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1、近终形异型坯连铸特点分析近终形异型坯连铸特点分析刘建华1，包燕平1，杜松林2，孙维2，黄社青2（1.北京科技大学冶金与生态工程学院，北京 100083； 2.马鞍山钢铁股份有限公司技术中心，安徽 马鞍山 243011）摘要：异型坯连铸生产存在诸多特点：铸坯横向表面温度严重不均匀；比表面 积较大，冷却速度快，在矫直区表面温度易低于 900，处于大部分钢种的低 温脆性区；冶金长度短；坯壳生长不均匀；结晶器内坯壳应力应变复杂，腹板 表面、R 角和翼缘端部表面受到较强的拉应力；翼缘窄面侧柱状晶带最宽，R 角处柱状晶带厚度次之，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
2、粗，翼缘端部柱状晶最细小；铸坯中大型夹杂物 数量较多；异型坯连铸生产对精炼和连铸工艺均具有较高的要求。 关键词：异型坯；连铸；特点 Analysis of the Characters of Near Net Beam Blank Continuous CastingJianhua Liu, Yanping Bao, Gaoxing ChenSchool of Metallurgical and Ecological Engineering, USTB, Beijing 100083Wei Sun, Kaizhong Wang, Sheqing WangTechnology center, M
3、aanshan Iron and Steel Co., Ltd., Maanshan 243011, Anhui, ChinaAbstract: Some characters about the beam blank continuous casting are analyzed and described in this paper: the lateral surface temperature is seriously uneven; the surface temperature of the beam blank in the straighten section is often
4、 blew 900 and locates in the fragile temperature ranges of most cast steel categories, because of the rapid cooling due to the high surface area per mass blank; the metallurgical length is short; the shell grows unevenly in the mould, the stress and strain in the shell in the mould is complicate, hi
5、gh tensile stress is found in the surface of webs, fillets, and flange tips; the thicknesses of columnar crystal zones in the narrow sides of the flanges are the widest, and those in the flange tips are the narrowest, while those in fillets and webs are among them; the columnar crystal in the narrow
6、 sides of the flanges, fillets and webs are cruder than those in the flange tips; the large inclusion amount in the beam blank is high; and strict processes for refining and casting are required for beam blank continuous casting.Key words: Beam blank, continuous casting, character基金项目：国家高技术创新项目（No.2
7、002566）作者简介：刘建华（1966） ，男，博士，教授； E-mail:采用近终形异型坯代替方坯生产型钢，可显著减少开坯机轧制工作量，节省轧制和加热能耗，改善表面质量1。近年来，近终形异型坯连铸在国内外发展较为迅速2。与常规铸坯（板坯、方坯、园坯）连铸相比，近终形异型坯连铸具有许多显著特点：（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。结晶器内腔为 H 型，并常采用双锥度；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也各不相同2。（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液面，减少注流对初生坯壳的冲击作用
8、。因此，许多厂家为减小从中间包底面到结晶器钢液面之间的距离，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，也发展了单水口浇铸、浸入式水口浇铸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。与板坯轧制生产各种板材、方坯轧制生产各种长才相比，异型坯在轧制成型钢的生产中，裂纹、结疤、掉肉等各种缺陷发生率高，成材率低3。除了这些外在的显著特点，异型坯在生产中还存在一些不易被观察或注意到的特点，且常常对异型坯质量及生产工艺控制存在重要的影响。1 连铸过程中异型坯表面温度分布特点连铸过程中异型坯表面温度分布特点
