采用薄板坯连铸生产高表面质量冷轧钢板的可行性分析

薄板坯连铸由于拉速高,结晶器容量小,结晶器钢水液面波动高度和表面流速显著高于传统连铸,因此容易造成保护渣卷渣,这是薄板坯连铸生产高表面质量冷轧钢板钢种的主要困难所在。NUCOR、蒂森一克鲁伯等企业采用薄板坯连铸连轧工艺生产冷轧钢板的实践也表明,在表面质量方面与传统工艺产品尚有较大的差距。采用薄板坯连铸工艺生产优质冷轧钢种,应适当增加铸坯厚度,以降低拉速和增加结晶器对钢水流的缓冲作用,可采用120mm厚铸坯(结晶器出口),3m／min左右拉速。为了减少结晶器保护渣卷渣,应对中等厚度薄板坯连铸结晶器内钢水流动控制(SEN结构参数、SEN浸入深度、拉速等)、电磁制动、保护渣等开展深入的试验研究。     

拉速对小方坯结晶器液面波动影响的数值模拟

利用流体力学软件Fluent建立180 mm×180 mm铸坯结晶器内"钢-渣"两相流模型,对结晶器液面波动行为进行数值模拟,研究浸入式水口自结晶器中心位置偏离量(0~30 mm)和拉速(2.0~3.0 m/min)对结晶器液面波动行为的影响。发现在相同浸入式水口偏离量下增加拉速,钢液面波动的整体趋势增加,且偏移量与拉速越大,液面波动增幅越大;低拉速时,波谷出现在水口边缘,水口周围剧烈波动;高拉速时,波谷出现在结晶器右壁面,使得钢液液面波动加剧,容易产生卷渣。     

薄板坯连铸漏斗形结晶器内卷渣行为物理模拟

针对高拉速下薄板坯连铸结晶器内的液面卷渣问题，建立了1∶1水力学模型，采用水/真空泵油模拟钢/保护渣介质，研究了连铸拉速、水口插入深度、保护渣黏度对漏斗形结晶器内液渣层变化及卷渣行为的影响。结果表明，随着拉速提高，结晶器内液面波高升高，液面高度自窄边向水口方向逐渐降低，液渣层厚度相应由薄变厚，导致结晶器窄边附近钢液裸露；结晶器内窄边至水口之间1/2处波高变化较大、液面流速最大、易发生剪切卷渣。在试验条件下，采用增加水口插入深度、降低最高拉速、适当提高保护渣黏度等方法，使液面速度小于0.486 m/s的临界流速、液面波动指数F数小于5.45,可防止结晶器内产生剪切卷渣。然而，这些手段不能避免结晶器内水口附近的旋涡卷渣，这是因为薄板坯连铸钢通量大以及漏斗形结晶器和鸭嘴形水口容易形成负压旋涡造成的。     

首钢京唐3号铸机高拉速工艺研究与实践

 为了实现首钢京唐3号铸机拉速达到2.5m/min的目标,在现有连铸参数的基础上分别对结晶器冷却水量、保护渣成分和浸入式水口结构进行了优化。工业试验结果表明：参数优化后,拉速可稳定保持在2.3m/min;结晶器液面波动得到明显改善,宽窄面平均热流稳定,铜板温度场合理,液渣层厚度适宜,保护渣消耗量有所增加,为拉速进一步提高提供了试验依据。     

不同断面及拉速对结晶器液面波动的影响

针对国内某钢厂1 450 mm×230 mm板坯连铸结晶器生产情况，利用相似原理，建立相似比为0.6的物理模型。采用墨水进行流场显示试验，观察钢液从水口进入结晶器的扩散过程，通过数据采集系统对结晶器液面波动情况进行检测，对所采集液面波动数据采用1/10大波波高进行分析，研究不同断面及拉速对结晶器液面波动的影响，并对不同断面结晶器下所对应的拉速做出优化。结果表明，结晶器两侧的流场轨迹基本对称分布；结晶器宽度和拉速的增加均会导致结晶器液面波动幅度增大，随着结晶器宽度的增加，窄面附近的液面波动波幅增加最小，结晶器水口附近液面波动波幅增加最大；当结晶器拉速增大时，液面波动的剧烈程度基本符合窄面附近处最大、SEN附近处次之、1/4宽面处最小的规律，但在结晶器宽度1 150 mm、拉速1.6 m/min条件下，水口处波动大于窄面附近。在结晶器宽度为1 150 mm、拉速为1.6 m/min,结晶器宽度为1 450 mm、拉速为1.4 m/min和结晶器宽度1 750 mm、拉速为1.2 m/min工况下结晶器液面波动比较合理。     

