結(jié)晶器矩形銅板倒錐度異常情況分析

文漢云，陳 緋

湖北新冶鋼，湖北黃石 435001

近期，煉鋼廠針對一部分過鋼量為0.6萬噸～3萬噸的350X470結(jié)晶器銅板倒錐度進行測量，發(fā)現(xiàn)倒錐度異常。為保證鑄坯質(zhì)量不受影響，對倒錐度異常原因進行分析，為結(jié)晶器改進提供依據(jù)。

1 分析原因

對現(xiàn)在使用的結(jié)晶器銅板分析得出，原設計者在設計時與常見銅板設計相比有兩點創(chuàng)新：一是螺栓位置有2mm的凸臺，也就是銅板的冷面與背板之間存在2mm的間隙，整個平面形成一個水縫，目的在于增加冷卻面積，尤其是螺栓孔附近的冷卻；二是在螺栓所在的肋筋上，開了分段水槽，目的也是加強螺栓孔附近的冷卻。 但是，創(chuàng)新不等于合理。首先，對于螺栓所在的肋筋上的分段水槽，雖然通過水縫與整個水系統(tǒng)相通，但是從流體分析可以得出其內(nèi)部的水幾乎不參與流動，其結(jié)果可能就會在這個位置產(chǎn)生沸騰，沸騰產(chǎn)生的水蒸氣形成氣泡混在冷卻水中間，會大大降低冷卻水的換熱效率。并且從位置上看，氣泡更容易在螺栓孔位置的水縫位置聚集，使得設計者的第一個創(chuàng)新意圖難以實現(xiàn)。從下圖中照片上（如圖1所示）也可以看出，在結(jié)晶器上部的螺栓孔附近及內(nèi)置水槽位置，有比較明顯印記，初步分析可能是局部沸騰后產(chǎn)生了高溫水蒸氣，導致傳熱變差所致。

圖2為新舊結(jié)晶器銅板內(nèi)腔曲線對比，進一步了解得知：盡管內(nèi)腔尺寸變化很大，但表面鍍層基本沒有明顯脫落，因此，我們可以初步判定造成倒錐度異常的原因主要是由于銅板變形。銅板表面在銅板過鋼5千噸～6千噸時銅板就有變形傾向，圖2所示曲線為過鋼量為3萬噸左右時所測結(jié)果。對于銅板的變形，有3種可能：一是當銅板內(nèi)表面溫度超過銅材的再結(jié)晶溫度時，銅材發(fā)生了再結(jié)晶，導致銅板永久變形；二是由于銅板溫度較高，即便沒有達到再結(jié)晶溫度，由于銅板受熱膨脹后不合理的約束產(chǎn)生很大的局部應力，并超過了銅材的屈服極限，也會產(chǎn)生永久變形；三是生產(chǎn)鋼種頻繁更換，各鋼種的凝固收縮率不同導致銅板受力狀況復雜并變形。對于這個銅板，3種情況可能都存在。

隨著對鑄坯凝固特性的深入研究，恰當?shù)慕Y(jié)晶器內(nèi)腔尺寸和形狀應根據(jù)鑄坯凝固時的體積收縮規(guī)律予以確定。澆入結(jié)晶器內(nèi)的鋼水因冷卻而生產(chǎn)坯殼，隨著拉坯進行，鑄坯逐漸收縮，其收縮過程分為液態(tài)收縮、凝固收縮和固態(tài)收縮。液態(tài)收縮會被不斷注入的鋼液填補，對鑄坯外形尺寸幾乎沒有影響，在結(jié)晶器中鑄坯主要收縮為凝固收縮。凝固收縮量與鋼種的含碳量有關(guān)，隨著含碳量增加凝固體積收縮也增大，不同含碳量的凝固收縮率見表1。

