连续矫直技术在板坯连铸的应用分析张敏科，丁多发 （中冶东方工程技术有限公司，山东 青岛 266555） 摘 要：连续矫直技术是连续铸钢领域必不可少的板坯连铸技术，可以有效降低板坯中间裂纹发生率，实现板坯连铸效率的提高，而连续矫直技术在板坯连铸中的应用主要体现在板坯连铸机的设计及改造中。文章以5点矫直板坯连铸机，作为板坯连铸机连续矫直改造的研究样本，以实现对连续矫直技术在板坯连铸的应用分析。在实际改造中应用到了连续矫直技术，并对辊列进行优化设计，最终的结果体现出了改造的有效性。 关键词：板坯连铸；连续矫直；辊列 经济及钢铁事业的不断发展，有效促进了连铸技术的高速发展，很多国家对高效连铸技术的研究及发展给予了高度重视和关注，我国也不例外。通过相关资料了解到“高拉速”是实现高效连铸的核心，在高拉速条件下连铸机矫直类型通常为带液芯矫直,相应的变形率和变形速率必须小于液芯矫直时两相区的允许值，所以为保证这一恒定关系，必须不断发展连铸机的矫直技术。时至今日，连铸机的矫直技术已经发展成连续矫直技术，其发展过程为单点矫直阶段、多点矫直阶段和连续矫直阶段，其中连续矫直技术在近年来依然还处较快的发展阶段。连续矫直技术能够有效解决多点矫直技术中每个矫直辊处应变速率很大的问题，与单点矫直技术相比更能够高效的减少甚至避免矫直裂纹的发生，所以对连续矫直技术在板坯连铸的应用进行详细分析是十分必要和重要的。 1 连续矫直技术的简单概述连铸坯的生产过程中，无论是弧形连铸机、直弧形连铸机或者椭圆形连铸机，为了使铸坯由弧形或者特定曲线变形成为直线型水平输送，则需采用连铸坯的矫直技术。 为了尽量减少在矫直过程中内部裂纹的生成，控制矫直方式所形成的铸坯应力-应变状态非常重要。铸坯在矫直点前已经完全凝固（早期低速连铸机），则铸坯在矫直时承受矫直应力并产生矫直变形。被矫直的铸坯内弧侧的铸坯收拉应力而产生拉伸变形，外弧侧的铸坯则受到压缩应力而产生压缩变形。现代高速连铸铸坯经过矫直区时还有未完全凝固的液芯，则易在固液两相区即免除发生矫直裂纹。因此选用合理有效的矫直方式对连铸机的稳定生产及铸坯质量均有很大的影响。 连铸坯的矫直技术有多种形式，从初期的多数采用的单点矫直技术发展后来的多点矫直技术和连续矫直技术。单点矫直和多点矫直所有应力、应变均集中在矫直点上，易达到峰值，在高拉速的情况下固液两相界面处很可能达到形成树枝晶间裂纹的危险极限，因此，易在高拉速时在固液两相区的界面上出现内部的矫直裂纹，影响铸坯质量。 连续矫直技术是将铸坯矫直时，整个矫直的曲线为一个连续的矫直的曲线。它的应用使得铸坯在矫直过程中每个点的应变速率均相同，大大降低了铸坯在单点矫直的过程中的应力集中。 就连铸矫直技术发展历史而言，连铸矫直技术经过单点矫直技术、多点矫直技术和连续矫直技术三个发展阶段，并且每一次的技术发展及突破都不仅仅促进连铸生产的飞跃式发展，还促进了连铸设备飞跃生产及发展。其中多点矫直技术是指利用连铸机液芯来对多点板坯进行连铸的过程，多点矫直技术不但能够有效提高拉坯的速度，进而提高板坯连铸效率和矫直效率。但是在实际矫直过程中仍然会出现突变情况，如矫直辊处就有较大的应变突变，会使较大应变速率峰值的产生，进而影响多点矫直的精准度，所以该阶段的矫直技术还有待改进；连续矫直技术是在多点矫直技术的基础上发展而来，有效弥补了多点矫直技术中因矫直辊处较大应变突变导致较大峰值的不足，使铸坯应变ε能够在整个矫直区内实现连续变化，达到降低应变速率 的目的，有效降低了铸坯产生裂纹的应变ε，最终实现了矫直裂纹发生的有效减少和避免，提高了板坯矫直效率及精准度，促进了我国连续铸钢领域的整体发展[1]。 对于多点矫直技术与连续矫直技术均不是我国首发及应用，而是由国外首先研发和使用后被引入的，奥钢联和康卡斯特公司是连续矫直技术研发及应用的典型代表，两公司的连续矫直技术都别具一格，其中奥钢联的连续矫直技术以“渐进矫直”为主。而康卡斯特公司的连续技术则以“连续矫直”为主，渐近矫直基本方法主要是指将一条曲率半径连续变化的曲线，设为变形区内铸坯的运行曲线,以实现变形区内铸坯的应变速率变形恒定，连续矫直基本方法同渐进矫直基本方法原理相同，有效证实变形区长度直接影响铸坯应变速率，两者呈负相关关系，即当变形区长度增加时，铸坯应变速率就相应的降低，当变形区长度减少时，铸坯应变速率就相应增加，而实现铸坯低应变速率更有利于连续矫直和铸坯，所以一般情况是通过增加变形区产度来实现连续矫直效率的提高。 