异型坯连铸机结晶器设计研究Word文档格式.docx
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表1-1.异型坯各部位名称、代号及尺寸
铸坯截面尺寸（mm）
节园直径
Ф1（mm）
凝固园直径
Ф2（mm）
翼梢倒角
a（°
）
翼梢半径R1（mm）
翼根半径R2（mm）
翼缘高度T（mm）
翼梢厚度w（mm）
腹板厚度t（mm）
腹板长度h（mm）
铸坯长度H（mm）
500×
300×
120
141.2
155.5
20
50
12
300
284
500
555×
440×
90
138.6
157.9
17.1
70
440
68
311
555
730×
370×
128.4
147
19.7
370
60
510
730
750×
450×
161.7
175
450
400
750
1024×
100
149.2
167.1
380
80
740
1000
连铸异型坯的称谓除按钢种分类外，通常以H即铸坯两翼间尺寸来区分，＜430mm的为小异型坯，≥430mm为大异型坯，以上划分与结晶器铜管的形式有着密切的关系。
目前，世界上已经浇注出的最大规格的异型坯为1100mm，在国内也已能够生产。
2.异型坯结晶器的形式
异型坯结晶器总成由铜管、内水套、外水套、给水管、排水管、水环、底部和顶部法兰以及润滑法兰等部件组成。
异型坯结晶器有以下几种形式：
1）带足辊和不带足辊
不带足辊的设计主要考虑便于漏钢后清理方便。
2）开有油槽和不开油槽
设计油槽用于敞开油润滑浇注方式。
3）结晶器铜管形式
异型坯结晶器形式，最主要的区别在于结晶器铜管类型采用管式还是板式。
对此有两种不同的看法：
一种是不论规格大小，铜管均应采用板式；
另一种看法是从成本考虑，小异型坯可采用管式铜管，而大异型坯应采用板式铜管。
实际生产经验表明，后一种意见是可行的。
处于临界规格的异型坯（如430mm），也有采用管式结晶器铜管的实例，但使用效果并不理想。
3.技术要求
结晶器总成设计，技术要求为结构简单，便于拆装和调整，易于加工制造；
要有较好的结构刚性，并且重量要轻，以便在振动时，具有较小的惯性力。
典型的结晶器设计技术要求：
结晶器铜管材料DHP镀铬
型式抛物线管式/板式结晶器
铜管冷却闭路
冷却水连接更换结晶器时自动连接
供水压力0.65～0.75MPa
水缝4mm
水缝流速60～12m/s
水温（进水/出水）≤35℃/≤53℃
4.异型坯结晶器的内腔断面选取原则
近终型异型坯连铸技术在国内尚处于发展阶段，鉴于技术的复杂性，因此有许多技术问题需进一步开发研究，其中包括结晶器技术。
首先，异型坯的特殊形状，导致对其温度场应力场的分析较为困难。
其次，异型坯结晶器的浇注不同于其他类型铸坯，双浇注口导致两个互相影响的热区存在，使得结晶器内的钢水温度场和流场变得更为复杂。
近年来，国内一些科研机构与生产厂，在这方面开展了合作研发，并取得较为明显的突破。
在连铸异形坯凝固传热特点的基础上，建立了异形坯凝固传热模型，计算异形坯凝固过程中的温度分布，并通过实测铸坯表面温度，对传热模型的可靠性进行了验证。
连铸异型坯凝固过程的数值模拟研究，揭示了异形坯结晶器内钢水凝固过程，并得出异形坯钢水凝固的特点，这对结晶器内腔的设计提供了相对可靠的理论依据。
金属凝固过程是指金属由液态向固态转变的相变过程，从微观角度，金属凝固是金属原子从无序状态到有序状态的转变，也是无规则原子团簇向原子按一定规则排列的固态结晶体的转变；
从宏观角度，金属凝固过程是液态金属将蓄含的显热和凝固潜热传给环境，由液态转变为固态的过程。
因此，金属的凝固过程伴随着结晶形核、长大，体系内流动、传热、传质等一系列复杂现象的物理化学过程。
连铸过程中钢液的凝固是从结晶器开始的，其传热过程包括：
中心液体与凝固坯壳的传热，凝固坯壳内的热传导、凝固坯壳与结晶器内壁的传热，铜壁自身的传热，铜壁与冷却水之间的传热。
潜热的释放是凝固区别于一般导热过程的显著特点。
4.1异型坯结晶器内钢水凝固特点
理论研究和现场实测数据，揭示了异形坯结晶器内钢水凝固过程，并得出了结晶器内异形坯钢水凝固的特点：
1）坯壳的温度分布沿整个结晶器壁面是不均匀的，当采用侧开孔浸入式水口浇注时，在正对水口侧孔冲击的结晶器壁面温度高，坯壳几乎不存在，结晶器出口处坯壳厚度也是不均匀的，在铸坯角部坯壳最厚，窄面位置其次，其余部分较薄。
2）从异形坯横断面形状可以看出，异形坯比表面积大，冷却条件好，但由于铸坯特有的形状，在凝固过程中翼梢的坯壳处于二维凝固区域，凝固速率最快，角部坯壳最厚达30～40mm，而腹板处于一维凝固区域凝固速率较慢，尤其在翼缘与腹板相接的弧形段，坯壳最薄只有2～5mm。
因而，异型坯横断面各部位的凝固特性较大差异，极易引起冷却不均或过冷。
目前，结晶器内腔结构设计已经有了较大改进，从最初的单锥度到双锥度、多锥度或连续锥度以及特殊形状的内腔设计。
4.2结晶器内腔确定基本原则
