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1、1/86,连铸工艺与设备 4. 结晶器,课程编号：01014901 课程类型：选修课 学 时： 32 学 分：2 开课对象：材料成型及控制工程专业本科生 先修课程：认识实习、机械设计、金属学、生产实习 2011.4.12,2/86,4.1 结晶器,结晶器是一个强制水冷的无底钢锭模，是连铸机非常重要的部件，是连铸设备中最关键的部件，它的性能对连铸机的生产能力和铸坯质量以工艺的顺利和稳定都有十分重要的作用，称之为连铸设备的“心脏”。钢液在结晶器内冷却、初步凝固成型，且形成一定的坯壳厚度。这一过程是在坯壳与结晶器壁连续、相对运动下进行的。 通俗的讲连铸结晶器就是一个钢水制冷成型设备。基本由框架、水箱
2、和铜板、调整系统(调整装置、减速机等)；润滑系统(油管油路)，冷却系统和喷淋等设备组成。连铸结晶器需要和连铸结晶器保护材料(渣)一同使用。,3/86,4.1 结晶器,结晶器是连铸机的关键部件。它的作用是： 在尽可能高的拉速下，保证出结晶器坯壳厚度，防止拉漏； 通过结晶器的振动，使坯壳脱离结晶器壁而不被拉断和漏钢； 保证坯壳均匀稳定的生成，铸坯周边厚度均匀； 使钢液逐渐凝固成所需要规格、形状的坯壳； 通过调整结晶器的参数，使铸坯不产生脱方、鼓肚和裂纹等缺陷。,4/86,5/86,6/86,4.1钢水在结晶器内的凝固过程,当高温钢水浇入结晶器，钢水与水冷的铜壁接触，就会迅速凝固形成很薄的初生坯壳。
3、由于钢水静压力的作用，生成的坯壳与铜壁紧贴在一起的，此时钢水热量能迅速传给铜壁，被冷却水带走。 随着凝固的继续进行，坯壳逐渐增厚，坯壳企图收缩离开铜壁，而钢水静压力又把坯壳挤靠到铜壁，这个收缩一挤靠过程反复进行。当坯壳厚度达到能抵抗钢水静压力时，坯壳就脱离铜壁，这样在铜壁与坯壳之间形成了空气缝隙(叫气隙)，增加了传热的阻力，延缓了坯壳厚度的增长。气隙一般是在结晶器下部形成。所以结晶器内钢水凝固放出的热量是通过凝固壳-气隙-铜壁-冷却水导出的。冷却水带走的热量占结晶器总散热量96%左右。,7/86,4.1 连铸结晶器的性能要求,结晶器是连铸机的重要部件。钢液在结晶器中凝固成型，结成一定厚度的坯壳
4、并被连续拉出进入二次冷却区。 良好的结晶器应具有下列性能： (1)良好的导热性，能使钢液快速凝固，形成足够厚度的坯壳。每1kg钢水浇注成坯并冷却到室温，放出的热量约为1340kJ/kg，而结晶器约带走510%，即67134kJ/kg。结晶器长度又较短，一般不超过1m，在这样短的距离内要能带走大量的热量，要求它必须具有良好的导热性能。若导热性能差，会使出结晶器的铸坯坯壳变薄，为防止拉漏，只好降低拉速，因此结晶器具有良好的导热性是实现高拉速的重要前提；,8/86,(2)结构刚性要好。结晶器内壁与高温金属接触，外壁通冷却水，而它的壁厚又很薄(仅有1020mm)，因此在它的厚度方向温度梯度极大，热应力
5、相当可观，其结构必须具有较大的刚度，不易变形，以适应大的热应力； (3)装拆和调整方便。为了能快速改变铸坯尺寸或快速修理结晶器，以提高连铸机的生产能力，现代结晶器都采用了整体吊装或在线调宽技术； (4)工作寿命长。结晶器在高温状况下伴随有铸坯和结晶器内壁之间的滑动摩擦，因此结晶器内壁的材质应有良好的耐磨性和较高的再结晶温度；,4.1 连铸结晶器的性能要求,9/86,(5)振动时惯性力要小。为提高铸坯表面质量，结晶器的振动广泛采用高频率小振幅，最高已达400次/min，在高频振动时惯性力不可忽视，过大的惯性力不仅影响到结晶器的强度和刚度，进而也影响到结晶器运动轨迹的精度。重量要小，以减少振动时的
