板坯连铸辊缝技术与铸坯质量控制

连铸辊缝设计与控制技术——工艺角度的认识张家泉北京科技大学钢铁冶金系[e-mail]:13911171237连铸设备技术研讨会2010年6月，济南引言当前常规连铸，如同早期的模铸，只是钢水向钢材转化技术发展过程中的一个阶段性技术。从节能、降耗、增效、降低排放角度来看，铸轧一体化近终形生产技术是未来连铸的发展目标！连铸向凝固过程温度、变形、乃至固态相变复合控制方向发展是必然趋势！其中，辊列、辊缝乃至辊型的设计与过程控制技术是连铸技术升级的设备基础；而对钢凝固高温热特性的深入认识是科学制定连铸新技术工艺参数的关键。提纲铸机辊列与辊缝设计的意义铸机辊缝控制技术的发展辊间距/辊缝设计的依据连铸过程钢凝固与收缩的特点钢铸态热膨胀特性连铸过程钢坯的热—力学行为（宽展及其控制）板坯连铸基础辊缝设计与动态轻压下辊缝控制特点、对板坯内质的改善效果影响实际辊缝作用效果的因素铸机辊列辊缝设计意义一。铸机辊列与辊缝特征辊列辊缝辊间距合理的辊列/辊缝设计有助于控制铸坯的变形、裂纹，中心偏析、中心疏松以及中心线裂纹，也有助于避免高强度热轧板材分层、保证Z向性能。辊列—辊缝—辊间距—对弧精度DesignProcedure:OptimiseRollPitchCalculationbasedupon:BulgingStrainMisalignmentStrainRequire:SolidificationCalculationsforRangeofgradesandspeeds铸机辊列辊缝设计意义二。必要性——二冷辊列是铸机的脊梁(颈椎——足辊区？、腰椎——矫直区？）1）结晶器出口铸坯坯壳薄、钢水静压力大；2）坯壳冷凝收缩，发生尺度变化；3）坯壳高温蠕变，发生形变三。作用1）夹持控制坯形作用2）铸流导向作用3）拉坯、弯曲、矫直作用4）控制铸坯内质作用铸机辊列辊缝设计意义四。辊列设计不当/对弧不良后果（图）1）铸流不畅、铸坯机械应力应变大，导致行坯不稳等2）鼓肚应变与变形3）不对中应变4)周期性鼓肚、驻波与结晶器液面波动铸机辊列辊缝设计意义五。辊缝设计不当的后果1）辊缝过大（辊缝锥度小）—坯形不保—鼓肚应变大、中心疏松、中心偏析级别高2）辊缝过小（辊缝锥度大）—拉坯阻力大—铸坯变形抗力大、辊子及其轴承座载荷大—铸坯蠕变宽展大—坯壳接触导热强度大，表面温度起伏大铸机辊缝控制技术发展一。静态平行辊缝技术—不考虑铸坯冷凝收缩—机械垫片式刚性恒定辊缝、无锥度—结晶器出口厚度二。静态锥度辊缝技术—考虑铸坯收缩、不考虑钢种与凝固差异—扇形段锥度设计—机械垫片式刚性恒定辊缝、恒锥度—适合恒拉速浇注——静态辊缝(机械辊缝）只可离线调整！常规铸机广泛使用铸机辊缝控制技术发展三。远程可调辊缝技术—液压辊缝远程在线可调—辊缝按指定曲线设定—浇注过程辊缝恒锥度—用于薄板坯近终形连铸，如CSP、ISP铸机辊缝控制技术发展四。动态辊缝技术（图、movie）—未来方向和主流技术！—液压辊缝控制技术—辊缝远程动态可调—动态辊缝锥度—辊缝跟进铸坯凝固收缩—适合分钢种和断面远程在线调节辊缝—动态轻压下基础技术,可跟进铸坯凝固终点、通过变锥度对凝固末端轻压下控制铸坯内质。——可调辊缝、动态辊缝技术实质上都是一种铸与轧耦合技术，但带液芯的轻微轧制中铸坯变形几乎没有纵向延伸！动态辊缝与动态轻压下辊间距/辊缝设计的依据一。辊间距设计依据——鼓肚应变、辊不对中应变与机械总应变的综合控制Strain(%)RollPitch(mm)OptimumMisalignmentTotalBulge辊间距/辊缝设计的依据二。辊缝设计依据—跟进坯壳冷却的线收缩—补偿铸坯凝固末端固液糊状区的凝固体积收缩中心线偏析、疏松钢凝固与收缩的特点一。凝固方式：逐层凝固（裂纹敏感）、糊状凝固（粘结漏钢敏感）、中间凝固二。凝固收缩特点（1）液态收缩:从浇注温度到凝固开始温度之间的收缩。