2 连续矫直技术在板坯连铸的应用分析连续矫直技术在板坯连铸的应用主要体现在连铸机的改造，实质上是指在连铸机改造中的应用，为深度探讨连续技术在连铸机改造中的应用，文章选取某钢厂作为连续矫直技术应用分析对象，以此来实现对连续矫直技术的了解。 连续弯曲和矫直方法是最基本的连铸机设计技术支持，奥钢联渐进弯曲与矫直是被使用最多的，但是经过某钢厂股份有限公司的多次设计应用发现，连续弯曲与矫直技术还存在一些不足，如弯曲曲线与矫直曲线都存在曲率变化是非线性的问题，导致铸坯在弯曲和矫直过程中的应变速率ε峰值较大，不但不利于铸坯裂纹发生的减少和避免，还对固液两相区的裂纹产很大负面影响，而单纯的连续矫直技术可以有效减低板坯连铸中的应变速率ε峰值，作为实现板坯连铸的连铸机理应充分利用连续矫直技术来实现其改造，以提高板坯连铸效率[1-2]。对此本文根据“等应变速率固定辊连续矫直技术”原理，对连铸机进行了改造。 2.1 改造原理 连续弯曲及矫直技术是通过单点或多少点矫直技术改造而来，其改造原理是：①利用传统方法将单点或多点矫直改造成连续矫直，以实现铸机高度的改变；②如果在改造过程中需要将原铸机基本圆弧半径大小和水平半径标高保持不变，则必须对铸机的水平出坯辊道面标高进行改变，这增加了改造的工程量。通常都是实现整体改造，即基本圆弧半径大小和水平半径标高都要进行相应的改变。依照这一方法原理实现对连铸机的改造，但利用到的技术原理是连续矫直技术原理，而不是单点或多点矫直技术，利用连续矫直技术原理实现连铸机改造的具体过程如下：①将连铸机的外弧基准线向外弧侧移动,实现铸机高度的改变；②将连铸机的基本圆弧半径大小和水平半径标高调整到能够适应连铸机高度的半径大小及半径高标，以实现连续矫直过程中变形区长度得到合理调整，进而提高连铸机的板坯连铸效率及连续矫直精准度，克服了前面提到的连续弯曲和矫直方法的不足[2]。 连续矫直技术与单点多点矫直技术的比较，可以通过矫直区不同矫直模式的矫直曲线及理想矫直曲线比较来实现，如图1所示。  图1 矫直区不同矫直模式的矫直曲线和理想连续矫直曲线比较 注：①单点矫直模式用“……”表示；②连续矫直模式用“— —”；③两点矫直模式用“—·—·”表示 2.2 改造实践 以双流板坯连铸机为改造实践对象，连铸机研发所使用的技术多数是较早的弯曲矫直技术，连铸机内一般5点弯曲和5点矫直，在当时使用时确实有效提高了板坯连铸效率和连续矫直准确度，但随着科学技术的不断发展与人们对板坯连铸技术要求的不断提高，这种5点矫直技术缺点日益凸显，已经满足不了社会对连铸生产及连铸设备生产的需求与要求。钢厂就板坯连铸现状、连铸机连铸及矫直缺陷，结合现在比较先进的“等应变速率固定辊连续矫直技术”，对板坯连铸机进行了改造，将原有的弯曲矫直改造成连续弯曲矫直，以实现矫直技术应用效果及板坯连铸效果的提升。 根据实际情况，板坯连铸机改造使用到了连铸机辊列曲线，该曲线具有两个连续曲线段（连续弯曲及连续矫直），进而实现特殊曲线和专用对弧样板的设计，然后对原矫直段的各辊子进行科学合理的调整,最终实现板坯连铸机的改造，使板坯连铸机的弯曲矫直被改造成连续弯曲矫直。不但使原板坯连铸机中的原直线段长度及位置保持不变，还使连铸机的水平段和出坯辊道标高保持不变，即实现了改造环境的简化，又降低了改造的费用，同时还不影响改造期间连铸机的产能和铸坯质量，使边生产边改造的板坯连铸目标得以实现。 2.3 改造过程中使用设计参数分析 板坯连铸机中连续矫直改造设计使用到重要参数是矫直曲线曲率变化率，该参数能够有效体现出高温下材料的高温蠕变和应力松弛特性，同时曲线曲率变化率也是根据高温金属蠕变应力等理论实现其计算与应用。通过多项研究显示铸坯温度与金属的蠕变速度和应力松弛速度成正相关关系，即铸坯温度越高，则金属蠕变速度及应力松弛速度就越快，尤其是金属的应力松弛速度，如果是在坯壳较薄情况下提高铸坯温度，则相应的应力松弛速度将是传统矫直的10倍，所以改造过程中使用曲线光滑连接（一般两端连接），不但实现了连接点处曲率的连续并基本线性变化，还使铸坯应变速率小于许用值的恒定得到了有效保证[3-4]。