封偉華 徐永斌 馬春武

（中冶南方工程技術有限公司，湖北武漢 430223）

板坯連鑄結(jié)晶器在線調(diào)寬過程坯殼運動行為分析

封偉華 徐永斌 馬春武

（中冶南方工程技術有限公司，湖北武漢 430223）

將鑄坯的凝固收縮導入結(jié)晶器在線調(diào)寬過程，系統(tǒng)分析了結(jié)晶器在線調(diào)寬過程中坯殼的運動行為。研究了在線調(diào)寬過程中速度設置，調(diào)錐過程坯殼與結(jié)晶器壁面間的幾何關系。結(jié)果表明，在線調(diào)寬速度與結(jié)晶器錐度變化和拉坯速度相關。設定調(diào)寬參數(shù)時，氣隙（或擠壓量）是重要的參數(shù)。

結(jié)晶器 在線調(diào)寬 氣隙

結(jié)晶器是連鑄機的核心部件，其結(jié)構、性能直接影響著連鑄的生產(chǎn)效率。為提高鑄機作業(yè)率和適應連鑄連軋生產(chǎn)頻繁變化的要求，需要不斷變更鑄坯尺寸。而通過更換結(jié)晶器或停機調(diào)整結(jié)晶器尺寸的手段耗時較長，嚴重影響鋼廠的生產(chǎn)節(jié)奏和鑄機產(chǎn)量，難以適應高效連鑄的作業(yè)要求。

板坯連鑄結(jié)晶器在線調(diào)寬技術可以在不停止?jié)茶T的情況下使結(jié)晶器窄面實現(xiàn)連續(xù)移動，將鑄坯寬度調(diào)整到所需尺寸，大大提高了鑄機的生產(chǎn)能力和生產(chǎn)效率，可明顯增加金屬收得率，降低生產(chǎn)成本［1-2］。但該項技術自問世以來，由于存在較為明顯的漏鋼風險，一直飽受爭議，并沒有獲得很普遍的應用。目前結(jié)晶器在線調(diào)寬技術也主要由外方提供。本文擬從結(jié)晶器在線調(diào)寬過程機制出發(fā)，詳細分析調(diào)寬過程中的坯殼運動行為，并對結(jié)晶器在線調(diào)寬速度設置進行分析，以期為研究結(jié)晶器在線調(diào)寬提供一定指導。

1 數(shù)學模型

結(jié)晶器在線調(diào)寬是一個寬邊固定、窄邊連續(xù)動作的過程。調(diào)寬過程中，窄邊銅板一般都會先經(jīng)歷一個錐度變更過程，在錐度達到預先設定值之后，銅板上下口分別以固定的調(diào)寬速度Vm開始平行移動。當寬度運動到設定值后，窄邊銅板在對應油缸驅(qū)動下，二次調(diào)整錐度，恢復到當前寬度下對應的錐度。在該過程中，調(diào)寬速度是一個重要因素，與結(jié)晶器內(nèi)坯殼的運動規(guī)律息息相關。因此，從結(jié)晶器內(nèi)鋼液凝固傳熱過程出發(fā)，將調(diào)寬過程中坯殼的運動特征作為研究對象，分析坯殼與結(jié)晶器壁面間的位置關系。圖1為結(jié)晶器在線調(diào)寬基本模型示意圖。

圖1 結(jié)晶器在線調(diào)寬基本模型示意圖Fig.1 Schematic diagram of the basicmodel of the on-linemold width adjustment

