分享：优化辊列解决结晶器液面波动的研究与应用

高效连铸是连铸技术发展的主要目标，近些年，各工厂均在追求着高拉速、高质量、高效率、高连浇率，并力争生产无缺陷铸坯[1]。在所有高效连铸生产过程中，结晶器液面的稳定程度至关重要。结晶器液面出现大范围的波动，势必会影响连铸的拉速，极大地限制了连铸机的高效运行，同时，也将带来不小的质量隐患。

本钢炼钢厂2号连铸机于2000年投产，是由奥钢联（VAI）设计的直弧型、连续弯曲、连续矫直、小辊径密排辊的连铸机，设计板坯生产能力为175万t/a。自投产以来，在生产包晶钢种时，结晶器液面频繁出现波动问题，极大地限制了拉速的提高，且非常容易引起铸坯坯壳的卷渣，从而导致铸坯在后序热轧工序生产时出现夹杂缺陷，影响了铸坯的表面质量。

本文从包晶钢的产品特性、连铸机本体设计两方面入手，研究结晶器液面波动所形成的机理，找出规律，获得影响液面波动的根本原因，制定相应的解决方案，最终解决了包晶钢结晶器液面波动的问题，从而获得良好的铸坯质量，达到稳定连铸高效生产的目的。

1.   问题现状

本钢炼钢厂2号连铸机于2000年投产，2009年进行了第二次设备改造，增加动态轻压下功能，同时对二冷水控制模型进行改进，增加了二级机动态控制功。铸机的相关技术参数见表1。

表  1  2号连铸机相关技术参数

项 目	技术参数
台数×流数	1×2
基本半径/m	10
厚度/mm	210、230、250
宽度/mm	800~1 600
定尺长度/mm	4 500~9 000
冶金长度/m	29.2
速度/(m/min)	0.1~2.5
引锭杆装入方式	上装
切割方式	在线火焰切割机切割
去毛刺方式	在线刮刀式
扇形段数	13

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2号连铸机出现结晶器液面波动的主要钢种，以BG380CL、BG420CL、SW400等碳的质量分数在0.09%~0.15%的亚包晶钢为主[2]。BG380CL结晶器液面波动情况如图1所示，由图1可知，波动幅度一般在±10 mm，严重时液面波动幅度能达到±15 mm以上，并且呈现一定的周期性。

图  1  BG380CL结晶器液面波动情况

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此类结晶器液面波动，同一铸机的两铸流发生的时间与波动程度并不相同，另外，在同一生产周期（即同一浇次）的前期波动并不明显，浇次中后期波动情况加剧，并在浇次结束前又趋于平稳。本文主要从化学成分、冷却环境、辊列设计等方面，对结晶器液面波动的产生原因进行分析，并制定相应的控制措施。

2.   成因分析

2.1   数据收集

采集一组生产数据，钢种BG380CL，整个浇次共计浇铸8炉，每炉采集一组结晶器液面波动的历史数据。BG380CL的钢种设计成分见表2，实际生产数据见表3。

表  2  BG380CL钢种设计成分(质量分数) %　　　

项目	C	Si	Mn	S	Als
标准	0.07~0.12	≤0.050	0.75~1.00	≤0.015	0.015~0.07
内控	0.07~0.10	≤0.040	0.80~0.95	≤0.010	0.02~0.06
目标	0.08	≤0.020	0.85	≤0.006	0.03

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表  3  BG380CL成分（质量分数）及过热度 %　　　

炉次	C	Mn	Als	过热度 °C
L1	0.11	0.92	0.05	31
L2	0.10	0.97	0.03	28
L3	0.11	0.98	0.04	27
L4	0.09	1.00	0.04	33
L5	0.08	0.98	0.05	33
L6	0.08	0.98	0.04	32
L7	0.08	0.95	0.05	26
L8	0.07	0.83	0.03	32

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记录显示：第L1炉次，液面波动周期6 s，波动范围处于±3 mm之间，属于正常设计范围。第3炉次开始出现双波峰情况，即是一个波峰与另一个波峰相连，双波峰之后，再接一个正常波峰，此时结晶器液面波动现象开始加剧。波动周期为18 s，波动范围：−4.2~+3.8 mm，其波动变化情况如图2所示。