通过对矫直曲线曲率变化率的分析了解到，将连续矫直技术应用到板坯连铸机改造中时，要先根据矫直及连铸需要设计出相应的连续矫直曲线相关参数，然后根据参数计计算出许用值，最后根据铸坯应变速率小于许用值的恒定原理，不断调整矫直曲线曲率变化率，以保证连接点处曲率的连续并基本线性变化，进而保证板坯连铸效率的提高[3]。 相关的连续矫直曲线设计参数如下：①基本圆弧段半径：变量为R，数值为9300；②第二曲线基圆半径：变量为r，数值为308207.7；③三次曲线参数：变量包括R三次曲线和L三次曲线，数值分别为21340.8和1099.9；④三次曲线矫直段弧：变量为S三次曲线，数值为1100；⑤曲线矫直段弧长：变量为S第二曲线，数值为600[4]。 如果要制定出比较科学合理的板坯连铸机改造方案，除了需要确切的连续矫直曲线设计参数以外，还需要设计。现选择辊号分别为1号、2号、3号、4号和5号的外弧侧辊心为改造所需要的列辊心，坐标使用（X，Y）表示，经测量得出1号～5号的外弧侧辊心原设计坐标分别为（0，-155）、（380，-154.94）、（761.41，153.19）、（1144.09，-143.30）、（1527.79，-131.00）；1号～5号外弧侧辊心经调整后的新设计坐标分别为（0，-155）、（380，-154.61）、（761.42，-151.87）、（1144.14，-144.42）、（1527.85，-129.87）[5]。 从连续矫直曲线设计参数与外弧侧辊心坐标设计变化不难发现，板坯连铸机的具有改造实施方案为：通过连续矫直区调整1号～5号矫直辊，对除1号辊实施下调，即在原来的基础上下调0.06mm，对除1号以外的矫直辊实施上调，幅度在0.58～1.88mm，对1号～5号辊子的调整，可以使铸坯的矫直变形发生本质性改变，即由原来曲率的突变转换成曲率的连续性和基本线性变化，以保证铸坯两相区应变速率比连铸坯变形速率许用值小，进而提高板坯连铸机连铸效率，许用值 3 连续矫直技术应用在板坯连铸中应变速率的校核这里的应变速率主要是指板坯坯壳发生整体性弯曲变形时固液两相界面处的应变速率，它的校核主要通过坯壳厚度的计算来实现，具体校核运算过程如下： （1）坯_壳厚度的计算公式为：  其中 （2）根据上面的公式结合坯壳整体弯曲变形，可计算出固液两相界面处的应变速率，即：  其中y被表示为高度，即固液两相界面与中性轴高度，单位为mm B被表示为铸坯厚度，单位为mm；R1与R2分别被表示为三次曲线段和渐开线段弯曲到矫直曲线段起始点处的曲率半径，单位为mm；t依然被表示为时间，单位为s， 根据上面推算的一系列公式中可以分别计算出连续弯曲和矫直曲线的固液相界，处的应变速率。本文根据公式对230mm后的板坯进行应变速率计算，不同拉速条件下的应变速率不一样，即当拉速 4 应用效果分析通过对连续矫直技术在板坯连铸机中的改造应用分析了解到，将连续矫直技术应用到板坯连铸机改造中，不但有效提高和完善了连铸机连铸效率，实现板坯质量的提高，还有效提高了铸坯硫印图显示效果，提升连铸机矫直效率及精准度。将经改造后的板坯连铸机与未经改造的连铸机进行比较，发现对铸机进行1流连续矫直改造后，其运行状态良好且板坯中间裂纹发生率得到了有效降低和避免；对铸机进行2流连续矫直改造后，其中板坯间裂纹发生率得到一定程度上的降低，但与经1流连续矫直改造后的铸机相比，降低的幅度没有1流的大，1流还要在2流动基础上降低22.22%。本文是通过对某钢厂连铸进行研究，来实现对连续矫直技术在板坯连铸中的应用分析，所以板坯连铸机经改造后，需要与某钢厂上年同期的板坯连铸中的中间裂纹发生率进行比较，才能实验其改造后的应用效果，经过相关资料显示，经改造后的板坯连铸机，运行中的中间裂纹发生率与上年相比降低了51.11%，进一步证实了将连续矫直技术应用在连铸机改造中，可以有效降低中间裂纹的发生率，进而实现板坯连铸效率的提高，使连续矫直技术在板坯连铸中的应用越来越广泛且越来越有价值[8]。 5 结束语经改造后的连铸机其矫直变形已经从原来的5点矫直转变成连续矫直，相应的曲率变化也由原来的突然性变化转变成实连续性变化和线性变化,并且在不影响板坯连铸原有效率的情况下，实现了渐进等曲率等速率连续矫直，同时扇形段的整体标高也没有因改造而发生较大的变动，有效提高了连铸机的稳定性和板坯连铸效率。