连铸设备教材2

太钢二钢厂不锈钢培训教材-连铸设备分册-66-4.结晶器及其振动机构4.1结晶器4.1.1结晶器内坯壳的形成连铸结晶器是个典型热交换器。当高温钢水浇铸到结晶器中便受到不断的强制冷却，开始连续导出生成坯壳所必须放出的热量。1）结晶器的传热在连续浇注过程中，由钢水冷却凝固所释放出来的热量，主要由以下三部分组成：①把过热的钢水冷却到液相线温度所放出来的热量，每㎏钢水下降1℃放出的热量，随其化学成份的不同而略有差异，其平均值为0.84KJ。②在液相线凝固时所放出的热量，也因成份的不同而略有差异，其平均值为13.2KJ/㎏。③凝固的坯壳自结晶温度下降到计算时温度所放出的热量。每㎏坯壳下降1℃所放的热量平均为0.03KJ。钢的液相线温度（T液）取决于钢水中合金和伴生元素的含量，可由下列经验公式计算：T液=1537℃-｛88×[C%]+8×[Si%]+5×[Mn%]+30×[P%]+20×[S%]+5×[Cu%]+4×[Ni%]+2×[Mo%]+2×[V%]+1.5×[Cr%]｝对于普碳钢，只代入上式中的[C%]，[Si%]及[Mn%]三个主要元素的百分数即可，而对于其它的微量元素，再减去2℃-3℃，即可作为其大致的液相线温度。以上三部分传出的热量，在钢的连续过程中，是通过结晶器传出热量的主要部分，约传全部热量的30%。2）传热与坯壳形成总体来看，传热沿结晶器高度是逐渐下降的。在弯月面下约150-200㎜处区域传出的热量最大。结晶器内高于液相线温度的钢水，通过不断的强制冷却沿结晶器内壁生成初生坯壳。以后随太钢二钢厂不锈钢培训教材-连铸设备分册-67-着凝固坯壳的增长到一定厚度时坯壳开始收缩，首先在结晶器角部形成气隙，然后向中部扩展。此时，初生坯壳尚较小。在高温钢水静压力作用下坯壳又贴向结晶器内壁（图4-1），使气隙消失，当坯壳厚度增长到能抵抗钢水静压力时，重又形成气隙，此后结晶器传出的热量明显下降。结晶器传热形成坯壳后，出结晶器下口。1结晶器2钢液面3凝固收缩4膨胀5坯壳图4-1坯壳形成示意图3)传热主要途径结晶器传热主要通过两个方向进行，即水平方向传热和垂直方向传热。垂直方向传热包括结晶器内钢液表面对流与辐射散热和铸坯向二冷区方向热传导。经研究表明，从垂直方向传出的热量是很少的，仅占总散热量的3-6%。水平方向传热主要是通过几层导热能力差别较大的介质进行的。即由钢液到坯壳，坯壳到结晶器铜板，以及铜板到冷却水之间的传热。如图4-2所示。在水平方向钢水沿结晶器壁传给冷却水的热量为：Q=α（Ta-Tw）F（KJ/h）式中：α--总导热系数，KJ/m2.h.℃；Ta--钢水温度，℃；Tw--冷却水温度，℃；F--结晶器有效传热面积，m2太钢二钢厂不锈钢培训教材-连铸设备分册-68-图4-2a-热阻模型b-热阻的计算值图4-2结晶器内的热阻在初生坯壳与结晶器紧密接触时，可表示为：2211111n在坯壳与结晶器壁形成气隙区时可表示为：22430311111'ns式中：α--有气隙区时结晶器内壁的总导热系数太钢二钢厂不锈钢培训教材-连铸设备分册-69-δ--坯壳厚度，m；b--气隙区的厚度，m；'--有气隙区时结晶器内壁总导热系数s0--气隙区的厚度，m;λ1、λ2、λ3--分别为坯壳、内壁、气隙的导热系数，KJ/m.h.℃；α1、α2、α3、α4--分别为坯壳对内壁、内壁对冷却水，坯壳对气隙，气隙对内壁的导热系数，KJ/㎡.h.℃。实际上通过测定α值来计算结晶器导出热量是很困难的。为便于应用结晶器导热能力常用平均热流方法表示：冷却水带走的热量：Q=qc(Q2－Q1)平均热流：SQ（J/m2.S）单位重量导出的热量：WDVYH（KJ/KS）式中：q--冷却水水流量，m3/s；c--水的比热，J/℃；Q2--出水温度，℃；Q1--进水温度，℃；S--结晶器有效传热面积；W.D--结晶器宽度，厚度，m；V--拉速，m/min；Y--钢水密度，㎏/m3。