鞍鋼170 mm厚鑄機大倒角結晶器優化生產實踐

高立超，吳春杰，王鵬飛，杜林，潘統領,宋宇，郭明源

（1.鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠，遼寧 鞍山 114021；2.西峽龍成特種材料有限公司，河南 南陽474550）

隨著冶金行業的快速發展，市場對產品質量的要求不斷提升，鋼鐵制造企業內部提質、降耗、增效成為企業生存的基礎。鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠四分廠（以下簡稱“四分廠”）170 mm厚ASP連鑄機特點為短流程、高拉速、高作業率。鑄機弧形半徑為5 m（弧半徑/鑄坯厚度=29.41，低于常規≥40的設計理念），投產初期以生產常規低碳鋼普碳鋼品種為主，鑄坯質量能夠滿足要求。隨著市場需求的變化，產品結構隨之調整，微合金包晶鋼比率不斷增加，包晶鋼因含有Nb、V、Ti等微合金，鑄坯凝固過程中裂紋敏感性增加，因此鑄坯角部裂紋難以控制。鑄坯角部橫裂紋發生比率相應增加，包晶鋼角裂指數一度達到175，對鑄坯直裝影響較大。鑄坯清角既增加了清理費用，又降低了軋制成材率。為了解決鑄坯角部橫裂紋，確保連鑄坯能夠滿足直接裝爐的軋制需求，四分廠從設備精度入手，在保證工藝參數的前提下，2018年初上線使用大倒角結晶器設備。使用之初鑄坯角部橫裂紋缺陷明顯減少，僅出現偶發現象，但存在結晶器銅板下口角部磨損嚴重，結晶器壽命短，鑄坯角部縱向壓痕重的問題。本文通過優化工藝參數，提高了鑄坯質量和結晶器壽命，為鑄坯直裝提供了有力保障。

1 生產設備概況

1.1 鑄機工藝流程及參數

鞍鋼170 mm厚鑄機應用大倒角結晶器的工藝流程為：轉爐冶煉→精煉（LF、RH）→連鑄→切割。冶煉鋼種主要有超低碳鋼、低碳鋼、中碳鋼、包晶鋼和中高碳鋼等。鑄機主要參數見表1，除足輥處外二冷區均為氣水冷卻。

表1 鑄機主要參數Table 1 Main Parameters for Caster

1.2 大倒角結晶器基本參數

連鑄坯在彎曲、矯直段時，鑄坯存在兩個方向相反、間隔較短的受力區間，鑄坯應力積累強烈。特別是鑄坯角部溫度低，應力大，受直角結構影響，鑄坯矯直時角部區域極易產生橫裂紋缺陷。

大倒角結晶器的工作原理是通過改變結晶器窄面銅板的結構，在窄面銅板兩側各增加一個鈍角倒角，使原邊部直角位置的二維冷卻變為近一維冷卻，從而延緩鑄坯角部冷卻，提高鑄坯角部溫度。同時，相對于常規結晶器，大倒角結晶器由于具有物理結構的優勢，拉坯過程中角部應力集中問題能夠得到有效緩解。

鑄機厚度為170 mm，計算角部二維冷卻的低溫區延伸范圍一般在寬、窄面10 mm范圍內，倒角高度為20 mm，以此覆蓋原低溫區域。同時，鑄坯角部形狀改變會引起該處流場的變化，設計角部角度時為盡量減少此處的渦流狀態，使流場整體呈層流狀態，角度為60°，并且將結晶器角部進行冷卻深孔布置，提高同一截面鑄坯溫度的均勻性。

（1）倒角尺寸。大倒角結晶器窄側銅板截面尺寸見圖1。靠近結晶器寬面銅板直角邊長20 mm，倒角本體尖端夾角為60°。相同鋼種和參數條件下，大倒角結晶器與常規結晶器角部溫度場模擬圖見圖2。從圖2可以看到，大倒角結晶器角部頂端溫度區域收窄情況得到明顯改善，角部等溫線條變得更加圓滑。

圖1 大倒角結晶器窄側銅板截面尺寸圖（單位：mm）Fig.1 Sectional Dimension for Copper Plates of Mould with Big Chamfer at Narrow Side(mm)

