薄板坯连铸连轧的液芯压下技术

第34卷　第9期1999年9月钢　　铁

IRONANDSTEELVol.34,No.9September1999·综合论述·

薄板坯连铸连轧的液芯压下技术

彭晓华

(重庆钢铁设计研究院)

摘　要　介绍了国内外薄板坯连铸连轧流程中液芯压下技术的发展与应用情况,分析了液芯压下过程中铸坯的凝固机理以及变形和应变特点,并根据铸坯的凝固机理和坯壳凝固前沿的应变条件,提出了确定单辊压下量、压下量分配和总压下量的基本方法。关键词　薄板坯连铸连轧　液芯压下⒇

SOFTREDUCTIONWITHLIQUIDCOREINTHINSLAB

CONTINUOUSCASTING/ROLLINGPROCESS

PENGXiaohua

(ChongqingIronandSteelDesigningInstitute)

ABSTRACT　Thepaperintroducesthedevelopmentandapplicationofsoftreductionwithliquidcoreinthinslabcontinuouscasting/rollingprocessabroad,theprincipleofsolidifica-tion,thedeformationandstrainofslabduringsoftreductionwithliquidcoreisanalyzed,thebasicmethodofdeterminingthetotalreductionratio,thereductionratioatonerollandthedistributionofreductionamongsegmentsisputforward.

　thinslabcontinuouscasting/rolling,liquidcoresoftreductionKEYWORDS1　前言

液芯压下技术最早应用于常规厚板坯和大方坯

连铸机,其目的是为了改善铸坯中心疏松和宏观偏析,提高铸坯的内部质量。因为在凝固末期,铸坯中心固化时产生收缩,一方面在中心部位形成孔隙,另一方面引起富集溶质的残余钢液向中心流动,最后导致铸坯中心疏松和宏观偏析,所以对于常规厚板坯和大方坯,在铸坯的凝固末期采用液芯压下(也称轻压下)可以补偿最后凝固阶段的收缩,消除中心疏松和宏观偏析。

在薄板坯连铸中,由于铸坯较薄,冷却较快,其中心出现偏析的程度比常规厚板坯和大方坯小,所以对薄板坯而言,不采用液芯压下一般也能满足铸坯的质量要求。但是,从薄板坯连铸连轧的工艺流程考滤,为了实现铸坯的直接轧制,达到大量节能的目

的,需要将铸坯的厚度在连轧所能接受的范围内,这样才能充分发挥连铸连轧在技术经济上的优

势。而从连铸角度考虑,生产薄板坯会给结晶器和浸入式水口带来负担。如果结晶器内腔厚度太小,会不利于浸入式水口的插入,而且结晶器内的熔池也太小,增加了钢水注流对凝壳的冲刷,加剧了结晶器内钢液面的波动,不利于保护渣液渣层的形成和稳定,增加了浇铸的难度,所以结晶器内腔的厚度不应太小。这样,在连铸和连轧之间存在着对铸坯厚度有不同要求的矛盾。为了解决这一矛盾。薄板坯连铸连轧采用了液芯压下技术。

薄板坯连铸连轧中的液芯压下技术与常规板坯和大方坯连铸中采用的液芯压下有所不同,薄板坯连铸连轧的液芯压下技术是在铸坯出结晶器下口后即开始逐渐收缩二冷区的辊缝,将铸坯压缩到适当

⒇联系人:彭晓华,高级工程师,重庆(400013)重庆钢铁设计研究院设备室··钢　铁　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　第34卷

的厚度,以适应后面的连轧对厚度的要求。实践证明,合理的液芯压下不仅能解决连铸与连轧之间的厚度匹配问题,而且能细化铸坯内部组织,进一步减轻铸坯中心偏析,提高铸坯的内部质量。2　液芯压下技术的应用与发展

