新型连铸结晶器的设计与加工制造

2015-07-26周聪达谭继斗大连大山结晶器有限公司大连大山重工机械有限公司辽宁大连6600

山东工业技术 2015年5期

关键词：锥度结晶器连铸

周聪达,谭继斗（.大连大山结晶器有限公司; .大连大山重工机械有限公司,辽宁大连 6600）

新型连铸结晶器的设计与加工制造

周聪达1,谭继斗2
（1.大连大山结晶器有限公司; 2.大连大山重工机械有限公司,辽宁大连 116600）

本文主要介绍了新型铜管的热学和力学特点及其优越性，并阐述了新型结晶器总成的生产加工过程。

连铸结晶器；铜管；优越性

连铸机是钢铁铸造业的常见设备，连铸机的使用大大提高的铸钢的效率，但对技术水平的要求也相对较高。结晶器是连铸机的核心部件，其技术水平的高低决定了铸钢的效率和钢材的质量。

1　新型连铸结晶器铜管的设计目的

铜管是结晶器的关键部件，铜管技术标准往往会决定连铸机的生产能力，以及铸坯表面的质量。不合理的铜管设计不仅影响效率，而且还可能引起钢液泄漏，给生产作业带来极大不便。

结晶器铜管在工作过程中，面临的问题主要有内壁坯壳与铜管接触不良、坯壳与铜管内壁之间存在气隙、电镀层脱落、易变形、热学稳定性差等。这些问题都是浇铸作业中常见的问题，而大部分问题产生的原因都是铜管设计不合理。铜管设计的技术要点主要包括铜管的铸造、电镀、锥度等等。本文所讨论的新型结晶器铜管设计的目的就是克服或缓解上述问题，以提高生产作业的效率，适应钢铁产业的发展总趋势。

2　连铸结晶器铜管的设计与加工

2.1涂层材料与工艺

一般情况下，在铜管设计过程中会考虑添加涂层来增加铜管的耐磨性、耐腐蚀性和强度。涂层材料的选择是设计的关键因素。同于结晶器铜管内壁的材料有很多，典型的有电镀及喷涂镍铬等金属材料。电镀技术实施起来相对简单，但问题是镀层一般较薄，在生产作业中镀层也经常出现脱落的现象。而且电镀镍铬等金属还会对环境和施工人员的身体健康产生危害。喷涂技术最初是由国外引进，对于板坯来说效果很好。但是，该技术适用性较差，仅仅适用于板坯结晶器的喷涂。新型结晶器铜管的涂层材料选用强度高、耐腐蚀、耐高温的陶瓷材料，结合离心铸造技术。这种新型铜管不仅与涂层接触良好，而且在高温条件下性能相当稳定，适合长时间高强度作业。

2.2铜管材质

结晶器铜管所使用的材质并不是单一的铜，为了加强铜管的力学和热学性能，经常采用铜合金作为主要材质。一般情况下，用于连铸结晶器的铜合金有银铜、磷脱氧铜、铬锆铜等。不同的材质的铜管适用于不同的坯材。小方坯一般使用脱氧铜加工而成的铜管；大方坯使用铬锆铜为佳；圆坯则以银铜为主。

2.3锥度的设计

为了防止作业过程中坯壳与铜管内壁产生脱落，一般把铜管内腔设计成从上到下锥度分段的双锥或三锥或多锥，也可以是抛物线形状。锥度的设计是结晶器铜管设计的另一个技术要点。所谓锥度，简单来讲就是单位长度上铜管内两个截面积的变化量。结晶器铜管的锥度设计一般是基于抛物线方程，并综合钢液的凝固规律。

3　新型连铸结晶器铜管的优越性分析

新型连铸结晶器在热学和力学特性方面有较为显著的优越性，主要体现在铜管导热、受热膨胀、拉速影响等方面。通过建立数学模型，结合计算机编程，对铜管的热、力学特性进行深入研究。

3.1建立数学模型

以方坯为例，建立结晶器铜管与冷却水的传热数学模型。铜管的传热方程为

冷却水的传热方程为

以上两式中ρ表示密度，T表示温度，c表示比热，v表示流速。

3.2冷热面温度分布

根据上面的数学模型，我们可以得出铜管冷热面的温度分布，如下图所示：根据上面的曲线图，铜管弯月面并非热面温度峰值处。而热面温度最大值在200℃以下，不会引起铜管软化。冷面最高温度在70摄氏度左右，因此也不会造成冷却水沸腾。由此可以得出结论：铜管冷热面温度分布情况良好，利于导热且不会损伤铜管。

3.3热应力的影响

铜管内壁不均匀的温度场，会在铜管中产生热应力，进而引起铜管膨胀变形。通过前文所建立的数学模型，得出热应力对铜管影响的情况。负锥度过大会导致坯壳与铜管内壁产生较强的撞击效应，不仅影响坯壳的强度，而且还降低了导热能力。新型结晶器铜管一方面通过特殊涂层增强了铜管的热稳定性，减小了铜管的受热形变，另一方面设计合理的倒锥度。这两个方面的改进，从很大程度上减小了热应力产生的负锥度对铜管及坯壳的影响。这也是新型结晶器铜管的主要优越性之一。

3.4拉速影响

现代钢厂以逐渐趋于高拉速的状态，这必然对连铸机结晶器提出更高的要求。拉速主要会影响结晶器铜管的导热性能、力学性能以及钢坯的内部质量以及表面光滑度。在高拉速的情况下，结晶器铜管的缺陷甚至会造成断拉现象的发生。

新型结晶器铜管首先在铜管材质上采用了强度更高的铜合金，力学性能稳定，受热形变较小。其次在铜管内壁涂层方面，创新性地使用了强度和热稳定性都很好的陶瓷材料，增加了铜管整体的性能。不仅如此，内壁光滑、阻力较小，提高了坯壳的质量，在保证钢坯质量的同时又保证了高拉速。综上所述，新型结晶器铜管适应现代钢厂的高拉速。