水平连铸机的现状和发展(续一)

<正> 3.2 结晶器水平连铸结晶器的特点是:提高了初始凝固区的钢水静压力,结晶器中无需液体润滑或进行渣保护;结晶器上部和下部有不对称的传热;在与分离环衔接的结晶器壁上存在高温区等。提高钢水静压力,能够使凝固坯壳向外扩张,将加强凝固坯壳在分离环区域与结晶器壁的接触。因此,从这里传导出的热量要比立式(或弧形)连铸大得多。沿着长度方向,从水平连铸结晶器中传导出的热量要比立式连铸机高50％。因钢水静压力提高,水平结晶器的凝固系数比垂直结晶器约增大30％,达26～30mm/min~(-(1/2))。这就是减少水平结晶器长度的基础。 3.2.1 结晶器的结构     

不同工艺条件下小方坯连铸结晶器内的热力学行为

角部表面纵裂和偏离角裂纹是小方坯连铸中的常见缺陷。通过建立小方坯连铸结晶器内铸坯与铜管热-力耦合有限元模型,研究了不同拉速条件下小方坯在结晶器内的热-力学行为。计算分析了拉速、钢水过热度和结晶器锥度等工艺因素对结晶器内坯壳温度分布和塑性应变的影响。结果表明,铸坯角部纵裂和偏离角裂纹容易在结晶器下部发生;提高拉速、降低钢水过热度、采用多锥度结晶器均有利于降低亚包晶钢坯壳凝固前沿偏离角区域的拉应变及其裂纹倾向。一定条件下,高拉速有利于改善结晶器区域坯壳厚度和温度的均匀性、降低亚包晶钢小方坯连铸结晶器内常见裂纹的发生倾向。     

薄板坯连铸结晶器内钢水凝固传热数值模拟

为研究薄板坯连铸高拉速下结晶器内坯壳生长过程,利用ANSYS有限元模拟软件,建立了CSP薄板坯连铸结晶器内钢水凝固传热数学模型,并通过实际测量得到的凝固坯壳厚度验证了模型的合理性。对结构用钢Q235B钢种,1 500 mm×60 mm规格在结晶器内凝固过程进行了模拟,研究了不同拉速、不同结晶器冷却水量对凝固的影响。研究结果表明,随着拉速降低,坯壳厚度增加;随着结晶器水量增大,坯壳厚度增加,模拟结果与实测结果相符合,为实际生产优化工艺参数提供了理论参考。     

振动结晶器内凝固前沿初始裂纹形成力学扰动分析

连铸结晶器振动冲击对连铸坯初始裂纹形成影响显著。研究考虑弯月面初凝坯壳为简支梁,基于材料力学理论和非正弦振动波形分析结晶器振动周期典型时刻初凝坯壳凝固前沿受渣道压力和钢水静压力所形成非均布载荷时的力学状态,进而定量分析初始裂纹的形成可能,并计算振动参数变化对初凝坯壳受弯曲应力的影响,以阐明控制初始裂纹工艺措施。研究表明,弯月面初凝坯壳垂直拉坯方向最大弯曲应力可达148.4 k Pa,而固相分率为0.9的固态坯壳临界断裂应力仅为14.7 k Pa,极易使得初凝坯壳凝固前沿产生初始裂纹;振频、振幅各降低75 min-1、1.5 mm,非正弦振动因子增大0.15时,最大弯曲应力值分别减小约36.3、24.6、16.4 k Pa;适当降低振频和振幅,增大振动因子可抑制坯壳初始裂纹的形成。     