2.1　ISP流程中的液芯软压下技术

曼内斯曼·德马克公司在意大利阿尔维迪的ISP流程中首次使用了液芯压下技术。在该流程中,结晶器为直弧型平行板式结构,结晶器内腔厚度为

60mm,结晶器下方的0号段由12对辊子组成,整段设计成钳式结构,内弧在液压缸的作用下可将辊缝调整成锥形,对铸坯实施在线液芯压下。0段后面的多辊扇形段由16对辊子组成,内弧辊子可由其各自的液压缸单独压下,使多辊扇形段的辊缝也形成锥形,对铸坯继续实施压下。由于多辊扇形段的辊子可以单独压下,所以根据不同的钢种实施灵活的液芯压下方案。铸坯在经过液芯压下后,由60mm厚压缩到43mm(图1(a))。

图1　各种流程的液芯压下

　TheliquidcoresoftreductionfordifferentprocessFig.1

(a)ISP流程;(b)CSP流程;(c)FTSC流程

　　在阿尔维迪的生产实际经验基础上,德马克公司对后来的ISP流程又作了改进。由于实践证实了液芯压下效果,将铸机改为立弯型,结晶器内腔厚度加大到80～100mm,0号段仍为钳式结构,多辊扇形段改为6～8对辊一组的常规扇形段,由前后各一对液压缸来调整每个扇形段的辊缝及其锥度,这样使扇形段的结构大大地简化。2.2　CSP流程的液芯压下技术

由于西马克公司的CSP流程采用了漏斗型结晶器,连铸与连轧之间铸坯厚度匹配的矛盾相对缓和,所以在CSP流程的早期应用中并没有采用液芯压下技术。为了进一步增加结晶器的容积,将结晶器的出口厚度由原来的50mm增加到70mm,减少结晶器内钢水的流动速度,使浇铸更加稳定,同时也进一步改善铸坯内部质量,CSP流程在其后的工程中也采用了液芯压下技术。CSP流程的液芯压下的基本原理如图1(b)所示,结晶器下的0号段为钳式结构,当坯头通过后,液压缸推动内弧收缩辊缝,对铸坯实施在线液芯压下。0段后面的扇形段在前后各一对液压缸的驱动下,减小辊缝以适应已减薄的铸坯,也可以继续收缩辊缝对铸坯实施液芯压下。可根据不同的钢种和不同的工艺条件选择压下方案。2.3　FTSC流程的液芯压下技术

意大利达涅利公司在其FTSC流程中采用了截面呈透镜形的结晶器(H2-双高结晶器)(图2)。结晶器出口处的足辊采用异径辊,承担将铸坯宽面凸肚压平的任务,所以该流程的液芯压下实际上从异径辊就已开始进行。异径辊以下为二冷支撑导向段,如图1(c)所示。紧接着异径辊的1号段为钳式结构,由其下部的一对液压缸调节其辊缝收缩的锥度。2号段实际上由三小段组成,每一小段在上下各一对液压缸的驱动下推进,调节辊缝的大小及其锥度。达涅利的液芯压下技术除了上述结构上的特点以外,还提供了动态液芯长度控制技术,能够针对不同的钢种和浇注参数,根据凝固模型和现场扇形段液压缸压力的反馈来实现液芯压下终点位置的动态控制,以获得最佳的液芯压下效果。2.4　CPR流程的液芯压下技术第9期　　　　　　　　　　　　　　彭晓华:薄板坯连铸连轧的液芯压下技术·65·

(3)再熔化将固态晶体在界面处分离出来,由对流运动送到液态中心,有利于中心的凝固并形成较细的晶粒;

(4)枝晶间的再熔化吸收了钢液的热量,降低了液相的温度,从而加强了中心的冷却,有利于中心凝固。

薄板坯本身具有冷却快的特点,其中心出现偏析的程度比较小,再加上液芯压下的作用,可以获得更高的铸坯内部质量。

图2　达涅利的H2-双高结晶器

　H2-(highspeed,highquality)moldofDanieliFig.2

3.2　铸坯的变形及应变特点

带液芯的铸坯在压辊作用下的变形具有与固相轧制完全不同的特点。根据Pawelski和Eiserman对中空矩形试样的热轧试验结果,带液芯的铸坯在压辊作用下厚度减薄,铸坯窄边向外鼓肚。在整个宽面上,只有铸坯边缘存在着少量由于轻微的轧制作用而引起的纵向拉伸应变,并通过剪切作用由边缘传向整个宽面,所以在整个宽面上存在着剪切应变。但是,这个应变量很小,厚度压缩20%时,应变仅为1%,且随坯宽的增加而减小。对铸坯的质量没有根本的影响。当铸坯被压薄时,对铸坯质量构成威胁的应变发生在铸坯内部沿宽度方向的凝固前沿(图4(a))和角部凝固三角区(图4(b))。

