对一种连铸板坯异常变形的分析

对一种连铸板坯异常变形的分析

宋景欣^1,2， 朱苗勇¹， 程乃良²， 周秀丽²， 林启勇³

(1．东北大学材料与冶金学院，辽宁沈阳110004；2．宝钢股份梅钢公司炼钢厂，江苏南京210039；3．中冶赛迪工程技术有限公司，重庆400000)

摘 要：针对板坯连铸机在高拉速条件下铸坯发生的一种异常变形进行分析，结合生产条件和现场情况对引起铸坯异常变形的机理及原因进行论述，并采用有限元方法对变形过程进行仿真验证。通过分析总结加深理论认识，积累了生产实践经验，防止此类铸坯缺陷重复发生。

关键词：连铸；板坯；鼓肚；变形；有限元

在发展连续铸钢的过程中，不断提高连铸坯质量，针对铸坯质量问题开展研究工作是一项很重要的任务。连铸坯的形状缺陷也是影响连铸坯质量的一个重要方面。连铸板坯的形状缺陷主要有宽面鼓肚、窄面突出和脱方等。连铸坯形状缺陷影响后道轧钢工序的生产。连铸坯的形状缺陷还不仅仅是铸坯外观形状问题，还与铸坯的裂纹缺陷和漏钢事故发生等有密切联系^[1]。形状缺陷的种类随铸坯形状和大小而异。连铸板坯的黏结漏钢、宽面纵裂和偏离角纵裂漏钢都与板坯形状缺陷有关。

梅钢2号板坯连铸机为奥钢联引进设备，于2003年投产，为一机一流的直弧型连续弯曲连续矫直板坯连铸机，2008年10月改造成双流。该机自投产以来，常见缺陷为为表面纵向浅裂纹、纵向深裂纹、角裂纹。2008年初，该机铸坯出现了一次连续的异常变形现象。此次铸坯出现的异常变形在以往的生产实践中极其少见，值得对其原因进行深入分析，查找原因，积累经验，防止重复发生此类铸坯缺陷。

1 铸坯异常变形生产经过

异常变形自浇次的第一炉第二块板坯开始，由于切割操作集中在主控室，无独立的切割操作室，连铸坯到出坯区域后才被发现有窄面异常鼓肚变形现象，并且后续铸坯持续有同样异常。由于原因不详，决定第二炉浇完后停机检查。当全部铸坯出铸机后检查发现，从第二炉第四块坯恢复正常。部分异常铸坯形貌见图1。

此浇次，开浇升速过程正常，正常拉速1.6～1.7m／min稳定，浇铸周期47min，钢种为SPHC。查询的中间包温度见表1。

虽然第一炉温度略高，但在可接受范围之内。

2 原因分析

2．1 异常变形板坯表面形貌分析

就这10块板坯的鼓肚超标问题，对板坯进行了尺寸测量，情况如图1所示。

板坯中间部位正常，宽度约800～900 mm，厚度217mm，厚度偏上限；两侧斜面基本对称，长约为200～250mm，与水平呈约10。的斜面；窄面鼓肚长度约50 mm。

通过仔细观察，发现板坯边角部表面形状正常，窄面中部鼓肚较大，板坯边角部与宽面中部形成了一个台阶。板坯边角部表面形貌正常，为铸坯原始状态，振痕清晰可见，没有受外力挤压痕迹。

参考受驱动辊挤压变形板坯的特征(图2)如下：变形部位边角部与宽面中部无过渡斜面台阶；窄面中间无明显鼓肚。

根据以上情况判断，此次铸坯异常变形不是受外力作用产生，而是由于内部钢水静压力作用的结果。

当铸坯窄面在结晶器或足辊区冷却不够，坯壳厚度薄，不足以支撑钢水静压力时，将发生窄面中部鼓肚，同时拉动边角部收缩，形成异常变形。坯壳受力如图3所示。

2．2变形形成原因分析

以上判断此次异常变形为窄面鼓肚较大所导致，根本原因应该是窄面冷却不足。结晶器窄面铜板冷却水和锥度正常，而窄面足辊二次冷却水异常。趋势记录见图4。

足辊窄面二冷水回路在11：12时，流量计F12130实际流量150 L／min，没有达到设定流量162.6 L／min，调节阀2130CO开度为100％，压力计PI2370检测值达到1056.7kPa。特别值得注意的是回路压力已远远超过正常值，对比足辊宽面二冷回路1I／O压力计P12380的测量值仅为260.6 kPa。

可以判断，足辊窄面二冷水喷咀堵塞严重。虽然未堵塞喷咀还保持了一定水流量，但已不能弥补堵塞喷咀导致的铸坯窄面坯壳回温和厚度减薄。当铸坯通过足辊段后，窄面无支撑，且坯壳强度不足，在内部钢水静压力作用下，窄面坯壳严重外鼓，并牵引角部坯壳塌陷。

2．3变形有限元仿真

为了验证上述推理的合理性，本文用有限元软件对这样一个过程进行仿真。取1／4铸坯横截面，计算长度为结晶器液面至结晶器液面以下1.8m处。铸坯窄面表面出结晶器后，不再受二冷水冷却，而是空气中自然冷却。其它具体计算条件见文献^[2-3]，计算结果如图5、6所示。

图5中对比可以看出，在结晶器内坯壳宽面窄面冷却都均匀，此时的坯壳无论在宽面还是窄面生长都比较均匀，表面温度也差别不大，如图5(a)所示。出结晶器后，由于窄面喷嘴堵塞，只能空冷，于是窄面表面温度回升，窄面坯壳厚度生长速度开始慢于宽面坯壳生长速度；而此时由于二冷水冷却，坯壳宽面表面温度继续下降，坯壳生长速度较窄面快，角部的坯壳厚度也持续增长，如图5(b)所示。在位置1.87 m处时，窄面坯壳厚度比1.25 m处还要薄，温度也高很多，宽面坯壳厚度与窄面坯壳厚度相差较大，角部的坯壳厚度又进一步增长，如图5(c)所示。

由于窄面坯壳表面温度回升至1370℃，坯壳厚度变薄，坯壳在这种温度下抗变形能力降低，而且窄面坯壳没有支撑，钢水静压力会导致窄面向外鼓，如图6(a)所示，图6(b)为(a)加上内部钢水部分。从仿真结果来看，铸坯窄面以及角部变形规律与实际一致，说明前面的推理是合理的。

4 结论

当板坯连铸机足辊窄面二冷回路堵塞严重时，铸坯窄面冷却不均匀，冷却强度不够，不能形成足够的坯壳厚度，在高拉速条件下，钢水静压力将导致窄面严重鼓肚变形。

参考文献：

[1]卢盛意．连铸坯质量[M]．北京：冶金工业出版社，1989．

[2]林启勇，朱苗勇．连铸板坯轻压下过程压下率理论模型及其分析[J]．金属学报，2007，43(8)：847．

[3]林启勇，朱苗勇．连铸板坯轻压下过程压下效率分析[J]．金属学报，2007，43(12)：1301．