表1 鋼中碳含量與凝固收縮率的關(guān)系

倒錐度的確定主要與鑄坯斷面尺寸、拉速和澆注鋼種的含碳量有關(guān)。錐度過小，可能導致鑄坯出現(xiàn)菱變、縱向凹陷和縱向裂紋等缺陷；錐度過大，會增加拉坯阻力，造成結(jié)晶器內(nèi)壁過度磨損，減少結(jié)晶器銅管或銅板的壽命，甚至可能導致鑄坯出現(xiàn)橫裂紋。

在實際應用中，由于鋼廠的產(chǎn)品方案往往包含許多鋼種，而且其操作條件不盡相同，無法得出一種可通用的多錐度結(jié)晶器，但也不能按逐個鋼種選擇錐度。通?？蓪⑸a(chǎn)比例較大的鋼種作為確定結(jié)晶器倒錐度考慮的重點，并將凝固時具有類似體積變化規(guī)律的鋼種歸納為同一類，對各規(guī)格結(jié)晶器確定1種～2種倒錐度。

圖1 煉鋼廠350X470結(jié)晶器銅板

圖2 煉鋼廠350X470新舊結(jié)晶器銅板倒錐度對比

2 計算數(shù)據(jù)

1）拉速：0.32mpm；

2）水流量：計算中取180m3/h；

3）表面鍍層 ：長邊 上部0.2mm，下部1.1mm；

4）冷卻水溫：入口32，出口37.5；

5）導熱率 ：銅板 343Kcal/m.hr.℃， 鍍層 45 Kcal/m.hr.℃ ；

6）液面高度：50mm；80mm；

7）冷卻水流速：實際按水量計算；

8）銅板厚度：34mm。

3 鋼水與銅板熱交換

鋼水與銅板之間有過渡層，二者之間的熱交換

由于拉速低，完全應用這個公式不合理。根據(jù)文獻試驗結(jié)果，低于彎月面以下200mm以后，熱流變化不大，因此本計算中按200mm位置計算熱流施加。

4 對稱邊界

由于采用對稱條件，在對稱邊界上施加對稱邊界條件，對于熱分析而言，對稱邊界本質(zhì)上和絕熱邊界等效，所以也可直接施加絕熱邊界。

5 結(jié)晶器銅板計算小結(jié)

1）結(jié)晶器銅板水槽設計不合理，可能會出現(xiàn)局部沸騰；

2）液面高度過高，會造成銅板最高溫度大幅度增加，還會引起冷卻水的局部沸騰；

3）沿拉坯方向螺栓較少，間距較大，由于銅板受熱膨脹引起的變形集中到幾個點來消耗，可能會引起螺栓位置銅板應力超過屈服極限，從而產(chǎn)生永久變形。

6 水槽布置示例

結(jié)晶器水槽布置與水流動狀況對銅板的使用效果影響很大。我公司使用過程中發(fā)現(xiàn)銅板溫度過高，有時甚至出現(xiàn)銅板燒蝕。設計者在螺栓孔位置的肋筋上開了兩個水槽，目的也是增加螺栓位置的冷卻，但是，通過流體分析，發(fā)現(xiàn)水從增開的水槽內(nèi)流過的流量很小，流速也很小，因此證明其效果并不好。說明這里經(jīng)過高溫，甚至可能出現(xiàn)過沸騰。

7 分析結(jié)果

綜上所述，銅板倒錐度異常主要是銅板變形造成的。銅板變形一是由于銅板冷卻水槽設計不夠合理，冷卻效果不好，銅板內(nèi)表面溫度局部過高；二是由于結(jié)晶器本體水箱與銅板之間有間隙，無法完全支撐銅板，并且水箱強度也不足夠。

[1]王寶峰.IVSamarasckera.不銹鋼高速連鑄中結(jié)晶器熱流計算[J].包頭鋼鐵學院，2000，19(1)：28-33.

[2]趙建偉，王寶峰，丁國.奧氏體與馬氏體不銹鋼板在結(jié)晶器內(nèi)收縮規(guī)律與結(jié)晶器倒錐度的研究.

[3]蔡開科，程士富.連續(xù)鑄鋼原理與工藝.北京：冶金工業(yè)出版社，2002.