对板坯连铸机进行连续矫直改造，不但使原有的直线段长度和位置保持不变,还使原有的连铸机水平段和出坯辊道标高保持不变，更有效保证了改造期间连铸机的产能和铸坯质量不受到改造的负面影响，使经改造后的板坯连铸机运作效率更高、运作形态更为稳定、连铸生产效率更高、连铸设备质量更好，进而促进连铸领域持久性发展。 参考文献： [1]肖海江,谭希华,靳瑞祥.直弧形板坯连铸机辊列设计计算[J].机械工程师,2011,(9):158-160. [2]王先勇,董新秀,刘彭涛.板坯连铸机辊列计算机辅助设计[J].连铸,2013,(5):29-34. [3]王克杰,李维.原位统计分布分析技术在连铸板坯成分偏析检测方法中的应用[J].冶金分析,2012,(1):7-14. [4]孟令舟,陈杰,陈卫强,等.柳钢双机双流板坯连铸机设计特点和应用[J].连铸,2016,(3):35-39. [5]何宇明,胡兵,周宏,等.宽厚连铸板坯角部裂纹控制技术开发[J].钢铁,2016,(7):34-40. [6]张国胜,李政.昆钢9号板坯连铸机辊列外弧曲线调整[J].连铸,2016,(4):33-37. [7]任廷志,韩培培.基于高温铸坯蠕变规律的连铸坯幂函数连续矫直法[J].中国机械工程,2015,(21):2952-2957. [8]刘洪波,张晓峰,李进,等.连铸机弯曲、矫直方式对力学计算的影响[J].连铸,2013,(6):26-28+37. Application of Continuous Straightening Technology in Slab Continuous Casting Zhang Minke,Ding Duofa Abstract：Continuous straightening technology is essential for slab continuous casting technology of continuous casting field,can effectively reduce the incidence of intermediate crack of slab,realize the slab continuous casting efficiency,while the application of continuous straightening technology in slab continuous casting is mainly reflected in the slab CCM design and improvement project.Ⅰn this paper,5 point straightening slab CCM is a research sample of improvement project,in order to realize the continuous straightening technology used in slab continuous casting analysis.The continuous straightening technology is applied in the actual improvement project,and the optimal roller diagram design is carried out,The final results reflect the effectiveness of the improvement project. Keywords：Slab continuous casting;Continuous straightening;Roller diagram 中图分类号：TF777.1 文献标志码：A 文章编号：2096-2789（2017）01-0068-03 |
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=1.25×1
。
代表坯壳厚度，单位为mm；k代表综合凝固系数，单位为mm/min
，其中Ⅰ被表示为距钢水弯月的距离，
则被表示为拉坯速度
，其中S可以被表示为三次方曲线段、第二曲线段弯曲和矫直曲线的弧长。
=1.8m/min时，三次方曲线的应变速率为4.17×1
