基于熱狀態的大方坯連鑄機輥列設計

郭鵬飛

（中冶東方工程技術有限公司， 山東 青島 266555）

大方坯連鑄機由于鑄坯斷面較大，高溫坯殼在鋼水靜壓力作用下，在相鄰兩對夾輥之間乃至無機械約束的窄面都有發生鼓肚變形的可能。鼓肚變形會在坯殼中產生鼓肚應力，鑄坯的鼓肚對中心偏析程度有重要的影響。此外，若鑄機輥列設計不合理，鑄坯的矯直、導輥位錯及拉坯等眾多因素造成的應力，很可能超過高溫坯殼的允許應力，從而產生裂紋。因此大方坯連鑄機的輥列設計必須進行綜合分析并詳細設計。一般來說大方坯連鑄機結晶器出口及二冷上部區域應當設計一段密排導輥段來支撐大方坯的四個面。當坯殼在二冷區的厚度增加到足以抵擋鋼水靜壓力的作用而不至于產生鼓肚變形時，可以只考慮其導向功能省略其支撐功能，設備設計可以相應簡化。

影響大方坯的輥列布置的因素主要有拉速、鑄坯表面溫度、鑄坯寬度厚度、輥間距、坯殼厚度、鋼水靜壓力等，其中除了表面溫度之外，其他參數一般在設計階段都可以確定。

1 表面溫度的確定

表面溫度一般用微分方程或者是有限元分析來計算，這里利用鑄坯的導熱微分方程進行求解[1,2]，將鑄坯四分之一的斷面分成m排n列的格子，給定初始條件和邊界條件：

1）初始條件。t=0時，在彎月面的溫度等于澆注溫度。

2）邊界條件。鑄坯的傳熱關于中心軸對稱，中心軸可以看作是絕熱邊界。

3）結晶器表面熱流。q=A-B·t1/2.

4）二冷區表面熱流。q=h（Ts-Tw）.

5）空冷區表面熱流。q=εσ[（Ts+273）4-（To+273）4].

以上公式中：A、B是由結晶器水量、長度、進出水溫差、冷卻面積等參數算出的常數；t是鑄坯在結晶器停留的時間，s；Ts，Tw，To分別是鑄坯表面、冷卻水和環境的溫度，℃；h是二冷綜合換熱系數，與二冷冷卻方式和強度等參數有關，W/（m2·℃）；ε是輻射系數黑度；σ是波爾茲曼常數，W/（m2·K4）。

通過上述初始條件和邊界條件可以建立內部節點、角部節點、表面節點的差分方程[3]，經過編程用計算機可以算出鑄坯在各個時間的表面溫度。

計算的表面溫度可以與現場實測的表面溫度進行比較，從而調整微分方程的各個參數，最后使得計算溫度與實測溫度比較接近。

2 密排輥列段設計

大方坯連鑄機二冷區設置密排導輥段，是為了減小連鑄機拉坯過程中產生的鼓肚變形和裂紋，提升鑄坯質量。對于寬度小于200 mm的鑄坯，鼓肚量小于0.1 mm時，可不必設置密排導輥段（一般小方坯連鑄機都屬于此類）；而對于寬度大于250 mm的大方坯，則需設置一定長度的密排導輥段，如果鑄坯厚度大于250 mm，還需設置側導輥防止側面發生鼓肚變形。含碳量越高需要布置越長的密排輥[4]。

文獻中關于鼓肚變形的計算公式很多，主要分為按照梁彎曲理論計算和按照板彎曲理論計算。本文用公式[5，6]：

式中：P是鋼水靜壓力，P=ρgh；l是輥間距和鼓肚寬度兩者的最小值；t是輥間距間停留時間；E是相當彈性模量是鋼的凝固溫度，Tm是凝固殼平均溫度，S是坯殼厚度。

從式（1）可以看出，變量主要是坯殼溫度和拉速以及輥間距。坯殼溫度與鋼種的凝固溫度決定了彈性模量；拉速決定了停留時間；輥間距和拉速決定了連鑄機某處坯殼的厚度。

計算時取鑄機能實現的最大拉速，先選定一定的輥間距，然后從結晶器出口開始算起，將此時的表面溫度代入，可以算出鼓肚變形量，一般工程上取鼓肚變形量小于0.3 mm，如果鼓肚變形量大于0.3 mm，則重新選取輥間距重新計算，直到小于鼓肚變形量的允許值為止。計算程序基本框圖如圖1所示。

圖1 計算程序框圖

3 設計實例

某廠新建1臺大方坯連鑄機，現有120 t轉爐1座，要求鑄機斷面320 mm×420 mm，經計算，采用六機六流連鑄機連續矯直，平均拉速0.5～0.6 m/min，鑄機半徑R為12 m，設計的輥列如圖2所示。

圖3是在新建的連鑄機經過熱試并運行一段時間后，得到的低倍照片。經檢驗，最大角裂缺陷控制在1.0級，最大中間裂紋和中心裂紋控制在0.5級[7]。

4 結語

目前連鑄機在招標階段，基本上業主就已經定好了連鑄機的弧半徑、斷面、拉速等一些參數。因此，在設計階段，主要考慮的就是輥列。

圖2 320 mm×420 mm輥列圖

圖3 鑄坯的低倍照片

本文分析了輥列設計需要考慮的因素，在相應的數學模型的基礎上，將鑄坯的表面溫度的變化考慮進來，綜合分析各個因素對鑄機輥列的影響，提供了密排輥段的設計方法。在上述設計原則的基礎上，列舉了1個320 mm×420 mm全弧形連鑄機的設計實例。經熱試并運行一段時間之后，在業主的檢化驗室進行了低倍分析，最大角裂缺陷控制在1.0級，最大中間裂紋和中心裂紋控制在0.5級。

[1]常運合.連鑄工藝過程控制模型研究與應用[D].北京：北京科技大學，2012.

[2]韓占光.大斷面圓坯連鑄數值仿真與過程控制研究[D].北京：北京科技大學，2010.

[3]留津津.45鋼連鑄矩形坯凝固規律和內部質量的研究[D].北京：北京科技大學，2010.

[4]陳馳.大方坯輥列及其計算機輔助研究[D].北京：北京科技大學，2008.

[5]陳家祥.連續鑄鋼手冊[M].北京，冶金工業出版社，1991.

[6]賈凌云.大方坯連鑄機輥列設計程序的研究[J].重型機械，1998（1）：35-38.

[7]蔡開科.連鑄坯裂紋[J].鋼鐵，1982（9）：45.