弧形連鑄機結晶器銅管錐度曲線設計與應用實例

金炳全

（連云港美士迪冶金設備有限責任公司，江蘇 連云港 222000）

1 鑄坯凝固過程和組織結構

1.1 鑄坯凝固過程

當鋼水注入到結晶器后，首先從器壁開始形成固相結晶核，這些晶核體相互連接發展，逐漸形成凝固前沿。由于溶質中各元素在固相和液相溶解度不同，從而伴隨凝固進行，固相中溶質的析出使固液界面處液相中溶質濃度高于原來液相的溶質濃度。而固液界面溶質元素濃度的增加，將造成該處液相線溫度的降低。當液相鋼水實際溫度高于凝固前沿固液界面液相線溫度時，則鋼水的熱量將從液相移向凝固前沿。但當凝固前沿處鋼水溫度降到液相線以下時，實際上該處液相已處于過冷狀態，則凝固前沿將發生晶體長大以消除局部過冷。一旦等到凝固之后又發生過冷和結晶長大，這就是在凝固前沿發生的實際結晶生長過程。

1.2 鑄坯的凝固組織結構

連鑄坯的鑄態凝固組織通常是由三個區域組成的，即：

（1）邊部是細小等軸激冷晶區，寬度在5mm左右，它是在100℃/s左右的速度下迅速冷卻形成的。

（2）相臨的是柱狀晶區，它基本上是垂直于鑄坯表面且向心部生長的。

（3）中心等軸晶區，并伴有不同程度的中心偏析和疏松。

通過低倍試驗可以很明顯觀察到三個組織區域。

2 結晶器銅管錐度

2.1 結晶器銅管錐度發展現狀

由連鑄的凝固收縮特點可知，坯殼和結晶器銅管之間的傳熱是不均勻的，鋼液在結晶器內凝固時產生的熱收縮，會在坯殼與銅管之間形成氣隙，阻礙熱量的傳遞，降低冷卻效果，使坯殼變薄。由于現在連鑄拉速越來越高，對結晶器冷卻效率要求也就越來越高。因此為了改善冷卻條件，坯殼與結晶器銅管之間必須有良好接觸。為此，伴隨著高速連鑄的發展，銅管錐度由單錐度逐步發展了雙錐度、三錐度及拋物線型錐度等多錐度結晶器，如圖1所示。

圖1 結晶器發展過程

根據近些年的生產實踐，拋物線型錐度比其他錐度具有更好的使用價值，受到鋼廠的普遍歡迎。本公司生產的結晶器銅管現在均采用拋物線錐度設計。

2.2 結晶器銅管錐度設計原則

在連鑄過程中，高溫變形下的結晶器壁面應和收縮的坯殼表面貼合在一起，以減少空隙，降低熱阻。結晶器壁和坯殼表面既不能相互擠壓，又不能相互脫離。最好的驗證方法就是用通鋼量的多少來證明錐度設計的是否合理，在拉鋼過程中不出現漏鋼、鼓肚、脫方等缺陷，通鋼量較高并且穩定，說明錐度設計得比較合理。

2.3 結晶器銅管錐度計算表示方法

結晶器銅管都加工成倒錐度，方坯結晶器銅管錐度用結晶器每米長的倒錐度表示。

倒錐度ε的計算公式為：

式中：St----結晶器上口邊長；

Sb----與St同一面的結晶器下口邊長；

L----結晶器長度，m。

3 結晶器銅管錐度設計應用實例

為了獲得盡可能好的一次冷卻效果，就要設法最大限度地使坯殼與結晶器銅管保持接觸。錐度過小，鑄坯得不到足夠冷卻，就會發生鼓肚，甚至漏鋼；錐度過大，增加摩擦阻力，導致質量缺陷，加快銅管磨損。因此，一定要通過了解鋼廠的鑄機參數和所拉鋼種來設計合理的拋物線型錐度曲線。本公司為許多鋼廠根據不同鋼種設計了大量錐度案例，現舉一實例予以闡述：

某鋼廠鑄機主要參數如下

鑄機類型：全弧型；

鑄機半徑：9m；

流數：10流；

鑄坯斷面尺寸：170mmx170mm；

結晶器銅管高度：1004mm；

澆鑄鋼種：HRB400、HRB500；

冷卻水流量：150m3/h；

拉速：3.2m/min。

根據鋼廠提供的鑄機參數，我們現場對設備進行了全面了解和測算，依據生產需要制定了銅管的設計方案。

銅管內腔錐度采用拋物線錐度，根據鋼種和鑄機工作參數確定總錐度1.1%左右。實際錐度直面錐度比弧面錐度稍大，這樣符合坯殼收縮變化規律，避免工作過程中坯殼與銅管內壁出現氣隙。

經過綜合分析設定總錐度和各區間錐度值如表1所示。

表1 銅管倒錐度設定值（上口端面為0點）

根據表1錐度設定值，具體細化每點錐度參數如表2。

表2 165方坯銅管弧面、直面及對角線錐度分布情況mm

4 小結

按表2參數加工的銅管送到鋼廠，經過數月多批次試用，平均通鋼量達到1萬-1.1萬噸，這一結果達到了國內先進水平，受到了鋼廠的好評。

下一步我們將不斷完善銅管設計理念，根據不同鋼廠生產的不同鋼種推出針對性的設計方案。設計時要了解鋼廠的連鑄狀態，除了和鋼廠進行圖紙層面的溝通以外，一定要進行現場測繪，綜合考慮多種影響因素，最終使設計的銅管能夠得到用戶的青睞。