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关于CSP薄板坯连铸结晶器锥度的优化与应用

董长征

(武汉钢铁股份有限公司条材总厂CSP分厂，湖北 武汉 430083)

摘 要：为控制武汉钢铁股份有限公司条材总厂CSP分厂纵裂漏钢事故和降低板坯表面纵裂、结疤等缺陷改判率，结合现场生产实践，对CSP漏斗形结晶器锥度进行了优化研究，考虑到结晶器铜板特殊的漏斗形结构和窄面在使用过程中的磨损，将锥度在外方设计的基础上进行优化。优化后的锥度设定量比外方提供的数值增加了15%～25%。应用新锥度设计后降低了纵裂漏钢率，有效控制了板坯表面纵裂、结疤缺陷改判率，改善了钢卷质量。

关 键 词：CSP；薄板坯；结晶器；锥度

合理的结晶器锥度有利于传热和铸坯表面质量控制，若锥度过大不仅加剧结晶器铜板窄面磨损，而且在漏斗区易导致粘连漏钢事故；而锥度太小则会造成铜板和坯壳接触不良，增加热阻，使传热不均，同时会使窄面铜板对坯壳的支撑力不足，在钢水静压力、收缩应力等作用下板坯表面中心线处或驻波位置产生纵裂、结疤等缺陷，甚至导致纵裂漏钢。

武汉钢铁股份有限公司条材总厂CSP分厂(以下简称武钢CSP厂)连铸机采用特殊的漏斗形结晶器，自2009年投产以来一直使用外方提供的锥度设计，经生产实践表明，其提供的锥度值偏小，是生产过程中纵裂漏钢频发，板坯纵裂、结疤等缺陷难以有效控制的原因之一，严重影响CSP产线生产稳定和钢卷品质。因此，对钢水在结晶器内凝固收缩行为和锥度对板坯尺寸的影响进行了研究，结合现场生产实践，提出了结晶器锥度的优化设计，对降低纵裂漏钢生产事故改善结晶器传热和板卷质量，稳定CSP生产具有重要意义。

1 漏斗形结晶器使用现状

武钢CSP厂结晶器是由2块宽铜板和2块窄铜板组合而成，生产板坯厚度为72和92mm两种规格(不使用液芯压下)，采用漏斗形的结晶器设计。钢水在结晶器内凝固过程中厚度方向的收缩量极小，且比宽度方向的收缩小得多，为便于生产组织，在实际生产中将结晶器宽面铜板平行对中安装(即忽略厚度方向的收缩)。另外，钢水在凝固过程中不同温度下的收缩率不同，为便于加工，将窄面铣磨为平面，因此，选择一个合适的锥度值作为开浇时的设定锥度尤为重要。

结晶器漏斗形结构使坯壳下行时受力变形，造成坯壳表面应力分布不均。在漏斗区域，铸坯表面应力最大值出现在结晶器的2个弧线交接处；横向应变在铸坯宽面平直段与弧线段交接区域发生转折，靠近角部为压应变，靠近中心是拉应变[1]，若锥度设定过大或过小会加剧这种应力分布不均，对控制铸坯裂纹极为不利。2009—2010年武钢CSP厂投产后裂纹缺陷高发，平均每月纵裂改判量为1779．8t，最少的月份也有近630t。

CSP薄板坯与传统厚板坯连铸相比，具有宽厚比大，拉速快等特点，其工艺参数的异常变动极易导致漏钢等生产事故。2009年7月—2011年6月武钢CSP厂共计漏钢99次，其中纵裂漏钢46次，占46．46%。抛开保护渣、过热度的影响，锥度异常也是造成纵裂漏钢的原因之一。因此，为保持生产稳定必须选择合理的锥度。

2 漏斗形结晶器锥度优化设计

理想的结晶器铜板锥度，应与坯壳收缩相适应，根据钢水凝固时产生的热收缩量选择合适的锥度设计，既能减小气隙实现铜板对坯壳高效冷却，增加坯壳厚度，又能保证铸坯表面质量。

2．1 锥度的影响因素

板坯截面尺寸、钢种、拉速等都对漏斗形结晶器锥度的有一定的影响，其中断面尺寸对锥度的影响最大。同类铸坯类型条件下，铸坯断面尺寸越大，结晶器内钢水体积越大，其在结晶器内的收缩量也越大，对应需要的锥度也越大；钢水在结晶器内的收缩量跟钢种相关，即使在相同的断面下不同钢种的收缩特性也不同，造成锥度设定不同。

