連鑄大斷面矩形坯管式結(jié)晶器關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用

牟桂梅

（秦皇島首鋼長(zhǎng)白機(jī)械有限責(zé)任公司，河北秦皇島 066311）

近年來，隨著國內(nèi)大斷面尺寸鋼材需求的增長(zhǎng)，大斷面連鑄機(jī)不斷增加，連鑄坯斷面規(guī)格不斷增大，同時(shí)對(duì)大斷面連鑄坯質(zhì)量的要求也在逐步提高。結(jié)晶器是連鑄機(jī)的關(guān)鍵部件，鋼液注入結(jié)晶器經(jīng)強(qiáng)制冷卻形成一定厚度的凝固坯殼。目前國內(nèi)大斷面矩形坯連鑄生產(chǎn)中大量使用管式結(jié)晶器，相比組合式結(jié)晶器具有冷卻均勻、設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和質(zhì)量輕的特點(diǎn)。連鑄大斷面矩形坯管式結(jié)晶器主要澆鑄優(yōu)質(zhì)鋼和合金鋼，如軸承鋼、彈簧鋼、重軌鋼、硬線鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼等鋼種。

大斷面矩形坯是指寬邊大于250 mm，長(zhǎng)邊小于450 mm 的連鑄坯，如規(guī)格為280 mm×380 mm；或長(zhǎng)邊大于250 mm 且長(zhǎng)寬邊之比大于2 的連鑄坯，如150 mm×380 mm，目前矩形坯管式結(jié)晶器最大斷面達(dá)到180 mm×570 mm。由于大斷面矩形坯尺寸較大，管式結(jié)晶器銅管壁厚相對(duì)較薄，銅管壁面易于產(chǎn)生變形，降低使用壽命；提高連鑄機(jī)拉坯速度，鑄坯容易產(chǎn)生鼓肚變形、裂紋、漏鋼等連鑄坯缺陷。解決辦法是對(duì)大斷面矩形坯結(jié)晶器特性參數(shù)、冷卻參數(shù)、足輥結(jié)構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，在連鑄生產(chǎn)中取得較好的使用效果，有效提高連鑄機(jī)拉坯速度、鑄坯質(zhì)量和連鑄生產(chǎn)效率。

1 優(yōu)化結(jié)晶器特性參數(shù)

大斷面矩形坯結(jié)晶器銅管不同于普通方坯結(jié)晶器銅管，優(yōu)化結(jié)晶器特性參數(shù)關(guān)鍵是優(yōu)化設(shè)計(jì)銅管材質(zhì)、壁厚、圓角半徑、倒錐度和銅管支撐形式，以提高銅管傳熱效率。

1.1 銅管材質(zhì)

采用含銀量0.1%的銀銅，銀銅導(dǎo)熱性好，再結(jié)晶溫度高，抗熱疲勞強(qiáng)度高，耐磨性好，使用壽命長(zhǎng)。銀銅再結(jié)晶溫度約在300 ℃，能提高銅管的軟化溫度，由于銀銅經(jīng)冷加工后具有較高的強(qiáng)度和剛度，使銅管不易變形，提高了使用壽命。

1.2 銅管壁厚

管式結(jié)晶器銅管壁厚直接影響結(jié)晶器傳熱，根據(jù)澆鑄結(jié)晶器鑄坯斷面規(guī)格、銅管受力變形及結(jié)晶器傳熱情況綜合考慮。如壁厚較薄，銅管在結(jié)晶器水壓和熱應(yīng)力共同作用下會(huì)產(chǎn)生較大變形；如壁厚較厚，結(jié)晶器傳熱使銅管熱面溫度超過軟化溫度，引起銅管與坯殼粘結(jié)或?qū)е裸~管變形。應(yīng)合理選擇銅管壁厚，壁厚足夠可保證銅管使用過程中的剛度，同時(shí)利于水縫尺寸均勻性，大斷面矩形坯管式結(jié)晶器銅管壁厚選擇18～25 mm。

1.3 銅管圓角半徑

結(jié)晶器銅管內(nèi)腔圓角半徑的尺寸對(duì)鑄坯質(zhì)量有較大影響，若內(nèi)圓角半徑大，角部坯殼薄且易出現(xiàn)縱裂；若內(nèi)圓角半徑小，易在偏離角部出現(xiàn)內(nèi)裂。目前國內(nèi)大斷面矩形坯管式結(jié)晶器內(nèi)圓角半徑一般選擇8～12 mm。

