达涅利薄板坯高速浇铸试验

LIU1018

达涅利薄板坯高速浇铸试验

    达涅利在其意大利Sabolarie试验工厂进行了薄板坯高速浇铸实验。该公司从1998年就开始进行这方面的实验。其目标是巩固8m/min速度浇铸技术，建立10m/min和12m/min浇铸技术。
    以下介绍拉速10m/min的浇铸试验。试验过程中，板坯宽度范围是900～ 1600 mm，由于车间布置的局限性，只能进行单炉次试验。试验中可进行液芯压下，将连铸坯压下到30mm，可改善连铸坯质量（中心疏松和偏析），同时保证良好的铸坯几何形状。
    1.浇铸参数的确定
    影响高速浇铸的基本参数有：结晶器钢水流动方式、板坯变形和结晶器润滑。
    1.1 结晶器钢水流动方式的确定
    结晶器内钢水流动方式应满足以下要求：
    (1).为弯月面首次凝固创造均匀条件，保证弯月面光滑和弯月面上钢水温度分布均匀。浸入式水口不能产生不规则的弯月面形状，否则会导致凝固坯壳缺陷和结晶器粘钢。
    (2).所有浇铸条件下保持结晶器内流动方式稳定。
    (3).尽量使结晶器内钢水横向和向下的速度最小，避免凝固坯壳内夹杂气泡和杂质，防止凝固坯壳二次熔化。
    (4).保证结晶器保护渣充分熔化。每种浇铸条件必须保证弯月面上合适的液渣层厚度。
    (5).避免结晶器保护渣卷渣。
    (6).保证夹杂物和气泡向弯月面上浮。
    众所周知，浸入式水口的设计对结晶器内钢水流动方式影响很大，因此开发了两种形式的浸入式水口，即4孔和6孔浸入式水口。当板坯厚度90 mm时，选择4孔浸入式水口在保证获得理想的钢水流动方式前提下，可将拉速提高至8.5m/min；选择6孔浸入式水口，在3～12m/min拉速内均可保证合适的流动方式。
    采用以下的方法确定和优化浸入式水口的几何形状。首先，利用RNG k-ε湍流模型，确定三维等温条件下的流体流动模型，并与物理模拟结果比较以验证数学模型。然后，选择VOF模型研究瞬态条件下弯月面的波动情况，为预测结晶器表面行为和扰动提供理论依据。
    确定浸入式水口几何形状以后，再用经过验证后的数学模型进行优化，并考虑结晶器内坯壳生长对钢水流动的影响。为确保钢坯表面质量和保证连铸顺行，采用热力学与流体流动模型耦合的方法对水口几何形状进行优化。
    1.2 浇铸线上板坯的热力学特性
    为避免凝固坯壳存在较高的热梯度（裂纹），必须控制从弯月面到凝固末端板坯的变形，这就要研究结晶器内凝固坯壳变形。坯壳变形取决于宽面透镜几何形状、窄面倾斜度和锥度，以及结晶器振动参数。
    在振动过程中，在裂纹和断裂临界值以下，为保持坯壳凝固前沿的应变值不变，用数值分析对透镜几何形状进行了优化。用同样的方法研究了沿结晶器以下板坯静态鼓肚变形。
    用有限元方法研究了从弯月面到结晶器出口的板坯切片的热力学特性，考虑了凝固坯壳的弹粘塑特性。结晶器/板坯界面摩擦系数取0.3。
    考虑过热钢水进入结晶器时假定板坯切片上温度均匀。窄面倾角和锥度根据板坯横边的位移确定。然后考虑刚性表面倾角和锥度，重复进行相同的分析。根据这一步分析对窄面倾角和锥度做进一步修改。
    1.3 结晶器的热力学特性
    为降低结晶器内表面最高温度，减少结晶器永久性塑性变形，选择了具有高屈服点和高再结晶温度的铬-锆铜合金。用有限元数值研究优化结晶器冷却系统，用弹性分析找出结晶器冷却系统最佳配置，用弹塑性分析量化结晶器永久性变形。分析分两步：首先是热分析，然后是力学分析。第一步热分析结晶器内的温度分布用作第二步力学分析的热应力。
    2.试验结果
    2.1 结晶器热通量
    首先测量结晶器冷却槽出入口水温和铜板温度，再根据结晶器热平衡在线计算。分析实验数据得出，结晶器内平均热通量是停留时间的函数。宽面：Qav宽面 = 5.70 td-0.30 ， 窄面：Qav窄面 = 3.83 td-0.27。其中，Qav是结晶器平均热通量（MW/m2），td （秒）是停留时间。