圖2 結晶器角部溫度場模擬圖Fig.2 Simulation Diagram for Temperature Field of Mould at Corner

（2）結晶器水流量。為了保證鑄坯角部冷卻效果，防止角部冷卻不足存在的鼓肚漏鋼風險，窄側銅板大倒角位置增加水縫，水流量比常規結晶器增加8%，結晶器寬面銅板水流量不變。窄側銅板水量增加后，鑄坯寬度方向收縮量增加，中碳鋼和包晶鋼寬度收縮系數設計比常規結晶器增加0.005%。

（3）二冷水流量。為了確保出結晶器鑄坯窄側坯殼厚度，防止窄側鼓肚風險，出結晶器窄側冷卻水采用強冷，二次冷卻水其它環路均采用常規動態水。

（4）錐度。大倒角結晶器窄側銅板錐度見表2。

表2 大倒角結晶器錐度表Table 2 Tamper Form for Mould with Big Chamfer %

（5）長度補尺。為了保證大倒角結晶器金屬量，根據大倒角尺寸，計算出大倒角結晶器生產鑄坯不足量，從鑄坯長度上面補足，統一規定補尺量=鑄坯長度×5.5 mm/m。

1.3 大倒角結晶器整備精度要求

大倒角結晶器足輥與窄側銅板的接弧要求為≤±0.10 mm。鑄坯出結晶器后，窄側坯殼失去結晶器銅板支撐，利用窄側足輥為窄側坯殼提供支撐作用，防止窄側鼓肚。

使用大倒角結晶器生產的鑄坯，近寬面鑄坯角部角度接近120°，近窄面接近150°，有效地減輕了鑄坯拉坯彎曲矯直過程中角部的應力集中。另外，紅外測溫得知，扇形段出口處大倒角鑄坯角部溫度較直角鑄坯的高50℃以上。

2 生產中存在的問題

2.1 鑄坯寬度超寬

針對不同鋼種組包括低碳鋼、包晶鋼、中碳鋼和高碳鋼，進行實物尺寸測量，每個鋼種測量10～20塊鑄坯。結果發現。中碳鋼Q235B鑄坯存在超寬現象，實測寬度與理論寬度的差值為11 mm，其它鋼種實際寬度均符合要求。

2.2 鑄坯表面質量問題

（1）合金包晶鋼生產期間偶發鑄坯角部橫裂紋，見圖3。該種缺陷只在包晶鋼（合金包晶鋼）鑄坯中發現，一般發生在澆鑄過程升降速位置，在倒角面的兩個頂端，嚴重的貫通倒角面，肉眼可見。火焰輕微清理后觀察，缺陷更加清晰。

圖3 鑄坯角部橫裂紋缺陷Fig.3 Transverse Cracks at Corner of Casting Blank

（2）鑄坯角部壓痕缺陷見圖4。使用大倒角結晶器初期，中碳鋼、包晶鋼（合金包晶鋼）鑄坯角部多發縱向壓痕，一般是整澆次產生。超低碳鋼、低碳鋼鑄坯角部縱向壓痕缺陷比較輕微。

圖4 鑄坯角部壓痕缺陷Fig.4 Indentation Defect at Slab Corner

2.3 結晶器銅板下口角部磨損

結晶器銅板下口角部磨損嚴重，不能滿足使用周期要求。大倒角結晶器銅板下口角部磨損情況見圖5。大倒角結晶器使用1萬t左右時，窄側銅板出口處磨損非常嚴重，而結晶器窄側銅板錐度設計并未發現明顯異常。

圖5 大倒角結晶器銅板下口角部磨損情況Fig.5 Wear Condition at Lower Corner of Copper Plate of Mould with Big Chamfer

3 優化措施

3.1 優化結晶器窄側銅板與足輥接弧方式和接弧標準

3.1.1 優化接弧方式

大倒角結晶器窄側銅板面存在兩個錐度面，上部錐度較大，下部錐度較小，接弧尺的兩個接觸足點在銅板的上端和下端處，足點跨兩個錐度，接弧時接弧尺并非垂直，而是上部向銅板方向傾斜一定角度，接弧后足輥相對于銅板出口位置偏向結晶器中心線位置，實際生產必然造成足輥給窄側坯殼較大阻力，易發生鑄坯窄側和角部表面質量缺陷。