6、惯性力； (6)结晶器结构要简单，以便于制造和维护； (7)有良好的刚性和加工性，易于制造； (8)成本要低。,4.1 连铸结晶器的性能要求,10/86,4.1 高效连铸机结晶器设计的原则,保证高效率的热传导功能，即冷却强度大，冷却效率高，使铸坯在结晶器内结壳达到足够的厚度； 结晶器的热流强度均匀。热流强度均匀使铸坯坯壳均匀； 拉坯阻力小； 结晶器，特别是铜管寿命长。 目前方坯结晶器主要采用抛物线铜管、精致铜水套技术。结晶器铜管的内腔形状应尽可能与坯壳的凝固特性曲线相吻合，水套应保证足够的尺寸精度，以保证水缝的均匀性。高效连铸机结晶器一般都配有电磁搅拌和液面检测装置。,11/86,按结晶器的外
7、形(型式)可分为直形结晶器和弧形结晶器。 直形结晶器四面壁板都是平面状的，直形结晶器的内壁沿坯壳移动方向呈垂直形，因此导热性能良好，坯壳冷却均匀。该类型结晶器还有利于提高坯壳的质量和拉坯速度、结构较简单、易于制造、安装和调试方便；夹杂物分布均匀；但铸坯易产生弯曲裂纹，连铸机的高度和投资增加。直形结晶器用于立式和立弯式及直弧连铸机。,4.1 结晶器形式和结构-构造,12/86,弧形结晶器(curved mold)用在全弧形和超低头型(椭圆形)连铸机上。对弧形结晶器来说，两块侧面复合板是平的，内外弧复合板做成弧形的。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
8、，夹杂物分布不均，影响铸坯内部质量。弧形结晶器的内壁沿坯壳移动方向呈圆弧形，因此铸坯不易产生弯曲裂纹；但导热性比直形结晶器差；弧形结晶器用在全弧形和椭圆形连铸机上。所以，目前新建大型板坯连铸机多采用直结晶器。,4.1 结晶器形式和结构-构造,13/86,按断面(铸坯规格和形状)分有板坯、方坯、矩形坯、圆坯和异型坯； 按结构形式(结晶器本身结构)分有整体式、管式、组合式、多级和在线调宽结晶器等。 小方坯及矩形坯多采用管式结晶器，而大型方坯、矩形坯和板坯多采用组合式结晶器。,4.1 结晶器形式和结构-构造,14/86,管式结晶器,管式结晶器由铜管、冷却水套、底脚板和足辊等部件组成。管式结晶器结构简
9、单，易于制造、维修，广泛应用于中小断面铸坯的浇注，最大浇注断面为180mm180mm。,1-冷却水入口；2-钢液；3-夹头；4-冷却水出口；5-油压缸,是用壁厚为612mm的铜管制成所需要的断面，在铜管外面套有套管以形成57mm的冷却水通路，保证冷却水流速为每分钟610m。这种结晶器结构简单，制造方便，广泛用于小方坯连铸机上。,15/86,组合式结晶器,图1-10 组合式结晶器及连接方式 1-外弧内壁；2-外弧外壁；3-调节垫块；4-侧内壁；5-侧外壁； 6-双头螺栓；8-内弧内壁；9-水缝,组合结晶器(composite mold)：它是由四块复合壁板组合成所需要的内腔，每块复合壁板都是由铜
10、质内壁和钢质外壳组成。在与钢壳接触的铜板面上铣出许多沟槽形成中间水缝，冷却水在槽中通过。大方坯和板坯连铸机都用这种形式的结晶器。,16/86,组合式结晶器,17/86,组合式结晶器结构特点,组合式结晶器由内外弧铜板、窄边铜板、冷却水箱、窄边夹紧和厚边调整装置以及足辊所组成。 为提高结晶器冷却强度，与液态金属接触的内侧(内弧、外弧和侧板)皆采用导热性好又耐磨的铜合金。 在浇注时，从结晶器拉出的铸坯外部还是很薄的坯壳，内部还是液芯，为了更好地支撑这薄薄的坯壳和减少由钢水静压力而形成的鼓肚变形，在结晶器下端布置有23对足辊(也有采用格栅结构的)。 为了适应不同尺寸的铸坯，设置有调宽和调厚装置，近代板
11、坯连铸机发展了在线调宽装置，在不间断拉坯条件下改变铸坯的宽度，缩短辅助时间，提高铸机的生产能力。,18/86,多级结晶器(multi-stage mold),多级结晶器即在结晶器下口安装足辊、铜板或冷却格栅。,多级结晶器结构示意图 a-足辊；b-冷却板；c-冷却格栅,19/86,结晶器形式和结构,整体式结晶器：它是用整块铜锭刨削制成的，在其内腔四周钻有许多小孔用以通冷却水。这种结晶器刚性好，易维护，寿命较长，但制造成本高，耗铜多，近几年已不采用； 调宽结晶器(adjustable mold)：宽度可调的结晶器，一般只用于板坯连铸。在不停顿拉坯的条件下，改变铸坯的宽度叫结晶器在线调宽，它的优点是
