新型連鑄結晶器的設計與加工制造

周聰達,譚繼斗（.大連大山結晶器有限公司; .大連大山重工機械有限公司,遼寧 大連 6600）

新型連鑄結晶器的設計與加工制造

周聰達1,譚繼斗2
（1.大連大山結晶器有限公司; 2.大連大山重工機械有限公司,遼寧 大連 116600）

本文主要介紹了新型銅管的熱學和力學特點及其優越性，并闡述了新型結晶器總成的生產加工過程。

連鑄結晶器；銅管；優越性

連鑄機是鋼鐵鑄造業的常見設備，連鑄機的使用大大提高的鑄鋼的效率，但對技術水平的要求也相對較高。結晶器是連鑄機的核心部件，其技術水平的高低決定了鑄鋼的效率和鋼材的質量。

1　新型連鑄結晶器銅管的設計目的

銅管是結晶器的關鍵部件，銅管技術標準往往會決定連鑄機的生產能力，以及鑄坯表面的質量。不合理的銅管設計不僅影響效率，而且還可能引起鋼液泄漏，給生產作業帶來極大不便。

結晶器銅管在工作過程中，面臨的問題主要有內壁坯殼與銅管接觸不良、坯殼與銅管內壁之間存在氣隙、電鍍層脫落、易變形、熱學穩定性差等。這些問題都是澆鑄作業中常見的問題，而大部分問題產生的原因都是銅管設計不合理。銅管設計的技術要點主要包括銅管的鑄造、電鍍、錐度等等。本文所討論的新型結晶器銅管設計的目的就是克服或緩解上述問題，以提高生產作業的效率，適應鋼鐵產業的發展總趨勢。

2　連鑄結晶器銅管的設計與加工

2.1涂層材料與工藝

一般情況下，在銅管設計過程中會考慮添加涂層來增加銅管的耐磨性、耐腐蝕性和強度。涂層材料的選擇是設計的關鍵因素。同于結晶器銅管內壁的材料有很多，典型的有電鍍及噴涂鎳鉻等金屬材料。電鍍技術實施起來相對簡單，但問題是鍍層一般較薄，在生產作業中鍍層也經常出現脫落的現象。而且電鍍鎳鉻等金屬還會對環境和施工人員的身體健康產生危害。噴涂技術最初是由國外引進，對于板坯來說效果很好。但是，該技術適用性較差，僅僅適用于板坯結晶器的噴涂。新型結晶器銅管的涂層材料選用強度高、耐腐蝕、耐高溫的陶瓷材料，結合離心鑄造技術。這種新型銅管不僅與涂層接觸良好，而且在高溫條件下性能相當穩定，適合長時間高強度作業。

2.2銅管材質

結晶器銅管所使用的材質并不是單一的銅，為了加強銅管的力學和熱學性能，經常采用銅合金作為主要材質。一般情況下，用于連鑄結晶器的銅合金有銀銅、磷脫氧銅、鉻鋯銅等。不同的材質的銅管適用于不同的坯材。小方坯一般使用脫氧銅加工而成的銅管；大方坯使用鉻鋯銅為佳；圓坯則以銀銅為主。

2.3錐度的設計

為了防止作業過程中坯殼與銅管內壁產生脫落，一般把銅管內腔設計成從上到下錐度分段的雙錐或三錐或多錐，也可以是拋物線形狀。錐度的設計是結晶器銅管設計的另一個技術要點。所謂錐度，簡單來講就是單位長度上銅管內兩個截面積的變化量。結晶器銅管的錐度設計一般是基于拋物線方程，并綜合鋼液的凝固規律。

3　新型連鑄結晶器銅管的優越性分析

新型連鑄結晶器在熱學和力學特性方面有較為顯著的優越性，主要體現在銅管導熱、受熱膨脹、拉速影響等方面。通過建立數學模型，結合計算機編程，對銅管的熱、力學特性進行深入研究。

3.1建立數學模型

以方坯為例，建立結晶器銅管與冷卻水的傳熱數學模型。銅管的傳熱方程為

冷卻水的傳熱方程為

以上兩式中ρ表示密度，T表示溫度，c表示比熱，v表示流速。

3.2冷熱面溫度分布

根據上面的數學模型，我們可以得出銅管冷熱面的溫度分布，如下圖所示：根據上面的曲線圖，銅管彎月面并非熱面溫度峰值處。而熱面溫度最大值在200℃以下，不會引起銅管軟化。冷面最高溫度在70攝氏度左右，因此也不會造成冷卻水沸騰。由此可以得出結論：銅管冷熱面溫度分布情況良好，利于導熱且不會損傷銅管。

3.3熱應力的影響

銅管內壁不均勻的溫度場，會在銅管中產生熱應力，進而引起銅管膨脹變形。通過前文所建立的數學模型，得出熱應力對銅管影響的情況。負錐度過大會導致坯殼與銅管內壁產生較強的撞擊效應，不僅影響坯殼的強度，而且還降低了導熱能力。新型結晶器銅管一方面通過特殊涂層增強了銅管的熱穩定性，減小了銅管的受熱形變，另一方面設計合理的倒錐度。這兩個方面的改進，從很大程度上減小了熱應力產生的負錐度對銅管及坯殼的影響。這也是新型結晶器銅管的主要優越性之一。

3.4拉速影響

現代鋼廠以逐漸趨于高拉速的狀態，這必然對連鑄機結晶器提出更高的要求。拉速主要會影響結晶器銅管的導熱性能、力學性能以及鋼坯的內部質量以及表面光滑度。在高拉速的情況下，結晶器銅管的缺陷甚至會造成斷拉現象的發生。

新型結晶器銅管首先在銅管材質上采用了強度更高的銅合金，力學性能穩定，受熱形變較小。其次在銅管內壁涂層方面，創新性地使用了強度和熱穩定性都很好的陶瓷材料，增加了銅管整體的性能。不僅如此，內壁光滑、阻力較小，提高了坯殼的質量，在保證鋼坯質量的同時又保證了高拉速。綜上所述，新型結晶器銅管適應現代鋼廠的高拉速。

4　結束語

連鑄機是澆鑄作業中的常用設備，結晶器是連鑄機的“心臟”，我們要從細節出發，不斷突破創新，不斷改進技術。只有這樣，我們的鋼鐵產業才能得到更好更快的發展。

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