结晶器在连续铸钢技术应用

结晶器在连续铸钢技术中的应用
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摘要
结晶器作为连铸设备的核心，一直以来被广泛研究与应用。

十九世纪中叶，由英国人和美国人提出连续浇筑金属，当时只能浇筑低熔点的有色金属。

直到结晶器振动装置的应用，连铸技术进入到一个里程碑的发展阶段。

结晶器振动的引入是加速连铸技术发展的一个关键因素。

关键词：连铸机结晶器振动
The application of mold in continuous casting technology Abstract
As heart of the continuous casting equipment,the mold has being researched and used widely. In the middle of the 19th century,the English and American raised the continuous casting technology which only could be used in some metol with low fusion point. The technology came into an important milestone until mold oscillation technology was used. The introduction of the mold oscillation technology is one of the key factors which speed up the development of the continuous casting technology.
Key words : continuous casting equipment mold mold oscillation
1.简介
钢水直接铸成接近最终产品尺寸的钢坯。

这一想法经过一百多年的努力探索，终于使该技术在本世纪70年代开始大规模用于实际，并逐步形成了今天的连铸技术。

连铸主要设备由钢包、中间包、结晶器、结晶器振动装置、二次冷却和铸坯导向装置、拉坯矫直装置、切割装置、出坯装置等部分组成。

其中结晶器被称为连铸设备的“心脏”。

1933年德国人容汉斯提出了一种结晶器以与铸坯同样的速度下行一段距离后在以较快的速度返回到原来位置的连铸方式。

建成了第一台结晶器可以振动的立式连铸机，并用其浇铸黄铜获得成功。

后又用于铝合金的工业生产，结晶器振动的引入作为一个关键因素
加速了连铸技术的发展。

[1]
2.结晶器定义
用于结晶操作的设备。

结晶器是连铸机非常重要的部件，称之为连铸设备的“心脏”。

钢液在结晶器内冷却初步凝固成一定坯壳厚度的铸坯外形，并被连续地从结晶器下口拉出，进入二冷区。

结晶器应有良好的导热性和刚性，不易变形和内表面耐磨等优点，而且结构要简单，便于制造和维护。

3结晶器分类
结晶器类型有很多，按溶液获得过饱和状态的方法可分蒸发结晶器和冷却结晶器；按流动方式可分母液循环结晶器和晶浆循环结晶器；按操作方式可分连续结晶器和间歇结晶器。

