连铸大断面矩形坯管式结晶器关键技术及应用

2014-03-25牟桂梅

中国铸造装备与技术 2014年5期

牟桂梅

（秦皇岛首钢长白机械有限责任公司，河北秦皇岛 066311）

近年来，随着国内大断面尺寸钢材需求的增长，大断面连铸机不断增加，连铸坯断面规格不断增大，同时对大断面连铸坯质量的要求也在逐步提高。结晶器是连铸机的关键部件，钢液注入结晶器经强制冷却形成一定厚度的凝固坯壳。目前国内大断面矩形坯连铸生产中大量使用管式结晶器，相比组合式结晶器具有冷却均匀、设备结构简单和质量轻的特点。连铸大断面矩形坯管式结晶器主要浇铸优质钢和合金钢，如轴承钢、弹簧钢、重轨钢、硬线钢、合金结构钢等钢种。

大断面矩形坯是指宽边大于250 mm，长边小于450 mm 的连铸坯，如规格为280 mm×380 mm；或长边大于250 mm 且长宽边之比大于2 的连铸坯，如150 mm×380 mm，目前矩形坯管式结晶器最大断面达到180 mm×570 mm。由于大断面矩形坯尺寸较大，管式结晶器铜管壁厚相对较薄，铜管壁面易于产生变形，降低使用寿命；提高连铸机拉坯速度，铸坯容易产生鼓肚变形、裂纹、漏钢等连铸坯缺陷。解决办法是对大断面矩形坯结晶器特性参数、冷却参数、足辊结构关键技术优化设计，在连铸生产中取得较好的使用效果，有效提高连铸机拉坯速度、铸坯质量和连铸生产效率。

1 优化结晶器特性参数

大断面矩形坯结晶器铜管不同于普通方坯结晶器铜管，优化结晶器特性参数关键是优化设计铜管材质、壁厚、圆角半径、倒锥度和铜管支撑形式，以提高铜管传热效率。

1.1 铜管材质

采用含银量0.1%的银铜，银铜导热性好，再结晶温度高，抗热疲劳强度高，耐磨性好，使用寿命长。银铜再结晶温度约在300 ℃，能提高铜管的软化温度，由于银铜经冷加工后具有较高的强度和刚度，使铜管不易变形，提高了使用寿命。

1.2 铜管壁厚

管式结晶器铜管壁厚直接影响结晶器传热，根据浇铸结晶器铸坯断面规格、铜管受力变形及结晶器传热情况综合考虑。如壁厚较薄，铜管在结晶器水压和热应力共同作用下会产生较大变形；如壁厚较厚，结晶器传热使铜管热面温度超过软化温度，引起铜管与坯壳粘结或导致铜管变形。应合理选择铜管壁厚，壁厚足够可保证铜管使用过程中的刚度，同时利于水缝尺寸均匀性，大断面矩形坯管式结晶器铜管壁厚选择18～25 mm。

1.3 铜管圆角半径

结晶器铜管内腔圆角半径的尺寸对铸坯质量有较大影响，若内圆角半径大，角部坯壳薄且易出现纵裂；若内圆角半径小，易在偏离角部出现内裂。目前国内大断面矩形坯管式结晶器内圆角半径一般选择8～12 mm。

1.4 铜管倒锥度

为使浇铸时凝固坯壳与铜管内壁良好接触，减小气隙,要求设计合理的铜管倒锥度及内腔形状，倒锥度与铸坯断面尺寸、拉速及浇注钢种的含碳量有关，目前国内大断面矩形坯铜管内腔形状通常为抛物线、多锥度等，使铸坯在结晶器内形成最佳的坯壳厚度。优化铜管倒锥度，能使气隙热阻显著下降，提高结晶器冷却效果，提高拉速时可有效防止和减少纵向裂纹，减少漏钢事故，有利于提高铸坯质量。

1.5 铜管支撑形式

大断面矩形坯结晶器铜管结构简单，易于制造和维护，但价格较高，为降低生产成本，要求一次性使用寿命长，由于铜管管壁相对较薄，使用过程中铜管上下两端管壁容易向内凸起变形，直接影响铜管使用寿命。采取措施是设计内止口结晶器，即在铜管上下两端口部设计内止口结构，通过铜管与密封法兰的止口配合，实现铜管上下两端定位，有效支撑铜管内腔口部，达到减小铜管变形量，如图1中Ⅰ、Ⅱ放大视图所示。