9、（1）表面温度分布严重不均匀铸坯表面温度分布对铸坯质量存在显著影响，连铸生产中希望铸坯表面温度均匀，波动及反复小，在二冷区处于浇铸钢种的高温塑性区。由于形状简单，方坯、板坯和矩形坯，通过喷嘴的合理布置，很容易使铸坯表面温度趋于均匀，在浇铸方向波动小，在二冷区及矫直区处于高温塑性区。但近终形异型坯，由于形状复杂，表面的法线方向各不相同，很难通过合理的喷嘴布置，使异型坯表面均匀冷却；同时，由于液芯距表面各处的距离差别很大，结晶器中射流也较特殊，铸坯横向表面常常存在较大的温度差。图 1 是马钢异型坯产量最大的钢种 SS400 连铸生产中表面温度数值模拟和现场测试结果。该结果表明在结晶器中，异型坯坯壳
10、表面温度较为均匀，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。结果是在二冷区，异型坯内缘 R 角附近的表面温度存在较为剧烈的变化（见图 2） ，该处已有裂纹较易扩展。图 1 SS400 腹板中心、内缘处、翼缘端部和翼缘窄面中心温度变化（15 线分别代表腹板中心表面、R 角、翼缘端部、窄面中心及液芯的温度）Fig.1 Temperature changes in the center of the web surface, fillet,
11、 flange end and center of the narrow side of flange (line 15 indicate the temperatures at middle surface of the web, surface of fillet, flange tip, middle of the narrow face and liquid center )图图3 25支支撑撑辊辊处处SS400 异异型型坯坯坯坯壳壳截截面面温温度度数数值值模模拟拟结结果果Fig. 3 The calculated temperature distribution in the cro
12、ss section of the beam blank at the 25th supporting rollers（2）矫直区铸坯表面温度较低同时，异型坯表面积大，散热条件好，铸坯温度下降较快，结果是在矫直区，铸坯表面温度容易低于 900，常处于各钢种的低温脆性区，致使矫直过程中铸坯已有表面裂纹较易扩展。2 连铸过程中异型坯凝固特点连铸过程中异型坯凝固特点（1）结晶器中坯壳厚度容易不均匀由于在结晶器角部和平面部位冷却效果不同，连铸中结晶器里坯壳并不均匀，板坯和矩形坯的坯壳常在铸坯偏角区域较薄45。异型坯连铸用结晶器内腔形状较为复杂，结晶器中存在 12 个面和 12 个拐角，较板坯和方坯结晶
13、器的 4 个面和 4 个拐角多得多，因此在结晶器中坯壳更为不均匀。又由于近终形连铸，内腔较薄，坯壳厚度不仅受结晶器形状影响，而且结晶器内的流场分布对异型坯坯壳厚度的影响也较大。图 4a、4b 和 4c 分别为结晶器锥度较小、较大和适中时结晶器出口处异型坯坯壳厚度的数值模拟结果6。图 4a 锥度过小时结晶器出口处坯壳厚度Fig. 4a Shell thickness at outlet of the mould for a too small taper图 4b 锥度过大时结晶器出口处坯壳厚度Fig. 4b Shell thickness at outlet of the mould for a
14、 too strong taper图 4c 锥度合理时结晶器出口处坯壳厚度Fig. 4c Shell thickness at outlet of the mould for an optimized taper图 4 不同结晶器锥度条件下结晶器出口处异型坯厚度数值模拟结果异型坯连铸中水口结构对异型坯坯壳也存在明显影响。异型坯连铸常采用直孔水口和有三个侧开孔的水口。理论上三孔水口对结晶器中钢液合理流动有利，但三孔水口的寿命较短，水口头部容易掉落，引起漏钢。数值模拟结果表明（见图 5a 和 5b7） ，与三孔水口相比，采用直孔水口，结晶器出口处坯壳厚度极不均匀，在翼缘与腹板的交接处，坯壳最薄。图
15、 5a 采用直孔水口连铸时结晶器出口处 SS400 坯壳厚度Fig.5a The thickness of SS400 shell at the mould outlet cast with straight hole nozzle图 5b 采用三孔水口连铸时结晶器出口处 SS400 坯壳厚度Fig.5b The thickness of SS400 shell at the mould outlet cast with three holes nozzle结晶器中坯壳不均匀的结果是坯壳收缩时，坯壳薄弱处容易产生裂纹。（2）冶金长度短异型坯翼缘的尺寸较大，因此异型坯连铸机的弧度半径也常较大，如
16、马钢和莱钢异型坯连铸机的弧度半径分别 10.0 和 12.0m，但异型坯表面积大，散热条件好，在二冷区内就能完全凝固，冶金长度短。因此异型坯矫直一般为固相矫直，矫直时的许用应变较大，对矫直有利。3 结晶器中异型坯横截面应力应变特点结晶器中异型坯横截面应力应变特点与常规铸坯不同，异型坯在结晶器中除了受到热应力、摩擦力、钢水静压力外，坯壳在凝固收缩时还常受到结晶器壁对翼缘的支撑力。加上坯壳温度和厚度较不均匀，结晶器中异型坯横截面应力应变分布较为复杂。图 6 是马钢 SS400 异型坯在结晶器出口处横截面上应力应变的数值模拟结果。由图可知，异型坯腹板表面和翼缘端部，主要承受 x 方向的拉应力，翼缘内侧和窄面主要承受 y 方向的拉应力；坯壳中应力分布不均匀，腹板、内缘 R角及翼缘端部受到的应力较大。图图6a 结结晶晶器器出出口口处处坯坯壳壳内内x 方方向向应应力力分分布布（拉拉速速0.78m/min，钢钢种种SS400）Fig. 6a The x
