1、 龙成钢铁集团公司 48/43 吨大钢锭设计 说明书 辽宁科技大学冶金工程技术中心 2008-5-20 1 龙成钢铁集团公司 48/43 吨大钢锭设计 一 项目概况和设计要求 龙成钢铁集团为了生产特殊钢种、特厚、特重钢板，拟开发 45-50 吨特大钢锭。现厂冶炼、浇铸、加热、轧制的基本条件如下： 1. 转炉、 LF、 RH 工称容量 100 吨，可以保证生产纯净钢和特种钢的需要。 2. 钢锭采用坑铸或车铸，铸锭、整脱模现场场地满足铸锭要求（年产量约 100万吨）。 3. 钢锭采用均热炉或车底式室状炉加热，均热炉炉膛 尺寸 8x3.9x4.9 米，采用高炉、转炉混合煤气加热。 4. 均热跨间钳式
2、吊车吨位，主钩 45 吨，副钩 50 吨，主钩升起最大高度 10 米，夹钳开度 2200/800mm。 5. 受锭、运锭辊道宽 2500mm，轧机前后辊道 宽 3800mm。 6. 轧机高压水除鳞箱内腔高 1300mm，水压 25MPa。 7. 轧机前立辊开度 3800/1200mm，最大轧制力 700 吨，电机功率 2x1500kW。 8. 轧机前后延伸辊道间距 800mm。 9. 厚板轧机工作辊直径 1120/1020mm，辊身长 3800mm，支撑辊直径2200/2000mm，辊身长 3700mm，轧机 最大开口度 1100mm，电机功率2x7000kW，最大轧制力 8000 吨，转速
3、0-40-90rpm。 10. 四辊轧机和立辊轧机间距 4800mm，不形成连轧。 11. 精整吊车吨位 15+15 吨，桥式双钩电磁挂梁吊车。 12. 11 辊矫直机，矫直钢板厚 6-120mm，钢板长度 4000-42000mm，最大矫直力3500 吨。 13. 液压铡刀式双边剪，剪切钢板厚 6-50mm。 14. 预留超声波探伤装置。 15. 热处理设备：辊底式常化炉，辊底式淬火炉各一座，外部机械化炉 8 座，车底式加热炉 3 座。 16. 粗轧机和精轧机间距 120.26 米，精轧机 与 矫直机间距 108.55 米。 2 17. 生产钢板规格：厚 6-400；宽 1500-3600；
4、长 3000-18000mm，单重： Max. 45吨。 设计要求为： 1 锭重 45-50 吨，一炉两锭，出钢量按 100 吨计算。 2 钢锭调整范围 5.0 吨。 3 适应钢种为：普碳钢、低合金高强度钢、模具钢、高强度合金结构钢。 4 钢板厚度 100-400mm，宽 3000-3600mm。 5 超声波探伤合格率： III 级 90%（厚度在 220mm 以下）。 6 成材率 73%。 3 二 锭重设计和锭型计算 1 设计方案 1) 对于 特大扁钢锭，国内外有两种锭型。一种为上小下大，钢锭模内插 用来 调整浇高的绝热板，下部带凹型底盘的钢锭；另一种为上大下小，头部戴保温帽，下部为弧形实底
5、的锭型，二者均采用下铸法。前者的优点是调节锭重比较方便，模锭比和模耗较小，但由于 锭型上小下大，内部容易产生二次缩孔和严重疏松，故一般只适用于普碳钢和对超声波探伤无要求的钢种和产品。后者内部质量较好，但模锭比较大，模耗较高。根据本设计的要求，要生产特殊产品，对超声波探伤有较高要求，故选择上大下小戴保温帽的锭型。 2) 根据转炉、 LF 炉、 RH 精炼炉公称容量 100 吨，考虑留有 铸余 1.5 吨，下铸汤道损失 0.5 吨，实际浇钢量为 98 吨，一炉铸 2 只锭，每只实际重量为 49 吨。采用锭模加垫圈的方法，可调整锭重为 45 吨，此时出钢量为92 吨。 3) 特大型钢锭由于比表面积小
6、，凝固时间长，故树枝状晶比较粗大，钢锭的中心偏析亦比小钢锭严重，对由于钢中氢析出造成的“白点”也比较敏感 ，钢锭大面表面产生裂纹的机率也增加 。为了克服上述困难，本设计采用以下方案： A. 在可能的情况下增加宽厚比，增大比表面积，缩短凝固距离，以减少中心偏析和疏松。 B. 采用波浪边的设计，增加比表面积，加快冷却速度增加表层细晶坚壳带厚度 ，防止裂 纹产生 。 C. 采用钢锭本体厚度方向上的较大锥度和足够的帽容比，以保证钢锭本体的充分补缩，防止二次缩孔和中心疏松产生。 D. 采用钢锭大面预起拱 和 小面梅花形凸形，底部大面较大圆弧半径，小面较小圆弧半径的方法控制轧件变形，提高成材率。 4) 特