12、： (1)能连续浇注出不同宽度尺寸的铸坯，缩短了停机时间，提高铸机生产能力； (2)可减少铸坯切头切尾的损耗，提高收得率； (3)可浇注相近成份的钢水而不需停机。,20/86,结晶器足辊设于结晶器的下方用以支撑和导向来自结晶器的铸流，分为宽面足辊和窄面足辊。 足辊是结晶器重要部分，要求与结晶器有严格的对中，在振动时与结晶器一起振动。在结晶器与辊子之间及辊子与辊子之间设有冷却喷嘴，以对铸坯进行喷淋冷却。,4.1 结晶器足辊,21/86,4.2 结晶器的新形式新技术,压力水膜结晶器 压力水膜结晶器是比利时冶金研究中心(CRM)和阿贝德厂(Arbed)联合开发的一种高效结晶器技术。 曲面结晶器 曲面
13、结晶器是中冶连铸开发的一种高效方坯结晶器技术。该技术是从传热角度，根据气隙产生的主要原因，通过对结晶器热变形和小方坯收缩的分析开发出来的。 人工附加气隙结晶器 人工附加气隙结晶器是新日本制铁株式会社开发的一种高效方坯结晶嚣技术，又称X-MOLD。,22/86,热顶结晶器 在结晶器弯月面区域镶嵌导热材料，以减少热流密度，延缓坯壳收缩，即热顶结晶器。 喷淋式结晶器 喷淋式结晶器是将管式结晶器隔离水缝改为喷淋水冷却，即由喷嘴喷出的喷淋水直接喷到结晶器铜管上实现冷却。冷却效率高，有较显著的节水效果。,4.2 结晶器的新形式新技术,23/86,4.2 结晶器的新形式新技术,24/86,4.3 结晶器的构
14、造,漏钢检测装置： 为了能够预报结晶器漏钢事故，在结晶器四面铜壁外通过均匀的螺栓埋入多套康铜热电偶；热电偶测到的温度数据输入计算机或在仪表上显示。热电偶的套数越多，检测也越精确。 也有根据结晶器内壁与铸坯坯壳间摩擦力的大小来测定结晶器内坯壳是否有漏钢。,25/86,4.4 结晶器的重要参数,(1)结晶器断面尺寸 a圆坯结晶器 b方坯和矩形坯结晶器 c板坯结晶器 (2)结晶器长度 (3)倒锥度,26/86,4.4 结晶器长度,计算公式： 式中： 结晶器出口坯壳厚度，mm，小断面为1012mm，大断面取2025mm 结晶器理论长度，mm K凝固系数取2023 V拉速 结晶器实际长度L一般在7009
15、00mm。,27/86,结晶器内腔纵断面的尺寸做成上大下小，形成一个锥度，由于是上大下小，故称倒锥度。 在结晶器中钢水由于受到冷却而形成一定形状的坯壳，随着铸坯不断下移，温度也不断下降而收缩，若结晶器没有倒锥度，就会在坯壳与结晶器之间形成间隙，称气隙。由于气隙的存在降低了冷却效果，同时由于坯壳过早地脱离结晶器内壁，在钢水静压力作用下坯壳会产生鼓肚变形。因此，将结晶器做成倒锥度，上述情况就可以避免，但其锥度大小应与铸坯冷却收缩程度相适应。 过小的倒锥度还会形成气隙，过大的倒锥度会增大拉坯阻力，根据经验，倒锥度一般取0.5%0.8%。例如我国某厂板坯连铸机，倒锥度取0.63%0.65%。,4.4
16、结晶器锥度,28/86,对铸坯质量、拉速、坯壳厚度和漏钢率等都有影响。,计算公式： 式中： L1结晶器上口宽度，mm L2结晶器下口宽度，mm 对方坯倒锥度可取0.4%0.8%；对板坯可取0.5%1.0%。,4.4 结晶器锥度,29/86,4.4 结晶器水缝面积,水缝面积对铸坯在结晶器的质量、拉速、结晶器的寿命等都有着重要作用。 (1)水量一般100120t/h，可以通过计算得到； (2)水速控制在610m/s； (3)进出水温差，方坯36；板坯58； (4)水的压力一般控制在310kg/cm3。,30/86,4.4 结晶器的拉坯阻力,结晶器的拉坯阻力主要与结晶器的锥度、结晶器铜板状况、所浇的钢种性能、保护渣性能等有关，它对铸坯表面横裂、漏钢和液面不稳定有大的影响。 F=(10001500)L； L结晶器周边长 mm。 结晶器转角半径： 结晶器转角半径对结晶器寿命和铸坯角部裂纹都有影响，断面120120200200mm为612mm，大于201201mm为1215mm。,31/
