1、1方圆坯结晶器锥度的测量及分析王宝峰，李建超，曹建刚，丁国，腾飞 （内蒙古科技大学 材料与冶金学院，包头 014010）摘 要：对连铸中结晶器锥度的作用进行简要介绍，并且对方坯及圆坯结晶锥度设计原则进行分析，最后以不同方坯及圆坯结晶器内腔尺寸测量数据为基础，分析结晶器锥度在生产过程中存在的问题。关键词：方坯，连铸，结晶器锥度Measurement and Analysis of Mould Taper in the Continuous Casting of Billet and BloomLi Jianchao Wang Baofeng Cao Jiangang Ding Guo （Inne
2、r Mongolia University of Science and Technology, Baotou ,014010）ABSTRACT: The function of taper of mould in the continuous casting is simply introduced and the principle of design is analyzed. Based on the data measured with different mould, the problem of mould taper production is generalized.KEY W
3、ORDS: Billet, Continuous casting, Taper of Mould结晶器的传热是控制连铸坯产量和质量的关键所在，而坯壳与结晶器内壁面之间所形成的气隙，尺寸虽小，但其热阻却可以占到整个热阻的 80%以上 1，因此在质量和产量并重的今天，结晶器的锥度设计与制造水平也就越来越为生产者所关注。本文首先介绍了方坯及圆坯结晶器锥度的设计原则及几个常见的高拉速结晶器，在此基础上，以不同结晶器铜管的测量数据为依据，对当前国内结晶器锥度生产制造存在的问题进行分析，为生产实践提供指导。1 结晶器锥度带来的质量问题结晶器壁的作用，一是支撑钢液在结晶器内形成坯壳，二是将钢液及坯壳内的热传
4、导出去，加速坯壳的形成。随着坯壳厚度的增长，坯壳断面要逐渐收缩。为了能使结晶器起到上述作用，结晶器的断面必须随铸坯断面不断收缩而变化，这可以通过将结晶器做成一定倒锥度的方法来实现。锥度的大小必须合适，过大的锥度会造成结晶器对坯壳的挤压，导致角部凹陷，坯壳与结晶器的摩擦增加，加剧结晶器的磨损，还会出现表面增铜。在角部区域由于气隙的作用会形成热点，造成坯壳减薄和裂纹。锥度小会使气隙增大，热流减小，坯壳减薄，容易发生漏钢；另外锥度过小会使角部转动加剧，诱发皮下裂纹和纵向凹陷的产生。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，尤其是在连铸低碳钢
5、，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、四锥度及抛物线锥度等多锥度的结晶器 2，多锥度结晶器在纵向形状上更符合结晶坯壳的实际规律，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小，更好地消除了气隙的不良影响，增加了整个结晶器的传热效果，为连铸高效化提供了保证。2 锥度的表示方法: %10)(%ltbMmTaper其中 为结晶器上部两个相对面内壁之间距离， 为结晶器下部两个相对面内壁之间距tMb离， 为结晶器上部水平面到结晶器下部水平面之间的距离，通过这个公式可以对一个l2结晶器铜管用多锥度来表示。3 方圆坯结晶器锥度的设计原则