其中蒸发结晶器中，有三种应用最为普遍
3.1强制循环蒸发结晶器
一种晶浆循环式连续结晶器（图1）。

操作时,料液自循环管下部加入，与离开结晶室底部的晶浆混合后，由泵送往加热室。

晶浆在加热室内升温（通常为2～6℃），但不发生蒸发。

热晶浆进入结晶室后沸腾，使溶液达到过饱和状态，于是部分溶质沉积在悬浮晶粒表面上，使晶体长大。

作为产品的晶浆从循环管上部排出。

强制循环蒸发结晶器生产能力大，但产品的粒度分布较宽。

3.2DTP型蒸发结晶器
即导流筒-挡板蒸发结晶器，也是一种晶浆循环式结晶器（见彩图）。

器下部接有淘析柱，器内设有导流筒和筒形挡板，操作时热饱和料液连续加到循环管下部，与循环管内夹带有小晶体的母液混合后泵送至加热器。

加热后的溶液在导流筒底部附近流入结晶器，并由缓慢转动的螺旋桨沿导流筒送至液面。

溶液在液面蒸发冷却，达过饱和状态，其中部分溶质在悬浮的颗粒表面沉积，使晶体长大。

在环形挡板外围还有一个沉降区。

在沉降区内大颗粒沉降，而小颗粒则随母液入循环管并受热溶解。

晶体于结晶器底部入淘析柱。

为使结晶产品的粒度尽量均匀，将沉降区来的部分母液加到淘析柱底部，利用水力分级的作用，使小颗粒随液流返回结晶器，而结晶产品从淘析柱下部卸出（图2）。

3.3奥斯陆型蒸发结晶器
又称为克里斯塔尔结晶器，一种母液循环式连续结晶器(图3)。

操作的料液加到循
环管中，与管内循环母液混合，由泵送至加热室。

加热后的溶液在蒸发室中蒸发并达到过饱和，经中心管进入蒸发室下方的晶体流化床。

在晶体流化床内，溶液中过饱和的溶质沉积在悬浮颗粒表面,使晶体长大。

晶体流化床对颗粒进行水力分级,大颗粒在下，而小颗粒在上，从流化床底部卸出粒度较为均匀的结晶产品。

流化床中的细小颗粒随母液流入循环管，重新加热时溶去其中的微小晶体。

若以冷却室代替奥斯陆蒸发结晶器的加热室并除去蒸发室
等，则构成奥斯陆冷却结晶器。

这种设备的主要缺点是溶质易沉积在传热表面上，操作较麻烦，因而应用不广泛。

4结晶器装置
4.1结晶槽
一种槽形容器，器壁设有夹套或器内装有蛇管，用以加热或冷却槽内溶液。

结晶槽可用作蒸发结晶器或冷却结晶器。

为提高晶体生产强度，可在槽内增设搅拌器。

结晶槽可用于连续操作或间歇操作。

间歇操作得到的晶体较大，但晶体易连成晶簇，夹带母液，影响产品纯度。

4.2水箱和铜板
两块弧面铜板和两块侧面铜板组合成结晶器内腔，铜板上加工有若干冷却水槽(即水缝)，用螺钉将铜板与支承板(也称为背板)连接。

支承板上设有冷却水通道，冷却水从振动台上的供水孔进入支撑框架再进入支承板，再通过支撑框架流回到振动台上的回水孔。

铜板厚度一般为45~50mm，主要取决于水缝深度和再加工要求。

可采用的材质有Cu—
Ag和Cu—Cr—Zr。

如果连铸机拉速不高，相应铜板热面温度不超过250℃,可以采用Cu—Ag。

随着连铸技术发展和操作水平提高，连铸机拉速也相应提高，结晶器铜板有必要采用Cu—Cr —Zr合金，可以满足热面温度为350℃甚至更高的工况。

目前，国内方坯结晶器铜板次用Cu —Ag和Cu—Cr—Zr的都有，采用Cu—Cr—Zr的日趋增多。

[2]
为了提高结晶器使用寿命，铜板都会经过表面处理，即镀层。

典型的镀层材料有Cr、Ni、Ni—Fe、Ni—Co、Co—Ni。

Cr的硬度高，督促呢个化学稳定性好，但Cr与Cu的线膨胀系数差距较大，镀层结合力差，镀层易剥落。

[3]Ni与Cu的结合力好，但其镀层硬度相对较低，高温耐磨性差。

现已很少采用单独镀Cr或Ni得铜板。

Ni—Fe、Ni—Co、Co—Ni都有硬度高、耐磨性好的特点，其中Ni—Fe的化学稳定性较差，其镀层韧性随着硬度增加会降低；Ni—Co的抗热交变性稍差；Co—Ni的材料成本较高。