异形坯结晶器“H”型型腔是根据结晶器铜板传热理论和金属冷却过程收缩原理，在保证最佳冷却效果的前提下，设计腹板、翼板内侧、外侧锥度、铜板冷却水缝及宽边铜板冷却水孔和增速杆尺寸。
依据异型坯凝固过程的数值模拟研究结果和最新的结晶器设计实例，结晶器内腔确定的基本原则为：
1）根据连铸机所浇注占最大比例的钢种凝固收缩特性确定结晶器铜管的上下口尺寸以及管式结晶器的壁厚。
2）铜管以采用多锥度或连续锥度为宜。
3）为降低横断面上不同区域铸坯凝固后与结晶器铜管之间产生不均匀气隙而影响热传导效率，可用二维有限元模型来优化结晶器内腔形状以尽可能符合铸坯收缩规律（对此，也存另外一种截然相反的意见，即认为由于难以找到符合异型坯凝固收缩的规律，而有意识地人为制造出20～30μm气隙来达到传热均匀的目的，如新日铁-三菱重工的NSHYPERMOLD法）。
4）解决边角部热传导较快问题的基本思想是降低该部分的传热效率来消除因温度梯度过大而可能产生的铸坯缺陷。
普通长短边结合部温差可达50℃，而改进型结晶器温差不超过28℃。
5.异型坯结晶器的主要技术参数
典型的结晶器主要技术参数包括：
1）长度
作为一次冷却，结晶器长度设计极为重要。
结晶器越长，在相同的拉速下，出结晶器坯壳越厚，浇铸安全性越好。
然而，结晶器过于长的话，冷却效率会降低。
通常情况下，异型坯结晶器长度大致在700～830mm之间。
结晶器长度计算主要是考虑结晶器出口处要有足够的安全坯壳厚度。
结晶器出口处坯壳厚度以式1-1计算：
Sdk=（Mlk/Vmax×
K）-0.5（式1-1）
式中：
Sdk坯壳厚度，mm
Mlk结晶器有效长度，mm
Vmax最大浇注速度，m/min
K凝固系数，18～23mm·
min-0.5
2）锥度
铸坯的收缩与拉速有关，理论上，结晶器锥度应根据拉速变化而变化。
锥度的设定应考虑从液态钢液完全凝固以及冷却到常温所有收缩量。
根据钢种的成分以及连铸机型等因素，这种总的收缩取值在0.7%～1.2%之间。
3）结晶器上下口尺寸
根据连铸机所浇注占最大比例的钢种凝固收缩特性，以及选取的锥度来确定结晶器的上下口尺寸。
下表是两种规格结晶器设计实例。
表1-3结晶器上/下口、壁厚参数表
截面尺寸mm
浇注钢种
结晶器长度（mm）
上/下口尺寸（mm）
管式铜管壁厚（mm）
备注
普碳、低合金
800
443.8/440.75
30
320×
220×
85
323.7/320.6
4）水缝及水流速度
典型的内外水套之间的缝隙是4mm，流速6～12m/s。
6.异型坯结晶器的结构特点
6.1板式结晶器
异形坯结晶器内框架、外框架、侧框架结构复杂，加工面多，精度要求高，宽边内、外弧铜板为空间曲面，背面有水缝，细长的冷却水孔，定位键等。
一个带有足辊的板式结晶器结构为：
结晶器由四块铜板组成，2块宽板和2块窄板。
考虑到铜板或铜管的使用寿命，其表面镀有镀层。
铜板/管带有合适的锥度，锥度范围依据所浇注的钢种收缩率确定，铜板的弧度与浇注半径保持一致。
支承铜板的结晶器框架为经过加工的焊接钢结构件。
结晶器冷却水由连接到结晶器振动装置和结晶器框架的连接板引入。
结晶器框架与结晶器水套之间的的连接是通过二个经加工带有“O”形槽和“O”形硅橡胶圈的平面连接来实现的。
结晶器水套和结晶器框架之间的螺栓采用环套连接以便结晶器水套的更换。
结晶器还设有定位销，当结晶器放在振动台上时可自动对中。
结晶器外壳上装有易于操作的放气阀以释放安装后带进去的空气。
主要技术参数：
热轧/冷轧铜板材质Cu-Cr-Zr或Ag-Cu
铜板厚度
窄面～50mm
宽面～220mm
铜板长度700～820mm
镀层（Ni-Cr）～0.3mm
冷却水
流速6～12m/sec
压力
进水方式2进（宽面+窄面/组×
2）
出水方式4出（宽面×
2，窄面×
足辊8个/排
喷嘴水喷嘴
6.2管式结晶器
一种管式结晶器见图1-2。
图1-2管式结晶器总成图
管式异形坯结晶器主要由铜管、水套、给水管、排水管、喷淋水环、足辊、底部和顶部法兰等组成。
铜管可采用爆炸或挤压成形的抛物线管式结晶器，下端带喷淋环冷却足辊，有效长度800mm，冷却水接口为自动连接。
其制造成本低，修复及更换较容易。
结晶器冷却水和足辊水由连接到结晶器振动装置和结晶器框架的连接板引入。
结晶器框架与结晶器水套之间的的连接是通过带有“O”形槽和“O”形硅橡胶圈的平面连接来实现的。
型式抛物线管式结晶器
铜管外弧半径10000mm
结晶器长度/浇注断面800m/320×
85mm
800mm/430×
90mm
供水压力0.65MPa
水缝流速12m/s
水温（进水/出水）≤35℃/≤53℃
7.结语
异形坯连铸机结晶器的结构设计取决于所浇注的异形坯规格。
无论采用何种结晶器结构，在设计中特别重要的是结晶器长度、形状、水套中冷却水流速等参数。
参考文献
1）《连铸异型坯凝固过程的数值模拟》娄娟娟等，北京科技大学学报，2005年4月，第27卷第2期。
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