新型的板坯连铸机辊列布置

刘彩玲，杨超武，曾 晶

（中国重型机械研究院股份公司，陕西 西安 710032）

0 前言

在对国内某钢铁公司板坯连铸机辊列参数和生产数据分析中发现，该辊列工艺参数所对应的板坯连铸机在生产过程中经常会出现不同程度的结晶器内液面周期性波动，尤其在生产含碳量在0.07%～0.15%左右的包晶钢（包晶合金钢）系列时，由于此类钢种在凝固时要发生从δ－Fe到γ－Fe的包晶反应，并伴着较大的体积收缩（～0.38%），结晶器内液面波动可能更加剧烈。通过大量的生产数据跟踪，并对结晶器内液面周期性波动机理的分析，发现如果连铸机辊列设计合理，将会大大降低结晶器内液面周期性波动。

1 B钢铁公司的板坯连铸机辊列设计参数和结晶器内液面波动分析

众所周知，在现代化的板坯连铸机设计中辊列设计是板坯连铸机成套设备总体设计的灵魂，其主要由结晶器和支撑导向从结晶器出来的带液芯的铸坯的若干对辊子组成。目前常规直弧形板坯连铸机所用的辊列一般由结晶器、直线段、弯曲段、圆弧段、矫直段和水平段等部分组成，其中直线段的长短、弯曲段及矫直段曲线特征直接影响连铸坯的质量。

1.1 辊列参数

根据表1中B钢铁公司的铸机半径为R9.5m的连铸机辊列主要技术参数，可以了解到B钢铁公司弯曲段、弧形段、矫直段辊列布置如图1所示。

（1）该板坯连铸机在弯曲段和圆弧段两个区域分别只有1种辊径和1种辊距。

（2）在处于板坯连铸机凝固末端的矫直区和水平区辊径粗、辊间距大。

（3）B钢铁公司连铸机生产过程中的液面波动数据见表2。

表1 B钢铁公司R9.5m直弧型，连续弯曲／连续矫直板坯连铸机辊列的主要技术参数

图1 B钢铁公司弯曲段、弧形段、矫直段辊列数据

表2 典型的结晶器内液面波动数据

1.2 结晶器内液面周期性波动的机理分析

采用该辊列的B钢铁公司板坯连铸机在生产过程中结晶器液面出现周期性波动和铸机的工艺及设备特点分不开。浇铸过程中，铸坯形成一定的坯壳后出结晶器进入二冷区，由于坯壳内部仍是液态，在钢水静压力作用下产生鼓肚变形，当铸坯在经过前后导向辊时，在两对导向辊之间形成的鼓肚变形，经过下一对导向辊时，铸坯受到挤压变形，离开该导向辊后又产生鼓肚变形，如此反复，直到完全凝固。如果辊子排布足够细密，这个塑性变形的过程将会均匀且连续，这样任意瞬间钢坯内液芯容积保持不变或基本不变。在注入钢水量与拉坯（凝固）相对平衡的情况下，结晶器内的钢水液面波动可以控制在±3 mm。然而在实际浇铸过程中，坯壳虽然具有一定的强度和刚度，但其在经过两个导向辊之间时的鼓肚变形和经过导向辊时的挤压变形过程连续但不均匀，坯壳内液芯容积也随着发生变化。如果在二冷区导向辊间距相同或相近，则各对辊子之间铸坯鼓肚形成的液腔就会在铸坯生产过程中呈规律性的变化，即同时发生鼓肚变形液腔空间叠加放大，表现为结晶器内液面下降；同时发生挤压变形液腔空间叠加缩小，表现为结晶器内液面上升，并呈现出一定节奏（即周期性）。一般情况下，一次液面波动的周期，就是铸坯通过两对导向辊之间距离所用的时间。

由于液面波动的根源来自铸坯坯壳的周期性变化。如果在二冷区内铸坯凝固过程中的各对辊间距不是恒值，或一个冷却区内辊距虽然相同（相近），但是相邻冷却区内的辊间距差别比较大（即采取差异性的辊径和辊间距），那么在二冷区内铸坯凝固过程中的任意时刻，铸坯凝壳有的位置在鼓肚力作用下鼓起、有的位置在导向辊的挤压鼓肚变形消失，且不同步。这样就会打乱固有的规律性液腔空间放大和缩小周期，在铸坯凝固过程中，结晶器内液面就不会出现明显的周期性波动。

根据结晶器内液面周期性波动的机理分析，中国重型机械研究院（中国重型院）采用了新型辊列布置。

2 中国重型院在国内Y钢铁公司设计的板坯连铸机辊列

在对国内Y钢铁公司板坯连铸机设计中，中国重型院根据用户的生产工艺要求（表3）并结合自身多年的连铸机工程实践经验，提出了采用5次方曲线y＝αx5＋βx4＋γx3进行该连铸机连续弯曲、连续矫直辊列设计，辊列的主要技术参数见表4，辊列布置如图2所示。

