常规板坯连铸轻压下技术的发展与应用

崔立新^1）2） 张家泉^2） 陶金明^1）

1）中冶连铸北京冶金技术研究院 2）北京科技大学

摘 要：介绍了国内外常规板坯连铸凝固末端轻压下技术的发展历程和应用现状，探讨凝固末端轻压下技术的原理以及使用效果，指出提高轻压下技术应用效果的关键环节在于过程热状态的精确跟踪和关键轻压下工艺参数的合理性。分析了该技术对铸坯质量的影响以及铸坯传热变形特点，给出了凝固末端轻压下技术工艺参数控制的优化结果。

关键词：连铸板坯，动态轻压下，凝固，变形

Development and Application of Soft Reduction in Slab Continuous Casting

CUI Lixin¹⁾²⁾ ZHANG Jiaquan²⁾ TAO Jinming¹⁾

1) Beijing Metallurgical Technology Institute of CCTEC Engineering Co.,Ltd

2) University of Science and Technology Beijing

ABSTRACT：This paper introduced the development, application and technology characteristics of soft reduction in continuous slab casting at home and abroad. It discussed simply the principle and the effect of soft reduction. It showed the process precise thermal tracking and the extent, position and allocation of the soft reduction being the key factors involved for a successful adoption and analyzed the quality and deformation during soft reduction. Optimizing results of process parameters during controlling soft reduction were also given in this paper.

Key Words：Continuous slab casting, dynamic soft reduction, solidification, deformation

1 引言

近年来，利用动态轻压下改善常规板坯、厚板坯以及大方坯连铸的生产效率、控制铸坯常见的中心偏析、中心疏松和中心线裂纹等缺陷在生产实践中不断得到肯定。由于其在连铸过程既控制铸坯温度又控制铸坯的压下变形，从而在提升铸坯内部质量、提高连铸生产效率和缩短后续轧制生产流程等方面具有的巨大发展潜力和独特优越性，正在被视为发展中的新一代连铸技术而受到广泛关注。

连铸轻压下指在铸坯凝固末端一个合适的两相区内利用当地的夹辊或其它专门设备，对铸坯在线实施一个合适的压下量，用以抵消铸坯凝固末端的体积收缩，避免中心缩孔（疏松）形成；抑制凝固收缩而引起的浓化钢水流动与积聚，减轻中心宏观偏析程度的铸坯凝固过程压力加工技术。其中，将只能在铸机辊列某一固定位置实施的轻压下称之为静态轻压下；能够在线跟踪铸坯的热状态，并根据其当时的实际凝固位置实施轻压下称之为动态轻压下。由于动态轻压下技术在提升铸坯内质、提高连铸效率等方面独特的优越性，已得到国内外日益广泛的重视^[1]。

2 连铸轻压下技术发展历程

2.1 轻压下技术思想的提出

上世纪八十年代，为了研究板坯的中心偏析和避免使用电磁搅拌所带来的中心白亮带问题，新日铁公司曾尝试在凝固末端的扇形段人为加大辊缝收缩量（约0.6-0.8mm/m），发现其对控制板坯鼓肚和中心偏析有比较明显的效果。这就是所谓的板坯静态轻压下，静态轻压下必须与拉速很好配合才能具有比较稳定的工艺效果，应用过程中有很大的局限性^[2，3]。

此后，新日铁和NKK 还分别研究了一些变异的轻压下途径，如NKK 提出人为鼓肚轻压下的概念，并将此应用在该公司福山6 号板坯连铸机上。新日铁也提出过圆盘凸型辊轻压下法，其做法是把夹辊的中间部分做成凸台^[4]。

不难发现，由于上述轻压下工艺一直没能摆脱静态轻压下固有的局限性，实际生产中，难以很好地发挥作用，所以这些技术一直难以推广应用。但它为凝固过程通过辊缝控制来改善铸坯内部质量提供了发展思路。

