結(jié)晶器銅管錐度對(duì)連鑄坯外觀質(zhì)量的影響分析與優(yōu)化

檀偉峰，王 冰，蘇慶林

（山東萊鋼永鋒鋼鐵有限公司技術(shù)中心，山東 德州 251100）

1 前言

連鑄的關(guān)鍵技術(shù)是使鋼水能夠在結(jié)晶器內(nèi)形成一定均勻厚度和強(qiáng)度的初生坯殼，以抵抗鋼水的靜壓力，保證澆注的順行進(jìn)行。為了適應(yīng)鑄坯在結(jié)晶器內(nèi)的冷卻收縮變形，結(jié)晶器銅管內(nèi)腔呈上大下小的形狀，以減少坯殼和結(jié)晶器銅管間的氣隙，改善鑄坯在結(jié)晶器內(nèi)的傳熱條件，因此結(jié)晶器銅管設(shè)計(jì)帶有錐度，確保出結(jié)晶器出口坯殼的厚度。

方坯連鑄拉速提高后，鑄坯外觀質(zhì)量明顯下降，尤其是小方坯脫方鼓肚缺陷明顯增加。拉速提高后鑄坯在結(jié)晶器內(nèi)的停留時(shí)間相對(duì)縮短，坯殼厚度減薄，為了增加鑄坯出結(jié)晶器口的坯殼厚度，需要對(duì)現(xiàn)有結(jié)晶器銅管錐度進(jìn)行系統(tǒng)的分析研究，摸索出高拉速下的結(jié)晶器銅管最優(yōu)的錐度類(lèi)型和錐度值。

2 脫方形成的原因分析

鑄坯脫方最開(kāi)始形成于結(jié)晶器彎月面處，因四個(gè)面冷卻不均勻?qū)е妈T坯坯殼厚度不一致，產(chǎn)生應(yīng)力導(dǎo)致四個(gè)角呈現(xiàn)出銳角或者鈍角，在結(jié)晶器內(nèi)不斷的轉(zhuǎn)換。脫方量因受到結(jié)晶器壁的限制，在結(jié)晶器內(nèi)不會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的脫方，期初的脫方量都較小。當(dāng)鑄坯出結(jié)晶器下口后，脫方量會(huì)逐步的發(fā)展，即使四個(gè)面的二冷水噴淋是均勻的，鑄坯脫方量也會(huì)逐漸的增大。

從觀察現(xiàn)場(chǎng)脫方的鑄坯可以發(fā)現(xiàn)，在同一支鑄坯上，脫方的方向不是同一個(gè)方向，一段向左一段向右，來(lái)回變換，同時(shí)脫方的量也不相同。根據(jù)這種情況分析判斷，產(chǎn)生脫方的根因在結(jié)晶器內(nèi)。

2.1 拉速對(duì)脫方的影響

在實(shí)際的澆注過(guò)程中，當(dāng)拉速在3.5 m/min以上時(shí)脫方數(shù)量和脫方量明顯的增加。當(dāng)降低拉速時(shí)，拉速控制在3.2 m/min以下，在其他工藝條件不變時(shí)，脫方明顯的好轉(zhuǎn)。這說(shuō)明在現(xiàn)有工藝條件下，150 mm方坯的最高拉速適合在3.5 m/min以下，超出此范圍脫方將加劇。拉速越高，出結(jié)晶器坯殼厚度越薄，如果二冷水稍有冷卻不均勻，就容易出現(xiàn)脫方。要控制脫方必須保證出結(jié)晶器的坯殼有足夠的厚度，出結(jié)晶器沒(méi)有脫方或者有小的脫方，但不至于到二冷區(qū)加劇。

針對(duì)上述問(wèn)題，從結(jié)晶器方面考慮，結(jié)合永峰鋼鐵結(jié)晶器銅管的錐度值現(xiàn)狀，根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)報(bào)告，在彎月面處采用大的錐度，可以減少脫方［1］。對(duì)永峰鋼鐵使用的結(jié)晶器錐度進(jìn)行調(diào)整，結(jié)晶器錐度的設(shè)計(jì)原則，要求拉速越高錐度越大，錐度的增大確保了結(jié)晶器內(nèi)傳熱的增加，使出結(jié)晶器坯殼的厚度增大，鑄坯出結(jié)晶器后有足夠的強(qiáng)度不再加劇脫方。

