常规板坯连铸机结晶器技术.docx

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常规板坯连铸机结晶器技术

常规板坯连铸机结晶器技术

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【打印】　【进入论坛】　【评论】【字号大中小】　2006-12-0711-07

杨拉道刘洪王永洪刘赵卫邢彩萍田松林（西安重型机械研究所）

   结晶器是连铸机中的铸坯成型设备,是连铸机的核心设备之一。

其作用是将连续不断地注入其内腔的钢液通过水冷铜壁强制冷却,导出钢液的热量,使之逐渐凝固成为具有所要求的断面形状和一定坯壳厚度的铸坯,并使这种芯部仍为液相的铸坯连续不断地从结晶器下口拉出，为其在以后的二冷区域内完全凝固创造条件。

在钢水注入结晶器逐渐形成一定厚度坯壳的凝固过程中，结晶器一直承受着钢水静压力、摩檫力、钢水热量的传递等诸多因素引起的的影响，使结晶器同时处于机械应力和热应力的综合作用之下，工作条件极为恶劣，在此恶劣条件下结晶器长时间地工作，其使用状况直接关系到连铸机的性能，并与铸坯的质量与产量密切相关。

因此，除了规范生产操作、选择合适的保护渣和避免机械损伤外，合理的设计是保证铸坯质量、减小溢漏率、提高其使用寿命的基础和关键。

   板坯连铸机一般采用四壁组合式（亦称板式）结晶器，也有一个结晶器浇多流铸坯的插装式结构。

   结晶器主要参数的确定

   1结晶器长度H

   结晶器长度主要根据结晶器出口的坯壳最小厚度确定。

若坯壳过薄，铸坯就会出现鼓肚变形，对于板坯连铸机，要求坯壳厚度大于10～15mm。

结晶器长度也可按下式进行核算：

   H=（δ/K）2Vc＋S1＋S2 （mm）

   式中 δ——结晶器出口处坯壳的最小厚度，mm

   K——凝固系数，一般取K=18～22mm/min0.5

   Vc——拉速，mm/min

   S1——结晶器铜板顶面至液面的距离，多取S1=100mm

   S2——安全余量，S=50～100mm

   对常规板坯连铸机可参考下述经验：

   当浇铸速度≤2.0m/min时，结晶器长度可采用900～950mm。

   当浇铸速度2.0～3.0m/min时，结晶器长度可采用950～1100mm。

   当浇铸速度≥3.0m/min时，结晶器长度可采用1100～1200mm。

   2结晶器铜板厚度h

   铜板厚度的确定是依据热量传热原理和高温下的使用性能，具体说，与铜板材质、镀层、机械性能、拉速、冷却水量的大小和分布等有关。

研究表明，拉速高，铜板应随之减薄；反之，拉速低，铜板应随之增厚。

在考虑上述诸多因素后，铜板的厚度可由下式确定：

   h=hm+Δm+δm （mm）

   式中 hm——铜板冷却水槽深度，mm

   Δm——铜板加工余量，一般取Δm=10～15mm

   δm——铜板最终的有效厚度，一般取δm=10mm

   3结晶器内腔最大宽度Amax

   Amax=1.025×Bmax  （mm）

   式中 Bmax——板坯最大名义宽度，mm

   4宽边铜板最大宽度Cumax

   Cumax=Amax+2h+（100～150）  （mm）

   5无轻压下时，窄边铜板上、下口尺寸Zs、Zx

   Zs=1.025×D+2  （mm）

   Zx=1.019×D+2  （mm）

   式中 D——板坯名义厚度，mm

   如果考虑了凝固末端轻压下，则应再增加3～4mm。

另外，有的用户还要求按照自己的经验进行确定，这时须尊重用户意见。

   6单边调宽行程Sd

   Sd=（Amax－Bmin）/2+（30～50）  （mm）

   式中 Bmin——为板坯最小名义宽度，mm。

   7当用户无特殊要求时，生产当中结晶器下、上口尺寸Ax、As的确定

   Ax=（1.010～1.012）×B  （mm）

   As=Ax×（1+Δ×H）  （mm）

   式中 B——板坯名义宽度，mm

   Δ——结晶器锥度，一般取0.9%/m左右

   H——结晶器长度，m

   图1为结晶器上、下口尺寸示意图。

                          图1 结晶器上下口尺寸

   8结晶器夹紧力的计算

   每个结晶器有4组夹紧弹簧，上方两组，下方两组，其夹紧力为：

   FS1=1.5×ΣPA

