唐钢结晶器改造

1、NERCCCT唐钢新型薄板坯连铸结晶器的唐钢新型薄板坯连铸结晶器的设计和使用效果设计和使用效果钢铁研究总院钢铁研究总院唐山钢铁公司唐山钢铁公司2006年年11月月19日日2006年薄板坯连铸连轧技术交流会报告年薄板坯连铸连轧技术交流会报告NERCCCT报告内容报告内容1. 薄板坯连铸结晶器技术概况薄板坯连铸结晶器技术概况2. H2结晶器的特点结晶器的特点3. H2结晶器的受力与凝固传热分析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结晶器的设计改造及使用情况5. 论文结论论文结论 NERCCCT1. 薄板坯连铸结晶器技术概况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

2、的核心关键，也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、以生产工艺、以H2长漏斗型结晶器为核心的长漏斗型结晶器为核心的FTSC工工艺、以橄榄球型结晶器为核心的艺、以橄榄球型结晶器为核心的ISP工艺、以及以平行工艺、以及以平行板结晶器为核心的板结晶器为核心的CONROLL工艺等。工艺等。 NERC

3、CCT采用漏斗型结晶器生产连铸坯的采用漏斗型结晶器生产连铸坯的纵裂纹缺陷纵裂纹缺陷 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。NERCCCT本文的研究内容本文的研究内

4、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。NERCCCT2. H2结晶器的结构特点结晶器的结构特点（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

5、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。NERCCCT3. H2结晶器的受力与凝固传热分析结晶器的受力与凝固传热分析 3.1 H2结晶器浇铸低碳钢时的热流与温度结晶器浇铸低碳钢时的热流与

6、温度 H2结晶器浇铸低碳钢时，在开浇初期或拉速较低的情况下，在结晶器中下部中心区域经常出现低温“冷结”现象，并导致铸坯宽面的中心纵裂纹的发生。NERCCCT3.1 H2结晶器浇铸低碳钢时的热流与温度结晶器浇铸低碳钢时的热流与温度 对浇铸低碳钢结晶器中下部“冷结”发生时，结晶器热面温度与热流分布、以及坯壳表面温度分布进行研究发现：由于结晶器窄边下部磨损严重或窄边锥度设计较小等原因，造成结晶器下部中心和边部热流降低，它使得结晶器内坯壳中心和边部温度升高。这是产生低碳钢铸坯中心裂纹和边角纵裂漏钢的主要原因。-800-600-400-2000200400600800850900950100010501

7、100115012001250130013501400145012高度出口附近液面下 100 mm拉速 m/min. 3.2 3.5 4.0温 度,oC距铜板中心线距离，mm低碳钢SPHDNERCCCT3.2 H2结晶器浇铸中碳钢时的热流与温度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

8、斗区的边缘产生纵裂缺陷的危险性。NERCCCT3.3 漏斗型结晶器内腔曲面结构分析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结晶器上口曲线形状示意图NERCCCT 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，建立了Marc软件计算模型，模拟了坯壳在结晶器内的运动状况，确定了不同曲面形状条件下坯壳在结晶

9、器内受力情况，得到坯壳在结晶器内变形分布规律。 NERCCCT在漏斗区底部出口处坯壳表面节点在在漏斗区底部出口处坯壳表面节点在X向的应变分量向的应变分量 X向（铸坯宽度方向）的应变是直接导致纵裂纹产生的原因，图中X向的应变分量有正有负，应变在曲面凸凹弧交界处附近改变方向，说明漏斗型结晶器的过渡曲面弧半径和交界位置对铸坯的变形有很大的影响。在靠近中心等效应变值越大，受拉应变，在靠近边部是受压变。其中，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。NERCCCT在漏斗区底部坯壳表面节点在漏斗区底部坯壳表面节点Z向的向的应变分量应变分量

10、 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。 NERCCCT 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。 NERCCCT采用等圆弧或等抛物线曲线的对比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

11、： 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。051015202530354045-240 -160-80080160240距l两弧交接点的距离，mm距基准面的开口度，mm抛物线圆弧-0.05-0.04-0.03-0.02-0.0100.010.020.030.040.05-240-160-80080160240距两弧交接点的距离，mm圆弧与抛物线偏差，mmNERCCCT采用等圆弧或等抛物线曲线的对比（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，

12、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NERCCCT3.3 结晶器漏斗区自有锥度的选择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

13、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 1.04NERCCCT3.4 锥度沿结晶器高度的分布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.

14、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。01002003004005006007008009001000110012000 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4FTSC结 晶 器 局 部 锥 度 ， %/m距结晶器下口的垂直距离，mm01002003004005006007008009001000110012000 0.5 1 1.5 2

15、2.5 3 3.5 4FTSC结晶器局部锥度，%/m距结晶器下口的垂直距离，mm1270mm低碳钢1520mm中碳钢NERCCCT4. 结晶器的设计改造及使用情况结晶器的设计改造及使用情况 4.1 新结晶器的结构特点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

16、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。NERCCCT4.2 新结晶器使用时开浇过程的起步拉速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

17、，说明新结晶器可以满足现有铸机生产工艺的要求。 NERCCCT 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粘结事故发生与处理NERCCCT4.4 新型结晶器对钢种和铸坯断面的适用性新型结晶器对钢种

18、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。 NERCCCT4.4 新型结晶器的使用寿命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。 NERCCCT4.5 铸坯质量铸坯质量 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。NERCCCT5. 结论结论 （1）在分析研究H2结晶器结构特征的基础