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200系列不锈钢连铸结晶器液面波动研究

谢长川¹，杨东²，罗德洪²，陈友斌²，王朝盈¹，李刚¹

(1．中冶连铸技术工程股份有限公司，湖北 武汉 430073；2．西南不锈钢有限责任公司，四川 乐山 614000)

摘 要：介绍了200系列不锈钢板坯铸机结晶器液面波动的特点，分析计算了J4不锈钢的高温热特性和鼓肚量，并通过建立ANSYS数学模型对铸坯的鼓肚进行了数值模拟。分析认为造成结晶器液面波动的主要原因是铸坯初生坯壳厚度不均匀，在铸机前部区域产生了较大的鼓肚。通过调整铸机结晶器、二次冷却水量，和优化相关的设备参数等方法，有效降低了结晶器液面波动，提高了铸坯的表面质量。

关 键 词：板坯连铸；200系列不锈钢；液面波动

西南不锈钢有限责任公司(以下简称西南不锈钢厂)的200mm×1600mm直弧形板坯铸机投产以来，浇铸304不锈钢时液面控制稳定，铸坯表面质量良好。但在浇铸200系列的J4不锈钢时，结晶器液面波动幅度达±5mm以上，同时铸坯表面出现了等间距的横向凹陷，给生产安全、铸机产能带来很大影响。

1 铸机参数

西南不锈钢厂的200mm×1600mm直弧形不锈钢板坯铸机，为国内某公司设计、制造，于2012年8月投产，具体工艺参数见表1，生产的主要钢种成分见表2。

2 结晶器液面波动特点

铸机刚投产时，生产钢种为304不锈钢，液面控制一直比较稳定，铸坯表面质量良好。但在后期开始浇铸J4不锈钢时，液面开始出现周期性波动。在液面波动的同时，铸坯表面出现等间距凹陷，间距大概为260～280mm。后来的几个浇次，横向凹陷的间距出现了变化，现场测量，其宽度为两类，一类宽度为230mm，主要出现在浇铸前期，一类宽度为280mm，主要出现在浇铸后期。

操作人员认为这种现象和铸坯鼓肚有关，采取了以下措施：1)降低拉速，从0．9m／min降至0．8m／min；2)加大足辊段水量，比水量由0．5L／kg提高到0．6L／kg；3)铸坯宽度1250mm，宽面结晶器水量由145m³／h增加到163m³／h；4)液面波动太大时手动控制塞棒。

采取以上各种方法，均可以收到一定的效果，但由于一直没有给出一套完整的方案，往往浇铸1～2炉后液面波动和等间距凹陷情况再次出现，始终无法解决。

3 结晶器液面波动原因分析

国内几家钢厂^[1—4]都曾经出现过浇铸包晶钢时，结晶器液面波动的情况，最终发现与坯壳厚度不均、鼓肚有关。武汉钢铁集团公司第三炼钢厂引进的3台板坯铸机浇铸包晶钢时，其中两台出现液面波动异常，而另一台就没有这种现象，它们的主要差异就是辊列的不同。西南不锈钢厂的铸机和它们有个共同特点，就是弧形区1～6号扇形段采用完全相同的辊列，即6对Φ230mm的自由辊和一对Φ250mm的传动辊。通过对之进行辊列计算，可见在正常坯壳厚度条件下，铸坯在进入扇形段(19号辊后)时鼓肚会明显变大，如图1所示。辊列设计中一般控制铸坯最大鼓肚量为0．5mm^[5]，因此正常情况下的鼓肚对结晶器液面几乎不会产生影响。但是如果坯壳厚度不均匀将导致鼓肚进一步加大，因此一般不锈钢板坯铸机的前两个扇形段采取更小的辊径，以降低铸坯鼓肚。

Grant A^[6]，Michel Dussu^[7]，Toshitliko Murakami^[8]等指出扇形段区域的铸坯非正常鼓肚会加大结晶器液面的波动。液面波动又导致初生坯壳的厚度不均匀，进入到扇形段后鼓肚进一步加大，这两种效应相互放大。因此在浇铸包晶钢时，容易出现液面剧烈波动的情况。