这两处的应变都是由于在压辊的作用下,坯壳发生弯曲变形引起的。如果这个应变量超过了允许值,则有可能在铸坯中留下裂纹。

[8]

蒂森公司的CPR流程的液芯压下技术与其他流程有很大的不同,它实际上是一种铸轧,见图3所示,漏斗型结晶器的出口厚度为50mm,铸坯从结晶器出来后坯壳的厚度为10～15mm,在表面温度高达1300℃的情况下直接由一对挤压辊对铸坯进行挤压,使其内芯部焊合。从挤压辊出来的铸坯厚度为20～30mm,接着进入一对压下辊进一步压缩到13～25mm。

图3　CPR流程的液芯铸轧

Fig.3　Theliquidcorecasting/rollinginCPR

3　液芯压下技术的机理及特点3.1　液芯压下的凝固机理

液芯压下是在铸坯出结晶器下口后,通过逐渐收缩二冷段的辊缝,对铸坯实施在线带液芯压下,将铸坯压薄。这时铸坯的液相比大,压下所产生的效果与常规厚板坯的凝固末端的轻压下有所不同。

由于液相穴直通结晶器,铸坯在压下辊的作用下向内挤压钢水,使芯部钢水向上运动,这种运动使正在凝固的钢水混合,并具有以下优点。

(1)使钢水中的溶质均匀,消除成分偏析;

(2)使中心较热的并已部分偏析的钢水与枝晶顶点接触使其重新熔化,并通过与具有较少偏析元素的钢水熔合从而得到稀释;图4　液芯压下时,坯壳的变形

　ThedeformationofstrandshellduringFig.4

liquidcoresoftreducing

4　液芯压下的主要参数

液芯压下具有消除铸坯中心疏松,减轻宏观偏析的优点,但是,从铸坯的变形及应变特点来看,液

芯压下存在着在铸坯中产生裂纹的隐患。其中对铸坯内部裂纹影响较大的主要参数有单辊压下量、压·66·钢　铁　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　第34卷

下量的分配和总压下量。4.1　单辊压下量

对于带液芯的铸坯来说,由于温度很高,坯壳强度低,特别是在坯壳的疑固前沿处强度和塑性都很低。在这个区域内很容易因坯壳受力变形而在枝晶间的切口处形成裂纹。当这些裂纹被残余的钢液充填后,由于偏析的作用会增加晶界的脆性,使裂纹继续扩展,最终在铸坯中形成内裂。因此,带液芯的铸坯在二冷区运行过程中应尽量避免发生较大的变形,将变形在允许的范围内。

　　当带液芯的铸坯进入压下区时,其受力与变形状态如图5所示。这时坯壳除了产生由于钢水静压力引起的鼓肚变形之外。每个辊的压下还在坯壳上产生一个附加变形,这个变形在宽面的凝固前沿引起的应变于A点处达到最大。如果A点的应变超过了允许的范围,那么会在铸坯内部枝晶间形成沿宽度方向的横向裂纹。一般常规板坯允许的总应变量小于0.5%,薄板坯允许的总应变量小于0.7%

[1]

。

由于辊子的压下与辊子错位的情况是类似的,因此可以用辊子错位的应变计算公式来计算辊子压下在凝固前沿所引起的附加应变

X=

300SW≤[X]L2

(1)

式中　S——计算点的凝壳厚度,mm;

——辊子的压下量,mm;W

L——辊距,mm;

[1]