1.4 銅管倒錐度

為使?jié)茶T時(shí)凝固坯殼與銅管內(nèi)壁良好接觸，減小氣隙,要求設(shè)計(jì)合理的銅管倒錐度及內(nèi)腔形狀，倒錐度與鑄坯斷面尺寸、拉速及澆注鋼種的含碳量有關(guān)，目前國內(nèi)大斷面矩形坯銅管內(nèi)腔形狀通常為拋物線、多錐度等，使鑄坯在結(jié)晶器內(nèi)形成最佳的坯殼厚度。優(yōu)化銅管倒錐度，能使氣隙熱阻顯著下降，提高結(jié)晶器冷卻效果，提高拉速時(shí)可有效防止和減少縱向裂紋，減少漏鋼事故，有利于提高鑄坯質(zhì)量。

1.5 銅管支撐形式

大斷面矩形坯結(jié)晶器銅管結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于制造和維護(hù)，但價(jià)格較高，為降低生產(chǎn)成本，要求一次性使用壽命長(zhǎng)，由于銅管管壁相對(duì)較薄，使用過程中銅管上下兩端管壁容易向內(nèi)凸起變形，直接影響銅管使用壽命。采取措施是設(shè)計(jì)內(nèi)止口結(jié)晶器，即在銅管上下兩端口部設(shè)計(jì)內(nèi)止口結(jié)構(gòu)，通過銅管與密封法蘭的止口配合，實(shí)現(xiàn)銅管上下兩端定位，有效支撐銅管內(nèi)腔口部，達(dá)到減小銅管變形量，如圖1中Ⅰ、Ⅱ放大視圖所示。

圖1 大斷面矩形坯管式結(jié)晶器總成裝配

內(nèi)止口結(jié)晶器定位精度高，對(duì)中性好，能有效解決結(jié)晶器銅管上下兩端口部變形問題,保證結(jié)晶器銅管內(nèi)腔倒錐度曲線不變，減緩銅管倒錐度的磨損，提高結(jié)晶器銅管的壽命,同時(shí)銅管內(nèi)止口結(jié)構(gòu)裝配精度高，有效保證水縫的整體均勻性，使銅管全長(zhǎng)均勻傳熱，熱交換效率高,有效保證高拉速,增加過鋼量。

2 優(yōu)化結(jié)晶器冷卻參數(shù)

大斷面矩形坯結(jié)晶器采用水縫管式結(jié)構(gòu),通過結(jié)晶器銅管和導(dǎo)流水套之間形成的縫隙作為冷卻水通道,用以帶走鋼液凝固時(shí)釋放的熱量并冷卻結(jié)晶器銅管。優(yōu)化結(jié)晶器冷卻參數(shù)關(guān)鍵是優(yōu)化設(shè)計(jì)水縫寬度、水縫定位結(jié)構(gòu)、結(jié)晶器冷卻水，保證結(jié)晶器銅管具有高冷卻強(qiáng)度且冷卻均勻,提高結(jié)晶器冷卻效率。

2.1 水縫寬度

優(yōu)化水縫寬度，利于降低結(jié)晶器銅管熱面溫度及減少銅管變形。目前大斷面矩形坯管式結(jié)晶器采用窄水縫，水縫寬度為4±0.2mm，窄水縫可提高冷卻水流速，水縫均勻有利于銅管冷卻強(qiáng)度一致性，使鑄坯均勻凝固。

2.2 水縫定位結(jié)構(gòu)

優(yōu)化設(shè)計(jì)水縫定位結(jié)構(gòu)，利于控制導(dǎo)流水套內(nèi)腔形狀及尺寸精度。目前大斷面矩形坯管式結(jié)晶器普遍采用焊接式導(dǎo)流水套，水套長(zhǎng)寬尺寸大使管壁易于變形，同時(shí)水套焊接處使管壁鼓肚變形，均使冷卻水流速局部降低，導(dǎo)致相應(yīng)部位銅管表面溫度顯著提高，影響鑄坯質(zhì)量。

解決辦法是在水套管壁外側(cè)設(shè)計(jì)環(huán)形加強(qiáng)筋，加強(qiáng)水套管壁強(qiáng)度，保證水套內(nèi)腔尺寸精度，同時(shí)在銅管寬面部位設(shè)計(jì)銅管固定螺栓結(jié)構(gòu)，螺栓一端與銅管端聯(lián)接，另一端與水套端固定，銅管和水套之間的調(diào)整螺釘使水縫寬度可調(diào)，實(shí)現(xiàn)加強(qiáng)銅管寬面強(qiáng)度，減小銅管變形，水縫尺寸均勻。銅管固定螺栓結(jié)構(gòu)如圖1中B-B、Ⅲ放大視圖所示。