2.2 鋼種對(duì)脫方的影響

當(dāng)鋼中的碳含量為0.2%～0.5%時(shí)，最容易出現(xiàn)脫方［1］。現(xiàn)有鋼種的碳含量為0.22%～0.25%，正好在此范圍內(nèi)，鋼中添加釩則更容易出現(xiàn)脫方。鋼種合金量的增加，導(dǎo)致鑄坯熱收縮量加大，對(duì)應(yīng)也需要結(jié)晶器銅管錐度的增大。

2.3 其他因素對(duì)脫方的影響

鑄坯產(chǎn)生脫方的其他因素有：中間包鋼水過(guò)熱度高、結(jié)晶器液位波動(dòng)大、結(jié)晶器水縫不均勻、浸入式水口不對(duì)中、浸入式水口插入深度不當(dāng)、保護(hù)渣性能不良、二冷噴嘴堵塞、鑄坯冷卻不均勻、噴淋條不對(duì)中、鑄機(jī)基弧不良等。但通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際觀察分析，影響脫方的主要因素為結(jié)晶器錐度與現(xiàn)有拉速和鋼種不匹配，需要重新優(yōu)化調(diào)整。

在結(jié)晶器錐度不合適的情況下，如果上述因素稍有不滿足和疊加的現(xiàn)象，脫方數(shù)量和脫方量將明顯的增加。

3 控制脫方的措施

增加結(jié)晶器銅管的錐度，尤其是彎月面處選用大的錐度，可以有效的控制脫方。在彎月面的錐度可選用2.0%/m或者2.7%/m，結(jié)晶器上部的錐度為4.9%/m，底部的錐度為0.8%/m［1］。對(duì)比分析以上數(shù)據(jù)，永峰鋼鐵結(jié)晶器錐度的增大有很大的空間。

選用凸型結(jié)晶器銅管，此類(lèi)型的銅管錐度設(shè)計(jì)的目的是為了減少坯殼在角部和面部凝固速度的不同，目前我國(guó)其他鋼廠有采用此類(lèi)型結(jié)晶器銅管，在高拉速下的鑄坯質(zhì)量良好。

即使水庫(kù)提高防洪能力，河道防洪標(biāo)準(zhǔn)不達(dá)標(biāo)，達(dá)不到5%的防洪能力，水庫(kù)正常調(diào)節(jié)泄洪也會(huì)影響下游安全，一味要求水庫(kù)保護(hù)下游安全是不可行的。

3.1 結(jié)晶器銅管錐度調(diào)整的原則

根據(jù)永峰鋼鐵的實(shí)際情況，高拉速時(shí)，使用A廠家設(shè)計(jì)的銅管容易產(chǎn)生脫方，偏離角縱裂，嚴(yán)重時(shí)產(chǎn)生漏鋼事故，這表明錐度設(shè)計(jì)偏小；使用B廠家設(shè)計(jì)的銅管，鑄坯出現(xiàn)橫向凹陷和橫向裂紋，表面夾渣，在澆鑄時(shí)鑄坯顫坯，這表明錐度設(shè)計(jì)偏大。

結(jié)晶器錐度的選用與拉速有關(guān)，拉速較慢時(shí)，可以選用錐度值小的結(jié)晶器銅管，拉速較高時(shí)，必須選用錐度值大的結(jié)晶器銅管，以保證鑄坯坯殼和結(jié)晶器壁的良好接觸。

結(jié)晶器錐度的選用與鋼的含碳量和合金含量有關(guān)，澆注的鋼種含碳量和合金含量不同，鋼在結(jié)晶器內(nèi)的收縮量不同，需要與之匹配不同的結(jié)晶器錐度。

3.2 結(jié)晶器銅管錐度的優(yōu)化

永峰鋼鐵分別對(duì)第一煉鋼廠和第二煉鋼廠的結(jié)晶器錐管進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3.2.1 第一煉鋼廠連鑄機(jī)結(jié)晶器錐管錐度優(yōu)化

第一煉鋼廠連鑄機(jī)主要設(shè)備工藝參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 第一煉鋼廠連鑄機(jī)設(shè)備工藝參數(shù)

第一煉鋼廠結(jié)晶器銅管錐度的設(shè)計(jì)。根據(jù)第一煉鋼廠拉速和鑄坯脫方的實(shí)際情況，對(duì)結(jié)晶器銅管的錐度值進(jìn)行調(diào)整，結(jié)晶器銅管錐度調(diào)整前后數(shù)據(jù)對(duì)比見(jiàn)表2。