7、大型钢锭由于锭身厚度大，变形难以深透，由于多道次积累表面变形的结果，造成“双鼓”、“鱼尾”、“轧凹”，使切头、切尾、切边比小锭多，4 保证质量的压缩比也比小锭大，故设计中采用较大压下量轧制，而且要用立辊控制轧件变形，使变形 尽 快深透。 5) 由于宽厚板不仅要求纵向性能，也要求宽向性能，有的还要求 Z 向 性能，本 次 设计 中 除用定向凝固 钢锭 保证 Z 向性能外，对普通扁钢锭的宽度设计上考虑了一定量的宽展比（ 1.3-1.5） 。 6) 本设计钢锭厚度受到厚板轧机开口度 1100mm 的限制，最大厚度为1100mm，考虑到超声波探伤要求的最小压缩比为 5.0，则 所轧 钢板厚度最厚为 2
8、20mm（无超声波探伤要求的板厚不在此例）。 7) 本设计钢锭宽度受均热炉夹钳开度（ 2200mm）和钢锭输入辊道宽度（为2500mm）限制，最大宽度 2300mm（夹钳夹钢锭保温帽部）。 8) 为保证钢锭内部质量，考虑到钢水的液态收缩和凝固体积收缩之和为4%，保温帽的有效 利用率为 30%，故帽部容积占钢锭总容积的 13.3%。如锭重为 49 吨，则钢锭本体重为 42.48 吨，帽部重量为 6.52 吨；如锭重为 45 吨，则本体重 39.01 吨，帽部重量为 5.99 吨。 9) 本设计钢锭高度受钢水静压力产生裂纹的限制，包括保温帽浇高在内的钢锭总高 被 限制在 3200mm 以内。 10
9、) 为保证钢锭内部补缩通道畅通，液相穴前沿呈 V 型，取钢锭大面锥度为4%，为提高成材率，保证钢锭平面矩形化，取钢锭小面锥度 1%。 11) 为防止钢锭大面纵裂，增加坚壳带厚度，钢锭大面中部做成波浪形，波高 10mm，弦长 100mm，周期间隔 200mm。 钢锭由于采用纵 -横 -纵轧，上述波浪不会造成折叠。 12) 经计算， 49 吨钢锭 高度 达到 3300mm，超 出了裂纹生成极限 ，故 将锭重调整 为 48/43 吨 。进行重新设计、计算， 最终锭型详见图纸 。 其中钢锭本体上口厚 1100mm，下口厚 900mm，上口宽 2300mm，下口宽 2250mm，本体高 2760mm，
10、钢锭下部大面圆弧半径 R=300mm，小面圆弧半径r=100mm，大面锥度 4.07%，小面锥度 1.04%，大面起拱高度 40/20mm，拱顶宽 1400/1350mm，小面梅花形高 120/100mm，圆弧半径 60/70/80mm，反 向圆弧半径 200/250mm，大面波浪高 10mm，宽 100mm， R130mm，保温帽浇高 450mm，钢锭全高 3210mm。本体宽厚比 2.275，钢锭高厚比5 3.21，均在 合理 范围内。钢锭 垫圈厚度 265mm，可调整钢水重量 5 吨。钢锭帽内部衬 50mm 厚 PS 绝热板，为防止悬挂拉裂，帽壳宽、厚各向内收缩 20mm。 2 钢锭重量
11、计算（取液态钢水比重 =7.16t/m3） 1） 钢锭本体重量 A） 本体中央梯形台一块 tG 00.3416.746.22 86.005.202.106.21 B） 大面梯形片 2 块 tG 82.116.746.22 02.0205.235.104.02 06.24.122 C） 小 面 梅 花形 2 块 （按 类似 弓形计算） tG 13.216.745.22 1.086.05 8 4.012.002.15 8 4.023 D） 模底中间矩形块一块 tG 32.116.705.23.03.04 E） 模底 大面两侧 1/4 圆柱 二个 tG 08.216.705.23.0412 25 F
12、） 模底 小面 两 侧 类似 梯形片二个 tG 33.016.73.02 08.086.01.086.026 G） 模底四个角 部 tG 006.016.73.002.01.03147 H） 本体浇铸重量之和 G 本 =41.69 t 合乎设计公差要求 。 2） 钢锭 帽部 重量 钢锭帽部四周为防止悬挂拉裂， 帽壳 比 本体 向内收缩 20mm， 每边衬以50mm 厚 的 PS 绝热板 ， 剩余为帽部容积 。 A） 帽部中心矩形块 一块 6 tG 2.416.745.096.036.18 B） 帽部大面梯形块二个 tG 78.116.745.03.02 88.096.029 C） 帽部小面弓形
13、块二个 tG 45.016.745.088.012.032210 D） 帽部总重 G 帽 =6.43 t （要求为 6.384 t） 合乎设计要求。 3） 48 吨 钢锭 实际 重量 G 锭 =41.69+6.43=48.12 t 实际帽容比 13.3%。 3 垫圈尺寸确定 垫圈为调整钢锭重 量 用，锭重调整范围为 5 吨。 43 吨钢锭按帽容比 13%计算，本体重 37.41 吨，帽部重 5.59 吨。 1） 与 48 吨锭本体重之差为 41.69-37.41=4.28 吨 2） 模上口内腔截面积为 F=2.24 m2 3） 垫圈调整高度为 mFGh 2 6 7.016.724.2 28.4
