近终形异型坯连铸

近终形异型坯连铸技术
摘要：详细分析了异型坯连铸过程中异型坯表面温度分布、异型坯凝固、结晶器中异型坯横截面应力一应变、异型坯的低倍组织以及异型坯中夹杂物等的特点和主要质量缺陷。

关键词：异型坯连铸分析缺陷
Abstract ：This paper analyzes the shaped blank characteristics during continuous casting in de- tails，including surface temperature distribution，solidification，stress—stain at shaped blank section and the main surface and internal quality defects
Key Words：shaped blank ；continuous ；casting analysis ；quality defects
1 前言
近终形异型坯连铸机是指生产的异型坯接近H型钢最终产品形状和尺寸的连铸机，铸坯腹板厚度<100 mm，可将其直接热送万能轧机轧成H型钢或工字钢梁，不需要中间开坯。

近终形异型坯连铸连轧的优点是工艺简化，设备减少，生产线缩短，可显著降低建设成本和生产成本；减少轧制道次，节约能源，提高成材率和轧机的生产能力。

异型坯连铸技术经过近几年德国西马克(SMS)公司、瑞士康卡斯特(CONCST)公司、日本住友(SHI)公司、意大利达涅利(DANIELI)公司，日本三菱重工(MDH)和奥地利奥钢联(VAI)等设计公司的研究、开发和一些钢铁生产公司的摸索、生产实践，异型坯连铸机生产的铸坯已经能够生产各种强度等级的结构钢、耐侯钢、海洋石油乎台用钢、细晶粒钢等品种，用于生产型钢、工字钢、钢桩及槽钢等大小型材，且产品质量完全能满足性能要求。

由于异型坯轧制H型材的综合能耗低，大大降低了生产成本和提高了成材率，异型坯代替大方坯生产H型钢的优势越来越明显。

2 近终型连铸特点
采用近终形异型坯代替方坯生产型钢，可显著减少开坯机的轧制工作量，节省轧制和加热能耗，改善铸坯表面质量。

因此，近年来近终形异型坯连铸技术在国内外发展比较迅速。

与常规铸坯(板坯、方坯、圆坯)连铸相比，近终形异型坯连铸具有如下明显特点：
(1) 浇铸断面复杂，结晶器形状和二冷区支撑辊的支撑形式特殊。

常采用双锥度、H型内腔的结晶器；根据鼓肚凝固特征，异型坯连铸机夹辊在铸机上、中和后部的布置方式各不相同。

(2)常采用敞开式浇铸。

由于异型坯的腹板和翼缘壁较薄，要求中间包水口的钢液铸流尽量靠近结晶器钢水液面，以减轻铸流对初生坯壳的冲击。

因此，为缩短中间包底面到结晶钢水液面之间的距离，采用半敞开式水口。

(3)常采用双水口浇铸。

异型坯连铸多采用每流两个水口的敞开式浇铸方式，但随着坯形的近终化和品种、质量要求的提高，也发展了单水口、浸入式水口和半敞开式水口浇铸。

(4)轧制生产中，缺陷发生率高，成材率低。

与采用板坯生产各种板材、采用方坯生产各种长材相比，采用异型坯生产型钢时，裂纹、结疤、掉肉等各种缺陷发生率高，成材率低…。

此外，异型坯生产中还存在一些易被忽视的特点，常常严重影响异型坯的质量和工艺的控制。

3 连铸过程中异型坯表面温度分布特点
(1)异型坯表面温度分布不均
铸坯表面温度分布情况影响铸坯质量，因此，连铸生产中，要求铸坯表面温度均匀，温度波动及反复小，二冷区处于所浇铸钢种的高温塑性区。

方坯、板坯和矩形坯形状简单，通过合理布置喷嘴，很容易使铸坯表面温度趋于均匀，浇
铸方向温度波动小，二冷区及矫直区处于高温塑性区。

但近终形异型坯形状复杂，表面的法线方向各不相同，即使喷嘴布置合理，异型坯表面也很难均匀冷却；同时，由于液芯距铸坯表面各处的距离不同，再加上结晶器中射流特殊，因此，异型坯横向表面温差较大。

连铸生产中，异型坯表面温度数值模拟和现场测试结果。

结果表明，在结晶器中，异型坯坯壳表面温度比较均匀，腹板表面中心、内缘R角及窄面表面中心的温度趋于一致。

但翼缘端部由于受到三个方向的冷却，温度较低；在二冷区，翼缘端部温度仍较低，但铸坯腹板中心和窄面中心表面温度下降较快，内缘R角温度下降比较平缓。

结果导致二冷区异型坯内缘R角附近的表面温度强烈变化，该处裂纹较易扩展。

(2)矫直区异型坯表面温度较低
异型坯表面积大，散热条件好，铸坯温度下降较快，结果矫直区异型坯表面温度一般低于900℃，常处于各钢种的低温脆性区，致使矫直过程中铸坯已有的表面裂纹更易扩展。