目前采用最多的镀层是Ni—Fe或Ni—Co。

4.3足锟
足堒的作用是：
(1)支承刚从结晶器出来的铸坯并导向进入二冷段；
(2)在引锭头进入结晶器时，起导向作用，避免撞坏结晶器下口。

一般采用1~2排足锟，每层4个足锟，即可对铸坯四面支承。

因足锟以下的二冷段也是地面设支承锟，所以目前一般采用2排足锟，用连接螺栓将足锟与结晶器本体的支承板连接在一起，也有将足锟固定于二冷段上的。

[4]对于后者，由于足锟不能随同结晶器一起振动，当结晶器运动到最高位时，足锟与结晶器下口之间的距离会加大，相对而言不利于对刚出结晶器仅有较薄坯壳的铸坯支承。

而且对于弧形结晶器的连铸机，由于仿弧振动的误差，足锟的位置相对结晶器下口而言不是绝对的固定的，所以足锟的导向功能被削弱了。

弧面足锟和侧面足锟的位置在径向或水平方向可以单独调节，以满足对中要求。

在足锟与结晶器下口之间以及锟间设置冷却水喷嘴，对刚出结晶器的铸坯实施强制冷却。

4.4振动装置
连铸生产对结晶器振动的要求主要有两个。

一是使结晶器精确地按着给定地运动轨迹振动，如直线或圆弧线运动轨迹；二是使结晶器按着给定地速度规律进行振动。

如正弦或非
正弦振动规律。

在非正弦振动规律出现以前的各种振动规律的产生都是由凸轮(包括偏心轮)机构来实现的，相对比较容易，而对于振动轨迹的实现相对比较闲难。

因此，振动装置的发展主要表现在实现振动轨迹的机构上，如导轨式、长臂式、差动式(包括四偏心式)、短臂四连杆式(包括半板簧、全板簧式)。

[5]而且由于止弦振动规律的出现，使实现非正弦振动规律比
实现振动轨迹要难得多，因此，振动装置的发展主要表现还在非正弦装置的驱动和控制上。

结品器非正弦振动装簧按照驱动和控制方式可以分为液压非正弦和机械非正弦。

4.5冷却系统
结晶器冷却水系统。

连铸机结晶器冷却用水采用软水开路循环水系统。

冷却水通过水泵加压供给结晶器使用，为间接冷却用水。

使用后的回水靠余压进入冷却塔，冷却后的水进入吸水井，再由供水泵组加压后循环使用。

5结晶器参数
5.1长度
作为一次冷却，结晶器长度是一个非常重要的参数。

结晶器越长，在相同的拉速下，出结晶器坯壳越厚，浇铸安全性更好。

然而，结晶器过于长的话，冷却效率就降低。

目前世界上通常采用的结晶器长度有两种，即700mm和900mm。

5.2结晶器锥度
由于铸坯在结晶器内凝固的同时是伴随着体积的收缩，因此，结晶器铜板内腔必须设计成上大下小的形状，即所谓的结晶器锥度。

结晶器锥度分为宽度方向和厚度方向两种。

宽度方向的锥度：结晶器宽度方向上的锥度比厚度方向上的锥度更为重要。

因此，通常所说的结晶器锥度就是指结晶器宽度方向上的锥度。

铸坯的收缩与拉速有关，从理论上讲，结晶器锥度应根据拉速变化而变化。

5.3结晶器宽度
结晶器宽度的设定要考虑从液态钢液完全凝固以及冷却到常温所有收缩量。

根据钢的成分以及连铸机型等因素，这种总的收缩取1.3%～2.5%为宜，普通深冲钢可取1.5%。

6.结晶器发展
在采用连铸技术之前，一般都是采用模铸浇铸成钢锭，在这个过程中。

钢坯还要经过加热，每次都要损失一定量的金屑；。

连续浇注液体金属是l9世纪中叶，南美国人和英国人先后提出的，当时只能用于连铸低熔点的有色金属。

直到1920~1935年间连铸过程仍然仅用于铜、铝等有色金属的浇铸。

这期间最有开拓性的研究就是如何提交连铸机的浇铸能力。

[6]解决途径除了加大浇铸断面、多流浇铸外，最关键的是浇铸速度。

固定不动的结晶器的浇铸速度仅限制在0．6m／rain左右。

若想提高浇铸速度，必须使结晶器相对铸坯移动一段距离，以防止铸坯从结晶器拉出时．薄弱的坯壳被撕裂。

1933年，人们发明了结晶器振动装置，并用其浇筑黄铜成功。

结晶器振动是现代连铸技术的基本特征。

二十世纪五十年代。

人们采用推一拉一停的结晶器振动模式。

后来．英国研究机构(RISRA)采用了安装在弹簧上的结晶器。

近年来．冶金工业的迅速发展。

要求连铸提高拉速和增加连铸机的生产能力。

人们对结晶器振动的认识也在不断深入和发展。

参考文献
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液压控制系统[M]。

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连续结晶器振动技术的发展及现状[J]。

湖南农机，2011.11，卷号(38):87-88
[5]邹晓康（译）。

连铸工艺采用神经网络系统进行拉漏预报[J]。

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[7]干勇，唐红伟，邱圣桃。

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[8]富晓阳。

连续铸钢课程的教学内容与教学方法改革[J]。

北京电力高等专科学校学报，2010（NO.6）D.。