1.1 基本假設

在分析調(diào)寬過程坯殼運動行為前作如下假設［3］：

（1）結(jié)晶器在線調(diào)寬時，結(jié)晶器液面保持恒定；

（2）鋼液在結(jié)晶器內(nèi)收縮為線性收縮，不考慮厚度方向的收縮；

（3）忽略結(jié)晶器倒角及注流的影響。

1.2 基本原則

連鑄生產(chǎn)過程中，結(jié)晶器內(nèi)鋼液凝固形成初生坯殼，坯殼進一步冷卻將產(chǎn)生收縮，精確考慮坯殼與壁面間的位置關系十分困難［4］。大量實踐總結(jié)發(fā)現(xiàn)，結(jié)晶器上部，初生坯殼較薄，坯殼受鋼液靜壓力作用，貼合結(jié)晶器壁面。而到結(jié)晶器下部時，初生坯殼具有一定的厚度，能夠經(jīng)受住鋼液靜壓力的擠壓作用，進一步冷卻時形成收縮，與壁面間將會形成一定的氣隙。正常生產(chǎn)過程中的這種上部緊密貼合，下部一定間隙的關系將很難應用到在線調(diào)寬過程中；而將鑄坯認為是與結(jié)晶器壁面完全接觸，結(jié)晶器為單一錐度變化則是較好的簡化處理方式，這樣的錐度即結(jié)晶器初始錐度。

調(diào)寬過程中，一方面為使鑄坯與窄面銅板保持接觸，使窄邊的驅(qū)動力保持穩(wěn)定，窄邊銅板平移變化速率應略大于或等于坯殼的收縮速率；另一方面平移變化速率越大，可能對坯殼產(chǎn)生的間隙或者擠壓程度將越大。因此調(diào)寬變化速率等于坯殼的收縮速率則完全滿足在調(diào)寬過程中坯殼與結(jié)晶器壁面間的完美接觸，與正常生產(chǎn)相類似。

本文認為結(jié)晶器在線調(diào)寬需要遵循的基本原則是調(diào)寬變化速率等于坯殼的收縮速率，滿足錐度變化關系；同時在調(diào)寬過程中，不考慮坯殼受形變應力的影響。

2 調(diào)寬速度設置分析

結(jié)晶器在線調(diào)寬分為寬度減小和寬度增加兩種。調(diào)寬過程可通過錐度調(diào)節(jié)和平行移動來實現(xiàn)。調(diào)錐和平行移動是一個連續(xù)過程。若該過程之間強制出現(xiàn)時間間歇，將會增加結(jié)晶器窄面銅板的磨損，縮短結(jié)晶器壽命，嚴重時甚至出現(xiàn)漏鋼現(xiàn)象。因此應導出結(jié)晶器在線調(diào)寬過程的基本速度關系。

圖2為平移調(diào)寬過程動作分解示意圖，圖3為調(diào)寬過程速度設置關系示意圖?？梢?，從t0時刻到t1時刻，若無調(diào)寬，ABCD位置的初生凝固坯殼滿足錐度關系，發(fā)生凝固收縮變化，經(jīng)受結(jié)晶器銅板的支撐變化至abcd的位置；調(diào)寬時，窄邊銅板運動至ABCD位置，若保持錐度不變，則無法實現(xiàn)坯殼與結(jié)晶器壁面間的良好接觸，會產(chǎn)生氣隙。因此，完全可以利用該時刻的錐度變化關系，實現(xiàn)鑄坯收縮與結(jié)晶器壁面間的完好接觸。

圖2 平移調(diào)寬過程動作分解示意圖Fig.2 Schematic diagram of motion decomposition in the parallel adjustment process

在調(diào)寬寬度增加過程中，結(jié)晶器初始錐度角tanα，在經(jīng)歷變錐后達到tanθ，此時，彎月面位置A點鋼液經(jīng)t時間內(nèi)運動到BD平面，為保持結(jié)晶器壁面與坯殼完好接觸，需將結(jié)晶器銅板運動到DE位置，此時，

坯殼運動距離：

結(jié)晶器銅板運動距離：

因此，調(diào)寬過程中結(jié)晶器銅板的運動速度為：

圖3 調(diào)寬過程速度設置關系示意圖Fig.3 Schematic diagram of speed relationship during width adjustment

圖4 結(jié)晶器勻速變錐Z形調(diào)寬模式動作示意圖Fig.4 Schematic diagram of Z-type width adjustment at the same speed

