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(fù)雜，在連鑄生產(chǎn)中容易出現(xiàn)裂紋、夾渣等缺陷，導(dǎo)致軋制時(shí)產(chǎn)品報(bào)廢率高。國(guó)內(nèi)的幾臺(tái)大斷面異形坯鑄機(jī)均為國(guó)外引進(jìn)，其最大斷面為1024mm×390mm×120mm。而國(guó)產(chǎn)的兩臺(tái)異形坯鑄機(jī)生產(chǎn)的異形坯最大寬度只有500mm，和引進(jìn)鑄機(jī)還存在較大的差距，我國(guó)此前還沒有完全掌握異形坯鑄機(jī)核心技術(shù)。當(dāng)需要生產(chǎn)新的斷面時(shí)，只能簡(jiǎn)單仿制，往往使用效果較差，鑄坯質(zhì)量難以保證。隨著，我國(guó)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(jī)，而且還需要進(jìn)一步加大其斷面。為此，開發(fā)我國(guó)用于軋制重型H型鋼的重型異形坯連鑄機(jī)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(jìn)程更長(zhǎng)，應(yīng)力情況非常復(fù)雜。鑄坯對(duì)整個(gè)凝固過(guò)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(shí)兼顧板坯、非對(duì)稱異形坯的生產(chǎn)，對(duì)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(zhǎng)，表面溫度平穩(wěn)下降。設(shè)備結(jié)構(gòu)合理，以保證較高對(duì)弧精度，同時(shí)更換快捷。
從設(shè)備設(shè)計(jì)、模型開發(fā)兩方面著手，開發(fā)的設(shè)備結(jié)構(gòu)為計(jì)算模型提供基礎(chǔ)，模型計(jì)算結(jié)果為設(shè)備開發(fā)提供理論依據(jù)，相互驗(yàn)證、推動(dòng)。在形成一套完整的重型異形坯鑄機(jī)裝備的同時(shí)，給出詳實(shí)可靠的理論支撐。研發(fā)出的冶金模型，輔助設(shè)備設(shè)計(jì)的同時(shí)，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(jī)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(gè)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(zhǎng)過(guò)程的冷卻、支撐作用。采用離線仿真模型，對(duì)凝固過(guò)程進(jìn)行模擬，優(yōu)化設(shè)計(jì)，避免熱應(yīng)力、鼓肚應(yīng)力引起的裂紋。采用二冷水動(dòng)態(tài)控制，保證鑄坯表面溫度按目標(biāo)設(shè)定值平穩(wěn)下降。中包控流、水口設(shè)置、引錠頭設(shè)計(jì)、開澆水量的控制都有嚴(yán)格的要求，需要完整的工藝參數(shù)。以上都是本項(xiàng)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(guò)設(shè)備研發(fā)為計(jì)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(yàn)證、推動(dòng)。在形成一套完整的重型異形坯鑄機(jī)設(shè)備的同時(shí)，提出詳細(xì)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(jì)的同時(shí)，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(jī)的穩(wěn)定生產(chǎn)。
1、文獻(xiàn)調(diào)研。收集目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于異形坯鑄機(jī)的相關(guān)文獻(xiàn)、專利以及應(yīng)用情況，確定當(dāng)前技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)；分析重型異形坯鑄機(jī)的關(guān)鍵參數(shù)，確定要重點(diǎn)解決的環(huán)節(jié)，制定合理的方案路線；
2、鑄機(jī)機(jī)型的確定，對(duì)重型異形坯鑄機(jī)的核心設(shè)備：結(jié)晶器、夾持段、拉矯系統(tǒng)，進(jìn)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?zhàn)拥奶厥饫鋮s方式；
3、通過(guò)對(duì)結(jié)晶器內(nèi)鑄坯傳熱過(guò)程進(jìn)行模擬計(jì)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(guò)程仿真模型，對(duì)噴嘴、二冷、輥列輔助設(shè)計(jì)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(guò)傳熱計(jì)算，得到不同鑄坯表面溫度，對(duì)冷卻回路、噴嘴布置進(jìn)行優(yōu)化。通過(guò)對(duì)二冷區(qū)的鑄坯鼓肚狀態(tài)的模擬分析，對(duì)夾持段的輥列進(jìn)行校核；
5、二冷動(dòng)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(dòng)態(tài)控制。由于有效拉速考慮到了鑄坯坯殼的生長(zhǎng)情況，考慮到了鑄坯的傳熱和凝固特點(diǎn)，進(jìn)行動(dòng)態(tài)冷卻控制，使鑄坯按目標(biāo)表面溫度曲線緩慢下降。為了提高計(jì)算速度，實(shí)現(xiàn)多流并行計(jì)算，采用“間斷伽略金有限元”算法編寫異形坯溫度場(chǎng)在線計(jì)算程序。用于實(shí)時(shí)計(jì)算連鑄坯的溫度場(chǎng)，進(jìn)行在線熱狀態(tài)監(jiān)測(cè)?？梢灾庇^地顯示澆鑄過(guò)程中鑄坯表面特定位置的冷卻曲線和凝固熱節(jié)點(diǎn)處的固相率曲線，揭示鑄坯冷卻的均勻狀態(tài)。
