φ 150 mm铸坯的不良形状及其控制

李立凯 夏 磊 王二庆 倪俊路 张培强 马爱成

（常州东方特钢有限公司，江苏 常州 213151）

1 概况

某厂采用五机五流全弧形连铸机和轻压下技术生产截面尺寸为200 mm×200 mm的铸坯。后来为满足市场需求，通过增加结晶器总成、重新设计二冷段设备及轻压下拉矫机辊子开圆弧凹槽等措施，该连铸机还能生产φ150 mm铸坯，连铸机的技术参数如表1所示。但该φ150 mm连铸坯出现了不圆度超标的问题，最大直径与最小直径之差超过标准要求6.75 mm，部分超过10 mm，严重影响了铸坯的合格率，只能将拉速降低至1.8～2.1 m/min。形状不良即不圆度超标的φ150 mm铸坯如图1所示。

表1 3号连铸机的技术参数Table 1 Technical parameters of the continuous casting machine No.3

图1 不圆度超标的φ150 mm铸坯的横截面Fig.1 Cross-section of the undesirably shaped casting blank 150 mm in diameter with overproofed out-off-roundness

为改善铸坯质量，提高铸坯合格率以及提高连铸圆坯的生产效率，根据以往生产圆坯的经验及查阅相关文献，曾通过控制热坯压力来解决铸坯不圆度超标的问题，但效果不明显。为此，改进了连铸冷却工艺和拉矫机压力，以减少φ150 mm铸坯的热变形及拉矫过程中产生的机械变形。

2 分析

铸坯的外形如图2所示。图2（a）为部分φ150 mm铸坯断面，图2（b）为该3号连铸机生产的φ150 mm铸坯的压痕。

图2 改进连铸冷却工艺和拉矫机压力前φ150 mm铸坯的截面（a）和压痕（b）Fig.2 Cross-section of the 150-mm-diam billet（a）and indents on it（b）before improving on both cooling process during continuous casting and pressure of tension leveller

由于采用火焰切割，在切割横截面上留下了割痕，割痕方向与火焰方向平行，即与内外弧平行。从图2（a）可以看出，φ150 mm铸坯内外弧方向尺寸明显大于侧弧方向。图2（b）所示的铸坯与拉矫机接触的压痕弯曲，说明铸坯因冷却不均匀而产生了明显的变形，导致拉矫机辊子与铸坯的接触面发生变化。因此可以确定，由于冷却不均匀，φ150 mm铸坯进入拉矫机前就已经产生了不良的外形即不圆度超标。

连铸圆坯的拉矫机压力设定既要保证铸坯在不同生产条件下不下滑，还应尽可能避免使用较大的压力以避免连铸坯不圆度超标［1］。该连铸机生产φ150 mm铸坯时采用3台单机架拉矫机，分别为5、6和7号机架，热坯压力约0.7 MPa，导致铸坯承受较大的压下力，对其外形有一定影响。根据以往的生产经验，施加约55～60 kN的总压下力即可防止铸坯滑动，还能确保铸坯的断面尺寸符合要求。计算出3号连铸机作用于铸坯断面的拉矫机总压力约为84 kN。φ150 mm铸坯拉矫机压力计算结果如表2所示。

表2 φ150 mm铸坯拉矫机压力计算值Table 2 Calculated pressure values of tension leveller for the 150-mm-diam billet

3 措施

3.1 优化冷却工艺

连铸初生坯壳在弯月面形成后，存在冷面和热面。冷面即与结晶器铜管壁接触的面，热面即与钢水接触的面，如果两面的温差过大，则会导致初生坯壳两个面收缩量不一致，从而导致初生坯壳热变形［2］，影响铸坯的外形尺寸。因此，浇铸时应尽量控制钢水的过热度［3］，以减小冷面与热面的温差。生产φ150 mm铸坯时，将钢水过热度控制在35℃以内，尽量控制在20～30℃［4］，以减少弯月面初生坯壳的热变形。

现场检查结晶器并反复试验发现，足辊段冷却不均匀，连铸坯壳薄，传热量大，会导致铸坯热变形，且该热变形易传递到结晶器弯月面，不利于初生坯壳在结晶器均匀传热［5］，因此对φ150 mm铸坯结晶器结构进行优化，并更换了足辊喷嘴型号。优化后的结晶器足辊段离线试验的冷却效果如图3（a）所示。在现有二冷段长度的基础上增加一段喷淋条，喷淋条上喷嘴为9排，增加二冷长度约3.2 m，二冷段总长度从6.75 m增加至约10 m，如图3（b）所示。通过增加二冷段长度降低铸坯在拉矫机区域的温度，从而提高铸坯的抗变形性能［6］。优化二冷各段水量分配还可以改善铸坯质量［7-8］。检测结果表明，在钢种、拉速及冷却强度相同的情况下，延长二冷段可使φ150 mm铸坯进入拉矫机时的温度降低40～50℃，效果明显。