式中，Vm為調(diào)寬平移速度，Vc為拉坯速度，tanθ為結(jié)晶器錐度調(diào)整后窄邊的錐度夾角值，tanα為結(jié)晶器初始錐度的夾角值。

寬度減小過程與寬度增加過程類似，方向相反。為使結(jié)晶器不對坯殼產(chǎn)生擠壓變形，結(jié)晶器運動速度與調(diào)寬過程相同。

平行移動可以做到坯殼始終與壁面間完好接觸。但錐度變化過程中，坯殼不可避免與結(jié)晶器壁面間產(chǎn)生氣隙或擠壓，這個過程是調(diào)寬順行中非常重要的一個環(huán)節(jié)。以Z形調(diào)寬模式為基礎［5］，詳細分析勻速變錐和加速變錐兩種類型下坯殼與壁面間的幾何運動關系。

3 Z模式下勻速變錐時坯殼的運動行為

勻速變錐過程是將變錐速度和調(diào)寬速度設定為同一速度的運動方式。該方式的優(yōu)勢在于運動狀態(tài)穩(wěn)定，調(diào)寬過程見圖4。

勻速變錐包含三個動作過程：第一步結(jié)晶器下口固定，上口勻速變錐；第二步變錐完成之后，結(jié)晶器上下口同時作勻速運動；第三步結(jié)晶器上口運動到指定位置后固定，下口以恒定速度恢復到該寬度下的錐度過程。

第一步錐度增加過程中（見圖5），在由t1運動到t2時間時，鑄坯與結(jié)晶器壁面間的位置關系為：若以1 m／min的拉坯速度、8 mm／min的調(diào)寬速度，圖5（b）顯示了在一個t0時間內(nèi)（t0指的是結(jié)晶器彎月面鋼液開始凝固至其拉出結(jié)晶器所耗費時間）不同高度下，初生坯殼與結(jié)晶器壁面間的位置關系。一個t0時間內(nèi)，最大變錐范圍0～6.4 mm。調(diào)寬開始時彎月面處凝固的初生坯殼在結(jié)晶器內(nèi)經(jīng)歷與壁面的位置關系會出現(xiàn)最大間隙，最大間隙為1.6 mm。10 mm／min的調(diào)寬速度達到最大間隙為2.0 mm。資料顯示［5-6］，Z模式下最大調(diào)寬速度為10 mm／min，即坯殼與結(jié)晶器壁面間的最大間隙為2.0 mm。

第二步平移調(diào)寬過程與上述分析的平移運動過程相同，坯殼與結(jié)晶器壁面間保持良好接觸，不存在擠壓和變形影響。

第三步錐度恢復過程中（見圖6），由B運動到D的t1時間段內(nèi)，鑄坯凝固收縮關系：S1＝SW，結(jié)晶器運動產(chǎn)生的間隙：S2＝ST。

因此，錐度恢復產(chǎn)生的間隙大小為（負號代表擠壓）；

與第一步調(diào)錐錐度增大時相似，調(diào)寬完成后錐度恢復過程中，坯殼經(jīng)歷了一系列的擠壓變形關系，最大擠壓變形出現(xiàn)在錐度恢復開始時彎月面凝固的初生坯殼到其出結(jié)晶器的過程中。在所有坯殼完成錐度恢復出結(jié)晶器時，均與結(jié)晶器底邊銅板保持二次接觸。

圖5 勻速變錐Z模式下第一步變錐過程中坯殼的運動行為示意圖Fig.5 Schematic diagram of taper change during Z-type width adjustment at the same speed

圖6 勻速變錐Z模式下第三步錐度恢復過程中坯殼的運動行為示意圖Fig.6 Schematic diagram of taper recovering during Z-type width adjustment at the same speed

上述指的是Z模式下寬度增大過程。對于寬度減小過程，所出現(xiàn)的情況與此類似，僅是氣隙和擠壓出現(xiàn)的順序不同。第一步調(diào)錐過程中，坯殼與結(jié)晶器壁面出現(xiàn)擠壓變形，第三步錐度恢復時，出現(xiàn)的是間隙關系。