索维奇测定了在静止水冷铜管结晶器的热流，浇铸40s时得到的结果可用正式表示：Φ=2688-355t（KW/m2）将此式用于连铸结晶器时，时间t内可用拉速V（m/min）和结晶器的长度L（m）来代替。积分上式可得出平均热流。4）影响结晶器传热的因素太钢二钢厂不锈钢培训教材-连铸设备分册-70-主要从下面几个方面作简要说明：①从上述结晶器传热机理和图4-2结晶器内的热阻分析知，各部分热阻在总热阻中所占百分比如下：坯壳26%坯壳与结晶器壁的气隙71%结晶器铜壁1%结晶器铜壁与冷却水2%气隙的热阻占系统总热阻的70%以上，可见气隙对热交换，对结晶器内钢水的凝固起决定性作用。因此，改善结晶器传热主要是减少气隙热阻。②结晶器长度。上前普遍采用700m长的结晶器，为了提高拉速、增加坯壳厚度，有人主张采用900mm长更为合适。结晶器太长时下部易形成气隙，对结晶器传热不利。③结晶器锥度为了减少气隙对传热的影响，提高结晶器传热的效果，增加坯壳凝固厚度，结晶器应有适当的锥度。结晶器上口空腔尺寸为冷态时铸坯断面尺寸加上钢水凝固的收缩量，结晶器内腔断面设计成沿整个高度带有一定的锥，使其与坯壳冷却收缩相适应，减少气隙。板坯结晶器锥度一般取1%左右。方坯结晶器0.6-0.9%/m。根据铸坯凝固定律，坯壳收缩的特点，现在一些公司已将结晶器锥度做成抛物线形式或做成双锥度。④结晶器壁厚铜的热阻小，对传热影响不大，方坯结晶器铜壁厚一般取10-14mm；板坯结晶器铜板厚度通常取大于20mm以上。⑤操作技术当增大拉速时结晶器导出的平均热流也增加。而结晶器内单位钢水重量导出的热量却减少了，这也使坯壳厚度变小了，因而操作时应选择适当的拉坯速度（参见图4-3）。太钢二钢厂不锈钢培训教材-连铸设备分册-71-图4-3⑥浇注钢水温度理论计算指出，在拉速和其它工艺条件一定时，过热度每增加10℃，出结晶器下口坯壳厚度就减少30%。所以操作时要高温慢拉，低温快浇。⑦结晶器润滑结晶器内钢水凝固生成坯壳，进而收缩产生气隙，增加了热阻，传热减慢。由于使用保护渣浇注，通过结晶器振动，把熔融的渣带入铸坯与结晶器壁的气隙太钢二钢厂不锈钢培训教材-连铸设备分册-72-处，形成均匀的渣膜，改善传热。而在使用油作润滑剂时，油膜在高温下裂化分解为CH化合物的气体充满气隙，同样改善传热，见图4-4。⑧结晶器冷却水其冷却水的流速一般应控制在6-10m/s，过大的水流速度，对改善结晶器的传热效果不明显。如水流速从6m/s增加到12m/s，其热量反增加3%。但冷却水流的阻力增加了4倍，反而流速偏小，易在水缝中产生间断沸腾，局部传热不均，易产生粘结，严重时漏钢。冷却水的温度要选择适当，出水温度不宜过低，水中悬浮物的含量与水质的硬度以低些为好，以减少水垢的生成，它对结晶器传热很有影响。4.1.2结晶器的型式和构造结晶器是连铸机中的关键部件，为满足工艺要求，一个设计合理，选材合适的结晶器应具备以下性能：（1）具有良好的导热性、耐磨性和导磁性；（2）具有足够的抗热疲劳强度、刚度和硬度；（3）具有良好的结构刚性和工艺性，易于制造、拆装、调整；（4）力求质量轻些，以减少振动时的惯性力。经过长期研究实践可以得出，结晶器的型式，按连铸拉坯方向、结晶器内壁断面形状，主要有直结晶器和弧形结晶器两种型式。生产中都有较多应用各有其优点。按结晶器的构造，总体结构分，无论是直形还是弧形的结晶器，均可分为正体式、管式和组合式三种结晶器。只是正体式结晶器由于耗铜多，成本高，现在一般都不在使用，而管式和组合式的结晶器都广为应用。管式结晶器多应用于方坯连铸机中，而可调组合式结晶器常用于矩形坯或板坯连铸机上。1）管式结晶器管式结晶器有直结晶器和弧形结晶器两种形式。但近年研究太钢二钢厂不锈钢培训教材-连铸设备分册-73-和实践证明，方坯连铸，特别是小方坯连铸由于拉坯速度高，钢水中非金属夹杂物来不及上浮。因此，弧形方坯连铸机多采用弧形管式结晶器。