    窄面平均热通量比宽面小30%。平均热通量取决于结晶器有效热交换表面，结晶器热通量平均值几乎与宽面平均热通量相等。窄面和宽面弯月面下结晶器表面的最大温度与浇铸速度有关。
    2.2    结晶器内钢水的扰动
    用高拉速优化浇铸参数试验过程中，弯月面遇到了如下扰动并已消除：
    (1).为保证钢水流量和拉速恒定，控制系统建立了平均液位波动范围。
    (2).浸入式水口流场形态引起的静态波形。
    (3).结晶器液池内钢水自然频率波动，特定浇铸条件下可被弯月面液位控制系统引发。
    (4).动态鼓肚引起扰动。
    上述扰动对薄板坯连铸工艺影响很大。前三个扰动主要影响铸坯质量，最后一个除影响质量外，还会引起相当大的浇铸问题，阻碍拉速的提高。
    当动态鼓肚引起的扰动出现时，就不能继续用恒定的拉速浇铸，除非改变浇铸参数，如板坯厚度。动态鼓肚是在二次冷却区支承辊产生的。对于恒定的浇铸速度，动态鼓肚振动频率主要取决于支承辊的间距。
    2.3 结晶器保护渣消耗
    根据实验，很高拉速下单位结晶器保护渣消耗可表示如下：
    C = 0.75.η4.（60/f）.(1/η.Vc2）-0.5 + 0.021
    其中，C – 板坯表面单位结晶器保护渣消耗（kg/m2）；η- 1300℃时结晶器保护渣黏度(dPa.s)；f – 结晶器振动频率（opm）；Vc – 速度（m/min）。
    这个方程与4～10m/min速度范围的所有实验数据非常吻合。
    优化结晶器润滑条件必须考虑两个方面：结晶器内钢水的流动方式和结晶器保护渣特性。为避免异常粘结，根据神经元网络技术开发了抗粘结系统。利用3个热电偶信息确认粘结。热电偶在弯月面下排成一列。一旦发生粘结，系统就启动应急程序，避免凝固坯壳断裂。该系统还能立即从10m/min的拉速下停止浇铸。在浇铸优化实验开始阶段，抗粘结系统起了很大作用，避免了一些可能的拉漏。
    2.4 铸坯的质量
    结晶器保护渣、结晶器振动参数的优化和结晶器内流场形态的改善，保证了良好的铸坯表面质量。铸坯表面质量随浇铸速度的增加而提高。在实验结束时，振痕已经非常浅。
    良好的表面质量主要受结晶器内流场形态的影响。弯月面扰动使得首次凝固不均匀，在凝固坯壳内建立较高热梯度，在内部产生热应力不连续性（纵横裂纹）。浇铸速度越高，弯月面内的热通量峰值越高，同时结晶器内凝固坯壳越薄。
    另一个增加热梯度的因素是弯月面上钢水温度分布不均匀。如果可能，要给整个弯月面注入新钢水。这对薄板坯连铸工艺更加重要,板坯越宽，情况越差，除非有合适的浸入式水口几何形状。
    在结晶器内获得了很好的凝固坯壳，就能通过液芯压下进行较大幅度的变形。这样，铸坯内部质量如中心疏松和内部偏析也得到改善，而板坯横向宽面几何形状不受影响。
    3．结束语
    高速薄板坯连铸的实现取决于结晶器内钢水的流动方式、板坯变形和润滑条件。用数值分析对所有这些因素都进行了研究，部分还使用了水模型。当拉速在3~10m/min范围内，新型的6孔浸入式水口能保证结晶器内合适的钢水流动形式。
    凝固坯壳变形必须得到控制。通过调整结晶器/板坯，确保正确的宽面透镜几何形状、窄面锥度和倾斜度。
    必须用结晶器冷却系统尽量减少结晶器永久变形。
    优化结晶器保护渣特性和结晶器内钢水流动方式，保证结晶器/铸坯界面良好的润滑。
    浇铸实验取得了很多宝贵资料。结晶器内平均热通量交换和结晶器保护渣消耗获得了一些经验关系。平均热通量几乎与宽面平均热通量相等。如果计算窄面倾角和锥度，要考虑窄面热通量比宽面小30%。浇铸参数优化结束时，铸坯质量非常好。表面质量没有裂纹和凹坑，振痕非常浅。
    通过对铸坯厚度施加较大数值的液芯压下可实现内部质量提高，铸坯几何形状不损坏等诸多目标。轴向疏松和中心偏析达到达涅利最高质量标准。热轧带钢厂可进行工艺布置创新，可用较少轧机数生产与传统钢厂相同产量和质量要求的产品。新布置的带钢厂可生产1mm以下厚度热轧带钢，而相同机架数的传统带钢厂只能生产1mm以上厚度的热轧带钢。

sunzhiguo

基本已经很少有地方用了，目前用csp.