一、研究的背景與問題

由于異形坯斷面形狀不規(guī)則，受力情況復雜，在連鑄生產(chǎn)中容易出現(xiàn)裂紋、夾渣等缺陷，導致軋制時產(chǎn)品報廢率高。國內(nèi)的幾臺大斷面異形坯鑄機均為國外引進，其最大斷面為1024mm×390mm×120mm。而國產(chǎn)的兩臺異形坯鑄機生產(chǎn)的異形坯最大寬度只有500mm，和引進鑄機還存在較大的差距，我國此前還沒有完全掌握異形坯鑄機核心技術(shù)。當需要生產(chǎn)新的斷面時，只能簡單仿制，往往使用效果較差，鑄坯質(zhì)量難以保證。隨著，我國的基礎(chǔ)建設(shè)不斷投入，我們需要大量產(chǎn)線更豐富的異形坯鑄機，而且還需要進一步加大其斷面。為此，開發(fā)我國用于軋制重型H型鋼的重型異形坯連鑄機技術(shù)與裝備非常重要。

重型異形坯斷面尺寸更大，鑄坯的凝固進程更長，應(yīng)力情況非常復雜。鑄坯對整個凝固過程的傳熱均勻性，以及設(shè)備的剛度提出了更高的要求。同時兼顧板坯、非對稱異形坯的生產(chǎn)，對夾持段也有一些特殊的要求。冶金控制模型應(yīng)穩(wěn)定、可靠，確保鑄坯的坯殼均勻生長，表面溫度平穩(wěn)下降。設(shè)備結(jié)構(gòu)合理，以保證較高對弧精度，同時更換快捷。

從設(shè)備設(shè)計、模型開發(fā)兩方面著手，開發(fā)的設(shè)備結(jié)構(gòu)為計算模型提供基礎(chǔ)，模型計算結(jié)果為設(shè)備開發(fā)提供理論依據(jù)，相互驗證、推動。在形成一套完整的重型異形坯鑄機裝備的同時，給出詳實可靠的理論支撐。研發(fā)出的冶金模型，輔助設(shè)備設(shè)計的同時，得到合理的連鑄工藝，形成一整套生產(chǎn)工藝參數(shù)。使研發(fā)的設(shè)備、工藝參數(shù)做到有的放矢，確保鑄機投產(chǎn)后穩(wěn)定生產(chǎn)。

重型異形坯的關(guān)鍵設(shè)備中，結(jié)晶器的冷卻非常重要，要充分考慮到初生坯殼各個角部的二維冷卻，以及不同部位的支撐方式。異形坯二次冷卻區(qū)的輥列支撐、噴嘴布置，要滿足鑄坯生長過程的冷卻、支撐作用。采用離線仿真模型，對凝固過程進行模擬，優(yōu)化設(shè)計，避免熱應(yīng)力、鼓肚應(yīng)力引起的裂紋。采用二冷水動態(tài)控制，保證鑄坯表面溫度按目標設(shè)定值平穩(wěn)下降。中包控流、水口設(shè)置、引錠頭設(shè)計、開澆水量的控制都有嚴格的要求，需要完整的工藝參數(shù)。以上都是本項目需要研究解決的關(guān)鍵問題。

二、解決問題的思路與技術(shù)方案

總體研發(fā)思路為，從設(shè)備開發(fā)、模型開發(fā)兩方面著手，通過設(shè)備研發(fā)為計算模型提供基礎(chǔ)，模型研發(fā)為設(shè)備開發(fā)提供理論依據(jù)，相互驗證、推動。在形成一套完整的重型異形坯鑄機設(shè)備的同時，提出詳細的理論支撐。開發(fā)出相應(yīng)的冶金模型，輔助設(shè)備設(shè)計的同時，得到合理的連鑄工藝，形成一整套生產(chǎn)工藝參數(shù)。使研發(fā)的設(shè)備、工藝參數(shù)做到有的放矢，確保鑄機的穩(wěn)定生產(chǎn)。

1、文獻調(diào)研。收集目前國內(nèi)外關(guān)于異形坯鑄機的相關(guān)文獻、專利以及應(yīng)用情況，確定當前技術(shù)的優(yōu)缺點；分析重型異形坯鑄機的關(guān)鍵參數(shù)，確定要重點解決的環(huán)節(jié)，制定合理的方案路線；