根据生产实践经验，当拉速增加时，坯壳从形成到出结晶器下口所耗时间减少，导致坯壳变薄，在铸坯断面尺寸上凝固收缩量减小，故应减小锥度值。为避免浇铸过程中拉速变化时频繁调整锥度，在同一断面尺寸下，漏斗形结晶器锥度设计至少应能满足拉速1．0m／min内波动的需要。另外，漏斗形开口度的大小也是影响锥度的因素，开口度越大，由漏斗形产生的附加宽度越大，增加了结晶器自有锥度，使结晶器总锥度减小。

2．2 锥度优化计算

武钢CSP投产后一直按外方提供的锥度值设定开浇锥度，但事故、批量质量事故频发，生产不稳定。但目前钢水在结晶器内的凝固收缩量还无法用实验仪器进行实时跟踪测量，仅能根据事故发生后进行总结分析其锥度是否合适。根据事故分析和质量缺陷跟踪，发现外方锥度设计偏小，对控制漏钢、改善板坯表面质量不利，且铜板磨损后锥度已经发生变化，需要实时更新锥度设定。结晶器锥度设计基本原则：铸坯在结晶器内凝固过程当中所产生的收缩曲线与结晶器的倒锥度应一致[2]。通常所说的锥度即每铸流宽度对应的结晶器窄面铜板水平位移量[3]，即：

R=[(B上－B下)／B上]×100%    (1)

式中：B上和B下分别为结晶器上口和下口的设定宽度，mm。

但薄板坯漏斗形结晶器锥度固坯壳不断冷却并紧贴铜板表面的渣膜下行，出漏斗区后为平面铜板(平行段)，漏斗形状产不能由式(1)获得，在设计CSP锥度时应考虑漏斗形状对锥度值的影响，钢水进入结晶器后，凝生了附加宽度，其大小随着铸坯下行而变小，如图1所示。

附加宽度直至结晶器铜板深度850mm(漏斗区结束)处减少至零。在铜板不同深度处的漏斗形附加宽度可由式(2)获得：

ds=[(di2+4dz2)／(4dz)]·arctg[di／(4R－2dz)]－di(2)

式中：ds为漏斗区铜板开口度值为dz处的附加宽度，mm；R为开口度值dz处的弧形半径，mm；di为漏斗宽度的直接长度，mm，现场用结晶器为880mm。

因此，锥度设计时将铜板分为3个区域，分别为漏斗区及两侧呈对称的平行区见图2。

钢水在结晶器内的收缩受漏斗形状的影响，漏斗区与平行区的钢水凝固收缩量需分成两部分计算：首先由高温收缩系数a1计算漏斗区弧形段附加宽度自身产生的收缩量，再结合收缩常数a2计算钢水在铜板平行区域产生的收缩量，材料常数a1和a2取值见表1所示。

在结晶器长度方向上，平行段和漏斗区产生的收缩量相互叠加的程度与结晶器长度系数相关。再利用平行段和漏斗区收缩量计算得到结晶器总锥度。其中平行段的锥度量为：

CA=[B·(1+a2)－d1]·a1·lm(3)

漏斗区的锥度量：

CB=di·[a1·lm－ds／di(4)

则结晶器单侧设定锥度量为：

C=(CA+CB)／2(5)

其中结晶器长度系数：

lm=L结晶器长度／(L结晶器长度－L液位净空)(6)

则锥度量计算为：

C=0．5[B·(1+a2)·a1·lm－ds](7)

式中：C为结晶器设定锥度，mm；B为铸坯目标冷态宽度，mm。

对式(1)进行修订，结合式(7)可得符合现场使用漏斗形锥度：

R=[B·(1+a2)·a1·lm－ds]／B上×100%(8)

锥度随断面不同而变化，外方提供的锥度为0．48%～0．80%，优化后为0．60%～0．95%，修订后的锥度增加了15%～25%，断面越大，锥度越大，如图3所示。

2．3 铜板磨损后锥度的调整

实际生产应用中结晶器窄面受坯壳的持续摩擦，会产生一定的磨损，进而造成锥度的变化，锥度应根据结晶器窄面铜板磨损情况调整。通过对下线结晶器铜板厚度的磨损进行测量发现，铜板磨损量随结晶器连续使用炉数增加而增加(武钢CSP结晶器使用炉数上限为200炉)，如图4所示，折合为过钢量磨损约1～1．5mm／万t。窄面铜板的磨损会影响结晶器传热，需要根据过钢量对结晶器锥度进行相应修正。