保护渣碱度对薄板坯结晶器平均热流量的影响

在钢的连铸过程中,钢水在结晶器内的凝固对铸坯的产量和质量均有很大影响,几乎所有的铸坯表面缺陷均形成于结晶器内。近年来,随着连铸拉速的增加及对铸坯表面质量要求的提高,有关结晶器冷却、传热对钢水的初始凝固及表面纵裂纹影响的研究成为连铸科学研究的重点。结晶器壁热流不均是纵裂纹产生的有利环境,保护渣控制传热为常用的措施。薄板坯浇铸时由于拉速高,为获得表面无缺陷铸坯,对保护渣控制传热的要求更高,同时也需协调保护渣的润滑功能。通过生产试验,研究比较3种碱度保护渣（CaO/SiO2分别为1.06、1.26和1.48）对薄板坯结晶器平均热流量的影响,发现与低碱度保护渣相比,使用高碱度保护渣时,结晶器热流量最低,有利于实现弱冷却,形成均匀凝固坯壳,在一定拉速条件下浇铸裂纹敏感钢种时有助于获得良好表面质量的铸坯。     

组合式结晶器内连铸坯皮下气泡的形成

通过对有关文献的评述,讨论了连铸板坯皮下气泡的形成原因和分布特点,说明连铸过程中组合式结晶器角缝中上升气流吹入钢水可造成连铸坯皮下气泡。降低钢水过热度、降低拉速以促使结晶器内钢水尽快形成稳定坯壳,从而可以抵抗气流吹入,减轻皮下气泡的形成。由于在组合式结晶器内连铸坯皮下气泡的产生是难以避免的,所以棒材生产线的方坯连铸机不宜采用组合式结晶器,采用管式结晶器是当前的发展趋势。     

水平连铸圆坯裂纹形成原因及防止措施

通过对水平连铸圆坯裂纹的成因分析,提出结晶器结构应符合铸坯凝固收缩规律、拉坯过程应尽可能采用高拉速、大推程的拉坯制度,严格控制钢水的过热度、成分和纯净度等解决铸坯裂纹的措施.这些措施在鞍钢集团重型机械公司铸钢厂水平连铸实施后取得良好效果.     

结晶器铜管抛物线型连续锥度设计系统

由于钢水的凝固收缩,在结晶器铜管内壁和凝固坯壳之间形成气隙.气隙对结晶器的传热与铸坯凝固有重要影响.为了减少气隙,结晶器内腔加工成带有倒锥度的形式.锥度过大过小都会带来一定的质量问题并影响生产顺行.因此,结晶器锥度设计是高效连铸技术的关键要素之一.在系统分析国内外结晶器常用设计方法的基础上,提出了一个抛物线锥度设计的计算模型并形成应用软件.为高效连铸结晶器设计提供了理论基础.     

超高速连铸结晶器内坯壳的传热行为

超高速连铸漏斗结晶器内坯壳的生长速率对铸坯表面质量有着显著的影响。基于节点温度继承算法(NTI),运用ANSYS有限元软件建立了结晶器内钢水凝固的三维瞬态导热模型,解析了浇注温度和拉速对薄板坯传热行为的影响。研究表明,随着拉速从4.0提高到6.0 m/min,结晶器出口坯壳最大厚度由26减小到12.8 mm,结晶器出口坯壳表面最高温度从1 209增加到1 305 ℃。而浇注温度从1 550 ℃提高到1 560 ℃对坯壳的表面温度和厚度影响不大。     

低温用无缝钢管管坯表面裂纹分析与控制

介绍了低温用无缝钢管Gr6管坯表面微裂纹的形貌,分析了管坯表面裂纹的形成原因,并提出有效的防止措施。分析认为:凝固时结晶器弯月面初生凝固坯壳随温度下降发生δ-Fe→γ-Fe转变,伴随着较大的体积收缩和线收缩,坯壳与铜管壁过早脱离形成气隙,导致坯壳生长不均匀,在坯壳的最薄弱处形成裂纹。通过提高钢水洁净度、控制钢水过热度、降低拉坯速度、控制结晶器液面波动和选取合适的结晶器锥度等工艺措施,可有效地控制低温用无缝钢管管坯表面微裂纹的产生。     

