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连铸板坯结晶器内钢水流场优化探讨

周学禹，徐立山，李兆远，赵颖

(河北钢铁集团承德钢铁公司提钒钢轧二厂，河北承德067002)

摘 要：主要阐述了承钢提钒钢轧二厂为提高产品质量，降耗增效，提出了结晶器流场存在的问题，围绕着改善结晶器流场的思路，重点从保护浇注、振动、浸入式水口方面入手对结晶器流场进行了优化，在生产中取得了显著效果。

关 键 词：结晶器流场；保护浇注；振动；浸入式水口

1 前言

承钢提钒钢轧二厂连铸生产过程中因结晶器流场不均匀造成大量铸坯裂纹，影响着金属收得率、热送率等重要指标，造成很大经济损失。研究主要从结晶器流场入手，重点分析了振动、浸入水口、塞棒吹氩、结晶器液面波动对结晶器流场的影响，从而制定可行性方案，提出了相应存在的问题：

1)达涅利厂家结晶器锥度、振动参数设计与我厂生产实际情况不匹配，造成铸坯振痕偏深。

2)浸入水口底部形状设计存在不足，不同断面浸入水口插入深度与倾角不匹配，造成结晶器液面波动过大或液面不够活跃。

3)塞棒吹氩氩气流量值不稳定，原因分析不透彻，造成结晶器液面波动较大或出现偏流现象，影响铸坯横向温度传递，出现横向温度波动，影响坯壳均匀性。

2 确定结晶器内钢水流场优化方案

承钢提钒钢轧二厂现有板坯连铸机生产基本情况如表1。

本文以如何改善结晶器流场，提高铸坯质量为目标入手，主要优化结晶器锥度、振动参数，研究不同断面不同浸入水口插入深度、倾角形状，塞棒氩气量优化调节，为了解决这些存在的问题，组织相关人员通过深入探索和分析，研究制定出了一系列相关技术措施，保证了结晶器流场均匀，化渣良好，生产过程稳定，生产出质量合格的铸坯。因此，相关工艺参数的优化改进，是实现大板坯连铸生产稳定，生产合格铸坯的关键，是生产过程中急需解决的问题，也是节能降耗的基础[1]。

承钢提钒钢轧二厂板坯结晶器内钢水流场优化技术研究主要从以下三个方面入手：

1)调整振动振幅、振频，窄侧锥度以及宽面铜板锥度优化。

2)针对浸入水口使用，选择了两种水口底部形状设计，进行液面流速、液面波动对比，选用最佳设计；并对浸入水口插入深度在140mm、160mm、180mm分别进行跟踪，摸索不同断面的最佳插入深度值，以改善结晶器内流场。

3)在原有塞棒吹氩基础上进行分析，优化吹氩参数控制。

3 方案实施

2011年1月开始进行连铸工艺参数的优化工作，通过对结晶器、振动，浸入水口工艺参数优化，提出氩气流量优化措施。并针对生产过程铸坯质量进行了跟踪对比，通过重点主抓以上几条措施，尽可能保证结晶器流场均匀，坯壳结壳温度均匀，提高铸坯的质量。通过比较和对铸坯质量的分析对工艺参数进行合理的优化。

3．1 调整结晶器振动参数及对结晶器锥度进行优化

结晶器是连铸机的心脏，结晶器的性能直接影响到铸坯质量，结晶器的每个参数都和铸坯质量密切相关[2]。

基于此我厂结合现场生产实际情况，对结晶器振动参数以及结晶器锥度进行了优化，其目的就是改善结晶器内钢水流场，提高铸坯质量。

3．1．1振动参数调整

研究出适合我厂生产实际的振动曲线，振幅由6mm改为5．5mm，振频调整由一元函数改为二元函数(调整后振动曲线如图1)。

3．1．2 锥度调整

倒锥度调整前0．98％，调整后1．05％；宽面锥度调整，调整前宽面锥度值上下口相差0．5～0．8mm，调整后1．0～1．1mm，在使用200炉以后保证不低于0．8mm。

通过采取振动参数调整、提高倒锥度措施，铸坯质量得到了明显改善。

3．2 研究浸入水口工艺参数对结晶器内液面波动影响

3．2．1 拉速对液面波动影响

对断面1500mm时，保持结晶器水口浸入深度为180mm、水口倾角为﹣15°、底面结构为波浪面，依次将拉速变化为0．8m／min、1m／min、1．2m／min、1．3m／min，随着拉速的增加，结晶器内液面波动都明显增大，其中以窄面20mm(弯月面)处的变化最为明显。通过近两个月现场数据统计得出拉速拉速波动与纵裂纹指数关系(如图2)。

