率高，成材率低3。除了这些外在的显著特点，异型坯在生产中还存在一些不易被观察或注意到的特点，且常常对异型坯质量与生产工艺控制存在重要的影响。1 连铸过程中异型坯表面温度分布特点（1）表面温度分布严重不均匀铸坯表面温度分布对铸坯质量存在显著影响，连铸生产中希望铸坯表面温度均匀，波动与反复小

9、，在二冷区处于浇铸钢种的高温塑性区。由于形状简单，方坯、板坯和矩形坯，通过喷嘴的合理布置，很容易使铸坯表面温度趋于均匀，在浇铸方向波动小，在二冷区与矫直区处于高温塑性区。但近终形异型坯，由于形状复杂，表面的法线方向各不一样，很难通过合理的喷嘴布置，使异型坯表面均匀冷却；同时，由于液芯距表面各处的距离差别很大，结晶器中射流也较特殊，铸坯横向表面常常存在较大的温度差。图1是马钢异型坯产量最大的钢种SS400连铸生产中表面温度数值模拟和现场测试结果。该结果表明在结晶器中，异型坯坯壳表面温度较为均匀，腹板表面中心、缘R角与窄面表面中心的温度趋于一致，但翼缘端部，由于受到三个方向的冷却，温度较低；在二冷

10、区，翼缘端部温度仍较低，但铸坯腹板中心和窄面中心表面温度下降较快，缘R角温度下降比较平缓。结果是在二冷区，异型坯缘R角附近的表面温度存在较为剧烈的变化（见图2），该处已有裂纹较易扩展。图1 SS400腹板中心、缘处、翼缘端部和翼缘窄面中心温度变化（15线分别代表腹板中心表面、R角、翼缘端部、窄面中心与液芯的温度）Fig.1 Temperature changes in the center of the web surface, fillet, flange end and center of the narrow side of flange (line 15 indicate the te

11、mperatures at middle surface of the web, surface of fillet, flange tip, middle of the narrow face and liquid center )图3 25支撑辊处SS400异型坯坯壳截面温度数值模拟结果Fig. 3 The calculated temperature distribution in the cross section of the beam blank at the 25th supporting rollers（2）矫直区铸坯表面温度较低同时，异型坯表面积大，散热条件好，铸坯温度下降较

12、快，结果是在矫直区，铸坯表面温度容易低于900，常处于各钢种的低温脆性区，致使矫直过程中铸坯已有表面裂纹较易扩展。2 连铸过程中异型坯凝固特点（1）结晶器中坯壳厚度容易不均匀由于在结晶器角部和平面部位冷却效果不同，连铸中结晶器里坯壳并不均匀，板坯和矩形坯的坯壳常在铸坯偏角区域较薄45。异型坯连铸用结晶器腔形状较为复杂，结晶器中存在12个面和12个拐角，较板坯和方坯结晶器的4个面和4个拐角多得多，因此在结晶器中坯壳更为不均匀。又由于近终形连铸，腔较薄，坯壳厚度不仅受结晶器形状影响，而且结晶器的流场分布对异型坯坯壳厚度的影响也较大。图4a、4b和4c分别为结晶器锥度较小、较大和适中时结晶器出口处异

13、型坯坯壳厚度的数值模拟结果6。图4a 锥度过小时结晶器出口处坯壳厚度Fig. 4a Shell thickness at outlet of the mould for a too small taper图4b 锥度过大时结晶器出口处坯壳厚度Fig. 4b Shell thickness at outlet of the mould for a too strong taper图4c 锥度合理时结晶器出口处坯壳厚度Fig. 4c Shell thickness at outlet of the mould for an optimized taper图4 不同结晶器锥度条件下结晶器出口处异型坯

14、厚度数值模拟结果异型坯连铸中水口结构对异型坯坯壳也存在明显影响。异型坯连铸常采用直孔水口和有三个侧开孔的水口。理论上三孔水口对结晶器中钢液合理流动有利，但三孔水口的寿命较短，水口头部容易掉落，引起漏钢。数值模拟结果表明（见图5a和5b7），与三孔水口相比，采用直孔水口，结晶器出口处坯壳厚度极不均匀，在翼缘与腹板的交接处，坯壳最薄。图5a 采用直孔水口连铸时结晶器出口处SS400坯壳厚度Fig.5a The thickness of SS400 shell at the mould outlet cast with straight hole nozzle图5b 采用三孔水口连铸时结晶器出口处S