[X]——许用应变,≤0.15%。

由公式(1)可以看出,附加应变与压下量成正比,与凝壳的厚度成正比。Danieli公司在实验中证实,在相同液相比的条件下,枝晶间的内部横向裂纹

图5　辊子压下时,坯壳宽面的变形Fig.5　Thedeformationofstrandshellbroadside

reducedbyrollers

随着压下量的增加成正比增加。

表1是根据阿尔维迪ISP和大重试验机的参数按公式(1)计算的以及实际单辊压下量。

表1　单辊压下量

Table1　Reductionbyasingleroller

0号段辊子对数

Arvedi大重实验机

1217

0号段辊间距/

mm150～170153～187

浇注速度/

m·min-1

4.53.5

0号段总压下量/

mm

914

计算压下量/

mm1.19～0.921.12～0.86

实际压下量/

mm

0.750.82

注k=20[7]

　　由表1可以看出,实际单辊压下量与计算值接近并在计算值范围内。一般,液芯压下区单辊压下量以不超过1～1.5mm为宜。4.2　压下量的分配

按照不同的钢种及工艺条件,液芯压下常常需要由0号段及其以后的扇形段实施连续的压下来完成。这样,总压下量在各扇形段中的分配对控制铸坯内部质量是很重要的。压下量的分配实际上也是在各扇形段中由压下引起的铸坯压缩速率的分配。

从铸坯的变形和应力及其积累的情况来看,距离结晶器近的铸坯其凝壳较薄,在相同的变形率条件下,允许的压下量可以较大,而且由于这时坯壳的温度较高,对于抑制应变和应力的积累较有利,因此,在液芯压下的前期采用较大的压缩速率是合理的。在液芯压下的后期,由于凝壳厚,凝固前沿的应变较大;同时由于铸坯温度较低,对于抑制应变和应力的积累不利,所以应采用较小的压缩速率。

从铸坯的凝固和裂纹扩展机理方面分析,在液芯压下后期,铸坯的液相比小,由于偏析的作用,残余钢水中偏析成分相对较大,一旦枝晶间的裂纹形成后,这些偏析成分(主要是硫,磷)较大的残余钢水在压力作用下向裂纹中充填,容易使裂纹继续扩展。因此,在液芯压下后期采用较小的压缩速率,对防止铸坯内部裂纹是有利的。

一般情况下,在0号扇形段采用较大的压缩速率,铸坯的减薄大部分在0号段完成。而在后面的扇形段采用较小的压缩速率,其作用与常规板坯的凝固末端的轻压下相似,主要是改善铸坯内部质量,减第9期　　　　　　　　　　　　　　彭晓华:薄板坯连铸连轧的液芯压下技术·67·

小宏观偏析,图6[3]表明了不同类型的压缩速率分配与累计应变量的关系。

4.3　总压下量

从解决铸机与轧机之间厚度匹配考虑,较大的总压下量对增大结晶器内腔厚度和减小轧机的咬入厚度都是有好处的。但是,由于受压缩速率和铸坯液芯长度,过大的总压下量可能会导制铸坯内部横裂和三角区裂纹,一般认为,合理的液芯压下总压下率不应超过20%～30%,表3所示为总压下率的几个实例。

表3　总压下量　TotalreductionTable3

ISP

ISP

ISP

ISP

FTSC大重

ARVEDIPOSCO1号SALDANHPOSCO2号HIKMAN试验机

压缩前铸坯厚/mm

压缩后铸坯厚/mm总压下量/mm压下/%

60431728.3

75651520

90751516

100802020

60451525

60461423.3

5　结论

图6　压缩速率的分配与累计应变量的关系Fig.6　Relationbetweentheaccumulatedstresses

andthedistributionofreductionrates

液芯压下技术不仅可以调节薄板坯连铸连轧之间的铸坯厚度匹配,同时还可以进一步改善铸坯的内部组织和质量。随着薄板坯连铸连轧工艺的不断成熟和发展,液芯压下技术广泛地应用于各种薄板

(2)

