弧形連鑄機結(jié)晶器銅管錐度曲線設(shè)計與應(yīng)用實例

金炳全

（連云港美士迪冶金設(shè)備有限責(zé)任公司，江蘇 連云港 222000）

1 鑄坯凝固過程和組織結(jié)構(gòu)

1.1 鑄坯凝固過程

當(dāng)鋼水注入到結(jié)晶器后，首先從器壁開始形成固相結(jié)晶核，這些晶核體相互連接發(fā)展，逐漸形成凝固前沿。由于溶質(zhì)中各元素在固相和液相溶解度不同，從而伴隨凝固進(jìn)行，固相中溶質(zhì)的析出使固液界面處液相中溶質(zhì)濃度高于原來液相的溶質(zhì)濃度。而固液界面溶質(zhì)元素濃度的增加，將造成該處液相線溫度的降低。當(dāng)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(dāng)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(tài)，則凝固前沿將發(fā)生晶體長大以消除局部過冷。一旦等到凝固之后又發(fā)生過冷和結(jié)晶長大，這就是在凝固前沿發(fā)生的實際結(jié)晶生長過程。

1.2 鑄坯的凝固組織結(jié)構(gòu)

連鑄坯的鑄態(tài)凝固組織通常是由三個區(qū)域組成的，即：

（1）邊部是細(xì)小等軸激冷晶區(qū)，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(qū)，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(qū)，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(qū)域。

2 結(jié)晶器銅管錐度

2.1 結(jié)晶器銅管錐度發(fā)展現(xiàn)狀

由連鑄的凝固收縮特點可知，坯殼和結(jié)晶器銅管之間的傳熱是不均勻的，鋼液在結(jié)晶器內(nèi)凝固時產(chǎn)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(xiàn)在連鑄拉速越來越高，對結(jié)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(jié)晶器銅管之間必須有良好接觸。為此，伴隨著高速連鑄的發(fā)展，銅管錐度由單錐度逐步發(fā)展了雙錐度、三錐度及拋物線型錐度等多錐度結(jié)晶器，如圖1所示。

圖1 結(jié)晶器發(fā)展過程

根據(jù)近些年的生產(chǎn)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(chǎn)的結(jié)晶器銅管現(xiàn)在均采用拋物線錐度設(shè)計。

2.2 結(jié)晶器銅管錐度設(shè)計原則

在連鑄過程中，高溫變形下的結(jié)晶器壁面應(yīng)和收縮的坯殼表面貼合在一起，以減少空隙，降低熱阻。結(jié)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(shè)計的是否合理，在拉鋼過程中不出現(xiàn)漏鋼、鼓肚、脫方等缺陷，通鋼量較高并且穩(wěn)定，說明錐度設(shè)計得比較合理。

2.3 結(jié)晶器銅管錐度計算表示方法

結(jié)晶器銅管都加工成倒錐度，方坯結(jié)晶器銅管錐度用結(jié)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(jié)晶器上口邊長；

Sb----與St同一面的結(jié)晶器下口邊長；

L----結(jié)晶器長度，m。

3 結(jié)晶器銅管錐度設(shè)計應(yīng)用實例

為了獲得盡可能好的一次冷卻效果，就要設(shè)法最大限度地使坯殼與結(jié)晶器銅管保持接觸。錐度過小，鑄坯得不到足夠冷卻，就會發(fā)生鼓肚，甚至漏鋼；錐度過大，增加摩擦阻力，導(dǎo)致質(zhì)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(shù)和所拉鋼種來設(shè)計合理的拋物線型錐度曲線。本公司為許多鋼廠根據(jù)不同鋼種設(shè)計了大量錐度案例，現(xiàn)舉一實例予以闡述：

某鋼廠鑄機主要參數(shù)如下

鑄機類型：全弧型；

鑄機半徑：9m；

流數(shù)：10流；

鑄坯斷面尺寸：170mmx170mm；

結(jié)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(jù)鋼廠提供的鑄機參數(shù)，我們現(xiàn)場對設(shè)備進(jìn)行了全面了解和測算，依據(jù)生產(chǎn)需要制定了銅管的設(shè)計方案。

銅管內(nèi)腔錐度采用拋物線錐度，根據(jù)鋼種和鑄機工作參數(shù)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(guī)律，避免工作過程中坯殼與銅管內(nèi)壁出現(xiàn)氣隙。

經(jīng)過綜合分析設(shè)定總錐度和各區(qū)間錐度值如表1所示。

表1 銅管倒錐度設(shè)定值（上口端面為0點）

根據(jù)表1錐度設(shè)定值，具體細(xì)化每點錐度參數(shù)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(jié)

按表2參數(shù)加工的銅管送到鋼廠，經(jīng)過數(shù)月多批次試用，平均通鋼量達(dá)到1萬-1.1萬噸，這一結(jié)果達(dá)到了國內(nèi)先進(jìn)水平，受到了鋼廠的好評。

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