通过建立有限元模型，研究扇形段和铸坯之间的相互作用力和变形。可以清楚地看到铸坯在通过辊列时的鼓肚情况，如图2所示。铸坯的鼓肚区域通过夹持辊时，鼓肚被压平，如果鼓肚量过大，每对导辊处“挤出的钢水”叠加后就会影响结晶器液面。如果扇形段的辊间距相同，这种效果则更加明显^[2，7]。

奥氏体不锈钢由于凝固过程中和包晶钢类似的相变，导致很大的收缩。它具有很大的线膨胀系数和体积膨胀系数^[9]，见表3，使初生坯壳脱离结晶器而造成坯壳的不均匀性。同时由于奥氏体不锈钢的导热系数低^[10]，见表4，坯壳生长缓慢而且晶粒粗大，进一步加大了这种不均。如果此时出现液面波动，很容易将保护渣卷到凹坑，最终造成横向凹陷。

判断不锈钢凹陷频率的参数是ω(Ni)／ω(Cr)的当量比^[11]，如图3所示。J4钢的ω(Ni)／ω(Cr)为0．56，而304的ω(Ni)／ω(Cr)为0．55，J4更接近凹坑出现频率的峰值。因此J4不锈钢的结晶器出口坯壳，比304钢更容易出现厚度不均的现象。由此引发的结晶器液面异常波动，又加剧了J4钢坯壳的不均匀性。

铸坯鼓肚量可以由式(1)计算^[12]，同样条件下，J4的鼓肚量约比碳钢高30％。

式中，P为钢水静压力，Pa；l为辊距，mm；S为坯壳厚度，mm；a为板坯宽度的形状系数；η为a修正系数，一般而言，ηa=1；E_e为修正的等价弹性模量，N／cm⁶；T_sol为钢水凝固温度，K；T_m为坯壳的平均温度，取板坯表面温度与凝固温度的平均值，K；t为板坯经过辊距的时间，t=l／v，min；v为拉速，m／min。

图4为304不锈钢的高温力学性能^[13]，图5为作者测试出的泰山不锈钢厂所生产的J4钢不锈钢铸坯的高温力学性能，对比图4、图5可见J4钢的高温强度比304钢更低。因此该铸机只是浇铸J4不锈钢时，出现液面异常波动和铸坯等间距凹陷。

4 控制J4不锈钢的液面波动的措施

4．1 稳定结晶器传热

为了增加坯壳均匀性，对于这种强收缩钢种，一般采用结晶器弱冷的方式^[14]。要实现结晶器的弱冷，应该从改变结晶器保护渣出发，采用高碱度、高结晶率的保护渣可以有效降低、控制铸坯经渣膜向铜板的传热^[15]。仅仅调整水量，只能改变结晶器回水温度，并不能改善传热。采用水槽冷却的铜板，如果水缝的流速低于6m／s而进回水温差高于10℃将导致铜板冷面的水沸腾^[16—17]，恶化铜板传热效果，一般板坯铸机都满足这一设计要求。该铸机铜板可浇铸的最大铸坯宽度为1600mm，在浇铸1250mm铸坯时，设定的结晶器宽面水量为160m³／h，温差为8℃，可以计算出和钢液接触区域的铜板水缝中的温差达到了10℃，其宽面铜板水缝面积约8600mm²，则水缝中水流速只有5m／s，容易造成沸腾，使铜板传热不均匀。将宽面铜板水量提高到190m³／h，使水缝中水流速达到6m／s。实际温差降低到了6．3℃，确保铜板传热稳定。

4．2 调整二冷段设备

铸坯的横向凹陷均匀而且横向贯穿整个铸坯，造成这种现象与J4钢铸坯坯壳厚度不均、高温强度低有关，同时可能和铸坯受到外力有关。这种外力一般来自于传动辊的热坯压过大，或是由二冷区域的辊子不对中引起的，发生位置往往在前部坯壳较薄的区域。许多学者^[18—20]在研究板坯变形时提出，在相邻3个支辊中，如果中间一个支辊发生不对中，凝固前沿产生拉应变的大小由式(2)来计算。