15、S400坯壳厚度Fig.5b The thickness of SS400 shell at the mould outlet cast with three holes nozzle结晶器中坯壳不均匀的结果是坯壳收缩时，坯壳薄弱处容易产生裂纹。（2）冶金长度短异型坯翼缘的尺寸较大，因此异型坯连铸机的弧度半径也常较大，如马钢和莱钢异型坯连铸机的弧度半径分别10.0和12.0m，但异型坯表面积大，散热条件好，在二冷区就能完全凝固，冶金长度短。因此异型坯矫直一般为固相矫直，矫直时的许用应变较大，对矫直有利。3 结晶器中异型坯横截面应力应变特点与常规铸坯不同，异型坯在结晶器中除了受到热应力、摩擦力、

16、钢水静压力外，坯壳在凝固收缩时还常受到结晶器壁对翼缘的支撑力。加上坯壳温度和厚度较不均匀，结晶器中异型坯横截面应力应变分布较为复杂。图6是马钢SS400异型坯在结晶器出口处横截面上应力应变的数值模拟结果。由图可知，异型坯腹板表面和翼缘端部，主要承受x方向的拉应力，翼缘侧和窄面主要承受y方向的拉应力；坯壳中应力分布不均匀，腹板、缘R角与翼缘端部受到的应力较大。图6a 结晶器出口处坯壳x方向应力分布（拉速0.78m/min，钢种SS400）Fig. 6a The x direction stress in the shell at the outlet of the mould (cast spe

17、ed 0.78m/min, cast steel SS400)图6b 结晶器出口处坯壳y方向应力分布（拉速0.78m/min，钢种SS400）Fig. 6b The y direction stress in the shell at the outlet of the mould (cast speed 0.78m/min, cast steel SS400)4 铸坯低倍组织特点和常规铸坯一样，异型坯也是由激冷层、柱状晶和中心等轴晶组成。但由于冷却不均匀、铸坯厚度不均匀、以与液芯位置和形状的特殊性，异型坯凝固组织也不均匀，腹板、R角与翼缘端部和翼缘窄面各处的柱状晶带宽度、柱状晶的粗细存在较大

18、差别。图7a-7c分别为异型坯腹板、翼缘外弧侧和弧侧的凝固组织。由异型坯外侧到中心，凝固组织可分为激冷层、第一柱状晶带、柱状晶和等轴晶混合带、第二柱状晶带和等轴晶区5个区域，其中柱状晶带比例最大，中心等轴晶比例较少，激冷层最薄。由图可以发现异型坯在翼缘窄面侧柱状晶带最宽，R角处柱状晶带厚度次之，再其次是腹板处，翼缘端部柱状晶带最窄；翼缘窄面侧、R角处和腹板处柱状晶较粗，翼缘端部柱状晶最细小。内弧侧外弧侧2cm外弧侧图7a SS400腹板凝固组织Fig. 7a The solidification structure of the SS400 web2cm图7b SS400翼缘外弧侧凝固组织Fi

19、g. 7a The solidification structure of the outer side of SS400 flange2cm图7c SS400翼缘弧侧凝固组织Fig. 7c The solidification structure of the inner side of SS400 flange柱状晶带的宽度和粗细与凝固前沿的温度梯度有很大关系8，温度梯度大有利于柱状晶的生长。由图3可见，异型坯窄面侧凝固前沿温度梯度最大，R角处凝固前沿温度梯度次之，腹板的凝固前沿温度梯度较小，翼缘端部温度梯度最小，因此，异型坯中上述各处的柱状晶发达程度也存在相应的差别。5 铸坯中夹杂物特点