6、结晶器锥度设计合适与否关键在于结晶器热流的确定和钢种高温下物性参数的选择。结晶器的热流是控制钢液在结晶器内凝固和坯壳生长的外部条件。因此有必要对结晶器在各种条件下的热响应进行广泛而深入的研究。测试各种连铸参数变化时（如钢种、拉速、坯的规格）结晶器的温度变化规律；以此为基础，利用反问题模型计算出结晶器与钢液接触面上的热流分布及结晶器温度场 3-4。根据结晶器传热模型所得的温度场，利用有限元法编制了结晶器在高温作用下的弹塑性变形情况的程序，计算结晶器铜板变形情况。对方坯及圆坯连铸来说，由于普遍采用的是铜管式的结晶器，需考虑结晶器不均匀变形所带来的影响 4。新的结晶器锥度设计原则是：在拉铸时，高温变
7、形下的结晶器壁面应和收缩的坯壳表面贴合在一起。对于单锥度，锥度范围一般为 0.71.5%/m，一般来说，拉速越大，锥度越小；对于双锥度，上面的锥度为 1.52.8%/m，下面的锥度为 0.40.9%/m。另外对于不同的钢种来说，高碳钢的锥度一般比同条件下低碳钢的锥度要大。4 高效连铸结晶器的现状随着高效连铸技术的迅速发展，结晶器的设计和制造技术得到了迅速的提高。许多学者对结晶器的锥度设计进入过深入的研究，提出了具有连续锥度或多锥度的结晶器内腔形状的设计计算公式和方法，开发出了一些新型的结晶器：（1）凸形结晶器，该结晶器是由瑞士康卡斯特公司研制开发的。其特色技术是结晶器上部铜壁四周为凸形，向下逐
8、渐过渡到平面。通过形状的改变，使铸坯的收缩力和静压力的作用相互抵消，这种结晶器的锥度，使坯壳角部和其它的部位一样，紧贴内部以同样的速度生长，且生长速度加快，传热效果明显提高。同时可以很好地平衡由于纵向温度梯度在坯壳内所产生的应力，使坯壳均匀增厚，温度梯度减小，热应力降低，拉速大幅提高。 （2）钻石结晶器，这是奥地利奥钢联开发成功的一种高拉速结晶器。其技术特点是：结晶器铜管加长至 1000mm，在结晶器长度方向上采用抛物线型倒锥度，在距顶部 300400mm 以下的角部区域锥度为零，该结晶器的设计思路是将传统的单一线性锥度改为抛物线锥度，以更好地适应钢液在结晶器内的凝固收缩规律，使气隙厚度降到最
9、小，坯壳均匀生长，同时通过将结晶器下角部的锥度设计为零的方法，有效抑制摩擦力的增加，使加长结晶器长度成为可能，为在高速连铸下延长坯壳在结晶器内的有效停留时间提供了条件。 （3）达涅利开发的自适应型结晶器，它与传统结晶器最大的差别在于其壁厚偏薄，且能借助冷水压力使铜管紧贴住铸坯，从而适应并调整自身的原始锥度，适应铸坯收缩。并且结晶器的冷却水套分为多个区域，在不同的区域采用不同的冷却水量和水压力，在浇铸过程中，结晶器的倒锥度随结晶器水缝内的水压的变化自动调整，同时在角部采用非强冷方式。5 国内铜管锥度设计制造存在的问题以包头联方高新技术有限责任公司生产的锥度仪为测量工具，可对结晶器铜管的单锥度、双
10、锥度和各种曲线锥度进行测量。锥度仪中传感器的个数及具体安装位置可以由用户提出。在测量过程中测量信号由计算机进行处理后，直接显示出测量曲线和测量数值。测量仪器高度集成化，便于携带维护，使用方便。铜管断面方向测量精度为 0.01mm 铜管长度方向测量精度为 0.5mm。针对国内几个结晶器生产厂家的铜管为对象进行测量并对数据3进行分析，为钢铁企业选择合适的结晶器提供指导。5.1 结晶器不同两个相对面锥度不同0102030405060708024.24.24.624.825.025.25.425.625.826.0 新 铜 管旧 铜 管铜管两窄面内壁之间距离,m铜 管 长 度 ,m0.97%/m图 1