根据武钢CSP生产实践，结晶器使用炉数增加后，锥度设定量在计算的基础上相应增加。考虑到进口铜板和国产铜板耐磨性的存在差异，对国产窄面铜板每浇铸50炉后倒锥度设定量增加0．4mm，进口铜板则每次增加0．3mm，如图5所示。

3 优化效果

在实践应用中，锥度设计是否合适应以锥度值变化量能否与收缩量相一致为依据。但钢水的实际收缩量难以实时测定，因此需要借助其他的间接手段，如结晶器铜板热流密度、纵裂漏钢次数及裂纹改判率来评估锥度是否合适。

1)新锥度的对板坯宽度的稳定控制。2011年7月起应用新锥度逐步在2号铸机上进行试验，生产钢种包括低碳钢Q195、中碳钢Q345B、合金钢SPA—H。将2号铸机实测结果与1号铸机对比进行试验，结果如表2所示。优化后的锥度对板坯宽度控制更加精确，误差小于1mm，说明新锥度设计更符合钢水在结晶器内的凝固收缩实际，能够满足现场生产要求，对稳定板坯尺寸精度具有重要作用。

2)新锥度稳定热流密度。应用新锥度后，在相同拉速下结晶器窄面热流密度普遍增加0．1～0．2MW／m2，其中低碳钢平均热流密度由1．87增加至1．98MW／m2，而中碳钢、合金钢窄面热流皆有不同程度的增加，见表3。

锥度的调整对宽面热流影响小，对窄面的热流影响较明显[4]。锥度优化后，宽面和窄面的热流更趋于平稳。以低碳钢DC01在4．7m／min条件下的窄面热流为例，优化前(2011年1—3月份)统计632炉，两侧热流密度差值小于0．1MW／m2的比率为68．04%；优化后(2013年1—3月份)，统计炉数583炉，两侧热流密度差值小于0．1MW／m2的比率增加到91．08%，其两侧热流波动更趋于平稳，这些说明优化的锥度更加符合结晶器漏斗形铜板的冷却要求。

新锥度设计应用后，漏钢预报系统检测到的报警数量也相应减少，说明优化后的锥度设计更加符合凝固坯壳的收缩特性，更利于控制与改善结晶器的传热效果。

3)新锥度设计降低了裂纹改判率。应用优化后的锥度，2011年下半年板坯表面纵裂缺陷平均改判率由2010年同期的0．65%降低到0．47%，降低幅度为27．81%，说明优化锥度促进了板坯纵裂缺陷的改善。

4)新锥度设计减少了纵裂漏钢次数。锥度优化前，2010年发生23次纵裂漏钢，占总比例的47．92%，2011年1—6月份发生7次纵裂漏钢，占上半年总比例的50%。改进锥度后，2011年7月～2012年12月仅发生5次纵裂漏钢，占漏钢总比例的12．20%，即优化锥度后能够均匀传热，对控制纵裂漏钢作用明显。

4 结论

1)漏斗形结晶器锥度优化后，板坯实测宽度误差小于1．0mm，结晶器对板坯宽度的控制更加精准。

2)优化后的结晶器锥度由0．48%～0．80%增加至0．60%～0．95%，提高了15%～25%，板坯断面越大则锥度越大。

3)优化后相同拉速下结晶器窄面热流密度普遍增加了0．1～0．2MW／m2，两窄面热流差值小于0．1MW／m2比例由68．04%提高至91．08%，改善了结晶器的传热。

4)应用新锥度对控制纵裂漏钢作用明显，纵裂漏钢事故大幅下降，同时板坯表面纵裂缺陷改判率降低了27．81%，提高了钢卷产品竞争力。

参 考 文 献：

[1]   金昕，任廷志，关杰，等．薄板坯连铸结晶器内钢液凝固行为的研究[J]．铸造技术，2007，28(1)：78—81．

[2]   蔡少武，王同敏，李军，等．基于钢水凝固收缩数值模拟优化设计连铸结晶器锥度[J]．特种铸造及有色合金，2008(1)：107—110．

[3]   冯科，韩志伟，王勇，等．板坯连铸结晶器窄面理论锥度的仿真预测[J]．钢铁技术，2008(2)：15—16．

[4]   李军明．薄板坯连铸结晶器热流的影响因素与控制[J]．连铸，2008(3)：16—18．