2、鑄機機型的確定，對重型異形坯鑄機的核心設(shè)備：結(jié)晶器、夾持段、拉矯系統(tǒng)，進行系統(tǒng)開發(fā)。確保異形坯、板坯生產(chǎn)的兼容性，根據(jù)異形坯、板坯兼容生產(chǎn)，確定板坯扇形段的結(jié)構(gòu)，輥子的特殊冷卻方式；

3、通過對結(jié)晶器內(nèi)鑄坯傳熱過程進行模擬計算，確定結(jié)晶器冷卻結(jié)構(gòu)、錐度、開口度等關(guān)鍵參數(shù)；

4、開發(fā)異形坯凝固過程仿真模型，對噴嘴、二冷、輥列輔助設(shè)計系統(tǒng)開發(fā)。冷卻區(qū)和噴嘴為空間布置，其噴出的水量最終轉(zhuǎn)化為鑄坯表面的水流密度。再通過傳熱計算，得到不同鑄坯表面溫度，對冷卻回路、噴嘴布置進行優(yōu)化。通過對二冷區(qū)的鑄坯鼓肚狀態(tài)的模擬分析，對夾持段的輥列進行校核；

5、二冷動態(tài)控制模型開發(fā),異形坯的二冷水控制，采用基于“坯齡模型”二次冷卻動態(tài)控制。由于有效拉速考慮到了鑄坯坯殼的生長情況，考慮到了鑄坯的傳熱和凝固特點，進行動態(tài)冷卻控制，使鑄坯按目標表面溫度曲線緩慢下降。為了提高計算速度，實現(xiàn)多流并行計算，采用“間斷伽略金有限元”算法編寫異形坯溫度場在線計算程序。用于實時計算連鑄坯的溫度場，進行在線熱狀態(tài)監(jiān)測。可以直觀地顯示澆鑄過程中鑄坯表面特定位置的冷卻曲線和凝固熱節(jié)點處的固相率曲線，揭示鑄坯冷卻的均勻狀態(tài)。

三、主要創(chuàng)新性成果

1、針對重型異形坯連鑄機的裝備空缺和設(shè)計難點，對核心關(guān)鍵裝備技術(shù)方面開展了研究，實現(xiàn)了重型異形坯鑄機的完全國產(chǎn)化，不僅填補了我國重型異形坯鑄機的技術(shù)空白，而且創(chuàng)造了多項國際領(lǐng)先技術(shù)指標。生產(chǎn)的重型異形坯尺寸（1200mm×500mm×120mm）為國際上已投產(chǎn)同類異形坯最大規(guī)格。

（1）【難題】重型異形坯結(jié)晶器的寬面形狀復雜，采用銅板上打孔的冷卻結(jié)構(gòu)，如圖1所示。異形坯結(jié)晶器幾個角部區(qū)域的傳熱控制是銅板設(shè)計的關(guān)鍵，通過優(yōu)化開孔的大小、間距，盡量提高傳熱的均勻性。重型異形坯結(jié)晶器重量較重，而且異形坯的摩擦力也較大，在仿弧過程中，意外載荷也要大于常規(guī)鑄機。振動裝置必須有足夠的剛度，否則就會發(fā)生偏擺、共振等現(xiàn)象。【創(chuàng)新與成效】本研究從熱量傳導、應(yīng)力分布的角度，搞清楚鑄坯在結(jié)晶器內(nèi)的凝固規(guī)律。通過建立二維傳熱-應(yīng)力耦合模型，應(yīng)用ANSYS有限元軟件進行穩(wěn)態(tài)熱傳導有限元分析，計算異形坯組合式結(jié)晶器銅板的彎月面區(qū)結(jié)晶器溫度場，其溫度分布如圖2所示。通過模擬不同工況、開孔方式，將銅板熱面的最大溫差控制在60℃，大大減小鑄坯局部的熱應(yīng)力。通過凝固過程的模擬，得到在結(jié)晶器內(nèi)鑄坯的收縮量，對結(jié)晶器的錐度進行合理設(shè)置，保證鑄坯坯殼厚度的均勻增長。

通過對液壓振動裝置振動過程，進行模態(tài)分析和強度計算，如圖3所示。分析其固有頻率和應(yīng)力分布情況，以實現(xiàn)對振動裝置的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，確保偏載情況下設(shè)備穩(wěn)定性。