由此可知，Z模式下勻速變錐過程中，變錐、平移和復錐時，坯殼與結(jié)晶器壁面依次出現(xiàn)氣隙、良好接觸和擠壓關系。調(diào)寬速度受到第一次變錐過程中的時間和位移量的限制，1 m／min的拉速條件下，最大只能達到10 mm／min的調(diào)寬速度。氣隙關系是Z模式下速度設置的限制性因素，在調(diào)寬過程中需要引起注意。

4 Z模式下加速變錐時坯殼的運動行為

雖然勻速變錐是一個狀態(tài)較為穩(wěn)定的調(diào)寬方式，但調(diào)寬啟動時，油缸以較大的沖擊力獲得恒定速度對設備的平穩(wěn)運行不利，因此提出加速變錐模式。加速變錐有兩種方式，其一是在調(diào)寬開始變錐時，結(jié)晶器下部固定，上部以恒定加速度勻加速運動，在速度達到設定值時，上下口同時以該速度運動；其二是在上部速度達到設定值之后勻速運動，下部以相同的加速度勻加速運動，上下口同時達到設定速度時進入勻速平移階段。錐度恢復過程與錐度增加過程相同。前一種加速變錐無法避免設備的沖擊，后一種加速變錐則對設備的平穩(wěn)運動較為有利，新日鐵提出的NS-VWM調(diào)寬模式就是以此為基礎開發(fā)的調(diào)寬過程。因此，下面以該模式為基礎分析坯殼的運動行為。

Z模式下加速變錐過程也包含三個動作過程（見圖7和圖8），第一步結(jié)晶器變錐，該過程第一個t0時刻內(nèi)，結(jié)晶器下口固定，上口以恒定加速度勻加速運動，直至上口達到設定速度Vm，第二個t0時刻內(nèi)，結(jié)晶器上口以Vm勻速運動，下口以恒定加速度勻加速運動，直至速度與上口相等，完成變錐、加速過程；第二步平移，結(jié)晶器上下口勻速運動到指定位置；第三部錐度恢復，在第一個t0時刻內(nèi)，結(jié)晶器上口以恒定加速度勻加速運動到靜止，下口以Vm勻速運動，第二個t0時刻內(nèi)，結(jié)晶器上口固定，下口以恒定加速度勻加速運動到靜止時刻，此時完成全部調(diào)錐過程。

由Z模式勻速變錐過程的分析可知，在一個t0時刻內(nèi)，最大間隙出現(xiàn)在彎月面附近的初生坯殼在結(jié)晶器內(nèi)的運動過程，因此可以僅對彎月面初生坯殼的運動行為進行分析。

當拉坯速度為1 m／min，調(diào)寬加速度為20 mm／min2時，在第一個t0時刻內(nèi)，彎月面位置初生坯殼與結(jié)晶器壁面間的位置關系為：

在第二個t0時刻內(nèi)，彎月面位置初生坯殼與結(jié)晶器壁面間的位置關系為：

圖7 結(jié)晶器加速變錐Z形調(diào)寬模式動作示意圖Fig.7 Schematic diagram of Z-type width adjustment at the same acceleration

圖8 加速變錐Z模式調(diào)寬過程中坯殼運動行為圖Fig.8 Schematic diagram of taper change during Z-type width adjustment at the same acceleration

圖9顯示了在第一步調(diào)錐變化過程中（2t0），彎月面位置生成的坯殼與結(jié)晶器壁面間的關系。與勻速變錐不同的是，整個調(diào)錐過程，由于調(diào)錐時間延長至2t0，出現(xiàn)最大間隙位置逐漸后移，為0.4 min時彎月面初生坯殼運動位置。以氣隙作為判據(jù)限制調(diào)寬速度和加速度時，則應該將最大間隙（0.4 min時彎月面初始坯殼）位置作為限制因素。倘若條件允許，可以降低調(diào)寬加速度，延長調(diào)錐時間，使不受t0限制，這樣在調(diào)寬速度上能夠提升一個數(shù)量級。