2.2 轻压下技术思想的发展

八十年代末，薄板坯近终形连铸连轧短流程技术在欧洲开始发展。其为了缩短后续热轧流程，一方面减薄铸坯浇铸厚度，另一方面利用远程调节辊缝技术可在连铸二冷区的一个较长的范围对铸坯进行带液芯压下，甚至包括一定的固芯压下，如铸轧。

原德马克（Demag）公司在意大利阿尔维迪的ISP流程中最先使用了铸轧技术。在该工艺中，把原来二冷段扇形段夹辊单独控制，逐步改成了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，这样简化了原有扇形段的结构。

随后，西马克(SMS)公司的世界第一条CSP薄板坯连铸连轧生产线于1989 年在美国纽克格拉福特斯维尔厂建成投产。意大利达涅利(Danieli)公司于1992 年在意大利ABS 钢厂进行其灵活型薄板坯连铸机（FTSC，flexible thin slab caster）半工业性试验，并于1995 年在Nucor Hickman 实验性生产。

这些技术在逐步发展过程中都采用了液芯压下技术，每个扇形段在上下各一对液压缸的驱动下可以独立调整辊缝的大小和锥度。并同时提供了动态液芯长度计算与控制技术，能够针对不同钢种和浇铸参数，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。

以上各种近终形连铸中的带液芯压下或铸轧工艺为常规板坯连铸凝固末端施加轻压下工艺提供了思路和设备方面的可能性。

2.3 轻压下技术的走向成熟

1997 年，奥钢联（VAI）率先将其发展为常规板坯远程动态收缩辊缝控制技术，也即动态轻压下技术，首次用于芬兰RAUTARUUKKI 钢厂6 号板坯铸机的改造，取得了较好的使用效果[27]。VAI 利用其研制的SMART®扇形段液压辊缝控制技术，可实现铸流辊缝的远程调节。通过在板坯铸机弧形段、矫直段乃至水平段采用SMART®扇形段，并配以动态热跟踪模型（DYNACS®）准确跟踪铸坯的热状态和凝固进程，再利用所开发的ASTC 模型，实现对铸坯凝固终点的实时轻压下。由于SMART®扇形段为长程布置，实际生产中即使板坯凝固终点可能因工艺而发生变动，也总能依据模型在其当时的实际凝固终点合适位置实施轻压下，从而实现比较稳定地控制中心疏松和减轻中心偏析的目的

1998 年，德国MDH 公司为Dillinger 钢厂的设计的5 号厚板（400mm 厚）铸机投产，其中使用了四个远程液压辊缝可调扇形段，并具有动态轻压下功能。该动态轻压下厚板铸机在生产高牌号抗硫化氢开裂管线钢方面所获得的高质量受到世界关注。其后，板坯动态轻压下技术逐渐受到关注和重视，如SMS Demag 注册的专利技术Cyberlink®扇形段和SGC（segment gauge control）等技术均可以用于板坯连铸的动态轻压下。其中，2004 年，SMS Demag 的Cyberlink 扇形段在德国Salzgitter新3 号板坯连铸机上获得应用，并通过在线的位移传感器和振动阻尼法实现了板坯厚度在线测量和凝固终点判定，从而可改善动态轻压下减轻中心偏析的效果。

3 常规板坯轻压下技术的作用原理与效果分析

常规连铸条件下，由于钢水选分结晶和枝晶凝固特性，铸坯在最后凝固的中心线区域将因溶质积聚和钢水流动补缩困难不可避免地产生中心偏析和中心疏松缺陷，如图1a。若在铸坯的凝固末端实施轻压下，如图1b所示，一个合适的压下量能对富集溶质的凝固前沿加强对流和搅拌、促进枝晶脱落和重熔、增加结晶核心和凝固过冷度，促进最后凝固的中心热节（hot spot）区域组织和成分均匀，从而得到减轻中心偏析的效果；此外，一定的压下量还可以补偿凝固末期残余钢水的体积收缩、加强铸坯的补缩充填能力，因而可减轻中心疏松程度，并可能促进中心线裂纹的焊合，达到增加铸坯的中心致密度的效果。

