高效连铸小方坯喷淋结晶器应用实践

牟桂梅

（秦皇岛首钢长白机械有限责任公司，河北秦皇岛 066311）

在连铸设备中，结晶器是高效率的热交换器，由中间包注入结晶器内的钢液，经强制水冷形成一定厚度的坯壳，结晶器应具有良好的冷却效果，使初出结晶器的坯壳厚度均匀且强度足够，避免发生漏钢。目前高效连铸小方坯结晶器冷却方式有水缝式和喷淋式，为提高连铸机拉速，将结晶器水缝式改造为喷淋水冷却，连铸生产实践表明：喷淋结晶器安全可靠，比水缝式结晶器省水60%，延长铜管使用寿命，降低漏钢率，提高连铸作业率。

1 连铸结晶器的热传导过程

钢液在结晶器内由传热而冷却、凝固、形成坯壳，是一个复杂的结晶传热过程。钢液注入结晶器受到水激冷形成坯壳，继续冷却使坯壳增厚和降温收缩，坯壳在液面下不远处开始脱离结晶器铜管壁产生气隙，铜管壁散热强度降低，坯壳温度回升变软，在钢液静压力作用下，坯壳重新贴向铜管壁，这样周期性地离合，直至坯壳达一定厚度后才完全脱离铜管壁形成气隙，使结晶器的热传导急剧下降。坯壳四角比表面的冷却强度大，散热较快，较早和铜管壁形成气隙，使坯壳厚度较小。结晶器铜管设计有倒锥度，以减小气隙的形成，实际连铸生产中铜管壁与坯壳之间不可避免产生气隙。

2 高效连铸小方坯水缝式结晶器

2.1 水缝式结晶器冷却结构

目前高效连铸小方坯普遍采用水缝式冷却方式，冷却水采用下进上出的闭路循环方式，结构是在结晶器铜管外壁设计导流水套,铜管外壁与导流水套内壁之间的水缝作为结晶器冷却水通道,导流水套中间法兰通过与外水套的密封将结晶器水箱分为上下两腔，铜管上、下端通过上、下法兰用O 形圈密封，结晶器进水以0.8～1.2 MPa 的压力先进入结晶器下腔,以大于10 m/s 的速度从水缝中自下而上流过,然后从结晶器上腔出水口流出，高速水流冷却铜管,如图1.a 所示。采用高精度窄水缝设计，水缝宽度一般取4 mm±0.2 mm,结晶器进水温度低于40 ℃，进出水温差为6～10 ℃,使结晶器铜管具有良好的冷却效果。

2.2 小方坯铸坯菱变、角裂及漏钢原因分析

（1）水缝式结晶器在铜管壁与坯壳之间容易产生气隙，特别是弯月面附近的贯穿气隙最大，且水缝冷却结晶器弯月面处冷却强度较差，坯壳厚度较薄，容易使铸坯产生菱变，并且角部气隙比中心部位大，角部坯壳较薄，容易产生角裂或引起漏钢。

图1 结晶器结构

（2）导流水套制造和安装精度直接影响水缝均匀性，水缝尺寸不均匀造成结晶器冷却不均，使坯壳不均匀收缩，铸坯形成菱变。

（3）导流水套设计及制造、安装误差，密封件材质、尺寸精度直接影响中间法兰密封性，结晶器内密封失效使部分冷却水不通过水缝而直接流入出水口，水缝内冷却水流量和流速降低，结晶器铜管发生形变，使铸坯产生菱变、角裂及漏钢等缺陷，严重时将烧穿铜管，甚至发生爆炸事故，直接影响铜管使用寿命、铸坯质量和连铸作业率。

3 高效连铸小方坯喷淋结晶器

3.1 喷淋结晶器技术

喷淋结晶器采用射流冲击强化传热技术，利用喷嘴将高压水喷到铜管表面使之强化冷却，冷却强度高。按照连铸结晶器铸坯凝固传热“沿纵向上部大下部小、沿横向中部大角部小”的分布规律，采取分段控制冷却强度，实现无压力冷却。

喷淋式冷却技术可使结晶器铜管壁均衡冷却，避免铜管内壁与坯壳之间产生间隙，特别是弯月面附近不产生贯穿间隙，提高结晶器弯月面区冷却强度，明显助长坯壳形成，增加弯月面处坯壳厚度，避免铸坯菱变，有效降低漏钢率，喷水冷却使钢液和初凝坯壳向外传热速度增加30%～50%，提高结晶器冷却效率，利于提高连铸机拉坯速度，目前国内喷淋结晶器应用于小方坯连铸。