14、 ， 取为 265mm。 4） 保温帽部内腔截面积为 F=1.99 m2 5） 帽部浇高为 mh 3 9 2.016.799.1 59.5 ，取为 400mm。 6） 43 吨钢锭最后参数为 钢锭上口宽 2294 mm，上口厚 1078.5 mm， 钢锭下口宽 2250 mm，下口厚 900 mm， 本体高 2760-265=2495 mm， 钢锭下部大面圆弧半径 R=300 mm，小面圆弧半径 r=100 mm， 7 钢锭大面锥度 4.07%，钢锭小面锥度 1.04%， 钢锭小面梅花形高 117.8/100 mm，圆弧半径 60/70/80 mm，反面圆弧半径200/250 mm， 钢锭大面
15、起拱，拱高 37.8/20mm，拱顶宽 1397/1350 mm， 钢锭大面波浪高 10 mm，宽 100 mm， R130 mm， 帽部浇高 400 mm，钢锭全高 2905 mm， 钢锭帽容比 13%， 钢锭宽厚比 2.298，高厚比 2.937。 8 三 锭模及保温帽壳设计 1. 钢锭模 设计 1） 考虑到特大型钢锭模受热时间长，热应力较大，锭模容易开裂，故采用高炉铁水直接浇注钢锭模，而不采用冲天炉铁水，对铁水要求控制 S、 P含量和浇铸铸模温度。 2） 钢锭模化学成分参考如下： C： 4.1-4.5%， Si： 0.6-0.9%， Mn： 0.6-0.8%， P 0.10%， S： 0
16、.03% ，Ti： 0.2%。 3） 钢锭模 大面壁厚取为锭厚的 0.29 倍为 320mm。为缓和各部热应力，钢锭模口大面：小面：转角厚度之比为 1.067： 1： 0.95。小面壁厚 300mm，转角厚度为 285mm。制造时各部公差要求均衡，要正皆正，要 负皆负。 4） 为缓和模壁纵向热应力，防止模内壁受热向模内腔变形，模壁纵向距模底 1700mm 处加厚 20/30mm，模底厚度为 260mm。 5） 模底眼直径取为 150/ 170mm，内装 140/ 160mm 反射水口砖，水口砖内径 60/ 70mm。 6） 为防止模口“开口效应”和应力集中，做成高 400mm，厚 30mm 的
17、围带 ，模口打 45 度坡角。钢锭模全高为 3020mm，模口还有高 25mm 的定位台。 7） 在锭模小面处，距顶、底 450mm 处设吊耳。考虑锭重 48 吨，加模重 58吨，保温帽重 5 吨，共 121 吨，吊耳直径取为 400mm，保证 其剪切强度，防止断耳。 8） 模内腔尺寸同锭型，其中大面起拱 40/20mm，是为了防止模内壁受热向内变形，造成模锭开裂，大面和小面模壁做成波浪形是为了增加锭模冷却强度，增加表面细晶坚壳带厚度，防止钢锭开裂。 9） 锭模上部设调整锭重的垫圈，垫圈与锭模之间有凸凹定位台，保证其对中 ， 垫圈上部也有凸台，保证保温帽对中定位，垫圈上设两个 140mm的小吊
18、耳。 10） 锭模上要求制造厂家铸上模号以便于管理。 11） 锭模按国家标准要求保证尺寸公差和质量，不得有裂纹、沙眼、凸包、9 飞翅等，模口、模底要求加工精度 12.5，并保证平行度 3。 12） 锭模 在制造后要进行时效处理，以消除铸造应力。自然时效时间半年，人工时效工艺如下：以 50 /h 速度升温至 550，保温 8h，然后 随炉冷却至 100出炉空冷。 2. 保温帽设计 1） 保温帽壳内腔尺寸较模口各方向向内收缩 20mm，以防止帽座偏产生悬挂拉裂。帽口内腔挂 50mm 厚的 PS 绝热板，帽壳尺寸见图纸。 2） 根据保温帽最大浇高 450mm（ 48 吨），最小浇高 400mm（ 4
19、3 吨），设计帽壳高度为 510mm，留高 60/110mm，做盛保护渣和碳化稻壳保温用。 3） 帽壳厚度 取 为 100mm，上 、 下面设有 100mm 厚的顶板和加强筋，防止帽壳受热 变形。 4） 帽壳上设两个小吊耳 150mm。 5） 帽壳材质与锭模相同，上、下表面为加工面 ， 加工精度 12.5。 6） 帽壳内腔由于安装绝热板，要求尺寸公差 3mm，内壁不得有凸包、飞翅、裂纹等缺陷。 7） 为便于模、帽对中，垫圈及帽壳下表面边部设有宽 30mm，高 30mm，深 25mm的豁口以及对中标记，便于人工撬杠拨正帽壳或垫圈。 注：经厂方研究， 48 吨锭采用整体钢锭模，暂不加垫圈。故文中涉及套圈内容暂不实施，可作以后参考，图纸以整体 48 吨锭为准。