显然，轻压下的效果与合适的压下位置密切相关，与动态轻压下相比，静态轻压下必须保证铸坯的凝固终点落在辊列的某一固定位置，在实际生产中有很大控制难度，其轻压下效果也很难保证。

此外，只有合适的压下量才能达到改善铸坯内部质量的效果。为了补偿铸坯的凝固收缩，必须保证有足够的压下量。而压下量过大，又可能因超过铸坯的极限应变而导致裂纹产生；连铸过程中，在铸坯的凝固终点之前其内部钢水一直具有很好的流动与充填能力，铸坯的补缩条件较好，不易产生集中缩孔；但随着温度的降低，铸坯末端凝固两相区内枝晶开始搭桥，枝晶内剩余的浓化钢水也因温度降低黏度增加以及枝晶间渗流阻力的增加，补缩流动能力逐渐丧失。常规连条件下，这样的临界固相率之上的两相区内枝晶间液体分散凝固必然留下疏松缺陷，因此，除压下量大小外，轻压下起始点位置或压下范围对补偿残余凝固体积收缩的有效性也有重要影响。

合适的轻压下工艺显然还与所浇铸的钢种乃至铸机设备特点密切相关。因此，动态轻压下技术不但需要实现对铸坯凝固过程的精确热跟踪，还需要深入认识和掌握轻压下过程铸坯凝固与变形等复杂热-力学行为。为此，本文作者曾以国家技术创新项目为依托，对板坯连铸动态轻压下过程的热与变形特点及其工艺控制的核心技术开展了系统的理论、实验和数值模拟研究^[5]，对轻压下工艺条件下板坯的变形特点以及轻压下过程的二冷传热机制新特点进行深入的认识^[6，7]。

4 常规板坯连铸轻压下过程的二冷传热特点

长期以来，人们从传热学角度对于连铸二冷过程开展了大量的研究，连铸二冷传热模型也已广泛地应用于实际连铸过程的冷却控制。但也不难发现，以往的研究多对复杂的二冷换热过程在模型和/或边界条件上做了大量的简化，比如：1）多采用综合换热系数来处理铸坯在二冷区的传热边界条件；2）将二冷过程夹辊与铸坯的交互接触传热作用折合到综合换热系数中，而忽略了铸坯在进出接触辊子前后的冷却不均匀性；3）只关注拉坯方向的各冷却区的温度控制而忽略宽向温度的不均匀性；4）忽略喷淋特性与实际换热效果的差异；5）基本不考虑铸坯的冷凝收缩等变形过程对其热-力学状态和传热效果的影响等等。这些简化无疑已不太适合当前诸如连铸过程动态轻压下等连铸控制技术发展的需要。

有鉴于此，为了更好地反映连铸过程铸坯的热和力学状态特点，研究轻压下工艺的力学与冶金效果，本文作者研究建立了包括夹辊在内的板坯三维热力耦合有限元分析模型，其中用黏塑性本构模型描述高温铸坯，用接触理论描述铸坯与夹辊的热和机械交互作用，以期对板坯连铸二冷和轻压下过程的二冷传热机制进行深入的分析。

4.1 铸坯凝固进程及表面温度分布

铸坯表面温度和中心温度沿拉坯方向的变化规律如图2所示。当前计算工况条件下，铸坯的冶金长度达到30m。而在离弯月面下10m左右铸坯中心点的温度已进入该计算钢种的液相线温度，在随后的20m之多的范围内，铸坯中心基本处于两相区状态。

