异形坯连铸

开展异形坯连铸研究最早的是英国钢铁协会，在60年代初就提出了用连铸狗骨状的铸坯轧制H型钢。而德国的西马克公司研制的异形坯连铸机于1968年在加拿大阿尔戈马钢铁公司的工业试验成功，从而使异形坯连铸开始真正进入工业生产阶段。此后，日本引进了这项技术，并得到了进一步发展，80年代初已有4台异形坯连铸机连续投产。在美国，用异形坯轧制H型钢的工艺在1981年才受到几家小钢厂的重视，随即得到迅速发展。其中，纽柯尔一大和(Noucor-Yamato)钢厂是比较有代表性的一家，其2号异形连铸机生产的异形坯规格达到了1048mm X 450mm X 110mm 。

目前，异形坯连铸在世界上已是比较成熟的技术，国外已有20多台异形连铸机为H型钢轧线提供坯料。用连铸异形坯生产H型钢的一般工艺流程为:炼钢→异形坯连铸→冷床→加热炉→初轧开坯机→万能初轧机→二辊轧边机→万能精轧机→H型钢。

为了实现连铸连轧H型钢，异形坯连铸正向H型钢坯连铸(近终形连铸)发展，西马克公司开发的紧凑式钢梁生产工艺流程(简称CBP)就属于这一类，其工艺流程为:炼钢→H型钢坯连铸→冷床→加热炉→立辊轧机→万能初轧机→二辊轧边机→万能精轧机→H型钢。连铸出的铸坯更接近H型钢尺寸，工艺流程进一步缩短。

我国对异形坯连铸机的研制是近几年的事。正在建设的马钢异形连铸机，是国内研制的首台异形坯连铸机。

马钢异形坯连铸机主要设备工艺布置。该铸机共3流，可同时浇铸异形坯和矩形坯。采用的是弧形板式结晶器，圆弧半径10m，三点矫直，短臂四连杆振动。二冷段共有32组支撑辊，结晶器月面中心距二冷段第32组支撑辊中心线7.1m。异形坯拉速为0. 6-0. 9m/min。改浇矩形坯时，只需更换结晶器、二冷段、引锭杆头，并适当调整中间包水口位置即可，比异形坯更换断面所需时间还短。

异形坯断面形状、尺寸是由轧钢工艺要求确定的。异形坯表面积大，散热条件好，在二冷段内就已完全凝固，所以矫直为固相，矫直许用应变值较大，对矫直有利。异形坯矫直后形状变化大，主要影响的因素是翼板尺寸H, H确定后，只有通过增大铸机半径R来改善异形坯矫直后的断面形状。异形坯断面形状复杂，断面上各点散热条件差别很大，若铸坯在铸机内停留时间增长，断面上各点温差就增大，易于产生矫直缺陷。因此，异形坯连铸机的半径R和拉坯速度受到限制，铸机半径小，影响矫直形状，而半径过大或拉坯速度过低都会增长铸坯在铸机内的停留时间，导致异形坯断面上各点温差增大。拉坯速度过高，二冷段支撑就有间题，特别是异形坯刚拉出结晶时，由于坯壳较薄，异形坯要得到较好支撑很困难。而且，提高拉速冶金长度增长，二冷段支撑长度也相应随之加长，从而增大了设备复杂程度。

H型钢坯连铸顺利解决了这些问题，由于H型钢坯腹板和翼板尺寸薄，钢水热量几乎都被结晶器冷却水带走，冶金长度很短，铸坯拉出结晶器很快就完全凝固，二次冷却水量很少，很容易获得温度均匀的高温铸坯，铸机拉速可大大提高。欧美国家炼钢普遍采用硅(Si)脱氧，连铸采用定径水口寿命很高，定径水口尺寸小且结构简单，连铸异形坯可在腹板与翼板相接的最大直径D外分别设置两个水口同时浇铸。国内炼钢主要采用铝(Al)脱氧，钢水中残存的A1203易于堵塞定径水口，增大水口直径就只能采用塞棒或滑动水口，结构不仅复杂，占据空间位置也较大，由于受中间包上的位置限制，在异形坯结晶器上只能设置一个水口浇铸，所以国内异形坯连铸的水口设计布置难以妥善解决。在异形坯腹板与翼板相接处的最大直径D处设置水口较易实现，但只设置一个水口浇铸，钢水在结晶器内流动不对称，结晶器内热量分配不均，坯壳凝固厚度不均匀，导致水口设置处凝固终点增长，影响铸坯质量。一个水口浇铸的最佳位置应该是在异形坯腹板中间位置，但这里尺寸太小，无法采用常规浸入式水口，只能采用特制的扁平浸入式水口浇铸。国外在异形坯腹板厚度为90mm的异形坯连铸机上已成功使用这种水口，在薄板坯连铸机上宽度为70mm的结晶器上也采用这种水口，但国内这项技术应用较少。

异形坯连铸机与方(矩)形坯连铸机的结构形式基本相同，主要区别在于结晶器的内腔形状和二冷段支撑辊的分配布置形式。

异形坯结晶器最初是由两块铜锭组成的，一块为外弧，一块为内弧，用气缸夹在一起固定在振动台上，结晶器内腔四周通水冷却。这种结晶器修磨后内腔形状、尺寸变化较大，寿命短，在异形坯翼板(窄边)上容易产生纵向裂纹。因此，异形坯结晶器经过多次改进，才逐步得到完善。近年来，按少方坯管式结晶器的爆炸成型方法制造的管式异形坯结晶器，其规格已达到432mm X 204mm X 102mm。这种结晶器制造成本低，修复较容易，可制造出各种锥度，是未来异形坯结晶器的主要形式。