4 连铸过程中异型坯的凝固特点
(1)结晶器中坯壳厚度不均匀
由于结晶器角部和平面部位冷却效果不同，连铸时结晶器内坯壳不均匀，板坯和矩形坯偏角区域坯壳较薄。

异型坯连铸结晶器内腔形状复杂，结晶器具有12个面和12个拐角(板坯和方坯结晶器只有4个面和4个拐角)，因此，结晶器中异型坯坯壳更不均匀。

而且，近终形连铸内腔较薄，坯壳厚度不仅受结晶器形状影响，还受到结晶器内流场分布的影响。

水口结构对异形坯坯壳也存在明显影响。

异性坯连铸常采用直孔水口和有三个侧开孔的水口。

理论上三孔水口有利于结晶其中钢液的合理流动，但三孔水口的寿命较短，水口头部容易掉落，引起漏钢。

与三孔水口相比，采用直孔水口时，结晶器出口处坯壳厚度极不均匀，翼缘与腹板交接处的坯壳最薄。

坯壳收缩时，此处容易产生裂纹。

(2)冶金长度短
异型坯翼缘尺寸较大，因此异型坯连铸机的弧度半径也大。

马钢和莱钢异型坯连铸机的弧度半径分别10．Om和12．Om。

但异型坯表面积大，散热条件好，在二冷区内异型坯就能完全凝固，冶金长度短。

因此，异型坯一般为固相矫直，而且许用应变大，对矫直有利。

5 异型坯的低倍组织特点
与常规铸坯一样，异型坯也是由激冷层、柱状晶和中心等轴晶组成。

但由于冷却、厚度不均以及液芯位置和形状的特殊性，异型坯的凝固组织也不均匀。

腹板、月角及翼缘端部和翼缘窄面各处的柱状晶带宽度、柱状晶的粗细存在较大差别。

从外侧到中心，异型坯的凝固组织可分为激冷层、第一柱状晶带、柱状晶和等轴晶混合带、第二柱状晶带以及等轴晶区5个区域，其中柱状晶带比例最大，中心等轴晶比例较少，激冷层最薄。

异型坯在翼缘窄面侧柱状晶带最宽，R角处柱状晶带次之，再其次是腹板处，翼缘端部柱状晶带最窄；翼缘窄面侧、R角处和腹板处柱状晶较粗，翼缘端部柱状晶最细小。

柱状晶带的宽度和粗细与凝固前沿的温度梯度有很大关系旧J，温度梯度大有利于柱状晶的生长。

异型坯窄面侧凝固前沿温度梯度最大，尺角处次之，腹板处较小，翼缘端部温度梯度最小。

因此，异型坯中上述各处的柱状晶发达程度也存在相应的差别。

6 异型坯中夹杂物的特点
异型坯连铸常采用双水口浇铸，保护浇铸比较困难，因此浇铸方式常为敞开式或半敞开式。

双水口敞开浇铸的一个显著特点是钢水二次氧化严重，钢水冲击深度较深，夹杂物在结晶器中难以上浮，铸坯中大型夹杂物较多。

2005年以前，马钢异型坯常采用双水口半敞开式浇铸，SS400和55C铸坯中大型夹杂物的含量分别为82．Img／10kg钢和133．52rag／10kg 钢，显著高于常规铸坯(1—20rag／10kg钢)。

目前，马钢已成功开发出异型坯双水口保护浇铸工艺
7 异型坯的主要质量缺陷
异型坯的表面缺陷主要有表面纵裂、凹坑和气孔等。

表面纵裂的特征表现为在长度上呈纵向分布的裂纹，裂纹深度<2 mm，腹板和翼缘上都存在，以腹板为多。

产生的原因主要是保护渣性能不良和冷却水配比不当等。

减少表面纵裂的措施有：钢水成分尽量避开裂纹敏感区，采用窄范围成分控制技术减轻结晶器热流波动；优化结晶器保护渣来改善结晶器传热，形成均匀坯壳；采取低过热度浇铸以及缓慢、均衡的二次冷却模式来减少热应力；保证设备对弧精度，减轻和消除附加的机械应力；控制矫直温度在900～950℃，避开钢的低温脆性区，减轻铸坯回热造成的内应力。