   FS2=1.5×ΣPB

   式中 FS1——结晶器上口每个夹紧装置的夹紧力，mm

   FS2——结晶器下口每个夹紧装置的夹紧力，mm

   ΣPA——钢水静压力和内弧水箱移动所产生的摩擦力在上方的作用力，kN

   ΣPA——钢水静压力和内弧水箱移动所产生的摩擦力在下方的作用力，kN

   夹紧装置结构形式可采用弹簧夹紧、液压缸松开的方式，也可采用全液压夹紧方式。

   9热态板坯由宽调窄时的推力

   结晶器推力计算时，可参考《板坯连铸机设计与计算》一书，主要考虑下列因素：

（1）铸坯变窄时的推力。

（2）结晶器窄边钢水静压力。

   （3）宽窄边铜板因弹簧夹紧引起的摩擦力。

   （4）沿铸造方向窄边和铸坯之间的摩擦阻力。

   10结晶器下口与引锭头之间的间隙

   引锭进入结晶器后，结晶器下口宽度与引锭头宽度之间的间隙为4～9mm

   引锭进入结晶器后，结晶器下口厚度与引锭头厚度之间的间隙为4～5mm

   结晶器的优化问题

   1结晶器铜板材质

   结晶器铜板设计是结晶器设计的最重要环节。

铜板的导热效果及寿命主要与铜板的材质、热面镀层、结晶器冷却水水量、结晶器与足辊及二次冷却区的对弧精度有关，除此之外，合理的结构设计显得更为重要。

   结晶器铜板母材推荐采用CuCrZr合金，也可采用CuAg合金，在一台结晶器上两种材质也可一起采用，易磨损的窄面铜板采用CuCrZr材质，相对不易磨损的宽面铜板采用CuAg材质。

   铜板厚度一般取40～50mm。

   铜板镀层采用Ni-Cr、Ni-Fe、Ni-Co、Co-Ni等。

   铜板每次刨修量1.5mm。

   结晶器铜板的最小有效使用厚度（铜板表面至水槽底部）10mm。

   2铜板水槽分布

   结晶器铜板水槽的分布和传热密切相关，结构设计包括水槽的宽度、深度、数量分布及铜板固定螺栓的布置等。

其要点是设置合适的冷却水流量与流速，并考虑结晶器冷却的均匀性。

   设计时螺栓直径在M16～M20之间选取，螺栓间距应尽可能小，尽量减小固定螺栓近旁的水槽间距，并采用长短结合的水槽深度，即布置在铜板固定螺栓近旁的水槽可适当深一些，这样可有效降低固定螺栓处的铜板热面温度差，使结晶器热量传递及形成的坯壳更为均匀，如图2所示：

                      图2 不同尺寸的水槽深度

   表1是国外某钢厂常规板坯连铸机高拉速时结晶器铜板主要参数。

铜板材质

Cu-Cr－Zr

铜板厚度

35～40mm，表面温度小于350℃

水槽宽度

5mm

水槽间距

20mm

33mm（螺栓近旁）

水槽深度

15mm

21mm（螺栓近旁）

水速

大于9.0m/min（弯月面处）

   为了减小窄面铜板边缘的热面温度，可以采取在铜板边缘增加倾斜水槽或者增加角部通水孔，图3为角部倾斜水槽及通水孔示意图。

                       图3 角部倾斜水槽及通水孔

   3铜板冷却水量与水流速

   冷却水量以浇铸速度为依据，按照板坯断面周边长度取2.0～2.8ℓ/min/mm。

冷却水压力1.0MPa左右，根据结晶器水路结构和压力损失大小，必要时窄面水的控制回路增设0.2MPa的增压泵。

   对于常规板坯连铸机，冷却水流速应控制在6～10m/s之间。

   对于中薄板坯连铸机，冷却水流速应控制在10～13m/s之间。

   4窄边和宽边的热流比

设计时应注意，结晶器窄边和宽边的热流比一般在0.8～0.9时，铸坯不易出现裂纹。

   5液面处铜板温度分布

   结晶器液面处铜板温度沿水平方向的分布，应尽可能做到高低温度差△T≤10℃，以利于坯壳的均匀形成。

   6沿结晶器长度方向水槽的过渡圆弧

   如图4所示，过渡圆弧的半径不要选的过大，否则会影响铜板顶部与钢液面接触部位的冷却效果，可取R=30～100mm。

                           图4 水槽的过渡圆弧

   7铜板与水箱的密封

   铜板和水箱一般采用耐热橡胶O型密封条密封，这时密封槽不能按标准设计，O型密封条直径选定后，所选的密封槽应比标准规定的小。

这还不够，必要时，采用双密封条密封。

   8铜板外形

   在生产使用中，因为结晶器长时间热负荷工作，夹紧装置松动或窄边漂移，也可能由于设备加工及安装等原因，使窄面铜板的工作状态出现偏斜，如图5（a）所示，偏斜后出现了间隙a。