马钢异形坯连铸机结晶器。它由4块铜板组成，铜板通过螺栓固定在兼作冷却水箱的支承框架上，其中外弧支承框架为U型，其余三边用可设定夹持力的夹紧装置联接在U形框架上，结晶器冷却水通过4个回路进出，总冷却水量为200m³/h。内外弧在铜板上钻水孔冷却，两侧铜板上开水缝冷却。冷却水流速需大于8m/s，以降低铜板温度，缩小铜板各处的温差。

异形坯结晶器铜板国外多采用铬铅制造，因为这种铜板的高温导热性好，热膨胀系数低，软化温度高，再结晶温度可达400℃。由于异形坯结晶器铜板形状复杂，加工费用高，一般都在铜板表面增镀耐磨材料，以延长使用寿命。异形坯结晶器铜板也可以采用导热性好的含银磷脱氧铜板。纽柯尔一大和钢厂异形坯连铸机结晶器采用的复合镀层(Ni-f-Cr)的含银磷脱氧铜板寿命也很高，而且价格便宜。其方法是:先镀Ni，加工为0. 3mm厚，再均匀镀Cr，厚度严格控制在0. 05-0. 1mm以内。

钢水在结晶器中冷却形成坯壳的同时，由于凝固收缩在结晶器壁会形成气隙，气隙增厚则严重影响结晶器的冷却传热，是造成铸坯缺陷的主要原因之一。为了消除或减少气隙，结晶器设有锥度。由于影响气隙厚度的因素很多，很难用一个函数式来表示，所以结晶器的实际锥度只能采用一条近似曲线。结晶器锥度的设计还应考虑铜板温度的影响，弯月面下100mm附近的铜板温度最高，热膨胀量也较大。为了加工方便，结晶器实际锥度一般只用一条直线(称单锥)或一条折线(称双锥)代替，锥度值靠经验来确定。异形坯结晶器采用双锥效果较好，但异形坯断面形状复杂，按理断面一周的坯壳凝固收缩程度不同，则各点的锥度也应不一样，要做到这点很困难。为了加工方便，断面一周各点按一定区域分别给定锥度值:两窄边(侧翼)为从上到下向内倾斜的倒锥度，锥度值最大，一般取0.8-1.20a/m，其余各处的锥值较小，在0.80a/m之内，腹板和翼板相交圆角处几乎没有锥度。这里应特别注意翼板内侧斜面及过渡圆角处锥度的设计，如果设计不合理，坯壳在这一带极易产生内部裂纹和表面裂纹。

异形坯连铸机的弧形区包括二冷段和支承导向段。二冷段在结晶器和支承导向段之间，包括足辊和几个独立的二冷小段，足辊固定在结晶器上，随结晶器上下振动。异形坯冷却条件好，冶金长度短，二冷段相对也较短，受异形坯形状所决定，凝固点必须控制在二冷段内。马钢异形坯连铸机二冷段设计为一组结晶器足辊和0号、1号两个二冷小段，共32组168个支撑辊。

二冷段一般采用调节范围宽的气水喷咀冷却，为了快速冷却刚拉出结晶器的铸坯，在足辊处可采用喷雾水强冷，冷却水量约占二次冷却水量的20%以上。二次冷却所需的总水量一般为0. 6-1. 1L/kg钢。由于异形坯断面形状复杂，冷却面积大，而且断面各点散热条件不同，所需的冷却强度也不一样。为使铸坯得到均匀冷却，需要设计一种合理的冷却方式。

马钢异形坯连铸机二冷段喷咀布置形式，共分七个冷却回路，其中一个为喷雾水冷却，其它六个为气水冷却。喷淋水有五种控制方式，喷吹空气有四种控制方式，可根据钢种、拉速和其它浇铸条件，确定一个最佳的冷却模式进行冷却。

异形坯连铸机二冷段除对铸坯进行强制冷却外，还应有效地支承铸坯，以防止鼓肚变形。异形坯刚拉出结晶器时，坯壳较薄最易鼓肚，所以足辊及二冷段最初几组支撑辊的辊径和辊距应尽可能小，各组辊子的布置应尽可能接近异形坯的形状。随着异形坯在二冷段内冷却时间的增长，坯壳逐渐增厚，异形坯刚度增大，支撑辊的辊径和辊距也可以增大。异形坯翼板两端的冷却条件好，几乎完全凝固，因此侧翼两端的四个支撑辊可以取消，这样就大大简化了结构。

二冷段最初几组支撑辊的辊径较小，但在这一区域的喷水量较多，这些辊子靠外部冷却已能完全满足辊子轴承冷却要求。随后辊径、辊距增大，喷水量减少，辊子轴承主要采用内部通水冷却。

异形坯连铸机主要是随H型钢轧机生产发展起来的。目前国内H型钢的产量少，规格小，钢结构设计一般只能采用焊接H型钢。轧制的H型钢精度高，重量轻，强度好，马钢H型钢生产线的投产，必将促进轧制H型钢在国内各领域内的广泛使用，也将推动我国异形坯连铸技术的发展。