图3 φ150 mm铸坯在结晶器足辊段均匀冷却（a）和在延长的二冷段喷淋冷却（b）Fig.3 Uniform cooling in the foot roller zone（a）and spray cooling in the extended secondary cooling zone（b）for the 150-mm-diam billet

保护渣的理化性能对初生坯壳的外形也有很大影响［7-8］。现场观察发现，C50831K型保护渣会导致φ150 mm铸坯一冷传热不均匀，而C53351K型保护渣则可确保其一冷传热均匀，因此改用了C53351K型保护渣。两种保护渣的理化特性如表3所示。

表3 两种保护渣的理化特性Table 3 Physical and chemical characteristics of two types of casting powder

由表3可知，C53351K型保护渣的黏度比C50831K型大，结晶器振动过程中涂抹在铜管壁的液态渣膜厚度更均匀。现场试验显示，保护渣黏度过大或过小都会导致渣膜厚度不均匀，从而导致结晶器传热不均匀［9-10］。此外，C53351K型保护渣的碱度比C50831K型大，因此在凝固过程中会形成较多的导热性差的固态渣膜［9］，提高弯月面初生坯壳的冷面温度，减小坯壳冷面与热面的温差，改善初生坯壳热变形导致的外形质量，也能明显改善一冷传热的均匀性［10］。

由于3号连铸机采用柔性引锭杆，故二冷室托辊较多，过多的托辊与铸坯接触摩擦会导致铸坯外弧发生塑性变形，因此只保留4～5组二冷托辊，仅需保证送引锭杆过程顺利，从而大大减少了连铸坯与机械设备的接触摩擦。

3.2 优化拉矫机压力系统

拉矫机压力系统的优化主要包括压下制度、更换拉矫机减压阀和拉矫辊凹槽尺寸的优化。解决φ150 mm铸坯冷却不均匀导致的热变形问题后，将原5、6、7号辊三压下制度优化为6、7号辊两压下制度，施加0.7 MPa的热坯压力时，对铸坯产生约56 kN的正压力。计算结果如表4所示。

表4 优化后φ150 mm铸坯拉矫机压力计算值Table 4 Calculated pressure values of tension leveller for the 150-mm-diam billet after optimization

调压单元采用北京华德先导式减压阀，型号为DR20-4-50B/200YM。该通径的减压阀可稳定输出的最小压力为1 MPa，故将调压阀更换为DR10-1-30B/200YMV型。该阀门的最低理论输出压力为0.3 MPa，能满足3号连铸机生产φ150 mm铸坯所需的最低压力要求。

考虑到较大断面圆铸坯的生产，将拉矫辊开槽圆弧半径定为135mm，槽深4mm。由于暂时不生产φ200 mm以上断面的铸坯，将6、7号辊拉矫辊开槽圆弧半径定为110 mm，通过减小圆弧半径以增加拉矫辊与小圆断面的接触面积［11］。

4 结果与讨论

采取上述优化措施后，φ150 mm铸坯压痕不再扭曲，说明铸坯外形合格，与拉矫机接触稳定，不圆度不大于6 mm，满足标准及用户要求，内在质量也合格，如图4所示。目前，拉速已提高至2.5 m/min。

图4 连铸机优化后生产的φ150 mm铸坯的压痕（a）和截面（b）Fig.4 Indents on the 150-mm-diam billet produced by the improved continuous casting machine（a）and its cross-section（b）

5 结论

（1）冷却不均匀导致的热变形是某厂连铸机生产的φ150 mm铸坯形状不良的主要原因，为解决铸坯不圆度超标的问题，不仅要考虑压力造成的机械变形，还需考虑冷却不均匀导致的热变形。

（2）钢水过热度过大、保护渣理化性能不合乎要求以及连铸结晶器冷却不均匀，是导致φ150 mm铸坯热变形的主要原因。

（3）适当提高保护渣的碱度可有效减小φ150 mm铸坯初生坯壳冷、热面的温差，从而减小初生坯壳的热变形。