表3 生产工艺要求

表4 Y钢铁公司R9.5m直弧型，连续弯曲／连续矫直板坯连铸机辊列的主要技术参数

图2 Y钢铁公司弯曲段、弧形段、矫直段辊列数据

对比表1、表4的数据，中国重型院设计的辊列如图2所示，矫直段采用细辊密排辊列设计，弯曲段和弧形段采用两种不同的辊径和辊间距。

2.1 差异性的辊径、辊间距

优化的铸流导向辊子直径设计为：结晶器足辊φ100、弯曲段φ150和φ190、扇形段1～3为φ230、扇形段4～5为 φ250、扇形段6～13为φ270。辊列从结晶器足辊开始到水平段辊子直径逐渐加大，弯曲段和圆弧区扇形段均设计成两种辊径和不同的辊间距，可以打乱多处铸坯鼓肚回弹的一致性节奏，削弱该因素造成的结晶器液面周期性波动，有利于稳定生产，提高铸坯质量和连铸机作业率。

2.2 5次方曲线设计

采用5次方曲线设计的辊列连续弯曲区和连续矫直区不仅解决了连续弯曲和连续矫直的整个过程曲率均匀变化，而且形成弯曲区与圆弧线、圆弧线与矫直区、矫直区与水平区辊列曲线曲率光滑对接，其曲率半径见表5。

表5 连续弯曲区和连续矫直区的曲率半径

2.3 综合考虑设备使用工况和使用寿命

在辊列设计过程中综合考虑辊子、轴承的受力与变形，确定结晶器宽边足辊、弯曲段辊子采用三分段，扇形段自由辊均采用二分段结构，驱动辊均为三分段辊，从而保证了辊子强度满足各种铸坯断面的浇铸。

连续弯曲区和连续矫直区的辊子按5次方曲线布置，所有曲线上的辊子均参与弯曲或矫直，处于弯曲区的辊子为9对，处于矫直区的辊子为10对，实现对铸坯的连续弯曲和连续矫直。弯曲区两相界最大综合应变为0.2683%，矫直区两相界最大综合应变为0.2449%（两相界综合应变计算略），成功的均控制在＜0.35%的安全范围内，使铸坯两相界和铸坯表面所产生的变形及变形率都能够做到最小，最大限度的减少了浇注过程中铸坯的弯曲和矫直裂纹。同时，使辊子受力更加均匀，提高设备的使用寿命，从跟踪的生产数据来看，矫直区域辊子受力均匀还可以使得该区域驱动辊的电流更加平稳，设备使用更加可靠。

3 结论

从现场生产实践来看，采用细辊密布组合形式和差异性的辊径、辊间距及5次方曲线设计的连续弯曲连续矫直辊列，不仅使连续弯曲和连续矫直的整个过程曲率均匀变化，而且形成弯曲线与圆弧线、矫直线与水平线等曲率光滑对接，且有效的打破了结晶器内液面波动形成的条件，避免结晶器内液面周期性液面波动的发生。经过对Y钢铁公司的板坯连铸机一年多时间的质量跟踪，其设备稳定运行、铸坯质量高、维护成本低，其中单台（双流）连铸机年产量已经突破220万吨合格的连铸机坯，产品涵盖了IF钢到65Mn钢等多种钢种，为该企业创造了很好的经济效益。

［1］ 杨拉道，黄进春，李淑贤，等.直弧形板坯连铸设备［M］.北京：冶金工业出版社，2017.

［2］ 刘明延，李平.板坯连铸机设计与计算［M］.北京：机械工业出版社，1990.

［3］ 王洪兴，曹梅林，刘志国，等.结晶器内钢液面波动分析与控制［J］.炼钢，2012（03）：38－40.

［4］ 薛文辉，刘军，杨超武，等.板坯连铸机结晶器液面周期性波动分析［A］.2013连铸装备技术的科技进步与精细化学术研讨会论文集［C］.西安：中国金属学会连续铸钢分会，2013：198－202

［5］ 厚健龙，王翠娜，陈丛虎，等.双流板坯连铸机生产X65管线钢结晶器液面波动原因分析［J］.冶金丛刊，2011（01）：11－13.

［6］ 林晓川，李京社，杨树峰，等.板坯连铸结晶器内液面波动的水模型研究［J］.炼钢，2011（02）：56－58.

［7］ 王洪兴，曹梅林，刘志国，等.结晶器内钢液面波动分析与控制［J］.炼钢，2012（03）：38－40.

［8］ 程乃良.板坯连铸结晶器液面周期性波动的探讨［J］.炼钢，2009（06）：60－62.

［9］ 宋泽启，陈清泉，张友华，等.直弧形铸机生产包晶钢结晶器液面波动的控制［J］.炼钢，2007（04）：7－10.