高拉速板坯结晶器流场影响因素的模拟研究

采用1∶1物理模拟和数值模拟相互验证,分析了拉速、水口插入深度和断面宽度对结晶器流场的影响。结果表明,当断面为230 mm×1 490 mm,插入深度为150 mm时,拉速从1.3 m/min增加到1.7 m/min,最大表面流速从0.21 m/s增加到0.32 m/s,液面波动平均增幅为21.1%;当断面为230 mm×1 490 mm,拉速为1.7 m/min时,水口插入深度从190 mm降低到150 mm,最大表面流速从0.26 m/s增加到0.32 m/s,液面波动平均增幅为30.6%;结晶器断面宽度从940 mm增加到1 490 mm,由于通钢量增大,液面流速和液面波动都增大;各因素改变时,角部流速的增幅远小于其他部位流速增幅,角部在流场中属于死区;通过物理模拟研究可得,影响液面流速最大的因素是拉速,影响液面波动最大的因素是断面宽度。     

高速连铸结晶器内凝固传热行为及其均匀性控制

从分析高拉速包晶钢板坯连铸结晶器内凝固传热行为特征入手,首先阐明拉速对结晶器内的界面热阻、凝固坯壳的温度与应力分布的影响规律,研究发现拉速超过1.6 m·min?1时,界面热阻明显增加,拉速由1.4 m·min?1提升至1.6 m·min?1和1.8m·min?1时,出结晶器坯壳厚度相应减少约10%,其发生漏钢的危险不断增加;在此基础上,阐述了结晶器的内腔结构、保护渣、振动与液面控制等控制结晶器内坯壳凝固均匀性的相关技术。要实现高速连铸,首要应考虑结晶器内腔结构的优化设计,使其能更好地迎合凝固坯壳的生长,研制适合包晶钢等凝固特点的专用连铸保护渣至关重要,铸坯鼓肚控制也是保障高拉速液面稳定的关键。      

MCCR产线110 mm薄板坯结晶器流场的数值模拟

首钢京唐MCCR产线是国内第一条多模式连铸连轧产线,薄板坯高拉速连铸是实现无头轧制模式的基础,结晶器内流场控制是决定薄板坯高拉速连铸的关键。采用VOF两相流模型研究薄板坯连铸结晶器内流场特点,采用插钉法测量实际生产过程结晶器弯月面流速,并与对应工况条件下模拟结果进行对比校验了模型准确性。通过薄板坯连铸结晶器内流场的数值模拟仿真,获得了薄板坯高拉速条件下结晶器内钢液的流动特征。研究了连铸拉速、2种浸入式水口结构等因素对弯月面流速以及波高差的影响。结果表明:随着通钢量由3.4 t/min增加至8.2 t/min,采用四孔水口时,结晶器弯月面钢液流速由0.02 m/s增加至0.30 m/s,结晶器钢液面波高差由2.0 mm增加至7.2 mm;采用五孔水口时,结晶器钢液面波高差由0.25 m/s增加至0.5 m/s,结晶器钢液面波高差由2.6 mm增加至17.0 mm。高通钢量条件下(5.5～8.2 t/min),采用四孔水口更加有利于控制液面波动稳定性。     