计算获得的铸坯在轻压下过程处于不同压下段位置时坯壳表面温度的分布如图3所示。可见，随着铸坯的运行和轻压下加工，其表面温度逐渐下降，且压下辊对坯壳的冷却作用和冷却区域也逐渐明显。轻压下加剧了坯壳表面经由辊列的温度起伏。

4.2 板坯二冷传热的分配

连铸二冷过程存在多种传热机制，包括：铸坯表面辐射散热，冷却水蒸发带走热量，冷却水加热带走热量以及铸坯与夹辊接触导热。考虑到连铸轻压下条件下，由于辊子和铸坯接触条件的变化，从铸坯与夹辊之间的接触换热系数和铸坯与二冷水的对流换热系数进行对比，铸坯与辊子之间的接触换热（2500W/m2·K）是二冷水对流换热系数的3～20倍。因而，二冷传热的分配关系也将发生变化。本研究在温度场计算的基础上对不同工艺下板坯二冷散热及其分配关系进行定量分析和比较。

根据模型的温度计算结果，按一个辊间距计，提取对应冷却区域的节点热流，对比发现：（1）常规连铸工况下，板坯二冷不同散热机制的热流分配比例为：喷水换热区散热量约占散热总量的69.3%，接触换热区占17.6%，辐射换热区占13.1%。（2）以单辊压下量0.3mm，总压下量3.5mm的轻压下工艺为例，轻压下条件下板坯二冷区不同散热机制的贡献发生显著改变：其中接触换热所占比例上升为39.6%，为常规连铸的两倍之多；而喷水换热和辐射换热所占比例分别下降为52.1%和8.3%。不同轻压下工艺下以上热量分配的关系和差异如图4所示。可见，铸坯与夹辊之间的接触换热随着轻压下量的增加而增加。

以上可见，轻压下工况下，辊子不仅要承受更大的铸坯反力，承受的热载荷也将大大增加，因此，轻压下工艺对板坯夹辊，尤其是压下辊的刚度与冷却设计也提出了更高的要求。

5 常规板坯连铸凝固末端轻压下铸坯的变形特点

对于已经使用轻压下的铸机的实际生产表明，轻压下能有效地改善铸坯中心疏松和偏析，但若压下工艺不合适，也可能导致铸坯内裂趋势的增加。因而，轻压下工艺实施过程中防止铸坯内裂一直是一个重要的课题。

为了更好地认识连铸过程铸坯的热和力学状态特点、研究轻压下工艺的力学与冶金效果，作者对板坯连铸轻压下过程的热与变形进行了系统深入的研究，以下结合具体轻压下工艺，分析阐述轻压下工况下铸坯凝固过程中的综合变形行为和特点。

5.1 板坯凝固线收缩及轻压下过程变形特点

板坯的变形行为是其热应力、钢水静压力以及轻压下机械变形共同作用的结果。轻压下过程中辊列的收缩量是由铸坯自由收缩量和轻压下量共同决定的。铸坯的自由收缩量可通过对其设定自由边界条件计算获得。图5即为依据铸坯热-力耦合模型计算获得的连铸冷却过程及其厚度沿拉坯方向上的自由线收缩。可见，当前工艺条件下，铸流上板坯的总线收缩量约为7mm，按铸机长度40m计算，包晶钢板坯的自由线收缩率平均约为0.175mm/m。

考虑板坯自由收缩后，实施合适的轻压下，板坯在常规连铸和轻压下两种不同工况下的变形特点如图6所示（1/4板坯，以下同）。其中压下位置为铸坯中心固相率fs=0.6～0.82区域，总压下量为3.5mm。压下量分配为：第一压下扇形段1.7mm，第二扇形段1.8mm。由图中可见，轻压下工艺条件下板坯的综合变形量明显大于不带轻压下工况。计算结果分析表明，轻压下对铸坯的压缩变形主要由铸坯内部中心固相率低的部分承担，坯壳部分的单元在铸坯厚度方向的变形量不大。其中逐辊实施轻压下过程铸坯的变形历程如图7。