（点击下载）——连铸板坯倒角结晶器的开发与应用

铸坯质量问题一直是冶金工作者们研究的热点和焦点，很多疑难质量问题依然是今天的主要研究对象。其典型的连铸板坯角横裂纹缺陷，由于其形成机理复杂、影响因素众多被公认为是世界性难题，尤其是微合金化技术得到广泛应用以后，板坯角横裂纹的问题更加突出。连铸板坯角横裂纹能够引起轧后钢板边裂缺陷，严重的会造成钢板报废。经过多年的研究，国内外学者们对板坯角横裂纹的发生机理基本达到共识，认为其形成机理主要有三点：

1) 钢存在高温脆性，在连铸弯曲一矫直过程中由应力引起拉裂；

2) 连铸坯较深的振痕，引起应力集中；

3) 结晶器内坯壳因热收缩而引起的内热裂。

根据上述的裂纹形成机理，各个钢铁企业采取相应的控制策略，例如：通过调整钢水成分以提高钢的高温延塑性，优化连铸二次冷区，提高铸坯矫直温度，优化连铸振动和保护渣以减轻铸坯振痕等。

由于钢的连铸涉及到设备的运行和维护以及工艺稳定、水质、钢水纯净度等各方面因素，过程非常复杂。各个钢铁企业的实践也表明，单纯的连铸工艺优化很难从根本上消除板坯角横裂纹，必须要从工艺装备上进行创造性的改进。

1  连铸板坯倒角结晶器的功能结构设想

控制连铸板坯角横裂纹缺陷遵循的理念主要是：改善铸坯温度(避开钢的高温低塑性区)和减少铸坯过程应力，无论连铸工艺上做哪些调整，基本都是围绕这个理念展开的。基于此，首钢自主设计和开发了窄面铜板带有倒角的结晶器，如图1所示，力求从温度和应力两方面改善铸坯角部状况。

国内有的钢厂曾经使用带倒角的结晶器，采用的倒角方式是在结晶器角部用丝扣嵌入一个具有一定角度的铜条，起到对铸坯倒角的作用。这种倒角方式存在铜条冷却条件差、角缝过大、倒角尺寸过小等问题，实际应用效果不理想。本文设计的新型倒角结晶器是倒角与窄面铜板为一整体，并对结晶器铜板水缝重新设计。

通过几十组不同工况、不同倒角尺寸和水缝布置的仿真模拟计算，找到了倒角结晶器最优的倒角形式和工艺窗口，从连铸过程的温度场和应力场来看，确实达到了预想的提高矫直温度和分散角部应力的效果。

2  连铸板坯倒角结晶器的研发历程

秦皇岛首秦金属材料有限公司投产以来，由于品种结构的不断升级，铸坯角横裂纹问题始终是困扰生产的难题。从2009年5月开始，科研人员在连铸质量攻关过程中提出了板坯倒角结晶器的理念和应用构想，迅速组织相关技术人员进行国内外技术文献调研整理工作，总公司和首秦公司各级领导高度重视该项目的研发工作，分别于2010、2011年作为公司重大科研任务大力推进。

从项目立项开始，开发过程历时7个月，共进行了25次工业化试验，倒角形式设计先后修改了6次，试验涉及到的钢种基本覆盖了首秦全部钢材品种，科研人员掌握了大量第一手实验数据，积累了丰富的实践经验，先后攻关克服了各种各样的质量问题、操作问题。项目于2010年5月开发成功，并在首秦2号铸机上实现了稳定应用。

3  倒角结晶器的应用情况

首秦连铸机应用倒角结晶器以来，倒角铸坯角横裂纹发生率由10．6％降低至1．60％，显著改善了铸坯质量。上线的倒角结晶器实物照片如图2所示。

使用倒角结晶器后连铸坯角部温度比直角铸坯明显升高，倒角坯矫直区角部温度在920—900℃之间，高于钢的第三脆性温度区的高温段，有利于控制铸坯角横裂纹。通过连铸坯在线的实物可以看出铸坯角部发红，温度较高。图3为铸坯连铸矫直前后温度实测结果。

倒角结晶器投产以来生产的钢种包含A／B船板、S235J2、Q235B／C、Q245H／R、Q345B／D、D32、S35572、S355N等，基本完全消除角横裂纹缺陷。图4、图5为普碳钢和低合金钢倒角坯堆垛的实物照片。

中碳含铌钢连铸坯的角横裂纹问题是冶金界公认的难题，2009年底首秦生产的中碳含铌钢直角连铸坯角横裂纹发生率很高，导致钢坯切损量很大，也严重影响了钢板的成材率。倒角结晶器成功应用以后，不仅大大降低了铸坯角横裂纹发生率，也使未能彻底消除的裂纹缺陷尺寸变小，降低铸坯切角比率。倒角结晶器应用以来，生产的中碳合铌钢种包括D36、Q345ZNb、Q370qD、S355N—Z25等。

4  倒角结晶器在消除管线钢板折叠缺陷的应用

高级别管线钢是首秦公司的重点品种，在天气寒冷季节，管线钢钢板的边部频发边部卷边折叠缺陷，增加了钢板修磨量，降低了钢板成材率。造成这种钢板折叠缺陷的主要原因是由于冬季寒冷的天气加重了钢板边部和宽面各位置温度的不均匀性，使钢板边部温度很低，在轧制过程中钢板边角部的延伸率要低于宽面中间的位置，角部发生向内的卷曲，造成折叠缺陷，如图6为典型的钢板折叠缺陷形貌。

为了解决管线钢钢板边部折叠的问题，先后进行了多次管线钢钢坯翻转轧制和切角轧制对比试验，结果发现钢坯切角后对控制折叠缺陷的发生起到了很好的效果，即将钢坯棱角切掉就能解决钢板折叠的问题。但实现钢坯块块切角也不现实，这对钢坯的物流管理带来极大困难，也大大增加了生产成本，倒角结晶器使用后则完全解决了这个问题。

倒角结晶器应用后共生产管线钢12．3万t，钢种主要为X70、X80和X65。经过检验，钢板边部基本没有折叠缺陷，表明使用倒角结晶器对消除钢板折叠缺陷效果非常明显，这是因为倒角铸坯的角部温度要高于直角铸坯，有助于缓解钢板边部与宽面内部温度的不均匀性。

采用倒角结晶器生产的连铸坯，解决了管线钢钢板边部折叠缺陷，同时钢板边部质量的改善，使得钢板不必再块块翻板检查，解决了因翻板造成表面氧化铁皮影响探伤设备的问题，确保了生产物流的顺畅。

此外，轧制钢板切边量随倒角结晶器钢坯的使用逐渐减小，可提高钢板的成材率，具有很大的经济效益。

5  结论

1) 倒角结晶器开发项目率先在首秦公司研制成功，并在多个钢种上实现了成熟应用，可以给行业带来巨大社会效益和经济效益。

2) 首秦连铸板坯倒角结晶器正式投产以来，铸坯角横裂纹综合发生率降低至1．60％，具有显著改善铸坯质量的作用。

3) 连铸板坯倒角结晶器对消除冬季管线钢钢板边部折叠缺陷有着重要作用，应用倒角结晶器后管线钢钢板彻底杜绝了折叠缺陷的发生，取得了可观的经济效益，确保了首秦管线钢的正常生产。