   如果a值过大，角部热阻增大，不利于该处坯壳的形成，容易造成漏钢，同时钢水容易进入角部间隙凝结，造成挂钢。

优化窄边铜板的外形可以改善这种状况。

   优化方案一，图5为解决窄边漂移的优化方案示意图。

改变窄边铜板断面形状，如图5（b）所示。

其原理是相对减薄窄边铜板的厚度，从而减小角部间隙。

窄边铜板断面形状改变后的工作状态如图5（c）所示，很明显，优化后的角部间隙b值要小于a值。

   图5 窄边偏移方案优化

   优化方案二，改变窄边铜板宽度方向的几何外形，如图5（d）所示。

结晶器上口不接触钢水，下口坯壳已经有一定厚度，所以对窄边铜板的上部和下部可以进行小量修正，以减小窄边铜板的相对宽度，从而减小角部间隙。

   9水路

   结晶器的设计应保证其安装在振动装置上后，水路能够自动接通，对中简单，固定和更换便捷。

   板坯宽度较宽时，结晶器每个宽面冷却水回路可由一个变为两个。

此时，其水箱的结构必须保证有足够的刚度。

   结晶器水各回路的流量调节阀必须设置在回水侧。

   结晶器水箱上部必须设置放气阀并设计渗水槽，而下部设置放水孔。

   10足辊

   根据浇铸速度和板坯断面尺寸，结晶器宽面足辊可设置1～3对，窄面足辊可设置2～5对。

   窄面足辊的对数≥2时，辊子轴承座除有垫片组调整辊子高度外，背面应增加弹簧支撑，以提高窄面足辊支撑板坯的实际效果。

根据钢水静压力确定弹簧力的大小。

   足辊喷淋架及喷嘴处于连铸机最易漏钢的部位，设计中必须考虑安装、拆卸的方便性。

   足辊轴承座立板与二冷喷嘴的相互位置应事先精确设计，避免干涉。

   设计中要注意解决好喷嘴布置与分段足辊中间支撑轴承座容易相互干涉的问题。

高拉速时结晶器下方可采用格栅支承结构。

   11调宽

   结晶器调宽可分为热态和冷态两大类，热连轧机要求热送的板坯具有按照周期输送板坯宽度的特点，则结晶器可采用浇铸过程中的热态调宽。

其它轧机无变换板坯宽度的要求，则结晶器可考虑冷态调宽。

调宽可以用电动机、液压马达、液压缸等驱动。

冷态调宽时，也可以用手动。

热态调宽的机械设计速度一般为0～120mm/min。

   浇注不同厚度板坯时，结晶器外弧线是一个不能变更的基准线，调宽装置应能够适应厚度的变化，必要时沿板坯厚度方向移动位置。

热态调宽时，可采用软夹紧。

夹紧装置在结晶器中的位置应保证钢水静压力的作用中心位于上下夹紧装置之间。

   按照不同的驱动源，调宽装置可分为电动（液压马达）式和液压缸式，液压缸式调宽装置由于结构简单而成为目前的发展方向。

   12窄面漂移

   窄面漂移是一个生产铸造过程当中十分头疼的问题，必须十分重视解决。

   13其他结构设计问题

（1）结晶器盖板设计时，大盖板固定，小盖板活动。

大盖板考虑液面检测装置的安装或放置位置，大小盖板既要考虑结晶器振动时互不发生干涉，又要考虑相互间的密封性，防止蒸汽逸出。

（2）结晶器本体设计时，可考虑自带支撑，而支撑柱子的长度，应大于设备最低限，但不能和弯曲段发生干涉。

   （3）为了保护环境，设置结晶器排烟装置。

   14结晶器维修

（1）结晶器是一个易损更换件，设有专门的维修场地。

设计时，结晶器的起吊、运输、维修和安装的方便性应充分考虑。

（2）漏钢后，如果需要将结晶器＋弯曲段＋事故坯同时吊离连铸生产线时，结晶器底部和弯曲段顶部应考虑相互导向和支撑点。

   结晶器的测量

   1结晶器宽度方向上、下口尺寸偏差δ≤0.25mm，如图6所示。

             图6                 图7                  图8