3.2 喷淋结晶器冷却结构

喷淋结晶器的冷却是喷嘴向结晶器铜管外壁喷水，采用开路循环冷却方式，设计喷水室为敞开式，冷却结构是：环形水箱联通给、排水盒及4 排纵向的喷水盒，喷水盒布置在铜管四面，安装于喷水盒的喷嘴按铸坯纵向温度梯度分布排列。铜管上、下端通过上、下法兰用O 形圈密封，喷淋水高速喷到铜管外表面，沿铜管外壁顺流而下，自流排出，排水盒尺寸大利于非压力排水，如图1.b 所示。

3.3 喷淋结晶器关键技术

喷淋结晶器关键技术是喷嘴选型、布置及冷却水参数控制，通过对其关键技术优化设计，达到结晶器最佳冷却效果。

（1）喷嘴选型。采用大角度、大流量专用喷嘴，使用较少数量的喷嘴达到喷淋冷却强度要求。

（2）喷嘴布置。根据喷淋结晶器传热规律，喷淋冷却水分布原则是：沿铜管纵向，弯月面处水量大，下部水量小；沿铜管横断面，面部水量大，角部水量小。设计喷嘴沿铜管高度方向呈直线分布，通过调整喷嘴流量、喷射距离和角度，控制冷却强度分布：沿铜管纵向，上部冷却强度大，从上到下逐渐减弱；沿铜管横断面方向，面部冷却强度大于角部，实现高效率传热。

（3）冷却水参数。控制喷淋冷却水压力为0.4～0.6 MPa，流量大约为55～70 m3/h，冷却水温升小于9 ℃。

3.4 喷淋结晶器应用

为提高连铸机拉坯速度，某钢厂连铸小方坯130×130（mm）结晶器采用喷淋水冷却技术，具有省水、结构简单，易于维护等优点，在冷却强度、漏水方面比水缝式冷却有根本性改进：

（1）喷淋结晶器冷却水直接喷射到铜管外壁上，对铜管表面有冲刷作用，比水缝中流动水的冷却效率高，传热效率提高30%～50%，冷却水无局部沸腾，可提高铜管使用寿命。

（2）喷淋结晶器通过合理布置喷嘴，提高弯月面区冷却强度，增加铸坯初凝坯壳厚度，通过调整喷嘴距离以及控制喷嘴水压、水量，实现结晶器冷却强度合理分布，避免水缝式结晶器铜管角部冷却强度不可调，冷却强度相对较弱，温度分布不均匀问题。

（3）喷淋结晶器采用无压力冷却，避免铜管上口密封处渗水引起钢液爆炸危险，铜管冷却表面暴露在大气中，避免断水爆炸事故，操作安全可靠。

连铸生产实践表明，喷淋结晶器比水缝式结晶器提高连铸机拉坯速度10%，同时避免铸坯菱变和角裂，降低漏钢率，提高铸机作业率。生产钢种有普碳钢、低碳钢、低合金钢等。

3.5 喷淋结晶器使用注意事项

（1）喷淋冷却水需要使用工业净水，过滤器设置在结晶器冷却水进水处。水中杂质将导致喷嘴堵塞，使铜管壁冷却不均匀，产生局部过热，严重影响铸坯质量，容易发生安全事故；冷却水需要软化，水质过硬导致铜管壁结垢，铜管导热性能下降，影响喷淋冷却效果。

（2）喷淋结晶器是无压排水，回水管断面较大利于排水流畅，提高冷却效果。

（3）喷淋结晶器需要定期检查喷嘴磨损、堵塞及铜管外壁结垢情况，对磨损喷嘴予以更换，对铜管外壁结垢膜可磨掉，提高冷却效果。

4 结论

（1）喷淋结晶器提高弯月面区冷却强度，增加结晶器初凝坯壳厚度，避免铸坯菱变和角裂，降低漏钢率，提高连铸作业率；

（2）喷淋结晶器实现铜管壁均衡冷却，冷却效率高，比水缝式结晶器提高拉坯速度10%，应用于小方坯连铸生产。

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