20、异型坯连铸常采用双水口浇铸，保护浇铸较为困难，因此浇铸方式常为敞开式浇铸或半敞开式浇铸。双水口敞开浇铸的一个显著特点是钢水二次氧化严重，钢水冲击深度较深，夹杂物在结晶器中难以上浮，铸坯型夹杂物数量较多。在2005年以前，马钢异型坯常用双水口半敞开式浇铸，SS400和55C铸坯型夹杂的含量分别为82.1和133.52mg/10kg钢，显著高于常规铸坯的120 mg/10kg钢。图8是SS400 H型钢型硅酸盐夹杂较为严重的局部区域扫描电镜照片，该区域的裂纹可能与这些夹杂物有关。目前，马钢已成功开发出异型坯双水口保护浇铸工艺。图8 SS400 H型钢中硅酸锰夹杂与裂纹形貌Fig.8 The man

21、ganese silicates and cracks in SS400 H shape steel6对钢水质量、连铸工艺和设备的较高要求异型坯形状独特，有12个面和12个角，连铸生产中横向表面温度极不均匀，应力、应变状况复杂，因此对冶炼、连铸工艺和设备均有较高要求。（1） 钢水质量研究马钢H型钢缺陷产生原因的生产工艺调研表明：浇铸钢水的C、S和P含量、Mn/S比值、温度等工艺因素对异型坯轧后冶废率均存在显著影响9。异型坯轧制生产中冶废率较高的一个重要原因是将异型坯作为常规铸坯生产，对钢水C、S、P、Mn/S比的控制按常规钢种的标准或客户的要求控制。普通钢种的异型坯生产，如SS400、Q345

22、等，除了吹氩，常不采取其它精炼手段，浇铸钢水的S、P较高，C含量接近包晶反应严重的成分围，结果是异型坯的缺陷较高，轧制生产中冶废率显著高于常规铸坯的轧制。马钢异型坯的生产统计表明，经过LF的简单处理后，异型坯的轧制冶废率就得到明显降低9；采用渣洗和保护浇铸后，冶废率进一步降低。由此可见，高质量的钢水对异型坯的生产非常重要，在生产中钢水质量的控制、特别是S、P、C的控制应高于客户的要求和相关国家标准规定。（2） 连铸工艺研究表明保护渣性能3, 10, 12, 13、水口形状和插入深度9、钢水过热度3, 10、二冷强度3, 12, 13，拉速3, 14等连铸工艺因素对异型坯表面缺陷有显著影响；并且

23、钢水过热度12, 13、二冷强度11, 12, 13和拉速13等工艺因素对异型坯部缺陷也有明显影响；保护浇铸状况则明显影响铸坯清洁度。因此，为了保障异型坯的质量，必须针对具体生产条件对连铸工艺进行优化，优选适宜的连铸生产工艺。（3） 连铸设备异型坯连铸用结晶器采用双锥度，由于结晶器锥度对坯壳厚度和应力影响非常显著，合适的锥度是降低异型坯表面裂纹发生率前提条件13。二冷区异型坯的支撑方式不同于常规铸坯，支撑对部质量有明显影响。另外，结晶器是否定位和各二冷段对弧是否准确、支撑辊润滑是否良好、辊缝是否合适等3, 12对异型坯的表面质量也存在明显影响。7 结论（1）异型坯连铸生产存在诸多不易观察或发现

24、的特点：铸坯横截面表面温度严重不均匀，在矫直区表面温度易低于900，处于大部分钢种的低温脆性区；结晶器中坯壳常不均匀，比表面积较大，冷却速度较快，冶金长度较短；结晶器坯壳应力应变分布复杂，腹板表面、R角和翼缘端部表面受到较强的拉应力；翼缘窄面侧柱状晶带最宽，R角处柱状晶带厚度次之，再其次是腹板处，翼缘端部柱状晶带最窄；翼缘窄面侧、R角处和腹板处柱状晶较粗，翼缘端部柱状晶最细小；大型夹杂物数量较多。（2）异型坯生产对精炼、连铸和设备均具有较高的要求。参考文献1 F. Leingruber, C. Chimani, M. Thalhammer, G. Shan. 奥钢联方坯与异型坯浇铸技术的最新进展。2004奥钢联连铸热轧会议连铸论文精选集，奥地利，林茨，2004年6月2 高兴。异型坯连铸过程温度场与应力场模拟，科技大学硕士论文，2006：23 茆勇，鲁怀敏，汪开忠近终形连铸异型坯的质量问题与对策