弧形管式结晶器的技术要求，除具备上述结晶器的性能外，还应考虑结晶器的锥度几何形状的合理性；窄水缝使铜管传热效率高，使铜管外表面散热均匀；铜管的装配、密封应安全可靠，便于维修。图4-5是弧形管式结晶器的结构简图。它由内水套、铜管外水套、给水管、排水管、水环喷淋架、足辊等部分组成。有的还装有用于液面控制的放射源发射和接收装置以及电磁搅拌装置。结晶器冷却水以0.39-0.59Mpa的工作压力从给水管进入下水室，以6-10m/s的流速流经水缝，进入上水室，从排水管排出。结晶器的内腔是加工硬化的铜管。这种带有倒锥度的结晶器铜管，在国外大都用爆炸成型的工艺来制造。我国某异形钢管厂发展了用特制模具冷拨的工艺生产出这种弧形铜管。所用的材质为磷脱氧铜及紫铜，铜壁厚10-12mm，硬度在HB80-90之间，铜管的内腔镀了一层0.06-0.08mm的铬。弧形管式结晶器铜管的固定方式。分为两端卡紧铜管和一端卡紧铜管两种结构形式。两端卡太钢二钢厂不锈钢培训教材-连铸设备分册-74-紧铜管结构形式见图4-6，结晶器的核心是成型铜管，它的内部断面形状与铸坯断面相同，浇铸时钢水注水注入铜管，冷却凝固成壳，从铜管下口被拉出实现连续铸钢。这种两端卡紧铜管结构形式的结晶器主要特点是铜管4是经上、下法兰压紧的，并有O型密封圈密封。当铜管受热膨胀时，推动上、下法兰加大距离。这种情况要保证水套仍不漏水，则在上法兰5的外圆与外水套间设图4-6图4-71润滑法兰2O型圈3铜管4卡板5压紧法兰6导流中套7排水腔8进水腔9O型圈图4-7一端卡紧铜管结晶器计有滑动配合，并且在配合面加O型圈1密封，同时用压紧弹簧6拉紧，以免上法兰被水套内水压力推开，同时弹簧还可承受铜管受热膨胀时产生的压缩力，保证密封，防止铜管变形。一端卡紧铜管式结晶器结构形式见图4-7。铜管上端经压紧法兰5压紧，并以O形圈2密封，铜管下端不顶紧并允许受热后自由膨胀，为保证结晶器下端不漏水，采用侧面密封9。铜管上端开有槽并经卡板4卡牢。这两种铜管固定方法，目前都有应用。两端卡紧铜管的管式太钢二钢厂不锈钢培训教材-连铸设备分册-75-结晶器铜管固定可靠，密封的结构也简单可靠，但总的结构则较复杂。2）组合式结晶器在大型连铸机，特别是在板坯连铸机上，组合式结晶器获得了越来越广泛的应用。在结晶器设计上已从初期固定式结晶器发展到在线可调组合式结晶器。近年来，其功能已达到在浇铸中可调整结晶器宽度的水平。图4-8是带水冷格栅的组合式弧形结晶器。它同一般组合式结晶器一样，都是由四块复合壁板组装而成。每块复合板都是由铜板作内壁和由钢板制作的支承板作为外壳，通过双头螺栓固定的。图4-8双头螺栓加垫，用密封圈密封。钢板外侧沟槽处与铜板形成冷却水缝。组合结晶器是采用宽面壁板，通过四条螺栓压紧窄面壁板组装而成。调宽是经液压松开的方式，打开宽边，通过螺旋传动，带动窄边壁板实现的。目前，有采用电动摇控的方式来自动调整结晶器宽度，并配备有连续锥度测量系统，从而保证调宽时的锥度。对于弧形结晶器来说，宽面的铜板与钢外壳的配合可以是平面也可以是弧面。为了便于加工和安装，一般采用平面配合，采太钢二钢厂不锈钢培训教材-连铸设备分册-76-用永平面配合时钢板上的水槽也加工成直形的。但铜板厚度不均图4-9匀。如果复合板的结合面是弧形配合时，铜板的厚度均匀，然而加工制造比较复杂。为了更好地支承刚出结晶器下口只有很薄坯壳的铸坯，又能防止结晶器下口额外磨损，通常紧接结晶器下口安装冷却格栅或足辊。实践中发现，铸坯在运行中与格栅形成滑动摩擦，增大拉坯阻力，同时，冷却效果也不理想。近年来，新建的板坯连铸机都采用小辊径足辊形式。这样，坯壳和足辊之间为滚动摩擦且冷却效果也好。太钢二钢厂不锈钢培训教材-连铸设备分册-77-弧形结晶器在导热性能方面不如直结晶器，且非金属夹杂物上浮时，易在内弧侧1/4处集聚，影响铸坯内部质量。所以，目前新建大型板坯连铸机多采用直结晶器。图4-9是带足辊组合式直结晶器，这台结晶器是在太钢二钢厂R8m直弧形连铸机上使用的，铜板厚55mm，材质