小方坯连铸结晶器的发展现状

联系人:张洪波,唐山(063016)唐钢二炼钢厂收稿日期:1997-06-25

　总第101期河北冶金

Total 101　1997年第5期

H EBE I M ET ALLU RGY

1997,Number 5

小方坯连铸结晶器的发展现状

张洪波

摘　要　分析了连铸结晶器型腔形状和结构设计的基本要求,讨论了小方坯连铸结晶器的发展以及取得的工艺效果。

关键词　小方坯 连铸 结晶器

DEVELOPING SITUATION OF BILLET CONTINUOUS CASTING MOULD

Zhang H ong bo

Abstract T he prinsiple requirements fo r cavity shape and structur e of CC m ould are analysed ,the development and pro cess result of billet CC mould discussed.

Key words billet continuo us casting m ould

1　前言

结晶器被称为连铸机的“心脏”,其作用是对钢水提供均匀且快速的冷却,以形成厚度均匀、表面良好的初生坯壳,从而保证连铸生产顺利进行。一般而言,所有连铸的工艺性漏钢,其根源均在结晶器内,在于结晶器和坯壳之间的相互作用。除去其它连铸工艺参数,结晶器本身的型腔形状、结构型式及冷却制度对结晶器和坯壳间的传热与润滑有重大影响。随着高效连铸技术的发展,提高小方坯连铸机的作业效率已成为我国钢铁企业的一个紧迫任务,因此,如何提高与改善小方坯连铸结晶器的冷却效果,则成为连铸技术改进的

一个主要课题。本文回顾了小方坯连铸结晶器的发展过程,以为我国小方坯连铸结晶器的改进与完善提供借鉴。

2　结晶器结构设计的基本技术要求

钢水进入结晶器经过初始凝固后,初生坯壳出现一定的收缩,从而在结晶器和初生坯壳间形成一定的气隙。气隙的出现导致结晶器传热能力的下降,为消除或减少气隙的这种不良影响,结晶器内腔均按钢种的收缩特性,设计成具有一定的倒锥度,可以说,倒锥度结晶器的使用,使连铸过程中的工艺漏钢得到有效的控制,成为连铸技术大规模生产应用的技术之一。

由其传热效果看,结晶器内各种热阻在总热阻中所占比例分别为:坯壳25%,气隙71%,结晶器壁1%,结晶器壁与冷却水界面2%[1]。可见,在各种热阻中,气隙热阻控制着结晶器的冷却效果,减少气隙热阻是提高结晶器冷却效果的关键。由于钢水凝固过程中的不均匀收缩,必然在结晶器和坯壳间形成不均匀气隙,图1示出了结晶器和坯壳之间气隙厚度随至弯月面距离的变化情况[2]

。可见气隙在弯月面以下即出现,并随距弯月面距离增大增加到最大厚度,且基本保持这一厚度至结晶器下口。结晶器和坯壳间的气隙形状及厚度受钢种收缩特性、结晶器冷却强度、拉坯速度的影响。此外,由于弯月面附近结晶器传出热量最大,铜管变形更严重,在弯月面附近往往出现正锥度,

恶化结晶器传热

图1　气隙厚度随至弯月面距离变化情况

效果。因此结晶器结构设计的基本工艺要求

是,尽量避免或减少结晶器弯月面附近出现正锥度,同时结晶器的内腔形状(锥度设计)应按设定拉速要求与所绕钢种的凝固收缩特性相适应,以取得最佳的结晶器冷却效果。3　小方坯连铸结晶器的发展

目前,小方坯连铸机结晶器主要有三种结构形式,组合式结晶器、管式结晶器和喷淋结晶器。从其冷却水传热效果看,组合式结晶器在铸坯的每个侧面上传热不均匀,但角部冷却小,铸坯不易发生菱变,但易出现侧面纵裂;管式结晶器在铸坯每个侧面传热相对均匀,但各侧面之间传热易不均匀,尤其角部冷却更难控制,坯壳生长相对均匀,但易发生菱变和偏离角部纵裂;喷淋结晶器,采用喷水冷却铜管方式,不仅对水质和密封要求较低,而且四面冷却更均匀,角部冷却易于控制,最有利于得到形状规则、厚度均匀的坯壳。从发展趋势看,组合式结晶器在小方坯连铸机上将逐渐淘汰,随着内腔形状的不断完善,管式结晶器已得到普遍应用,喷淋结晶器由于其结构简单及良好的冷却效果,在小方坯连铸机上会得到进一步推广。

3.1　结晶器倒锥度的改进

根据钢种的凝固收缩系数,结晶器设计成一定的倒锥度,在相当程度上克服了气隙的不良影响,但由于气隙厚度的不均匀性以及结晶器纵向上气隙形状的不规则,单一锥度结晶器并不能很好地消除气隙的不良影响,尤其在连铸低碳钢,或者是高速连铸时,其不足尤为明显,为此,伴随着高速连铸的发展,发展了双锥度、三锥度及抛物线型锥度等多锥度结晶器,如图2所示。多锥度结晶器在纵向形状上更接近坯壳的实际形状,更好地适应了结晶器纵向上坯壳的收缩,使得结晶器纵向上气隙厚度进一步减少,更好地消除了气隙的不良影响,明显降低了铸坯的纵裂

指数,增加了整个结晶器的冷却效果,可显著

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提高拉坯速度。目前,双锥度结晶器在国外连铸低碳钢时已普遍使用。最近达涅利公司在小方坯连铸机上开发的所谓“自适应结晶器”[3]

,有两个技术要点,其一就是采用三锥度结晶器,其二是增加冷却水压力和流速,降低结晶器热面温度,从而避免弯月面附近的正锥度。使用这种“自适应结晶器”已使小方坯拉速达到4m /min

以上。

图2　不同锥度结晶器示意图

使用多锥度结晶器,虽然能明显降低铸坯纵裂趋势,提高拉坯速度,在使用过程中要注意以下几点,(1)多锥度结晶器对弯月面位置的控制要求很高,如果弯月面波形较大,则多锥度难以完全发挥作用。(2)多锥度结晶器增加了结晶器的摩擦阻力,由此,对结晶器润滑剂的性能要求更高,尤其对易出现坯壳粘结的高碳钢,多锥度结晶器未必适应。(3)多锥度结晶器,只能适应较窄的拉速区间,拉速较低时,坯壳易出现横裂。总之,多锥度结晶器为提高连铸拉速提供了一个技术条件,但

多锥度结晶器的确定一是要和钢种收缩特性相适应,二是要由设定拉速来决定,可见,多锥度结晶器更强调特定的钢种和特定的目标拉速,这就尤如保护渣只能适应一定的钢种和拉速一样,因此,对于连铸品种较多,品种变化很快的小方坯连铸机,多锥度结晶器并不完全合适。

综上所述,虽然多锥度结晶器更强调钢种单一,拉速稳定,但其针对性更强,更有利于满足高速连铸的工艺要求。

3.2　结晶器横截面形状的完善

常规连铸中多采用传统的直面结晶器,但由于结晶器任一横截面上的气隙同样是不规则不均匀的,因此,直面结晶器易在铸坯偏离角部造成较薄的坯壳,导致坯壳厚度不均匀,促使坯壳内裂和发生偏离角部纵裂漏钢,如图3所示。为克服直面结晶器的这种不足,使结晶器横截面上气隙更小更均匀,保证坯壳厚度的均匀性,对结晶器横截面形状进行了改进,开发了凸面和凹面结晶器[4]

,如图4所示。在这三种结晶器中,以凹面结晶器的工艺效果为最佳。可见,结晶器的内腔形状在向不规则形状发展,以适合结晶器传热分布及钢种收缩得到的坯壳的实际形状,

以得到良

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