坯连铸连轧工艺流程。

在设计和使用液芯压下时,最主要的参数是单辊压下量、压下量的分配(压缩速率)和总压下量。分析与实践表明,单辊压下量可以按辊子错位的应变公式来确定,最大的压下量控制在1～1.5mm为佳;压下量的分配前期应采用大压缩速率,并控制在不大于0.3～0.5mm/s,而后期采用小压缩速率,在凝固末期压缩速率可接近常规板坯凝固末端轻压下的压缩速率;液芯压下率应控制在20%～30%范围内。

薄板坯连铸连轧液芯压下技术是一项新的技术,研究的重点为:

(1)液芯压下时,坯壳及其凝固前沿的应力(包括热应力)和应变分布,特别是铸坯内部凝固三角区的应力和应变。研究这些应力和应变与枝晶间的裂纹的关系是防止产生铸坯内部裂纹的前提和关键。

(2)与液芯软压下相适应的坯壳厚度、表面温度和液芯长度控制技术。这些是保证获得最佳液芯压下效果的条件。

(下转第62页)

　　每个扇形段的平均压缩速率可按下式计算

Δi

ri=vc

60Li

式中:ri——第i段的平均压下速率,mm/s;

Δi——第i段的总压下量,mm;

Li——第i段的长度,m;

。vc——浇注速度,m/min

表2是阿尔维迪ISP和大重试验机在0号段区

域内,液芯压下时铸坯压缩速率的计算结果。

表2　压缩速率Table2　Thereductionrates

零段长度/m

Arvedi大重试验机

约2约2.6

零段总压下量/mm

914

浇注速度/压缩速率/m·min-1mm·s-1

4.5

3.5

0.3380.314

可以认为,在液芯压下的前期,压缩速率以不超过0.3～0.5mm/s为宜,而后期的压缩速率则应较小,在凝固末端的压缩速率可接近常规板坯轻压下的压缩速率。

·62·钢　铁　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　第34卷

DG,则三者关系为

DG=D0+DT

(3)

　　若已知轧辊工艺要求的原始辊形D0及磨削时轧辊的热辊形DT,即可应用上式设计磨削用的轧辊

辊形DG。依此DG磨出的轧辊因为考虑了热变形的影响,其等效原始辊形(即轧制中起作用的原始辊形)即为工艺设计要求的原始辊形,且消除了轧辊磨削时热变形的干扰,实现了工艺要求的热磨辊[3]。

图7　轧辊下机后热凸度仿真结果

Fig.7　Imitationresultofthermaldeformationofworkrollafterleavingthemill

4　结论

(1)应用新建的工作辊温度场的简化模型仿真

了热轧工作辊下机后的温度场,仿真值与实测值吻合。

(2)应用温度场仿真结果和SAP5P有限元程

序,仿真了轧辊下机后的热变形,仿真结果与实测值吻合。

(3)探讨了工作辊热磨削时的磨削辊形的设计,实现了轧辊的热磨削。

参　考　文　献

1　孙菊芳.有限元法及其应用.北京:航空航天大学出版社,1990.7.

2　线弹性结构微机程序SAP5P使用手册.北京大学固体力学教研室,1987.5.

3　包仲南.带钢热轧工作辊瞬态温度场及热磨辊的研究:[硕士学位论文].北京:北京科技大学,1996.2.(上接第67页)

参　考　文　献

1　陈家祥.连续铸钢手册.北京:冶金工业出版社,1990.

2　罗秉臣.大重弧型薄板坯连铸近终形技术.大重科技,1996,(4):26～32.3　岑永权.连铸坯液芯压下工艺.上海金属,1997,(5):42～47.

4　DieterKruger.CPR_ACombinedCasting/RollingProcessForProducingSteelStrip.Iron&SteelEngineer,

1995,(5):31～36.

5　MikeCygler.CSP_TechnologyEnhancementAndNewDevelopment.ElectricFurnaceConferenceProceed-ings,1995.

6　JoachimSchonbeck.ISP技术的现状和新发展.MPT,1997,(2):48～59.

7　FritzPeter.薄板坯连铸连轧ISP工艺的首试结果和潜力.MPT(中文版),1993,4:58～78.

8　Wiinnenbery.ThePrincipleofThinSlabContinuousCasting.Iron&Steelmaker,1995,22(4):25～31.