（2）【難題】鑄坯進入夾持段后，坯殼很薄、鑄坯溫度較高。夾持段給鑄坯支撐作用，防止鑄坯的鼓肚，同時要進行噴水二次冷卻，促使坯殼均勻生長。異形坯的形狀較為復雜，如果設(shè)備夾持不合理，或二冷水冷卻不均，機械應(yīng)力、熱應(yīng)力就會導致鑄坯表面、內(nèi)部產(chǎn)生裂紋。重型異形坯的腹板較寬，最大的寬度達到了約900mm，腹板必須設(shè)置夾持輥直到全凝固。其翼板高度達到了500mm，而且翼板內(nèi)側(cè)是一個斜面，無法設(shè)置夾持輥，只能靠坯殼本身的剛度來支撐。當鼓肚變形發(fā)生后，在蠕變的作用下，其還有進一步加大的趨勢?！緞?chuàng)新與成效】異形坯夾持段復雜的結(jié)構(gòu)、受力狀況，需要建模計算其生產(chǎn)過程中的應(yīng)力、應(yīng)變情況，如圖4所示。采用真實的鑄坯幾何形狀，采用ANSYS三維實體模型進行模擬計算，計算該鑄坯在生產(chǎn)過程中的鼓肚情況，作為夾持輥布置的設(shè)計依據(jù)。計算出的鑄坯翼板、腹板鼓肚變形狀況，如圖5所示。生產(chǎn)表明，通過增加重型異形坯翼緣外側(cè)的夾持輥，將外側(cè)的鼓肚量控制在0.4mm以內(nèi)，翼緣內(nèi)側(cè)的鼓肚量完全能夠滿足要求。

（3）【難題】異形坯的形狀決定了其抗彎模量很大，不易矯直，如果矯直方式設(shè)置不合理，可能導致矯直后的鑄坯翼緣發(fā)生變形，影響后工序的軋制?！緞?chuàng)新與成效】矯直曲線、矯直力控制、驅(qū)動力的確定為拉矯系統(tǒng)的幾個關(guān)鍵參數(shù)。本研究拉矯機的矯直曲線采用了連續(xù)矯直的方式，矯直過程中，鑄坯的曲率是連續(xù)變化的，避免了矯直過程中的應(yīng)力集中。對拉矯機各機架的驅(qū)動力分配進行計算，得到各機架的電機負荷系數(shù)，確定其電機、減速機的選型是否滿足拉坯力的需要。通過模擬計算，得到不同工況下鑄坯的變形、應(yīng)力分布情況，以及拉矯機機架的應(yīng)力分布情況，如圖6所示，保證拉矯機長時間穩(wěn)定工作。

研發(fā)的國內(nèi)首臺重型異形坯連鑄機，生產(chǎn)鑄坯單重超過2t，最大寬度1200m，高度達500m，為世界最大斷面異形坯。該鑄坯通過萬能型軋機軋制成大型云軌，用于高速云軌交通項目，如圖7所示。

2、開發(fā)了重型異形坯連鑄的核心工藝軟件，包括異形坯凝固仿真模型，以及噴嘴、二冷、輥列的輔助設(shè)計系統(tǒng)等。

【難題】異形坯翼緣內(nèi)側(cè)帶有一定的傾斜角度，拐角處的表面為曲面，斷面上各點的散熱條件差別很大，使得異形坯斷面上各點的溫差很大。二冷段噴嘴選型、輥列布置稍有不合理，會加劇這種鑄坯表面溫度的不均勻性，從而加大鑄坯表面裂紋的傾向以及產(chǎn)生較大的鼓肚量?！緞?chuàng)新與成效】本研究利用Gmsh三維有限元網(wǎng)格生成軟件以及自編溫度場計算程序，對二冷區(qū)鑄坯的溫度場進行計算，可以得到穩(wěn)態(tài)下不同區(qū)域的鑄坯橫截面上的溫度分布，以及各關(guān)鍵點的溫降曲線，如圖8所示。結(jié)合噴嘴、輥列輔助設(shè)計系統(tǒng)，確定出冷卻區(qū)的劃分、水量分布等參數(shù)，從而優(yōu)化噴嘴和輥列的布置、選型。