2.3 結(jié)晶器冷卻水

水縫式結(jié)晶器采用閉路循環(huán)冷卻方式,鋼液在結(jié)晶器內(nèi)形成凝固坯殼時(shí)所放出的熱量主要是由冷卻水帶走,結(jié)晶器冷卻水流速、壓力、流量及水質(zhì)直接影響冷卻強(qiáng)度,要嚴(yán)格控制控制結(jié)晶器水壓、水流量、水質(zhì)和水溫差,確保有足夠的冷卻強(qiáng)度。

（1）水流速。冷卻水流速對(duì)結(jié)晶器冷卻效果影響很大，連鑄生產(chǎn)中要求水流速達(dá)到10～12m/s，流速大使冷卻強(qiáng)度增強(qiáng)。

（2）水壓力。結(jié)晶器進(jìn)水壓力一般為0.8～1.0 MPa，優(yōu)化冷卻水壓力，可提高水流速，降低結(jié)晶器銅管熱面溫度，減少銅管熱變形，冷卻水壓力不足會(huì)導(dǎo)致冷卻水局部沸騰，造成冷卻不均。

（3）水流量。結(jié)晶器水流量大小取決于斷面、鋼種和拉速,當(dāng)水流速確定后，水流量主要與水縫面積有關(guān)，選擇最佳的結(jié)晶器冷卻水量，使銅管上下的溫度分布均勻，溫差控制在2～6℃，保證澆注過程中的穩(wěn)定性，保證鑄坯質(zhì)量。增大結(jié)晶器冷卻水流量可相應(yīng)提高冷卻強(qiáng)度，結(jié)晶器內(nèi)耗水量過大，鑄坯會(huì)產(chǎn)生裂紋，過小又易造成鼓肚或漏鋼。結(jié)晶器水流量應(yīng)根據(jù)鋼種、拉速調(diào)整。

（4）水質(zhì)。結(jié)晶器冷卻水質(zhì)要求：軟水PH=7～8，硬度小于1°Dh。避免銅管冷面有沉淀物和水垢，影響結(jié)晶器冷卻效果，以減少結(jié)晶器永久變形，提高銅管使用壽命。

2.4 結(jié)晶器進(jìn)出水冷卻結(jié)構(gòu)

大斷面矩形坯結(jié)晶器斷面較大，特別是長(zhǎng)寬邊之比大于2的結(jié)晶器，要求結(jié)晶器冷卻水在銅管各面的進(jìn)水水流速相同并且水流分布穩(wěn)定，采用結(jié)晶器兩路進(jìn)水、兩路出水方式，進(jìn)出水口布置在銅管寬面方向，采用大容積進(jìn)水腔，保證結(jié)晶器銅管冷卻強(qiáng)度足夠且冷卻均勻，使鑄坯坯殼厚度足夠且均勻，有效提高鑄坯質(zhì)量。

3 優(yōu)化結(jié)晶器足輥結(jié)構(gòu)

大斷面矩形坯尺寸較大，在鋼液靜壓力作用下，結(jié)晶器下部出口鑄坯容易產(chǎn)生鼓肚變形，采取措施是在結(jié)晶器下部出口四周設(shè)計(jì)密排足輥和噴水冷卻結(jié)構(gòu)，達(dá)到支撐和冷卻鑄坯。結(jié)晶器足輥設(shè)計(jì)2～3排，足輥直徑不小于100mm，輥間距設(shè)計(jì)合理，輥縫不超過80mm，并且足輥設(shè)計(jì)可調(diào)，調(diào)整范圍±5 mm，以消除足輥裝置加工及裝配誤差，保證結(jié)晶器對(duì)弧精度。通過鑄坯有效支撐和冷卻，提高鑄坯強(qiáng)度，有效避免鑄坯鼓肚和漏鋼，提高連鑄坯質(zhì)量。

4 結(jié)論

連鑄生產(chǎn)實(shí)踐證明：通過對(duì)大斷面矩形坯管式結(jié)晶器特性參數(shù)、冷卻參數(shù)、足輥結(jié)構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，有效避免鑄坯鼓肚和漏鋼，提高連鑄坯質(zhì)量，同時(shí)有效提高連鑄機(jī)拉坯速度和連鑄生產(chǎn)效率，使用效果顯著。

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