连铸结晶器内圆坯热力行为分析

连铸结晶器内铸坯的凝固行为直接影响着铸坯质量。为了清楚的认识结晶器内铸坯的凝固过程,建立了二维圆坯结晶器内钢水凝固传热及弹塑性应力瞬态分析模型,基于商业有限元软件ANSYS的直接耦合法模拟计算了圆坯在结晶器冷却过程中的温度及应力分布、坯壳厚度和收缩量。模拟结果表明:圆坯出结晶器坯壳厚度为15.5mm,边界收缩量为0.5mm,圆坯表层处于压缩状态,而内部处于拉伸状态。     

连铸结晶器内板坯传热凝固行为建模和模拟

对1510 mm×250 mm板坯在连铸结晶器内的传热行为进行了建模和计算,利用结晶器、保护渣和凝固坯壳之间不同传热层的热流密度相等的假定,通过热力耦合模型进行板坯和结晶器温度分布的计算。传热模拟结果与某钢厂连铸结晶器现场生产数据和热电偶测温数据进行对比,验证了该模型计算结果的可靠性。当浇注速度设定为1 m/min时,在结晶器出口位置,板坯宽面中心的凝固坯壳厚度达到了18.7 mm。提高连铸拉速,结晶器出口处的凝固坯壳厚度降低。此外,基于传热模型计算获得的板坯温度变化曲线,利用相场模型,模拟对比了不同碳含量的两种成分材料Fe-0.04C-1.36Mn和Fe-0.14C-1.36Mn在凝固过程中的组织演变情况。在相同的冷却条件下,Fe-0.04C-1.36Mn形成的凝固坯壳更致密,树枝晶间未转变的液相体积分数低。可以认为Fe-0.04C-1.36Mn形成的凝固坯壳质量更好,更容易避免在结晶器中产生漏钢以及表面裂纹。     

新型气膜约束成形铝合金连续铸锭的研究

设计了一种新型气膜约束铝合金连铸结晶器,在结晶器与初凝壳之间可以形成气膜.设计思想是减少结晶器内的横向散热,形成连铸坯近似单向散热的条件,降低结晶器内的液穴深度,缩短初凝壳长度,从而减少或消除铝合金连铸坯内部缺陷,提高铝合金连铸坯内外品质.对新型结晶器与传统结晶器进行了传热数值模拟,证明凝固温度场发生很大变化.利用新型结晶器对7075铝合金进行了连铸试验,在气膜稳定平衡的条件下,连铸坯表面光滑.探讨了拉速、气体流量和气体压力的关系及其对连铸坯品质的影响,在液面高度稳定时,控制气体流量可以控制气膜的稳定性.     

圆坯连铸温度场模拟

耦合温度场和流场 ,建立了圆坯连铸铸坯温度场的二维稳态柱坐标数学模型。用该模型模拟了国内某钢铁公司Φ178mm圆坯连铸铸坯内温度场分布 ,以渐变色形式模拟显示了圆坯连铸铸坯中心断面温度场分布 ;在温度场的基础上 ,模拟了铸坯凝固壳的厚度变化 ;模拟显示了结晶器内的钢液流动 ;采用铸坯传热数学模型在不同拉速及过热度下进行计算 ,系统分析了拉速及过热度对凝固末端位置、出结晶器坯壳厚度的影响。凝固末端位置的计算结果与现场实测结果一致 ,从而证明了模型的合理性。本研究模拟出的温度场分布和铸坯坯壳厚度 ,为优化工艺参数 ,提高铸坯质量提供了理论依据     