图  2  第L3炉次波动变化情况

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随着浇铸时间增加，第L5炉次时，双波峰与其后正常波峰逐渐呈现靠拢合并趋势，波动周期18 s，波动范围：−16.5~+10.5 mm。波动变化情况如图3所示，此时，结晶器液面波动范围达到最大值，并延续至浇次结束。

图  3  第L5炉次波动变化情况

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需要说明的是，在进行数据收集之前，需要对连铸机生产前的设备本体进行一次较为详细的检查、评估。因为如果设备状态出现问题，如扇形段开口度，或者两辊之间的接弧出现偏差，会使铸坯在经过存在问题的辊子时，出现内外应力不均匀的情况，从而形成了钢液回流的问题，造成结晶器液面波动。通过设备检修，检查铸机的接弧与开口度情况，并未出现偏离标准值的情况，排除了设备异常影响的因素[3]。

2.2   成因分析

2.2.1   钢水过热度

钢水过热度（一般认为20 °C较为合适[4]）偏高，会使出结晶器时的坯壳变薄，进而使铸坯抵抗外来应力的能力减弱，易发生铸坯鼓肚变形。同时，钢水的过热度也与铸坯坯壳的厚度密切相关。随着过热度的增加，液相穴长度变长，液固相间距减小，这主要由于钢液的过热度较高时，钢液开始凝固时间增加的幅度变大，过冷度增加，钢液凝固的速率很大，钢液迅速凝固[5]。这会导致坯壳不均匀，让铸坯液芯的钢液，受扇形段辊挤压后，有更加明显的回流倾向，对结晶器液面波动产生不利的影响。

2.2.2   成分影响

出现波动炉次钢水成分碳的质量分数在0.08%~0.09%,锰的质量分数在0.95%~1.01%。此类高锰钢的碳的质量分数，位于包晶钢范围。一般认为，包晶钢出现的结晶器液面波动，主要源于包晶钢在凝固过程中发生的包晶相变L+δ→γ[6]。

包晶转变是发生在两固相中，体心立方的初生相，转变为密排六方的包晶相，由于致密度增加，在没有新的钢液补充下，就会引起铸坯内部的收缩[7]，使保护渣流入不均匀，结晶器传热不均衡，坯壳比较薄弱。在二冷区内，钢水静压力导致铸坯在两个辊子中间产生鼓肚，坯壳薄弱区域表现更为明显。

通过统计某厂全年生产共计116炉结晶器液面波动炉次，分析碳的质量分数对应炉数间的比例关系。这里定义结晶器液面波动正常范围为：单位时间(s)±3.0 mm，超出此范围定义为结晶器液面异常波动。得出以下的规律，见表4。

表  4  结晶器液面波动与碳的质量分数关系

碳的质量分数	结晶器液面波动炉数	所占比例/%
0.07%~0.08%	26	22.4
0.09%~0.11%	35	30.1
0.12%~0.13%	55	47.5

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从表4可知：产生结晶器液面波动的碳的质量分数在0.07%~0.13%之间，越是靠近0.12%~0.13%位置，包晶相变越明显，后续钢种设计时，需要尽可能的避免碳的质量分数范围在此期间内，向靠近0.08%的低碳范围进行设计。需要注意的是，在实际的钢种设计时，为了满足细化晶粒，或者后序热轧产品的力学性能，势必会加入一些微合金，而其它合金元素对包晶相变的影响，也是必须要考虑进去的。通过合理的成分微调可有效降低包晶转变率,降低亚包晶钢高温相变收缩程度[8]。

相关研究表明：合金元素的加入可以使Fe–C二元平衡相图包晶反应区域产生变化，且不同元素间又存在着相互作用，在实际应用时要考虑这些影响因素[9]。

2.2.3   辊列影响

通过计算固定拉速（1.0 m/min）下，液面波动周期（6 s一个短周期，18 s一个长周期），与扇形段辊周长、辊间距之间进行比较。足辊的直径为150 mm，扇形段辊直径为300 mm。

由表5可知：在波动初期，足辊每转动2/9圈，扇形段辊每转动1/9圈，即出现一次小范围波动；随着波动程度加剧，到了浇次的后期，足辊每转动2/3圈，扇形段辊每转动1/3圈，即出现一次较大范围的波动。

