基于热状态的大方坯连铸机辊列设计

郭鹏飞

（中冶东方工程技术有限公司， 山东 青岛 266555）

大方坯连铸机由于铸坯断面较大，高温坯壳在钢水静压力作用下，在相邻两对夹辊之间乃至无机械约束的窄面都有发生鼓肚变形的可能。鼓肚变形会在坯壳中产生鼓肚应力，铸坯的鼓肚对中心偏析程度有重要的影响。此外，若铸机辊列设计不合理，铸坯的矫直、导辊位错及拉坯等众多因素造成的应力，很可能超过高温坯壳的允许应力，从而产生裂纹。因此大方坯连铸机的辊列设计必须进行综合分析并详细设计。一般来说大方坯连铸机结晶器出口及二冷上部区域应当设计一段密排导辊段来支撑大方坯的四个面。当坯壳在二冷区的厚度增加到足以抵挡钢水静压力的作用而不至于产生鼓肚变形时，可以只考虑其导向功能省略其支撑功能，设备设计可以相应简化。

影响大方坯的辊列布置的因素主要有拉速、铸坯表面温度、铸坯宽度厚度、辊间距、坯壳厚度、钢水静压力等，其中除了表面温度之外，其他参数一般在设计阶段都可以确定。

1 表面温度的确定

表面温度一般用微分方程或者是有限元分析来计算，这里利用铸坯的导热微分方程进行求解[1,2]，将铸坯四分之一的断面分成m排n列的格子，给定初始条件和边界条件：

1）初始条件。t=0时，在弯月面的温度等于浇注温度。

2）边界条件。铸坯的传热关于中心轴对称，中心轴可以看作是绝热边界。

3）结晶器表面热流。q=A-B·t1/2.

4）二冷区表面热流。q=h（Ts-Tw）.

5）空冷区表面热流。q=εσ[（Ts+273）4-（To+273）4].

以上公式中：A、B是由结晶器水量、长度、进出水温差、冷却面积等参数算出的常数；t是铸坯在结晶器停留的时间，s；Ts，Tw，To分别是铸坯表面、冷却水和环境的温度，℃；h是二冷综合换热系数，与二冷冷却方式和强度等参数有关，W/（m2·℃）；ε是辐射系数黑度；σ是波尔兹曼常数，W/（m2·K4）。

通过上述初始条件和边界条件可以建立内部节点、角部节点、表面节点的差分方程[3]，经过编程用计算机可以算出铸坯在各个时间的表面温度。

计算的表面温度可以与现场实测的表面温度进行比较，从而调整微分方程的各个参数，最后使得计算温度与实测温度比较接近。

2 密排辊列段设计

大方坯连铸机二冷区设置密排导辊段，是为了减小连铸机拉坯过程中产生的鼓肚变形和裂纹，提升铸坯质量。对于宽度小于200 mm的铸坯，鼓肚量小于0.1 mm时，可不必设置密排导辊段（一般小方坯连铸机都属于此类）；而对于宽度大于250 mm的大方坯，则需设置一定长度的密排导辊段，如果铸坯厚度大于250 mm，还需设置侧导辊防止侧面发生鼓肚变形。含碳量越高需要布置越长的密排辊[4]。

文献中关于鼓肚变形的计算公式很多，主要分为按照梁弯曲理论计算和按照板弯曲理论计算。本文用公式[5，6]：

式中：P是钢水静压力，P=ρgh；l是辊间距和鼓肚宽度两者的最小值；t是辊间距间停留时间；E是相当弹性模量是钢的凝固温度，Tm是凝固壳平均温度，S是坯壳厚度。

从式（1）可以看出，变量主要是坯壳温度和拉速以及辊间距。坯壳温度与钢种的凝固温度决定了弹性模量；拉速决定了停留时间；辊间距和拉速决定了连铸机某处坯壳的厚度。

计算时取铸机能实现的最大拉速，先选定一定的辊间距，然后从结晶器出口开始算起，将此时的表面温度代入，可以算出鼓肚变形量，一般工程上取鼓肚变形量小于0.3 mm，如果鼓肚变形量大于0.3 mm，则重新选取辊间距重新计算，直到小于鼓肚变形量的允许值为止。计算程序基本框图如图1所示。

图1 计算程序框图

3 设计实例

某厂新建1台大方坯连铸机，现有120 t转炉1座，要求铸机断面320 mm×420 mm，经计算，采用六机六流连铸机连续矫直，平均拉速0.5～0.6 m/min，铸机半径R为12 m，设计的辊列如图2所示。

图3是在新建的连铸机经过热试并运行一段时间后，得到的低倍照片。经检验，最大角裂缺陷控制在1.0级，最大中间裂纹和中心裂纹控制在0.5级[7]。

4 结语

目前连铸机在招标阶段，基本上业主就已经定好了连铸机的弧半径、断面、拉速等一些参数。因此，在设计阶段，主要考虑的就是辊列。

图2 320 mm×420 mm辊列图

图3 铸坯的低倍照片

本文分析了辊列设计需要考虑的因素，在相应的数学模型的基础上，将铸坯的表面温度的变化考虑进来，综合分析各个因素对铸机辊列的影响，提供了密排辊段的设计方法。在上述设计原则的基础上，列举了1个320 mm×420 mm全弧形连铸机的设计实例。经热试并运行一段时间之后，在业主的检化验室进行了低倍分析，最大角裂缺陷控制在1.0级，最大中间裂纹和中心裂纹控制在0.5级。

[1]常运合.连铸工艺过程控制模型研究与应用[D].北京：北京科技大学，2012.

[2]韩占光.大断面圆坯连铸数值仿真与过程控制研究[D].北京：北京科技大学，2010.

[3]留津津.45钢连铸矩形坯凝固规律和内部质量的研究[D].北京：北京科技大学，2010.

[4]陈驰.大方坯辊列及其计算机辅助研究[D].北京：北京科技大学，2008.

[5]陈家祥.连续铸钢手册[M].北京，冶金工业出版社，1991.

[6]贾凌云.大方坯连铸机辊列设计程序的研究[J].重型机械，1998（1）：35-38.

[7]蔡开科.连铸坯裂纹[J].钢铁，1982（9）：45.