薄板坯连铸凝固状态分析与结晶器长度设计

推导了薄板坯连铸过程中钢液在结晶器内的凝固传热有限元方程,开发了钢液凝固状态及温度场分布的模拟分析软件,探讨了拉坯速度及结晶器长度对结晶器出口坯壳厚度的影响。     

连铸板坯结晶器内凝固坯壳裂纹敏感性研究

基于钢凝固两相区溶质微观偏析模型和连铸结晶器内坯壳凝固生长二维瞬态热/力耦合有限元模型,提出了定量化描述结晶器内坯壳凝固生长的裂纹敏感性预测模型---CSC(Cracking Susceptibility Coefficient)模型。通过分析结晶器内包晶钢坯壳凝固宏观热/力学行为和坯壳裂纹敏感系数分布,探究了板坯结晶器内包晶钢坯壳凝固生长过程中裂纹敏感性的变化规律。结果表明,典型包晶钢板坯连铸工况下,坯壳偏离角区域易产生"热点",引发坯壳凝固前沿脆性温度区宽度扩大,结晶器窄面线性单锥度极易破坏坯壳应力分布的均匀性;包晶钢板坯表面裂纹和皮下裂纹主要产生于坯壳凝固初期,坯壳角部皮下裂纹则在结晶器内大部分区域均可能产生。     

高温合金线材真空水平连铸过程的数值模拟

采用基于连续介质的耦合求解模型研究了镍基合金线材K418和GH4169在真空水平连铸过程中的流动、传热和凝固过程。模型考虑了流体流动过程对凝固过程的影响,以及间隙性的水平连铸周期性拉坯曲线(拉-停-拉)对水平连铸过程中的流动和温度场分布的影响。利用校正后的模型分析了水平连铸过程中拉-停-拉过程中的瞬态流动和凝固过程,研究了不同合金种类、拉速、冷却强度对线材水平连铸过程中的凝固行为的影响。结果表明:在水平连铸周期性拉坯过程中,结晶器内的熔体流动模式和温度模式是周期性变化的,其影响着线材初始坯壳的生长。与K418相比,在相同的计算条件下,GH4169有较低的表面温度而显示了更快的坯壳增长。高拉速和低冷却强度将增加线材表面温度,并增加液芯长度。目前模型再现了水平连铸过程中特定拉坯曲线引起的凝固的本质特征,可为水平连铸过程中改进生产工艺、优化拉坯曲线、减少合金线材缺陷提供指导和参考。     

水平连铸机的现状和发展

<正> 1 前盲从60年代初期至70年代后期,国外发展了一种连续铸钢的新技术,即水平连铸。水平连铸技术具有以下特点: (1)铸机设备高度低,因此无需建高大厂房,该技术特别适用于中、小型炼钢车间,也适用于老钢厂的铸锭车间改造。 (2)铸机设备结构较简单,设备重量比弧形连铸机少40％,故基建投资较少;又由于水平放置,因此便于安装和维修。 (3)水平连铸中间包与结晶器连成一个整体,避免了钢水的二次氧化,因而,连铸坯的纯洁度较高,可铸钢种范围较大。 (4)与弧形连铸相比,水平连铸结晶器内的钢水静压力较高,凝固坯壳与结晶器     

连铸结晶器内坯壳安全凝固的研究

为了避免连铸结晶器内坯壳凝固厚度不足,易出现断裂拉漏的危险,需要对结晶器出口处坯壳安全厚度进行研究。通过建立凝固数学模型,对热流密度边界条件进行设计,模拟结晶器内钢液的液相分数,推导结晶器出口处坯壳厚度。采用经验安全厚度与模拟坯壳厚度对比,验证边界热流密度的准确性。进行Gleeble热/力高温力学试验,分析连铸坯材料高温屈服极限及高温弹性极限,应用高温屈服极限界定坯壳出结晶器时安全温度范围,应用高温弹性极限及安全温度范围对坯壳出结晶器时经验安全厚度进行修正。     

国外信息

方坯高速连铸用结晶器在方坯连铸机上高速连铸技术是提高生产率的有力手段。高速连铸存在的问题是结晶器内不均匀凝固引起的菱形变形,角部裂纹和拉漏等。为了解决这些问题,日本的Steel Plantech公司和共英制钢公司开发了方坯高速连铸用结晶器。该结晶器采用抛物线锥度,抑制拉坯阻力的增加,使凝固壳均匀;角部的锥度率和面部间的锥度率可独立设定。用130mm×130mm结晶器在连铸机上进行高速连铸试验的结果确认: