常規板坯連鑄機結晶器技術

常規板坯連鑄機結晶器技術

【保護視力色】【打印】 【進入論壇】 【評論】 【字號 大 中 小】 2006-12-07

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楊拉道 劉洪 王永洪 劉趙衛 邢彩萍 田松林 (西安重型機械研究所)

結晶器是連鑄機中的鑄坯成型設備, 是連鑄機的核心設備之一。其作用

是將連續不斷地注入其內腔的鋼液通過水冷銅壁強制冷卻,導出鋼液的熱量,使

之逐漸凝固成為具有所要求的斷面形狀和一定坯殼厚度的鑄坯,并使這種芯部

仍為液相的鑄坯連續不斷地從結晶器下口拉出，為其在以后的二冷區域內完全

凝固創造條件。在鋼水注入結晶器逐漸形成一定厚度坯殼的凝固過程中，結晶

器一直承受著鋼水靜壓力、摩檫力、鋼水熱量的傳遞等諸多因素引起的的影響，

使結晶器同時處于機械應力和熱應力的綜合作用之下，工作條件極為惡劣，在

此惡劣條件下結晶器長時間地工作，其使用狀況直接關系到連鑄機的性能，并

與鑄坯的質量與產量密切相關。因此，除了規范生產操作、選擇合適的保護渣

和避免機械損傷外，合理的設計是保證鑄坯質量、減小溢漏率、提高其使用壽

命的基礎和關鍵。

板坯連鑄機一般采用四壁組合式（亦稱板式）結晶器，也有一個結晶器

澆多流鑄坯的插裝式結構。

結晶器主要參數的確定

1 結晶器長度H

結晶器長度主要根據結晶器出口的坯殼最小厚度確定。若坯殼過薄，鑄

坯就會出現鼓肚變形，對于板坯連鑄機，要求坯殼厚度大于10～15mm。結晶器

長度也可按下式進行核算：

H=(δ/K)2Vc＋S1＋S2 (mm)

式中 δ——結晶器出口處坯殼的最小厚度，mm

K——凝固系數，一般取K=18～22 mm/min0.5

Vc——拉速，mm/min

S1——結晶器銅板頂面至液面的距離，多取S1=100 mm

S2——安全余量，S=50～100 mm

對常規板坯連鑄機可參考下述經驗：

當澆鑄速度≤2.0m/min時，結晶器長度可采用900～950mm。

當澆鑄速度2.0～3.0m/min時，結晶器長度可采用950～1100mm。

當澆鑄速度≥3.0m/min時，結晶器長度可采用1100～1200mm。

2 結晶器銅板厚度h

銅板厚度的確定是依據熱量傳熱原理和高溫下的使用性能，具體說，與

銅板材質、鍍層、機械性能、拉速、冷卻水量的大小和分布等有關。研究表明，

拉速高，銅板應隨之減薄；反之，拉速低，銅板應隨之增厚。在考慮上述諸多

因素后，銅板的厚度可由下式確定：

h=hm+Δm+δm (mm)

式中 hm——銅板冷卻水槽深度，mm

Δm——銅板加工余量，一般取Δm=10～15mm

δm——銅板最終的有效厚度，一般取δm=10mm

3 結晶器內腔最大寬度Amax

Amax=1.025×Bmax (mm)

式中 Bmax——板坯最大名義寬度，mm

4 寬邊銅板最大寬度Cumax

Cumax=Amax+2h+(100～150) (mm)

5 無輕壓下時，窄邊銅板上、下口尺寸Zs、Zx

Zs=1.025×D+2 (mm)

Zx=1.019×D+2 (mm)

式中 D——板坯名義厚度，mm

如果考慮了凝固末端輕壓下，則應再增加3～4mm。另外，有的用戶還

要求按照自己的經驗進行確定，這時須尊重用戶意見。

6 單邊調寬行程Sd

Sd=( Amax－Bmin)/2+(30～50) (mm)

式中 Bmin——為板坯最小名義寬度，mm。

7 當用戶無特殊要求時，生產當中結晶器下、上口尺寸Ax、As的確定

Ax=(1.010～1.012)×B (mm)

As= Ax×(1+Δ×H) (mm)

式中 B——板坯名義寬度，mm

Δ——結晶器錐度，一般取0.9%/m左右

H——結晶器長度，m

圖1為結晶器上、下口尺寸示意圖。

圖1 結晶器上

下口尺寸

8 結晶器夾緊力的計算

每個結晶器有4組夾緊彈簧，上方兩組，下方兩組，其夾緊力為：

FS1=1.5×ΣPA

FS2=1.5×ΣPB

式中 FS1——結晶器上口每個夾緊裝置的夾緊力，mm

FS2——結晶器下口每個夾緊裝置的夾緊力，mm

ΣPA——鋼水靜壓力和內弧水箱移動所產生的摩擦力在上方的作用力，

kN

ΣPA——鋼水靜壓力和內弧水箱移動所產生的摩擦力在下方的作用力，

kN

夾緊裝置結構形式可采用彈簧夾緊、液壓缸松開的方式，也可采用全液

壓夾緊方式。

9熱態板坯由寬調窄時的推力

結晶器推力計算時，可參考《板坯連鑄機設計與計算》一書，主要考慮

下列因素：

（1）鑄坯變窄時的推力。

（2）結晶器窄邊鋼水靜壓力。

（3）寬窄邊銅板因彈簧夾緊引起的摩擦力。

（4）沿鑄造方向窄邊和鑄坯之間的摩擦阻力。

10 結晶器下口與引錠頭之間的間隙

引錠進入結晶器后，結晶器下口寬度與引錠頭寬度之間的間隙為4～9mm

引錠進入結晶器后，結晶器下口厚度與引錠頭厚度之間的間隙為4～5mm

結晶器的優化問題

1 結晶器銅板材質

結晶器銅板設計是結晶器設計的最重要環節。銅板的導熱效果及壽命主

要與銅板的材質、熱面鍍層、結晶器冷卻水水量、結晶器與足輥及二次冷卻區

的對弧精度有關，除此之外，合理的結構設計顯得更為重要。

結晶器銅板母材推薦采用CuCrZr合金，也可采用CuAg合金，在一臺結

晶器上兩種材質也可一起采用，易磨損的窄面銅板采用CuCrZr材質，相對不易

磨損的寬面銅板采用CuAg材質。

銅板厚度一般取40～50mm。

銅板鍍層采用Ni-Cr、Ni-Fe、Ni-Co、Co-Ni等。

銅板每次刨修量1.5mm。

結晶器銅板的最小有效使用厚度（銅板表面至水槽底部）10mm。

2 銅板水槽分布

結晶器銅板水槽的分布和傳熱密切相關，結構設計包括水槽的寬度、深

度、數量分布及銅板固定螺栓的布置等。其要點是設置合適的冷卻水流量與流

速，并考慮結晶器冷卻的均勻性。

設計時螺栓直徑在M16～M20之間選取，螺栓間距應盡可能小，盡量減

小固定螺栓近旁的水槽間距，并采用長短結合的水槽深度，即布置在銅板固定

螺栓近旁的水槽可適當深一些，這樣可有效降低固定螺栓處的銅板熱面溫度差，

使結晶器熱量傳遞及形成的坯殼更為均勻，如圖2所示：

圖2 不同尺寸的水槽深

度

表1是國外某鋼廠常規板坯連鑄機高拉速時結晶器銅板主要參數。

銅板材質 Cu-Cr－Zr

銅板厚度 35～40mm，表面溫度小于

350℃

水槽寬度 5mm

20mm

水槽間距

33mm（螺栓近旁）

15mm

水槽深度

21mm（螺栓近旁）

水速 大于9.0m/min（彎月面處）

為了減小窄面銅板邊緣的熱面溫度，可以采取在銅板邊緣增加傾斜水槽

或者增加角部通水孔，圖3為角部傾斜水槽及通水孔示意圖。

圖3 角部傾斜水槽及

通水孔

3 銅板冷卻水量與水流速

冷卻水量以澆鑄速度為依據，按照板坯斷面周邊長度取2.0～

2.8?/min/mm。冷卻水壓力1.0MPa左右，根據結晶器水路結構和壓力損失大小，

必要時窄面水的控制回路增設0.2MPa的增壓泵。

對于常規板坯連鑄機，冷卻水流速應控制在6～10m/s之間。

對于中薄板坯連鑄機，冷卻水流速應控制在10～13m/s之間。

4 窄邊和寬邊的熱流比

設計時應注意，結晶器窄邊和寬邊的熱流比一般在0.8～0.9時，鑄坯不易出現

裂紋。

5 液面處銅板溫度分布

結晶器液面處銅板溫度沿水平方向的分布，應盡可能做到高低溫度差

△T≤10℃，以利于坯殼的均勻形成。

6 沿結晶器長度方向水槽的過渡圓弧

如圖4所示，過渡圓弧的半徑不要選的過大，否則會影響銅板頂部與鋼

液面接觸部位的冷卻效果，可取R=30～100mm。

圖4 水槽的

過渡圓弧

7 銅板與水箱的密封

銅板和水箱一般采用耐熱橡膠O型密封條密封，這時密封槽不能按標準

設計，O型密封條直徑選定后，所選的密封槽應比標準規定的小。這還不夠，

必要時，采用雙密封條密封。

8 銅板外形

在生產使用中，因為結晶器長時間熱負荷工作，夾緊裝置松動或窄邊漂

移，也可能由于設備加工及安裝等原因，使窄面銅板的工作狀態出現偏斜，如

圖5(a)所示，偏斜后出現了間隙a。

如果a值過大，角部熱阻增大，不利于該處坯殼的形成，容易造成漏鋼，

同時鋼水容易進入角部間隙凝結，造成掛鋼。優化窄邊銅板的外形可以改善這

種狀況。

優化方案一，圖5為解決窄邊漂移的優化方案示意圖。改變窄邊銅板斷

面形狀，如圖5(b)所示。其原理是相對減薄窄邊銅板的厚度，從而減小角部間

隙。窄邊銅板斷面形狀改變后的工作狀態如圖5(c)所示，很明顯，優化后的角

部間隙b值要小于a值。

圖5 窄邊偏移方案優化

優化方案二，改變窄邊銅板寬度方向的幾何外形，如圖5(d)所示。結

晶器上口不接觸鋼水，下口坯殼已經有一定厚度，所以對窄邊銅板的上部和下

部可以進行小量修正，以減小窄邊銅板的相對寬度，從而減小角部間隙。

9 水路

結晶器的設計應保證其安裝在振動裝置上后，水路能夠自動接通，對中

簡單，固定和更換便捷。

板坯寬度較寬時，結晶器每個寬面冷卻水回路可由一個變為兩個。此時，

其水箱的結構必須保證有足夠的剛度。

結晶器水各回路的流量調節閥必須設置在回水側。

結晶器水箱上部必須設置放氣閥并設計滲水槽，而下部設置放水孔。

10 足輥

根據澆鑄速度和板坯斷面尺寸，結晶器寬面足輥可設置1～3對，窄面

足輥可設置2～5對。

窄面足輥的對數≥2時，輥子軸承座除有墊片組調整輥子高度外，背面

應增加彈簧支撐，以提高窄面足輥支撐板坯的實際效果。根據鋼水靜壓力確定

彈簧力的大小。

足輥噴淋架及噴嘴處于連鑄機最易漏鋼的部位，設計中必須考慮安裝、

拆卸的方便性。

足輥軸承座立板與二冷噴嘴的相互位置應事先精確設計，避免干涉。

設計中要注意解決好噴嘴布置與分段足輥中間支撐軸承座容易相互干

涉的問題。

高拉速時結晶器下方可采用格柵支承結構。

11 調寬

結晶器調寬可分為熱態和冷態兩大類，熱連軋機要求熱送的板坯具有按

照周期輸送板坯寬度的特點，則結晶器可采用澆鑄過程中的熱態調寬。其它軋

機無變換板坯寬度的要求，則結晶器可考慮冷態調寬。調寬可以用電動機、液

壓馬達、液壓缸等驅動。冷態調寬時，也可以用手動。熱態調寬的機械設計速

度一般為0～120mm/min。

澆注不同厚度板坯時，結晶器外弧線是一個不能變更的基準線，調寬裝

置應能夠適應厚度的變化，必要時沿板坯厚度方向移動位置。

熱態調寬時，可采用軟夾緊。夾緊裝置在結晶器中的位置應保證鋼水靜壓力的

作用中心位于上下夾緊裝置之間。

按照不同的驅動源，調寬裝置可分為電動（液壓馬達）式和液壓缸式，

液壓缸式調寬裝置由于結構簡單而成為目前的發展方向。

12 窄面漂移

窄面漂移是一個生產鑄造過程當中十分頭疼的問題，必須十分重視解

決。

13 其他結構設計問題

（1）結晶器蓋板設計時，大蓋板固定，小蓋板活動。大蓋板考慮液面

檢測裝置的安裝或放置位置，大小蓋板既要考慮結晶器振動時互不發生干涉，

又要考慮相互間的密封性，防止蒸汽逸出。

（2）結晶器本體設計時，可考慮自帶支撐，而支撐柱子的長度，應大

于設備最低限，但不能和彎曲段發生干涉。

（3）為了保護環境，設置結晶器排煙裝置。

14 結晶器維修

（1）結晶器是一個易損更換件，設有專門的維修場地。設計時，結晶

器的起吊、運輸、維修和安裝的方便性應充分考慮。

（2）漏鋼后，如果需要將結晶器＋彎曲段＋事故坯同時吊離連鑄生產

線時，結晶器底部和彎曲段頂部應考慮相互導向和支撐點。

結晶器的測量

1結晶器寬度方向上、下口尺寸偏差δ≤0.25mm，如圖6所示。

圖6 圖

7 圖8

2 組合式結晶器寬面銅板和窄面銅板之間的接觸間隙δ3≤0.3mm，如

圖7所示。

3 組合式結晶器4塊銅板頂面高度差≤0.2mm。

4 結晶器寬度方向上、下口兩側錐度偏差之和δ4+δ4′≤0.25mm，如

圖8所示。

5 結晶器矩形偏差，即矩形斷面的對角線之差≤1.0mm。

6 結晶器漏鋼預報裝置的誤報率≤15%。

7 結晶器液面控制精度誤差≤±3.0mm(99%的澆鑄時間內)。

與結晶器有關的技術與設備

1結晶器漏鋼預報裝置與熱成像

解決粘結性漏鋼問題除了改善保護渣質量并精心操作以確保拉速和結

晶器液面穩定外，漏鋼預報裝置用于預先警告漏鋼的發生是較有效的措施。

目前研究的方法主要是熱電偶測溫、振波分析和摩擦阻力三種方法，其

中熱電偶測溫方法的準確性相對較高，在生產中應用較為普遍。

寶鋼正在開發縱裂漏鋼預報技術。

利用漏鋼預報系統熱電偶檢測到的溫度，將溫度分布以圖像的形式直觀

地顯示出來即熱成像。這一措施也是漏鋼預報系統的完善和補充。

2 結晶器銅板溫度控制系統

德國西馬克/德馬克（SMS/DEMAG）公司開發了這一技術。結晶器銅板溫

度控制主要是控制液面處的“熱面”（與鋼水接觸的一面）溫度。其原理是收

集中間罐的加熱溫度，鋼水溫度，拉坯速度，結晶器銅板材質和厚度，結晶器

進、出水溫度，所澆注鋼種的凝固溫度等參數，利用結晶器的進水量和出口水

溫將特定鋼種液面處的銅板熱面溫度控制成理論上的恒定值。對于不同鋼種，

將液面處的銅板熱面溫度控制在270℃～349℃，熱流密度在2.8～2.96MW/m2，

結晶器水溫差在8.9～11.4℃。這樣做的目的是為了避免縱向裂紋，減少因保

護渣熔化不良、流動不均勻而引起的銅板和坯殼之間的粘結，從而提高板坯質

量，減少漏鋼，穩定生產操作，并使結晶器銅板的熱面溫度遠離其再結晶溫度，

減少銅板變形，提高銅板使用壽命，同時還可以省去開澆保護渣。這一技術是

連鑄機生產中的深層次技術。

3 結晶器電磁鋼流控制技術

在低拉速時應用的板坯連鑄機結晶器電磁攪拌技術主要優點是澆注高

強度鋼時，鋼水中氣體和夾雜物能夠上浮，提高了液面的穩定性，防止保護渣

卷入，使結晶器中鋼水溫度均勻，從而使坯殼厚度均勻，減少縱裂。但也有人

對這項技術持不同觀點，認為結晶器電磁攪拌對板坯質量不會產生影響。

自1982年川崎制鐵水島廠5號板連鑄機使用電磁制動技術以來，ABB

公司的電磁制動器已經在世界各地的板坯連鑄機上應用了幾十臺。這種技術可

以使鋼水沖擊深度減小，增加夾雜物上浮的機會，提高鋼水純潔度，大量減少

厚板坯的內部和皮下夾雜物，消除了保護渣被卷入的可能性，減少了漏鋼的危

險，也能夠有效地減少表面的橫向和縱向裂紋，削減液面上的動態和靜態波動

波形，增加液面溫度，結晶器窄面坯殼無再度熔化現象，更換鋼種時還可縮短

交接坯（鋼的混合域）的長度，優點非常突出。

4 結晶器液面監控技術

結晶器液面監控技術有渦流式、電磁式、同位素式、浮子式、激光式、

超聲波式等各種有效的液面檢控系統。在板坯連鑄機結晶器上應用較多的是渦

流式和同位素式。

5結晶器保護渣自動供給裝置

…… ……

6 使用不同保護渣時的常規檢查及熔點、粘度檢測設施。

…… ……

上面針對常規板坯連鑄機講述了“結晶器主要參數的確定”、“結晶器的

優化問題”、“結晶器測量”、“與結晶器有關的技術與設備”，缺點錯誤在

所難免。需要指出的是，和其他任何技術一樣，常規板坯連鑄機結晶器技術的

發展同樣離不開理論與實踐的結合，其優化設計也是一個永遠的課題，需要在

理論和實踐中去不斷探索。