优化辊列解决结晶器液面波动的研究与应用

供稿|刘伟芳

内容导读

针对本钢炼钢厂2 号板坯连铸机生产的包晶钢,结晶器液面存在波动问题。通过分析包晶钢结晶器液面出现的周期性波动，参考包晶钢的相变特性，推断出钢液在扇形段内产生包晶相变反应L+δ→γ，使液芯发生约4%的体积收缩，扇形段内铸坯的液芯容积发生变化，造成结晶器液面出现波动。结合本钢2 号连铸机的生产实际，其扇形段采用单一辊列设计，造成这种液芯容积变化的逐渐叠加，经扇形段同一种辊径及辊间距的共振放大，最终形成结晶器液面的周期性波动。结果表明：包晶钢的成分设计对结晶器液面波动有一定的影响；合理控制钢水过热度，能有效的抑制结晶器液面波动。本研究通过对铸机扇形段辊列进行优化设计，最终解决结晶器液面波动的问题。

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。

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

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。

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。

成因分析

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) %

表3 BG380CL 成分(质量分数)及过热度 %

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。

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。

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]。

成因分析

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。

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

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]。

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

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。

解决方案

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) %

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。

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。

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。

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。

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。