3．2．2 浸入式水口底面结构对液面流速以及液面波动的影响

采取原型(尖底)、改型(波浪底)两种设计进行对比，如图3、4。

3．2．2．1 液面流速对比

图5中，左侧为流速对应颜色示意，右侧上方为尖底设计的水口弯月面流速分布情况，右侧下方为波浪底水口弯月面流速分布情况。对比可以看出，波浪底水口的弯月面平均流速较低，同时更趋均匀。

在研究中对结晶器中两点流动速度的变化进行了对比。其中第一点位于距结晶器窄面20毫米，距弯月面100毫米处，第二点位于结晶器宽度过难关1／4处，弯月面20毫米下。两点都在结晶器厚度的中心线上。结果显示尖底水口流出的流股速度的强度和变化都较大，这会对钢水中加杂物的情况产生以下两点影响：

1)弯月面下高速的流动会导致卷渣情况的发生。

2)由于具有较高速率的流股对坯壳的冲刷，使得钢水中的夹杂物被坯壳捕捉的机率降低。而波浪底水口产生的流股速度要低一些，冲击深度较低，更有利于夹杂物与气体及时上浮。

图6曲线为尖底和波浪底水口流股速度对比情况。黑色曲线为尖底水口流股，红色曲线为波浪底水口流股。图中上面两条曲线的数据测量位置在第一点，下面两条曲线的数据测量在第二点。由图可见两者在流股速度的强度和变化幅度上的明显区别。

3．2．2．2 液面波动对比

图7为两种水口的计算机模拟流股形态，左侧为尖底设计，右侧为波浪底设计，从图中可见，波浪底水口的两侧流股对称性更好一些。图8及图9为计算机模拟两种水口的流场变化情况。

两种不同底部形状的水口，由原型、波浪面的顺序，结晶器液面波动逐渐减小。但是原型水口两个检测点的波动相差较大，波浪底的两个检测点液面波动比较接近，有利于液面的稳定。

3．2．3 水口浸入深度对液面波动影响

断面1500时，保持拉速为1．2m／min、水口倾角为﹣15°、底面结构为原型，依次将浸入深度变化为140mm、160mm、180mm时，随着水口浸入深度的增加，液面瞬时波高明显下降。当浸入深度140mm时，距窄面1／2处的液面波动最大，在3～4min上下波动。而当水口浸入深度增加至180mm时，液面波动减小，在2mm上下波动。

3．3 塞棒吹氩实施方案

优化保护浇注工艺，减少连铸过程钢水二次氧化。塞棒及水口吹氩量调整前20L／min；改进吹氩措施后降低塞棒及水口吹氩量20L／min→1～5L／min。

通过生产试验得出，氩气压力0．1—0．3MPa，塞棒氩气流量1～5L／min，同时氩封保证压力0．2～0．4MPa，流量10L／min时，结晶器内化渣情况最好，偏流现象较少，铜板温度均匀，保护浇注效果良好，有效的保证了铸坯质量。

4 方案实施结果

4．1 振动参数及锥度调整后振痕深度对比如表2。

通过振动参数优化调节，解决低拉速情况下振动振痕深的问题，并研究了宽面锥度最佳范围，保证了铜板横向温度梯度波动的均匀，经过统计结果表明，从采用高振频、低振幅，增大结晶器倒锥度到1．05％，特别是改进了宽面锥度后，铸坯表面振痕明显减少，铸坯表面光滑，效果良好。

4．2 浸入水口参数调整

通过对相应参数生产情况下数据进行分析，研究了不同断面情况下浸入水口插入深度对结晶器流场的影响，确定了最佳工艺参数值，并根据分析结果对浸入水口底部形状进行了优化，并掌握了浸入水口深度控制。

针对浸入水口插入深度、水口底部形状跟踪分析后，研究总结了最佳浸入水口工艺参数(如表3)。不同水口底部形状铸坯质量情况如表4。

改型后波浪底水口使铸坯缺陷发生率明显下降，质量更加稳定。

4．3 塞棒吹氩改进后效果分析

通过对塞棒吹氩量调节，铸坯质量明显改善(如表5)有效的保证了铸坯质量。

5 结论

承钢提钒钢轧二厂自2011年1月开始进行相关工艺研究，2011年2月开始明显见效，采取措施后铸坯裂纹、结疤支数较原先减少了90％以上，铸坯表面质量合格率提高了4．11％。采用改善后的工艺取得了巨大的经济效益，在公司挖潜工作中做出了突出贡献。

参 考 文 献：

[1]   蔡开科，程士富．连续铸钢与工艺[M]．北京：冶金工业出版社，2005．

[2]   蔡开科．连铸结晶器[M]．北京：冶金工业出版社，2008．