平移調(diào)寬與上述分析的平移運動相同，坯殼與結(jié)晶器壁面間保持良好接觸，不存在擠壓和變形影響。

相似地，對于Z模式加速變錐過程的錐度恢復階段，坯殼與結(jié)晶器壁面間的關系見圖10，與之前分析的錐度增加過程相對應，趨勢相同，由間隙變?yōu)閿D壓過程。

Z模式下加速變錐的寬度減小與寬度增加相似。當速度、加速度設置條件相同時，調(diào)寬中兩個錐度變化過程分別受到擠壓和氣隙作用。

5 結(jié)論

本研究以理論模型為基礎，對結(jié)晶器在線調(diào)寬過程中的坯殼運動行為進行分析，將坯殼的凝固收縮過程引入在線調(diào)寬過程中，分析了結(jié)晶器在線調(diào)寬速度設置，調(diào)錐過程坯殼與結(jié)晶器壁面間的氣隙和擠壓關系，得到如下結(jié)論：

圖9 加速變錐Z模式調(diào)寬過程中錐度增大過程坯殼運動行為關系圖Fig.9 Schematic diagram of shell behavior during taper change of Z-type width adjustment at the same acceleration

圖10 加速變錐Z模式調(diào)寬過程中錐度恢復過程坯殼運動行為關系圖Fig.10 Schematic diagram of shell behavior during taper recovering of Z-type width adjustment at the same acceleration

（1）在線調(diào)寬過程中，調(diào)寬速度與錐度變化和拉坯速度密切相關，錐度變化必須考慮坯殼與結(jié)晶器壁面間的間隙大小及擠壓變形程度。

（2）可以采用最大間隙（或最大擠壓量）作為判定標準，以此設定結(jié)晶器在線調(diào)寬過程速度參數(shù)。

［1］王良斌，袁作新.連鑄機結(jié)晶器在線調(diào)寬系統(tǒng)技術改進與應用［C］／／第七屆全國板坯連鑄結(jié)晶器技術研討會.上海，2007：179-181.

［2］蔡開科.連鑄結(jié)晶器［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2008.

［3］高琦，張小龍，謝東鋼，等.結(jié)晶器在線熱態(tài)調(diào)寬速度的研究［J］.煉鋼，2009，25（5）：70-72.

［4］趙靜，周湛，張捷宇，等.鋼錠凝固過程中溫度場和流場的數(shù)值模擬研究［J］.上海金屬，2014，36（1）：55-58.

［5］孫鋒.板坯連鑄機結(jié)晶器調(diào)寬控制系統(tǒng)［J］.冶金標準化與質(zhì)量，2006，44（1）：11-13.

［6］柴艷紅.結(jié)晶器自動在線調(diào)寬系統(tǒng)在中薄板坯連鑄機上的應用［C］／／2007年中國鋼鐵年會.成都，2007：1-6.

收修改稿日期：2016-06-29

Analysis on the Motion Behavior of Solidified Shell in Slab Mould during On-Line Width Adjustment Process

Feng Weihua Xu Yongbin Ma Chunwu
（WISDRIEngineering Technology Co.，Ltd.，Wuhan Hubei430223，China）

The solidification shrinkage of the cast slab was introduced into the on-line width adjustment process，so the motion behavior of solidified shell in slab mould during on-line width adjustment processwas systematically analyzed.The velocity setting during on-line width adjustment process，and the relationship between mold tube and the shell during taper adjustment process were analyzed.The results showed that the online width-speed adjustmentwas related to the taper changes and caster speed.When setting adjustment parameters，the gap size（or extrusion value）between mold tube and the shell was an important parameter.

mould，on-line width adjustment，air gap

國家“863”計劃資助項目（No.2014AA041803）

封偉華，男，高級工程師，主要從事煉鋼工藝及流程優(yōu)化的技術管理工作

徐永斌，男，高級工程師，主要從事煉鋼工藝及流程優(yōu)化的研究及設計相關工作，電話：027－81996543，Email：02089＠wisdri.com