εM=300SδM／l²    (2)

式中，εM为应变，％；δM为支撑辊不对中量(辊列计算时取0．5)，mm；S为坯壳厚度，mm；l为辊间距，mm。

通过仔细检查现场设备发现，弯曲段的下耳轴与支座间有2～3mm的间隙，弯曲段下线检查发现一侧下耳轴内弧侧有2mm磨损。这一情况说明，在拉坯过程中，弯曲段受力后下耳轴反复碰撞支座内弧面。在浇铸时，弯曲段最后一个辊和扇形一段第一个辊间可能形成3～5mm错位，由式(2)计算产生的应变1．3％，远远超过了设计要求0．5％的综合应变^[17]。

该铸机的3～10号扇形段全部采用一个热坯压控制，为了提供足够的驱动力，现场设置热坯压为4MPa。根据扇形段各驱动辊的高度位置计算，扇形3段的驱动辊平衡鼓肚力所需的热坯压为3MPa。考虑到J4钢的坯壳较软而且坯壳生长缓慢，为了降低驱动辊对铸坯的挤压，将3～6号扇形段热坯压设定为2．8MPa，同时将7～10号扇形段采用7MPa的冷坯压。这样铸坯在完全凝固后，较大的压力保证整个辊列区域有足够的驱动力，进一步稳定拉坯速度减小波动。

通过以上两方面的调整后，结晶器液面基本上可以稳定在±3mm以内，没有再出现异常的大波动。铸坯表面没有出现完全贯穿的横向凹陷，但是仍然存在大量的凹陷，和明显的扇形段辊子碾压的痕迹，需要采取措施进一步降低铸坯的鼓肚量。

4．3 增大二冷水量减小铸坯鼓肚

从式(1)可见，为了减小鼓肚，在当前设备条件下，可以通过降低拉速提高坯壳厚度，增加二冷水量以降低铸坯表面温度来提高坯壳的弹性模量。将足辊、弯曲段和扇形一段的总水量从45m³／h提高到62m³／h。离线的板坯温度场计算模拟结果如图6所示，铸坯前端的表面温度下降到950℃，从而尽量减小铸坯前部的鼓肚，缓解对结晶器液面波动的影响。后部坯壳有足够厚度后减少水量，保证全凝固后铸坯的矫直温度在90()℃以上。同时加大弯曲段出人口的差值到1．3mm，使之与J4钢的凝固收缩更加一致。

通过采取以上的措施，同时稳定钢水条件，在0．9～0．95m／min拉速时浇铸J4不锈钢，结晶器内钢液面波动可以控制在±1．5mm以内，消除了表面凹陷铸坯质量明显提高，实现了整个炼钢系统的长期稳定生产。

但当拉速高于1．0m／min时，结晶器液面又出现明显波动。因此，浇铸J4不锈钢的铸机，其前部的扇形段应该采用小辊密排的辊列设计，利于结晶器液面稳定、提高拉速和铸坯表面质量。

5 结论

1)J4不锈钢液面波动产生的主要原因，是结晶器中初生坯壳的不均匀性，导致坯壳的薄弱部位在扇形段中过大的鼓肚变形造成。

2)宽铜板浇铸窄断面时，不能只看结晶器的进出水温差，必须保证足够的水流速度，确保结晶器传热的稳定性。再通过调整保护渣来降低结晶器的传热，得到厚度均匀的坯壳。

3)调整J4钢连铸的二次冷却制度，在保证矫直点温度的同时适当增加二冷区上部的冷却强度，减小铸坯的鼓肚，有利于液面波动的控制。

4)前部扇形段驱动辊应该采用较低的热坯压，减少对液芯的挤压。后部扇形段驱动辊采用高的热坯压，以提高拉坯力，缓解由于液面波动造成的拉速波动，避免液面波动的加剧。加强设备对弧精度的控制，是铸机稳定生产的前提。

5)浇铸J4不锈钢的板坯铸机，其前部的扇形段应该尽量采用小辊密排的辊列设计，将有利于结晶器液面稳定和铸坯表面质量。

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