表  5  BG380CL波动周期与辊径关系

波动周期/s	足辊	扇形段辊
6	1/6圈	1/9圈
18	2/3圈	1/3圈

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铸坯鼓肚时产生泵吸效应，导致结晶器液面迅速下降，结晶器液面控制系统会向结晶器充填钢水。同时随拉坯进行，鼓肚区域到两个辊子中间被压缩，液相穴内钢水也向结晶器内填充钢水，使液面迅速上涨，使结晶器内坯壳生长更不均匀[10]。

由于某厂铸机足辊辊列与辊径只有一种，随着铸坯浇注的进行，形成连续的变形。上述过程每形成一次，就会挤压铸坯液芯向上运动一次，波动情况就会越来越剧烈。如此反复，形成共振效应，使结晶器液面波动迅速加剧。一般情况下，发生此类波动，会进行铸坯拉速的调整，而拉速变化越大，整个结晶器内钢液的流速变化越明显，最终造成结晶器液面波动逐渐严重的情况。

3.   解决方案

3.1   钢种设计避开纯包晶区

通过降低碳的质量分数，将碳质量分数在0.07%~0.13%的纯包晶钢，转变质量分数在0.06%~0.09%的亚包晶钢，再加入微量的V、Nb、Ti等合金元素，实现微合金化[11]，保证热轧力学性能的要求。表6所示，为本钢某牌号SPHT2成分设计，调整后的铸坯，在热轧轧制后，满足客户需求。

表  6  某牌号SPHT2成分设计调整（质量分数） %　　　

成分内控	C	Mn	S	Ti
调整前内控	0.10~0.13	0.25~0.40	≤0.012	0.017~0.025
调整后内控	0.06~0.09	0.40~0.50	≤0.012	0.017~0.025

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3.2   合理控制钢水过热度

通过精炼工序的稳定冶炼，进行中间包钢水温度的调控，保证温度均匀。目标过热度控制在25 °C以内，同时炉次间的温度差别不应过大。本钢所用的钢包罐的容量为180 t，在连续使用的过程，需要注意钢包罐的热周转时间，并使用钢包罐保温材料，一般可使钢包包壳温度降低50 °C以上，同时，需要炉外精炼的相关工序做到精细控制。

3.3   制定扇形段辊径改造方案

本钢针对2号连铸机辊列布置相对单一的问题，对铸机设备进行了改造，如图4所示，在未改造前，结晶器足辊、扇形段0段辊径、扇形段辊径，直径分别为100、150和300 mm 3种单一辊径，且结晶器下口的足辊数量为3对，使得铸坯出结晶器时，经过了较长的一段足辊冷却时间，使得铸坯芯部钢液更有机会形成周期性的泵吸效应。

图  4  铸机辊列改造前

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通过设备改造，如图5所示，结晶器足辊、扇形段0段辊径、扇形段辊径分别改为100 mm、120和160 mm（0段）、300 mm 4种辊径。结晶器足辊的数量减成1对，0段辊的数量增加为17对。改造之后，铸坯芯部钢液，在出结晶器之后，经过足辊、0段前、后两段，分别经过了不同的辊列布置，以达到抵消结晶器液面波动带来的周期性影响。

图  5  铸机辊列改造后

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4.   效果

（1）攻关进行前，生产BG380CL的中包过热度为29 °C，攻关后，平均中包过热度为25 °C。减小了钢水与铜板的温差、降低板坯壳层的热应力和收缩应力，而降低过热度本身又能增加凝固速率，进一步减少在薄壳中的应力和开裂可能性。

（2）辊径改造后，跟踪生产BG380CL及同类的包晶钢，共计100炉次，波动发生的频率由原来的88%，降低至目前的5.0%以下，基本解决了包晶钢结晶器液面波动的问题。

5.   结论

（1）通过成分优化设计，避开纯包晶区，并对钢水过热度进行合理控制，能够有效缓解包晶钢结晶器液面波动的问题，但无法完全解决此类问题。

（2）通过研究辊间距、辊径与波动周期的关系，推断出相同的辊径，促使结晶器液面波动形成共振效应，从而指导了铸机设备改造方向。通过改变扇形段辊径，以及适当调整足辊数量，抵消结晶器液面波动在扇形段形成的共振，达到最终解决包晶钢结晶器液面波动的目的。

来源--金属世界