三、主要?jiǎng)?chuàng)新性成果
1、針對(duì)重型異形坯連鑄機(jī)的裝備空缺和設(shè)計(jì)難點(diǎn)，對(duì)核心關(guān)鍵裝備技術(shù)方面開展了研究，實(shí)現(xiàn)了重型異形坯鑄機(jī)的完全國(guó)產(chǎn)化，不僅填補(bǔ)了我國(guó)重型異形坯鑄機(jī)的技術(shù)空白，而且創(chuàng)造了多項(xiàng)國(guó)際領(lǐng)先技術(shù)指標(biāo)。生產(chǎn)的重型異形坯尺寸（1200mm×500mm×120mm）為國(guó)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(fù)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(gè)角部區(qū)域的傳熱控制是銅板設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，通過(guò)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(guò)程中，意外載荷也要大于常規(guī)鑄機(jī)。振動(dòng)裝置必須有足夠的剛度，否則就會(huì)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(dǎo)、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(guò)建立二維傳熱-應(yīng)力耦合模型，應(yīng)用ANSYS有限元軟件進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)有限元分析，計(jì)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(chǎng)，其溫度分布如圖2所示。通過(guò)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(guò)凝固過(guò)程的模擬，得到在結(jié)晶器內(nèi)鑄坯的收縮量，對(duì)結(jié)晶器的錐度進(jìn)行合理設(shè)置，保證鑄坯坯殼厚度的均勻增長(zhǎng)。
通過(guò)對(duì)液壓振動(dòng)裝置振動(dòng)過(guò)程，進(jìn)行模態(tài)分析和強(qiáng)度計(jì)算，如圖3所示。分析其固有頻率和應(yīng)力分布情況，以實(shí)現(xiàn)對(duì)振動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，確保偏載情況下設(shè)備穩(wěn)定性。
（2）【難題】鑄坯進(jìn)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(shí)要進(jìn)行噴水二次冷卻，促使坯殼均勻生長(zhǎng)。異形坯的形狀較為復(fù)雜，如果設(shè)備夾持不合理，或二冷水冷卻不均，機(jī)械應(yīng)力、熱應(yīng)力就會(huì)導(dǎo)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(dá)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(dá)到了500mm，而且翼板內(nèi)側(cè)是一個(gè)斜面，無(wú)法設(shè)置夾持輥，只能靠坯殼本身的剛度來(lái)支撐。當(dāng)鼓肚變形發(fā)生后，在蠕變的作用下，其還有進(jìn)一步加大的趨勢(shì)?！緞?chuàng)新與成效】異形坯夾持段復(fù)雜的結(jié)構(gòu)、受力狀況，需要建模計(jì)算其生產(chǎn)過(guò)程中的應(yīng)力、應(yīng)變情況，如圖4所示。采用真實(shí)的鑄坯幾何形狀，采用ANSYS三維實(shí)體模型進(jìn)行模擬計(jì)算，計(jì)算該鑄坯在生產(chǎn)過(guò)程中的鼓肚情況，作為夾持輥布置的設(shè)計(jì)依據(jù)。計(jì)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(guò)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(dǎo)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(dòng)力的確定為拉矯系統(tǒng)的幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。本研究拉矯機(jī)的矯直曲線采用了連續(xù)矯直的方式，矯直過(guò)程中，鑄坯的曲率是連續(xù)變化的，避免了矯直過(guò)程中的應(yīng)力集中。對(duì)拉矯機(jī)各機(jī)架的驅(qū)動(dòng)力分配進(jìn)行計(jì)算，得到各機(jī)架的電機(jī)負(fù)荷系數(shù)，確定其電機(jī)、減速機(jī)的選型是否滿足拉坯力的需要。通過(guò)模擬計(jì)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(jī)機(jī)架的應(yīng)力分布情況，如圖6所示，保證拉矯機(jī)長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作。