图1 大断面矩形坯管式结晶器总成装配

内止口结晶器定位精度高，对中性好，能有效解决结晶器铜管上下两端口部变形问题,保证结晶器铜管内腔倒锥度曲线不变，减缓铜管倒锥度的磨损，提高结晶器铜管的寿命,同时铜管内止口结构装配精度高，有效保证水缝的整体均匀性，使铜管全长均匀传热，热交换效率高,有效保证高拉速,增加过钢量。

2 优化结晶器冷却参数

大断面矩形坯结晶器采用水缝管式结构,通过结晶器铜管和导流水套之间形成的缝隙作为冷却水通道,用以带走钢液凝固时释放的热量并冷却结晶器铜管。优化结晶器冷却参数关键是优化设计水缝宽度、水缝定位结构、结晶器冷却水，保证结晶器铜管具有高冷却强度且冷却均匀,提高结晶器冷却效率。

2.1 水缝宽度

优化水缝宽度，利于降低结晶器铜管热面温度及减少铜管变形。目前大断面矩形坯管式结晶器采用窄水缝，水缝宽度为4±0.2mm，窄水缝可提高冷却水流速，水缝均匀有利于铜管冷却强度一致性，使铸坯均匀凝固。

2.2 水缝定位结构

优化设计水缝定位结构，利于控制导流水套内腔形状及尺寸精度。目前大断面矩形坯管式结晶器普遍采用焊接式导流水套，水套长宽尺寸大使管壁易于变形，同时水套焊接处使管壁鼓肚变形，均使冷却水流速局部降低，导致相应部位铜管表面温度显著提高，影响铸坯质量。

解决办法是在水套管壁外侧设计环形加强筋，加强水套管壁强度，保证水套内腔尺寸精度，同时在铜管宽面部位设计铜管固定螺栓结构，螺栓一端与铜管端联接，另一端与水套端固定，铜管和水套之间的调整螺钉使水缝宽度可调，实现加强铜管宽面强度，减小铜管变形，水缝尺寸均匀。铜管固定螺栓结构如图1中B-B、Ⅲ放大视图所示。

2.3 结晶器冷却水

水缝式结晶器采用闭路循环冷却方式,钢液在结晶器内形成凝固坯壳时所放出的热量主要是由冷却水带走,结晶器冷却水流速、压力、流量及水质直接影响冷却强度,要严格控制控制结晶器水压、水流量、水质和水温差,确保有足够的冷却强度。

（1）水流速。冷却水流速对结晶器冷却效果影响很大，连铸生产中要求水流速达到10～12m/s，流速大使冷却强度增强。

（2）水压力。结晶器进水压力一般为0.8～1.0 MPa，优化冷却水压力，可提高水流速，降低结晶器铜管热面温度，减少铜管热变形，冷却水压力不足会导致冷却水局部沸腾，造成冷却不均。

（3）水流量。结晶器水流量大小取决于断面、钢种和拉速,当水流速确定后，水流量主要与水缝面积有关，选择最佳的结晶器冷却水量，使铜管上下的温度分布均匀，温差控制在2～6℃，保证浇注过程中的稳定性，保证铸坯质量。增大结晶器冷却水流量可相应提高冷却强度，结晶器内耗水量过大，铸坯会产生裂纹，过小又易造成鼓肚或漏钢。结晶器水流量应根据钢种、拉速调整。

（4）水质。结晶器冷却水质要求：软水PH=7～8，硬度小于1°Dh。避免铜管冷面有沉淀物和水垢，影响结晶器冷却效果，以减少结晶器永久变形，提高铜管使用寿命。

2.4 结晶器进出水冷却结构

大断面矩形坯结晶器断面较大，特别是长宽边之比大于2的结晶器，要求结晶器冷却水在铜管各面的进水水流速相同并且水流分布稳定，采用结晶器两路进水、两路出水方式，进出水口布置在铜管宽面方向，采用大容积进水腔，保证结晶器铜管冷却强度足够且冷却均匀，使铸坯坯壳厚度足够且均匀，有效提高铸坯质量。

3 优化结晶器足辊结构

大断面矩形坯尺寸较大，在钢液静压力作用下，结晶器下部出口铸坯容易产生鼓肚变形，采取措施是在结晶器下部出口四周设计密排足辊和喷水冷却结构，达到支撑和冷却铸坯。结晶器足辊设计2～3排，足辊直径不小于100mm，辊间距设计合理，辊缝不超过80mm，并且足辊设计可调，调整范围±5 mm，以消除足辊装置加工及装配误差，保证结晶器对弧精度。通过铸坯有效支撑和冷却，提高铸坯强度，有效避免铸坯鼓肚和漏钢，提高连铸坯质量。