连铸板坯结晶器液面波动及冲击深度水模型研究

为评价现有浸入式水口设计是否合理,通过几何相似比1:2的水模型对拉速0.8～1.7 m/min,断面为230 mm×(900～2 150)mm的板坯结晶器液面波动和冲击深度进行了模拟实验。结果表明,现行结晶器在5种不同断面下液面较平稳,模型中波高都在1.5 mm以内(相当于原型3 mm以内),保护渣渣层平稳,液渣层分布较均匀;而当低拉速、小断面时,即使冲击深度较低,液面波动也小于0.5 mm(相当于原型小于1 mm),导致渣-钢界面活跃不够,化渣不良,甚至可能造成液面结壳,故有必要对现有浸入式水口进行优化改造。     

CSP结晶器内钢液流动的水模型研究

采用1:1水力学模型对厚度60 mm薄板坯连铸水口浸入深度220～310 mm、出口角度-30°～-60°、拉速4.2～6.0 m/min条件下CSP结晶器内钢液流动行为进行模拟研究。在拉速4.2～5.0 m/min时双侧孔水口下CSP结晶器流场股流冲击深度达850～1010 mm;流场内存在三个滞区,液面波动不稳定;水口角度对结晶器窄面和水口附近波动影响很显著,拉速对结晶器和窄面中心处波动影响较大,浸入深度对水口附近波动影响较大。     

提高亚包晶钢板坯拉速对结晶器传热的影响

通过对提高亚包晶钢AQ钢种230 mm×1200 mm板坯拉速试验过程中结晶器冷却水参数、铜板测温等数据进行适时记录,并与数学模型及ANSYS商业软件相结合,研究了提高拉速对结晶器平均热流、局部热流、铜板温度场以及坯壳厚度的影响。结果表明,拉速由1.3m/min提高到1.5m/min时,平均热流增加0.1 MW/m²左右,宽边弯月面区域局部热流增加0.13 MW/m²,但均在合理范围内,这与采用高碱度高结晶温度的试验保护渣有关;结晶器窄/宽面平均热流比超过0.9,应适当减少结晶器锥度;宽面坯壳厚度平均减薄4 mm左右,应严格控制结晶器传热强度,以保证连铸工艺稳定和铸坯质量。     

SS400连铸坯纵向裂纹研究

分析了SS400出现纵向裂纹的原因为晶粒粗大,组织疏松,浇铸温度过高,浇铸过程中形成了成分偏析,拉速与保护渣粘度匹配不合理,浇铸过程中水口插入太深,导致保护渣被卷入板坯形成夹杂物,结晶器铜板厚度不合理。通过控制钢中[C]、[P]、[S],稳定拉速,浇铸速度,选择合适的结晶器及保护渣,控制二冷水的水量及强度,保持水口插入深度在钢液面10 mm以下,控制浇铸温度和板坯宽度等措施,纵向裂纹得到有效控制。     

首钢板坯连铸技术进步

回顾了近十年来首钢为生产优质冷轧钢板和特厚钢板而开发的板坯连铸新技术。为了降低优质冷轧钢板表面冶金缺陷，开发了浸入式水口防堵塞技术、结晶器内钢液流动综合控制技术和中高拉速FC结晶器技术等。综合应用这些技术后，水口堵塞率降低60%以上，结晶器液面波动±3 mm比例提高至98%以上，冷轧钢板表面卷渣缺陷指数降低50%以上。为了提升特厚钢板的冶金质量，开发了特厚板坯窄面鼓肚控制技术、倒角结晶器连铸技术、半干法连铸技术和二冷间歇式喷淋等技术，400 mm厚板坯窄面鼓肚量降低至5 mm以下，含铌微合金化钢板坯表面裂纹发生率大大降低。开发了特厚板坯连铸轻压下技术，中心偏析C类1.0级及以下比例达到100%，确保了150 mm特厚钢板的心部韧性达到100 J以上。     

常规低碳钢板坯的高速连铸工艺技术

 高速连铸具有显著减少建设投资、大幅提高产量和降低物料消耗等优势。但欧、美及国内多数钢厂均使用中低拉速连铸常规厚度板坯，主要原因是高速连铸拉漏风险增加与卷渣导致的表面质量恶化。为解决上述问题，以日本JFE为代表的钢企开发了一系列关键技术，JFE福山No.5 铸机连铸厚度220 mm低碳钢板坯最大拉速达到3.0 m/min。阐述了国内外常规板坯铸机的高速连铸发展历程。基于JFE福山No.5 CCM和首钢京唐No.3 CCM低碳钢高速连铸实践，综述了高速连铸的3项关键技术，分别是强冷却能力结晶器技术、高速连铸结晶器卷渣控制技术和电磁冶金技术，为生产冷轧薄板钢种为主的钢厂提高铸机拉速提供参考。     