   2组合式结晶器宽面铜板和窄面铜板之间的接触间隙δ3≤0.3mm，如图7所示。

   3组合式结晶器4块铜板顶面高度差≤0.2mm。

   4结晶器宽度方向上、下口两侧锥度偏差之和δ4+δ4´≤0.25mm，如图8所示。

   5结晶器矩形偏差，即矩形断面的对角线之差≤1.0mm。

   6结晶器漏钢预报装置的误报率≤15%。

   7结晶器液面控制精度误差≤±3.0mm（99%的浇铸时间内）。

   与结晶器有关的技术与设备

   1结晶器漏钢预报装置与热成像

   解决粘结性漏钢问题除了改善保护渣质量并精心操作以确保拉速和结晶器液面稳定外，漏钢预报装置用于预先警告漏钢的发生是较有效的措施。

   目前研究的方法主要是热电偶测温、振波分析和摩擦阻力三种方法，其中热电偶测温方法的准确性相对较高，在生产中应用较为普遍。

   宝钢正在开发纵裂漏钢预报技术。

   利用漏钢预报系统热电偶检测到的温度，将温度分布以图像的形式直观地显示出来即热成像。

这一措施也是漏钢预报系统的完善和补充。

   2结晶器铜板温度控制系统

   德国西马克/德马克（SMS/DEMAG）公司开发了这一技术。

结晶器铜板温度控制主要是控制液面处的“热面”（与钢水接触的一面）温度。

其原理是收集中间罐的加热温度，钢水温度，拉坯速度，结晶器铜板材质和厚度，结晶器进、出水温度，所浇注钢种的凝固温度等参数，利用结晶器的进水量和出口水温将特定钢种液面处的铜板热面温度控制成理论上的恒定值。

对于不同钢种，将液面处的铜板热面温度控制在270℃～349℃，热流密度在2.8～2.96MW/m2，结晶器水温差在8.9～11.4℃。

这样做的目的是为了避免纵向裂纹，减少因保护渣熔化不良、流动不均匀而引起的铜板和坯壳之间的粘结，从而提高板坯质量，减少漏钢，稳定生产操作，并使结晶器铜板的热面温度远离其再结晶温度，减少铜板变形，提高铜板使用寿命，同时还可以省去开浇保护渣。

这一技术是连铸机生产中的深层次技术。

   3结晶器电磁钢流控制技术

   在低拉速时应用的板坯连铸机结晶器电磁搅拌技术主要优点是浇注高强度钢时，钢水中气体和夹杂物能够上浮，提高了液面的稳定性，防止保护渣卷入，使结晶器中钢水温度均匀，从而使坯壳厚度均匀，减少纵裂。

但也有人对这项技术持不同观点，认为结晶器电磁搅拌对板坯质量不会产生影响。

   自1982年川崎制铁水岛厂5号板连铸机使用电磁制动技术以来，ABB公司的电磁制动器已经在世界各地的板坯连铸机上应用了几十台。

这种技术可以使钢水冲击深度减小，增加夹杂物上浮的机会，提高钢水纯洁度，大量减少厚板坯的内部和皮下夹杂物，消除了保护渣被卷入的可能性，减少了漏钢的危险，也能够有效地减少表面的横向和纵向裂纹，削减液面上的动态和静态波动波形，增加液面温度，结晶器窄面坯壳无再度熔化现象，更换钢种时还可缩短交接坯（钢的混合域）的长度，优点非常突出。

   4结晶器液面监控技术

   结晶器液面监控技术有涡流式、电磁式、同位素式、浮子式、激光式、超声波式等各种有效的液面检控系统。

在板坯连铸机结晶器上应用较多的是涡流式和同位素式。

   5结晶器保护渣自动供给装置

   …… ……

   6使用不同保护渣时的常规检查及熔点、粘度检测设施。

   …… ……

  上面针对常规板坯连铸机讲述了“结晶器主要参数的确定”、“结晶器的优化问题”、“结晶器测量”、“与结晶器有关的技术与设备”，缺点错误在所难免。

需要指出的是，和其他任何技术一样，常规板坯连铸机结晶器技术的发展同样离不开理论与实践的结合，其优化设计也是一个永远的课题，需要在理论和实践中去不断探索。