噴嘴、輥列輔助設(shè)計考慮了實際冷卻區(qū)的布置，以及輥間噴嘴、輥子的空間分布，并根據(jù)實際的噴嘴布置計算鑄坯表面的水流密度。以鑄坯表面為計算區(qū)域，在橫截面內(nèi)，按照順時針順序劃分網(wǎng)格，在拉坯方向按照等間距將網(wǎng)格進行拉伸得到整個計算區(qū)域。冷卻區(qū)和噴嘴為空間布置，其噴出的水量最終轉(zhuǎn)化為鑄坯表面的水流密度。計算得到的水流密度分布、溫度分布，異形坯各部位的鼓肚、應(yīng)力分布情況，如圖9所示。通過優(yōu)化噴嘴的位置、流量、輥列布置，可以得到更加均勻的溫度分布、鼓肚量，降低鑄坯應(yīng)力，減少裂紋的出現(xiàn)。

3、開發(fā)了異形坯二冷水在線動態(tài)控制系統(tǒng)，首次實現(xiàn)了異形坯的在線熱跟蹤。

【難題】異形坯因其幾何形狀復雜，無法采用正交、結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)格，用有限差分法進行計算存在困難，目前尚未見到異形坯連鑄采用在線溫度場計算的應(yīng)用。因此難以實現(xiàn)二冷水的動態(tài)控制?！緞?chuàng)新與成效】本研究開發(fā)了異形坯的二冷水動態(tài)控制模型，采用基于“坯齡模型”二次冷卻動態(tài)控制，用等效拉速代替鑄機的實時拉速，對鑄坯進行二次冷卻調(diào)節(jié)。根據(jù)在線溫度場計算模型的計算結(jié)果，對二冷水動態(tài)調(diào)整，使鑄坯按目標表面溫度曲線緩慢下降。為了提高計算速度，實現(xiàn)多流并行計算，采用了“間斷伽略金有限元”算法編寫了異形坯溫度場在線計算程序。用于實時計算連鑄坯的溫度場，進行在線熱狀態(tài)監(jiān)測?？梢灾庇^地顯示澆鑄過程中鑄坯表面特定位置的冷卻曲線和凝固熱節(jié)點處的固相率曲線，揭示鑄坯冷卻的均勻狀態(tài)，如圖10所示。在線溫度場模型網(wǎng)格數(shù)：299萬，計算時間：0.92秒，溫度控制：±15℃以內(nèi)。

4、開發(fā)了非對稱異形坯連鑄技術(shù)，可顯著提高云軌軋制效率、降低能耗，非對稱異形坯為國際首創(chuàng)。

【難題】云軌和常規(guī)的熱軋H型鋼的不同之處，在于其上下翼緣的高度不同。不僅對軋鋼工序、工藝提出了很多不同要求，而且對鑄坯要求也不相同。采用常規(guī)的異形坯需要增加軋制道次，而且成材率不高。【創(chuàng)新與成效】開發(fā)一種非對稱的異形坯，其上下翼緣高度根據(jù)軋鋼需求而定。根據(jù)非對稱異形坯尺寸的要求，開發(fā)出了相應(yīng)的結(jié)晶器、夾持段設(shè)備，如圖11所示。異形坯的鼓肚計算采用ANSYS實體模型計算，通過對比已有大斷面異形坯的鼓肚變形情況，和非對稱斷面0.5m/min拉速時的鼓肚變形情況，確定密排夾持輥的分布，如圖11所示。

四、應(yīng)用情況與效果

津西重型異形坯鑄機投產(chǎn)后，迅速達產(chǎn)，和同類大型進口鑄機相比，節(jié)約外匯～700萬歐元，建設(shè)工期縮短一年。三年實現(xiàn)累計銷售收入~55億元，利潤5億元，為業(yè)主創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟效益。

本重型異形坯鑄機技術(shù)的成功研發(fā)，滿足了市場對大型H型鋼坯料的需求，同時填補了國產(chǎn)重型異形坯鑄機的技術(shù)空白。該鑄機是我國第一套國產(chǎn)超大斷面異形坯鑄機，也是投產(chǎn)時世界上最大斷面的異形坯鑄機，標志著我國超大規(guī)格異形坯鑄機的設(shè)計、制造、生產(chǎn)工藝達到世界領(lǐng)先水平，有力推動了大斷面連鑄技術(shù)的發(fā)展。為我國熱軋重型H型鋼的逐步推廣使用，打下了堅實的基礎(chǔ)，具備良好的社會效益。