基于紊流射流理论的连铸结晶器液面波动

 为研究结晶器内液面波动特性的规律,防止连铸坯卷渣,提高铸坯质量,利用紊流淹没射流理论建立了浇注过程中钢液流股撞击结晶器窄边速度和撞击点位置理论模型,推导出液面波动指数的解析公式;通过与试验结果对比,验证了该理论模型的预测结果;利用数值仿真模拟1 000 mm×130 mm板坯连铸结晶器在不同液面波动指数下的液面波动情况。计算结果表明,该理论模型结论与试验结论偏差为－4%～2.5%,可较好地评价结晶器内液面波动的剧烈程度,该型号板坯连铸结晶器最佳拉速为1.4 m/min。     

插钉法研究板坯连铸结晶器液面特征

 采用可以同时获取板坯连铸结晶器内弧侧、厚度方向中心面和外弧侧液面信息的插钉板,通过在结晶器内连续插取,研究了板坯连铸结晶器液面特征。得到了结晶器内不同时刻、不同位置处液面高度;发现了连铸生产过程中内、外弧侧液位有差异,提出了对称流不仅只是以水口为中心结晶器左右两侧流场的对称,还应包括以结晶器厚度方向中心面为中心,内弧侧与外弧侧流场的对称;预测了该工况下结晶器内液面波动较大以及卷渣发生频率较高的位置为水口附近和窄面与宽度方向1/4之间液面流速较大的部位;验证了插钉试验不仅可以获得连铸结晶器内的液面流速,还可通过多次插钉试验研究液面波动特征,在传统的物理模拟和数值模拟方法之外提出了一种直接、接触式测量连铸结晶器液面轮廓进而研究液面波动的方法。     

宽板坯结晶器保护渣的开发

宽板坯连铸与常规板坯连铸相比有着较大的差异.通过对保护渣理化性能、绝热保温性能的研究,确定了适合于宽板坯中碳钢连铸用保护渣的理化指标,并开发出XCN-Z型保护渣.工业应用表明:研制的XCN-Z型宽板坯连铸用保护渣使用效果好,能满足拉速为1.3～1.5 m/min的中碳钢中厚板坯连铸连轧的要求.     

浇铸参数对结晶器液面波动影响及其工业应用

 板坯连铸结晶器液面的波动行为是结晶器内钢液流动、结晶器自身振动以及辊子挤压铸坯内部未凝固的钢液造成液面波动综合作用的结果。结晶器液位波动的稳定性对板坯连铸过程的卷渣行为有直接影响。在工业板坯连铸生产实践中,一般在结晶器某一区域(比如结晶器中部)利用放射源或涡流传感器检测液位波动来代表该工况下的整体波动水平。利用三维气液两相流动的数学模型研究了浇铸参数对结晶器液位轮廓的影响,浇铸参数包括拉速、吹氩流量、浸入式水口出口角度和浇铸断面。研究结果表明,结晶器不同宽度位置的波动幅值差异较大,且与工艺参数密切相关。液面的波峰与波谷之差随着拉速的增加在窄面附近逐渐增大,随着吹氩流量的增加在水口附近逐渐增大。在水口出口角度15°条件下,水口和窄面附近的液位波动均较大,而在水口出口角度45°条件下,仅在水口附近存在较大的液位波动。研究结果表明,使用板坯连铸常规的15°浸入式水口,当铸坯宽度大于800 mm时,结晶器液面检测需要在水口和窄面附近同时布置液位检测设备,以便更全面反应结晶器的真实液面行为,使液面波动对轧板表面质量指导性增强,有效提高连铸工艺的控制水平。如使用45°浸入式水口可以继续沿用原有的液位检测布置。