也称过热收缩.（2）凝固收缩:从凝固开始到凝固终止温度间的收缩。凝固收缩.(热收缩与相变收缩）（3）固态收缩:从凝固终止温度到室温间的收缩。（热收缩，还可能包括相变收缩或膨胀）三。凝固收缩与铸坯缺陷和辊缝工艺液态收缩、凝固收缩——缩孔、疏松、中心线缩裂固态收缩——减轻内部疏松程度，但也是热应变、热裂纹的根源其中1）液态收缩可以被连续充填的钢水所补偿；（中低碳钢约1-2%）2）固态收缩是辊缝收缩的依据（至室温约7-8%，其中线收缩率约2%）3）中心凝固收缩是强收缩辊缝或设定轻压下辊缝的依据。（约3%）例：钢的线收缩—结晶器与辊缝锥度设计依据0.00.20.40.60.81.0DISTANCEFROMTOPOFMOULD(m)0123STEELGRADE钢铸态热膨胀特性•NETZSCHDIL402C热膨胀分析仪•NETZSCHTMA402E热膨胀分析仪钢热膨胀特性测试条件1001010RT~1150~380ø5×25U75V1001010RT~1150~380ø5×25U71Mn1001010RT~1150~380ø5×25651001010RT~1150~380ø5×25451001010RT~1150~380ø5×2536Mn2V1001010RT~1150~380ø5×2520CrMnTiH3001010RT~1305~600ø5×15Q235A3001010RT~1305~600ø5×15SPA-HAr流量，ml/min冷却速率，℃/min加热速率，℃/min热循环历程，℃尺寸，mm钢种不同钢种热膨胀率010020030040050060070080090010001100120013000.0000.0010.0020.0030.0040.0050.0060.0070.0080.0090.0100.0110.0120.0130.0140.0150.0160.0170.0180.019升温过程热膨胀率温度，℃SPA-HQ235A20CrMnTiH36Mn2V45#65#U71MnU75V不同钢种（瞬时）线性热膨胀系数01002003004005006007008009001000110012001300-0.00009-0.00008-0.00007-0.00006-0.00005-0.00004-0.00003-0.00002-0.000010.000000.000010.000020.000030.000040.000050.00006升温过程(a)瞬时线性热膨胀系数/℃温度，℃SPA-HQ235A20CrMnTiH36Mn2V45#65#U71MnU75V不同钢种平均热膨胀系数RT~100RT~200RT~300RT~400RT~500RT~600RT~700RT~800RT~900RT~1000RT~1100RT~120089101112131415161718升温过程平均线膨胀系数，×10-6/℃SPA-HQ235A20CrMnTiH36Mn2V45#65#U71MnU75V连续冷却条件下固态相变特征温度SPAHQ23520CrMnTiH36Mn2V45#65#U71MnU75V500550600650700750800850900温度，℃冷却速率为10℃/min时先共析铁素体开始温度冷却速率为10℃/min时珠光体转变开始温度冷却速率为10℃/min时珠光体转变结束温度连铸过程钢坯热/力学•板坯连铸自然热收缩计算•板坯连铸收缩辊缝设计的热-力学计算板坯连铸自然热收缩计算•模型控制方程温度场控制方程自然热收缩计算公式effTTTTckTkTtxxyy;LSeffsfSLcTTTorTTcdfcTLTTTdtthdTdT2By2AxmTkTqy0TkTxmTkTqx0TkTy板坯连铸自然热收缩计算软件结构钢的凝固温区1456151520#14541517Q235B14701520Q235A14741