日本水岛制铁所研究表明：结晶器采用弱冷模式，选用高黏度保护渣都有利于减少纵裂。

凹坑表现为大小、深浅和分布均无规律性的表面凹陷。

产生的原因主要是拉坯过程中，渣子等外来异物压入所致。

气孑L的特征为在腹板和翼缘上呈簇状或离散状的不规则分布，其大小、深浅程度无规律性。

产生的原因主要是皮下气泡暴露。

减少凹坑和气孔的主要措施是净化钢水成分，稳定结晶器液面，保证夹杂物充分上浮。

(2)内部缺陷
异型坯的内部缺陷主要有翼梢角部内裂和腹板中心处的中心裂纹。

角部内裂形成机理是由于结晶器锥度设计不合理，导致凝固初期翼梢角部坯壳与结晶器内壁形成较大气隙，黏稠区扩大，钢液零强度温度区间到零塑性温度区间的范围扩大。

在此温度区间范围内，受冶金特性和力学因素综合作用的结果，形成内裂。

因此，要减少翼梢角部内裂，需优化翼梢角部的结晶器锥度。

有文献提议，减少翼梢外角处的内裂可以参照小方坯钻石型结晶器的设计，减少翼梢内角部的内裂可以参照康卡斯特小方坯凸形结晶器的设计，或参考Danam常规小方坯常规结晶器的设计将角部壁厚增加以减少角部的气隙。

中心裂纹的形成与钢在固相线温度附近的高温脆性密切相关，高温脆性区在固相线温度以下30～70℃范围内。

由于钢液凝固过程中S，P等元素在枝晶间偏析，形成熔点低于固相线温度的液体薄膜，含S，P较高的晶界在大体积材料的固相线温度下仍处于液态，处于液相的晶界几乎无塑性，即零塑性温度区间。

在此温度区间，当坯壳鼓肚应力、热应力、矫直应力、相变应力以及由于导辊变形和不对中等原因引起的附加机械应力作用于凝固前沿时，凝固界面就会开裂形成裂纹。

减少中心裂纹的措施有：净化钢水成分，降低钢中S、P含量，控制m(Mn)/m(S)>25；提高水质，防止二冷段喷嘴堵塞，降低铸坯内热应力；采用‘恒速浇铸”，避免拉速大幅度波动；二冷I段下部和二冷II段上部的辊间距不宜过大，减少腹板鼓肚量；加强设备管理，配置多功能辊缝测距仪和激光测距仪，提高设备装配精度，对二冷段辊子的弯曲变形情况进行动态监测。

8 结语
异型坯连铸机的设计、生产均比较复杂，国内目前仅马钢有2台异型坯连铸机(其中l台CONCAST引进，弧形，2点矫直；另l台SMS引进，直弧形，多点矫直)、莱钢有l台异型坯连铸机(VAI引进，全弧形，连续矫直)、津西钢厂有l台异型坯连铸机(VAI引进，全弧形，连续矫直)、介休新泰钢厂有l台异型坯连铸机(VAI引进，全弧形，连续矫直)、长治钢厂有1台异型坯连铸机(大西洋连铸公司设计，全弧形)、邯钢有1台在建的异坯连铸机（VAI引进，全弧形，连续矫直）。

随着我国对铁路、轻轨、电力等工程建设的投入，大型型钢的需求量将会大幅度增长，异型坯连铸技术将在钢铁生产中凸显重要地位。

因此，开展近终形异型坯连铸机的设计和生产工艺研究，减少生产事故，降低生产成本，提高生产效率和异型坯质量尤为重要。

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连铸连轧技术的产生对钢铁上业的震动是巨大的，因其生产流程短，能耗低，生产力强，产品质量的不断提高，使其具有强大的市场竞争力。

在市场竞争趋于白热化的当今形势下，连铸连轧在中国得到了迅猛的发展。

薄板坯连铸连轧技术的出现，使热轧带钢生产技术跨入了一个新的时代。

是钢铁工业界继氧气转炉技术、连续铸钢}工艺艺出现之后的又一重大革命性的技术。

薄板坯连铸连轧技术与传统的生产技术相比可以节省30％的投资，大幅度缩短生产流程，可以节省能源30～50％，钢材的生产成本F降200元～360元，吨，大幅度缩短生产周期，人幅度的提高生产效率，犬幅度的减少操作人员。

尤其是在钢材性能、质量上，随着薄板坯连铸连轧技术的发展，也得到了人幅度提高。

通过本课程学习，让我对连铸连轧技术有了一个全面的了解，连铸连轧对现代钢铁工业的意义极其巨大，所以我们对本课程的学习显得尤为重要，学好本课程对今后的学习和工作都有重大意义。

虽然只是一门选修课，但陈老师是抱着极大的热情在给我们上课，虽然并不是每个学生都在认真听，但老师一直都在用洪亮的声音在给我们讲课，这让我很感动。

不过，希望老师在以后的讲课中和我们多一些沟通，对我们也可以严厉一些，我觉得效果会更好。