连铸板坯连铸机辊列优化设计

连铸板坯连铸机辊列优化设计

近年来，连通性技术取得了迅速发展，世界各国正在研究和开发高效的连通性技术。高效连铸的核心为高拉速,在高拉速的条件下连铸机基本上为液芯矫直,为保证液芯矫直时两相区所产生的变形率和变形速率控制在允许值以内,连铸机的矫直技术经历了不断的发展。到目前,连铸机矫直技术经历了单点矫直、多点矫直和连续矫直三个阶段,连续矫直技术近年来得到较快的发展。多点矫直技术的采用,使连铸机实现了带液芯矫直,提高了拉坯速度,降低了铸机高度,尤其是可以有效地减少铸坯中间裂纹的产生,有效地保证了铸坯的质量。多点矫直的缺点在于每个矫直辊处产生较大的应变突变,即应变速率很大。连续矫直技术很好地解决了这个问题,铸坯的应变在整个矫直区内连续变化,应变速率明显降低,趋近于零应变速率,远远小于铸坯产生裂纹的临界应变值,从而更加有效地减少或避免矫直裂纹的产生。1连续矫直技术连铸坯的矫直技术是连续铸钢领域的关键技术,对连铸生产和连铸设备都有至关重要的影响。纵观连铸的发展历史,从单点矫直、多点矫直一直到目前广泛应用的连续矫直,其中的每一次发展都使连铸生产和设备产生一次飞跃。多点矫直技术的采用,使连铸机液芯矫直更加可靠,可进一步提高拉坯速度,降低铸机高度。多点矫直在每个矫直辊处仍有较大的应变突变,并产生较大的应变速率的峰值。连续矫直技术很好地解决了这个问题,铸坯的应变ε在整个矫直区内连续变化,应变速率˙εε˙明显降低,使铸坯产生裂纹的临界应变εc得以提高,从而有效地减少或避免矫直裂纹的产生。多点矫直和连续矫直技术均是由国外首先开发和应用的,连续矫直技术主要以奥钢联的“渐进矫直”和康卡斯特公司的“连续矫直”为代表。奥钢联渐近矫直的基本方法,是通过设定一条曲率半径连续变化的曲线作为铸坯在变形区内的运行曲线,使铸坯在该区内以恒定的应变速率变形。很明显,铸坯的应变速率还与变形区的长度有关,变形区长度增加,即可实现铸坯低应变速率。2连续矫直技术近年来国内外新设计的连铸机基本上都采用连续弯曲、矫直技术,比较有代表性的是奥钢联的连续弯曲、矫直(又称渐进弯曲、矫直)。但该弯曲、矫直技术还有不尽完善的地方,如弯曲、矫直曲线的曲率变化是非线性的,因此使铸坯在弯曲、矫直过程中产生较大的应变速率˙εε˙峰值,这对减少或避免铸坯的裂纹,特别是固液两相区的裂纹有不利的影响。燕山大学开发的“等应变速率固定辊连续矫直技术”克服了上述连续弯曲、矫直方法的不足。采用传统的方法将单点矫直或多点矫直改造成连续矫直都必须使铸机的高度有所改变,若保持原铸机的基本圆弧半径大小及水平半径标高均不变,则必须改变铸机的水平出坯辊道面的标高,这将使改造工程量大为增加。同理,采用传统方法将单点弯曲或多点弯曲改造成连续弯曲也必须使直弧型连铸机的直线段即铸机的外弧基准线向外弧侧或内弧侧移动,这将使改造无法实现。如图1所示。第二炼钢厂现有2台直弧形板坯连铸机,均为上世纪80年代的技术,配有5点弯曲5点矫直。随着近年对铸坯质量要求的不断提高,该5点矫直技术的缺点越加凸显。第二炼钢厂通过与燕山大学联合,成功改进了这一技术,将其改造成连续矫直,实际应用效果良好,达到了预期目标。根据鞍钢的实际情况,改造采用了先进的具有两个连续矫直段的连铸机辊列曲线。研发出一条特殊的曲线设计和专用对弧样板,对原矫直段各辊子做适当的调整,实现了连续矫直改造的目的。该项改造即保持了原直线段长度及其位置不变,又保持了连铸机水平段和出坯辊道标高的不变,简化了改造环境和改造费用,改造期间对连铸机产能和铸坯质量没有影响,实现了边生产边改造的目标。连续矫直改造设计的两段矫直曲线曲率变化率的分配应用了高温下材料的高温蠕变以及应力松弛特性。根据流变学和高温金属蠕变的应力分析等理论,铸坯温度越高金属的蠕变速度和应力松弛的速度也越快,特别是应力松弛的速度,根据文献,在坯壳较薄的情况下,作用于铸坯的任何应力松弛速度比传统矫直时快10倍以上。设计中采用的这两段曲线光滑连接,在连接点处曲率是连续并基本线性变化的,保证了铸坯的应变速率小于许用值。由表1、表2的数据可以得到改造的具体实施方案:连续矫直区对1号～5号矫直辊进行调整,除1号辊下调0.06mm外,其余辊子均上调,其中4号辊调整量最大为1.88mm。通过对上述辊子的调整,铸坯的矫直变形发生了本质的改变,即由原来曲率的突变实现了曲率的连续、基本线性变化,使铸坯两相区的应变速率小于连铸坯变形速率的许用值[˙ε]=1.25×10-3/s[ε˙]=1.25×10−3/s。3u2004相界面处应变速率坯壳厚度计算公式:δ=k√tδ=kt√式中δ——坯壳厚度,mm;k——综合凝固系数,mm/min1/2,取k=26.5;t——凝固时间,s;t=lvct=lvc,其中l为距钢水弯月面的距离,vc为拉坯速度。按照坯壳整体弯曲变形进行计算时,固液两相界面处应变速率为:˙ε=y(1R1-1R2)tε˙=y(1R1−1R2)t式中y——固液两相界面距中性轴的高度,mm,y=b2-δy=b2−δ;b——铸坯厚度,mm;R1、R2——三次方曲线段/渐开线段弯曲/矫直曲线起终点处曲率半径,mm;t——凝固时间,s;t=Svc‚S为该三次方曲线段/第二曲段弯曲/矫直曲线弧长。由以上公式分别计算连续弯曲/矫直曲线固液两相界面处应变速率(见表3)。浇铸230mm厚铸坯,拉速vc=1.6m/min时,固液两相区的矫直应变速率最大值为˙ε=7.55×10-5/s;远小于连铸坯变形速率的许用值[˙ε]=1.25×10-3/s;浇铸230mm厚铸坯,拉速vc=1.8m/min时,固液两相区的矫直应变速率最大值为˙ε=1.0×10-4/s,远小于连铸坯变形速率的许用值[˙ε]=1.25×10-3/s。4硫印中间裂纹产生概率连续矫直改造的完成对板坯质量有明显的提高,铸坯硫印图显示作为改造对比的2号机3流效果明显。3流在进行连续矫直改造后铸机运行状态良好,板坯的中间裂纹得到很好的控制。在3、4流对比中3流的硫印中间裂纹大于0.5级的概率小于4流。3流比4流降低22.22%,在与上年同期中间裂纹产生概率比较中,同比降低51.11%。改造后的铸坯的矫直变形由原来的5点矫直实现了连续矫直,曲率变化由