523Q215A14531517SPAH14961530SPHC固相线温度液相线温度钢种算例：断面1280×210mm；钢种Q235A；拉速1.6m/min0510152025303540800850900950100010501100115012001250130013501400145015001550宽面中心温度窄面中心温度铸坯中心温度液相线等温线固相线等温线(自然收缩量×40)距弯月面，m温度，℃0102030405060708090100110120坯壳厚度，mm(自然收缩量×40，mm)板坯连铸收缩辊缝设计热-力学计算传热边界条件换热系数距离拉坯方向喷水冷却区辐射换热区辐射换热区辐射换热区辐射换热区喷水冷却区喷水冷却区接触换热区接触换热区板坯三维温度场板坯凝固进程板坯温度及凝固进程05101520253035700750800850900950100010501100115012001250130013501400145015001550TSTL温度，℃距弯月面，m铸坯中心温度宽面中心温度窄面中心温度板坯宽面综合变形——鼓肚05101520253035-0.0010-0.00050.00000.00050.00100.00150.00200.00250.0030鼓肚:变形量为正收缩:变形量为负宽面中心变形，m距弯月面，m涉及蠕变的板坯窄面综合变形—板坯宽展051015202530350.0000.0050.0100.0150.0200.0250.0300.0350.040鼓肚:变形量为正收缩:变形量为负窄面中心变形，m距弯月面，m拉速与板坯窄面综合变形——宽展051015202530350.0000.0050.0100.0150.0200.0250.0300.0350.040窄面鼓肚，m距弯月面，m拉速1.0m/min拉速1.2m/min宽展及其控制1）合适拉速2）合理二冷强度布置3）足辊区窄面冷却强度4）针对钢种设计合适的结晶器下口尺寸（比如铁素体不锈钢、硅钢等糊状凝固特征、蠕变倾向大的钢种结晶器锥度应偏大）凝固末端鼓肚、中心偏析与中心疏松控制——辊缝锥度板坯连铸基础辊缝设计与动态轻压下辊缝控制特点、作用效果基础辊缝主要依据钢坯凝固线收缩强制收缩辊缝或动态轻压下辊缝工艺设计依据：1）自然收缩基础辊缝2）凝固末端糊状区的体积收缩3）凝固末端加速凝固区的位置与长度4)凝固进程、表面温度双目标控制5）钢热塑性与凝固前沿的极限应变6）铸机结构相关的其它附加应变、热态有效辊缝合理设计轻压下辊缝明显改善铸坯中心致密度控制末端鼓肚是控制中心偏析的关键铸坯凝固末端两相区及其状态特征影响钢凝固高温临界应变的主要因素00.511.5200.20.40.60.811.2碳当量，wt%临界应变，%Mn/S10Mn/S25Mn/S≥25基于钢凝固收缩特性和高温力学特性的辊缝设定——拉速相关性0246810121416182022242628303234231.0231.5232.0232.5233.0233.5234.0234.5235.0235.5236.0236.5237.0237.5238.0238.5239.0收缩辊缝区间：fs=0.5-0.85收缩辊缝数量：3.3mm230mm辊缝设定值，mm距弯月面，m拉速为1.0m/min：基础辊缝收缩辊缝拉速为1.4m/min：进出辊缝收缩辊缝铸机原始辊缝：收缩辊缝合理收缩辊缝或动态轻压下工艺改善板坯内质效果0102030405060708090100比例，%2#1.1898.8295.2785.2187.5788.1721.894.731#17.5182.4960.4519.7724.2935.591.130.00中心偏析B级率中心偏析C级率中心疏松（0.5及优于0.5级）率中间裂纹（0.5及优于0.5级）率角部裂纹（0.5及优于0.5级）率三角区裂纹（0.5及优