優化前后結晶器窄側銅板與足輥接弧方案的對比見圖6。如圖6所示，改變原來接弧尺跨結晶器銅板兩個錐度的接弧方式，采用平尺對大倒角結晶器銅板與足輥進行接弧。

圖6 優化前后結晶器窄側銅板與足輥接弧方案的對比（mm）Fig.6 Comparison of Programs for Arc Connection between Copper Plates and Foot Rollers of Mould at Narrow Side before and after Optimization(mm)

3.1.2 優化接弧標準

為了進一步提高結晶器銅板和足輥壽命，同時提高窄側銅板與足輥接弧精度要求，對原有接弧標準進行優化。

（1）平尺越過結晶器銅板上口400 mm，測量結晶器窄側下部600 mm部分與足輥的接弧情況；

（2）平尺接弧時按壓平尺的部位為銅板下口向上 100～200 mm；

（3）足輥接弧標準設定平尺與足輥間隙為0.15～0.30 mm。

3.2 調整窄側銅板錐度和窄側二冷水流量

針對包晶鋼 （合金包晶鋼）偶發的角部橫裂紋，進行如下調整：

（1）調整包晶鋼開澆時窄側銅板錐度，結晶器開澆窄側銅板錐度減小0.05%。

（2）調整窄側二冷水流量：生產期間出結晶器窄側二次冷卻水水量由100 L/min恢復為動態水。

3.3 調整鑄坯寬度收縮系數

針對Q235B鋼種鑄坯超寬問題，修正其寬度收縮系數，由1.015調整為1.010。

4 實施效果

優化接弧方案后，與兩點接觸式接弧相比，平尺接弧偏差減少0.50～0.60 mm，平尺接弧的鑄坯實物圖見圖7，鑄坯角部壓痕消失。而且鑄坯角部橫裂紋缺陷未再發生，鑄坯窄側無鼓肚現象發生，坯型正常。優化Q235B鋼種鑄坯寬度收縮系數后，該鋼種鑄坯寬度尺寸符合要求。大倒角結晶器銅板本體磨損減輕，通鋼量從最初的2.5萬t增加到4.5萬t以上，能夠滿足生產要求。

圖7 平尺接弧的鑄坯實物圖Fig.7 Photograph of Casting Blank after Arc Connection by Levelling Rule

大倒角結晶器工藝優化后，跟蹤包晶鋼及中碳鋼生產8澆次78罐，鑄坯不清角下送軋制，均未發現邊部質量缺陷。檢查低碳鋼、中高碳鋼鑄坯表面質量符合要求。常規結晶器、大倒角結晶器優化前后鑄坯軋后邊部裂紋情況對比見表3。

表3 常規結晶器、大倒角結晶器優化前后鑄坯軋后邊部裂紋情況對比Table 3 Comparison of Crack Defects at Edges of Casting Blanks Cast by Conventional Mould and Mould with Big Chamfer before and after Optimization after Rolled

由表3看出，大倒角結晶器比常規結晶器生產的鑄坯軋后邊部裂紋指數大幅下降，優化后的大倒角結晶器生產的包晶鋼鑄坯軋后邊部裂紋指數由47降至5，中碳鋼由35降至4。

5 結語

鞍鋼170 mm高拉速鑄機使用常規結晶器生產包晶鋼存在的角部橫裂問題，通過采用大倒角結晶器得到解決。針對大倒角結晶器使用初期存在的結晶器壽命短、鑄坯角部縱向壓痕及鑄坯角部偶發橫裂紋問題，優化了結晶器窄側銅板與足輥接弧方式和接弧標準，調整了窄側銅板錐度和窄側二冷水水量，優化了鑄坯寬度收縮系數，結果大倒角結晶器通鋼量從最初的2.5萬t增加到4.5萬t以上，優化后的大倒角結晶器生產的包晶鋼鑄坯軋后邊部裂紋指數由47降至5，中碳鋼由35降至4，能夠滿足常規鋼種鑄坯直裝需求。