研發(fā)的國(guó)內(nèi)首臺(tái)重型異形坯連鑄機(jī)，生產(chǎn)鑄坯單重超過(guò)2t，最大寬度1200m，高度達(dá)500m，為世界最大斷面異形坯。該鑄坯通過(guò)萬(wàn)能型軋機(jī)軋制成大型云軌，用于高速云軌交通項(xiàng)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(jì)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(diǎn)的散熱條件差別很大，使得異形坯斷面上各點(diǎn)的溫差很大。二冷段噴嘴選型、輥列布置稍有不合理，會(huì)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(chǎng)計(jì)算程序，對(duì)二冷區(qū)鑄坯的溫度場(chǎng)進(jìn)行計(jì)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(diǎn)的溫降曲線，如圖8所示。結(jié)合噴嘴、輥列輔助設(shè)計(jì)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(jì)考慮了實(shí)際冷卻區(qū)的布置，以及輥間噴嘴、輥?zhàn)拥目臻g分布，并根據(jù)實(shí)際的噴嘴布置計(jì)算鑄坯表面的水流密度。以鑄坯表面為計(jì)算區(qū)域，在橫截面內(nèi)，按照順時(shí)針順序劃分網(wǎng)格，在拉坯方向按照等間距將網(wǎng)格進(jìn)行拉伸得到整個(gè)計(jì)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(jì)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(guò)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(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)，首次實(shí)現(xiàn)了異形坯的在線熱跟蹤。
【難題】異形坯因其幾何形狀復(fù)雜，無(wú)法采用正交、結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)格，用有限差分法進(jìn)行計(jì)算存在困難，目前尚未見到異形坯連鑄采用在線溫度場(chǎng)計(jì)算的應(yīng)用。因此難以實(shí)現(xiàn)二冷水的動(dòng)態(tài)控制。【創(chuàng)新與成效】本研究開發(fā)了異形坯的二冷水動(dòng)態(tài)控制模型，采用基于“坯齡模型”二次冷卻動(dòng)態(tài)控制，用等效拉速代替鑄機(jī)的實(shí)時(shí)拉速，對(duì)鑄坯進(jìn)行二次冷卻調(diào)節(jié)。根據(jù)在線溫度場(chǎng)計(jì)算模型的計(jì)算結(jié)果，對(duì)二冷水動(dòng)態(tài)調(diào)整，使鑄坯按目標(biāo)表面溫度曲線緩慢下降。為了提高計(jì)算速度，實(shí)現(xiàn)多流并行計(jì)算，采用了“間斷伽略金有限元”算法編寫了異形坯溫度場(chǎng)在線計(jì)算程序。用于實(shí)時(shí)計(jì)算連鑄坯的溫度場(chǎng)，進(jìn)行在線熱狀態(tài)監(jiān)測(cè)?？梢灾庇^地顯示澆鑄過(guò)程中鑄坯表面特定位置的冷卻曲線和凝固熱節(jié)點(diǎn)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(chǎng)模型網(wǎng)格數(shù)：299萬(wàn)，計(jì)算時(shí)間：0.92秒，溫度控制：±15℃以內(nèi)。
4、開發(fā)了非對(duì)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(duì)稱異形坯為國(guó)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(duì)軋鋼工序、工藝提出了很多不同要求，而且對(duì)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?！緞?chuàng)新與成效】開發(fā)一種非對(duì)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(duì)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(jì)算采用ANSYS實(shí)體模型計(jì)算，通過(guò)對(duì)比已有大斷面異形坯的鼓肚變形情況，和非對(duì)稱斷面0.5m/min拉速時(shí)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(jī)投產(chǎn)后，迅速達(dá)產(chǎn)，和同類大型進(jìn)口鑄機(jī)相比，節(jié)約外匯～700萬(wàn)歐元，建設(shè)工期縮短一年。三年實(shí)現(xiàn)累計(jì)銷售收入~55億元，利潤(rùn)5億元，為業(yè)主創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。
本重型異形坯鑄機(jī)技術(shù)的成功研發(fā)，滿足了市場(chǎng)對(duì)大型H型鋼坯料的需求，同時(shí)填補(bǔ)了國(guó)產(chǎn)重型異形坯鑄機(jī)的技術(shù)空白。該鑄機(jī)是我國(guó)第一套國(guó)產(chǎn)超大斷面異形坯鑄機(jī)，也是投產(chǎn)時(shí)世界上最大斷面的異形坯鑄機(jī)，標(biāo)志著我國(guó)超大規(guī)格異形坯鑄機(jī)的設(shè)計(jì)、制造、生產(chǎn)工藝達(dá)到世界領(lǐng)先水平，有力推動(dòng)了大斷面連鑄技術(shù)的發(fā)展。為我國(guó)熱軋重型H型鋼的逐步推廣使用，打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，具備良好的社會(huì)效益。