表2 第一煉鋼廠結(jié)晶器銅管錐度調(diào)整前后數(shù)據(jù)對(duì)比分析

注：錐度值的計(jì)算方法，按照（上口值減下口值）除以（上口值乘以長(zhǎng)度）再乘以100進(jìn)行計(jì)算。

第一煉鋼廠結(jié)晶器銅管錐度值調(diào)整前后錐度曲線的對(duì)比。通過(guò)對(duì)結(jié)晶器銅管錐度值調(diào)整前后的對(duì)比分析，調(diào)整后結(jié)晶器彎月面以下350 mm位置的錐度值明顯增大，結(jié)晶器下口600 mm以下的錐度值明顯的減少，整體上錐度值增大了0.16%/m，具體如圖1所示。上線使用后，調(diào)整后的結(jié)晶器銅管生產(chǎn)的鑄坯脫方數(shù)量明顯的減少。在使用過(guò)程中，個(gè)別結(jié)晶器銅管的錐度值達(dá)到（1.25%～1.3%）/m，但此錐度值的銅管上線使用后，出現(xiàn)開(kāi)澆拉脫、澆注過(guò)程中顫坯現(xiàn)象，針對(duì)實(shí)際情況，調(diào)整后的結(jié)晶器錐度值最大不超過(guò)1.25%/m。

圖1 第一煉鋼廠結(jié)晶器錐度值調(diào)整前后錐度曲線對(duì)比

3.2.2 第二煉鋼廠結(jié)晶器銅管錐度的優(yōu)化

第二煉鋼廠連鑄機(jī)主要設(shè)備工藝參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 第二煉鋼廠連鑄機(jī)設(shè)備工藝參數(shù)

第二煉鋼廠結(jié)晶器銅管錐度的調(diào)整方案。根據(jù)第二煉鋼廠拉速和鑄坯脫方的實(shí)際情況，對(duì)結(jié)晶器銅管的錐度值進(jìn)行調(diào)整，結(jié)晶器銅管錐度調(diào)整前后數(shù)據(jù)對(duì)比見(jiàn)表4。

表4 第二煉鋼廠結(jié)晶器銅管錐度調(diào)整前后數(shù)據(jù)對(duì)比分析

第二煉鋼廠結(jié)晶器銅管錐度調(diào)整前后錐度曲線的對(duì)比分析。通過(guò)對(duì)比分析錐度曲線（見(jiàn)圖2），可以看到結(jié)晶器彎月面處80～350 mm位置，錐度值明顯的增大。此種微凸面的結(jié)晶器設(shè)計(jì)對(duì)控制脫方非常有利。在使用過(guò)程中，該結(jié)晶器生產(chǎn)的鑄坯脫方數(shù)量和脫方量明顯的好轉(zhuǎn)。當(dāng)結(jié)晶器銅管的錐度值達(dá)到2.1～2.2%/m，在澆注過(guò)程中，出現(xiàn)顫坯，嚴(yán)重者拉轎機(jī)竄動(dòng)，因此調(diào)整后的結(jié)晶器錐度值最大不超過(guò)2.1%/m。

圖2 第二煉鋼廠結(jié)晶器錐度值調(diào)整前后錐度曲線對(duì)比

4 結(jié)語(yǔ)

（1）根據(jù)觀察現(xiàn)場(chǎng)脫方的鑄坯，在同一支鑄坯上，脫方的方向不是同一個(gè)方向，一段向左一段向右，來(lái)回變換，分析判斷脫方的根因在結(jié)晶器內(nèi)。

（2）結(jié)晶器錐度的選用與拉速、鋼的含碳量和合金含量有關(guān)，通過(guò)調(diào)整優(yōu)化現(xiàn)有結(jié)晶器銅管的錐度來(lái)控制鑄坯脫方。

（3）永峰鋼鐵第一煉鋼廠將結(jié)晶器銅管整體錐度值控制在（1.1%～1.25%）/m，≮1.1%/m以下；第二煉鋼廠將結(jié)晶器銅管整體錐度值控制在（1.8%～2.1%）/m。

（4）150 mm方拉速控制在3.5 m/min以上時(shí)，鑄坯脫方數(shù)量明顯減少，且質(zhì)量穩(wěn)定可控。