11、 180220 方坯铜管两个窄面内壁之间距离的测量01020304050607080184.6184.185.0185.2185.4185.6185. 新 铜 管旧 铜 管铜管宽面内壁之间距离,m铜 管 长 度 ,m0.54%/m图 2 180220 方坯铜管两个宽面内壁之间距离的测量图 1 和图 2 分别为 180220 方坯新铜管和旧铜管相对面之间距离的测量数据。从两个图中可以看出，新铜管锥度近似一个单锥度，其中两个窄面的锥度值为 0.97/m ，两个宽面锥度为 0.54/m。对于一个新的铜管来说，由于宽面和窄面边长相差并不是很大，所以宽面和窄面的锥度应该相等，否则在连铸过程中会造成连铸坯
12、的脱方、凹陷和裂纹等较严重的铸坯质量缺陷。从图上还可以看出，旧铜管在长度方向已经磨损的比较严重，尤其铜管的出口处，磨损最严重。这是因为在连铸过程中钢液在液面附近凝固时，坯壳的收缩比较严重，锥度应该大一些。在结晶器的下部，随着坯壳的形成，热阻增加，坯壳的收缩变小，锥度应该小些。如果铜管用单锥度，此锥度对结晶器上部来说有点小，对结晶器下部来说，显得比较大，导致结晶器的出口处磨损严重。因此随着连铸技术的发展，多锥度及抛物线锥度的铜管是结晶器发展的方向。5.2 结晶器内腔形状存在的问题4图 3 为 300340 大方坯新铜管相对面之间距离的测量数据。为了获得同一个面上两个点的测量数据，锥度仪安装两个传
13、感器，即在宽面上可以测宽面中心及宽面边部两个位置相对面内壁之间的距离。从锥度这个角度看，铜管宽面边部锥度为 0.998%/m，铜管宽面中部锥度为 1.00%/m，同一面上不同位置结晶器锥度基本一致。从结晶器内腔形状看，铜管两相对面不同位置测量数值不相同，边部测量数值比中心的要小，结晶器铜管内腔形状近似一个凸形，但和传统的凸形结晶器不同之处在于，结晶器下部的内腔还是一个凸形，而没有向下逐渐过渡到平面，所以这样的结晶器起不到前面介绍的凸形结晶器的作用。010203040506070307.6.830.8.230.48.630.9.30.29.430.69.8310. 铜 管 边 部 测 量 数 据
14、铜管两个相对内壁之间距离,m铜 管 长 度 ,m0.98/m铜 管 中 部 测 量 数 据1.0/m图 3 300340 大方坯铜管两个宽面之间距离的测量数据5.3 结晶器双锥度存在的问题01020304050607080901015.82.015.2.415.62.8153.0.2153.4.6153.84.015.24.15.64.8锥 度 3.06%m锥 度 0.47%m锥 度 0.5%m边 部 锥 度中 间 锥 度 边 部 锥 度铜管两相对内壁之间距离,m铜 管 长 度 方 向 ,m锥 度 6.0图 4 150 小方坯铜管内壁之间的测量数据图 4 为 150 小方坯铜管相对内壁面之间距
15、离的测试数据。锥度仪上安装三个传感器，边部两个，中心一个，可以同时测量相对面三个点之间距离。由于 150 小方坯的铜管是对称的，通过锥度仪翻转 90，可以测量另外两个相对面之间的距离。从结晶器的内腔形状来看，两个边部的数值是一致的，这是因为边部两个测量点相对于中心点是对称的。但也可以看到，从铜管顶部到距铜管顶部 300mm 处，中心点距离要比边部点的大，结晶器内腔形状为凸形。从距结晶器顶部 300mm 处到结晶器出口，结晶器边部测量点距离大于中心点，结晶器内腔形状为凹型。这种结晶器和传统的凸形结晶器是不同的，传统凸形结晶5器下部边部和中心测量数值应该一致，即下部结晶器内壁面应从内凸形状过渡为一
16、个平面。从结晶器锥度来说，通过对测量的数据进行处理后可以看出，这个铜管是双锥度的结晶器，从结晶器顶部到距顶部 320mm 为一个锥度，从距顶部 320mm 处到结晶器出口为另一个锥度。边部和中心的锥度是不同的，中心点的结晶器上部锥度为 6.0/m ，下部的锥度为0.5/m，上部的锥度太大，远远大于我们传统的数值。这样大的锥度容易引起结晶器对坯壳进行挤压，导致连铸过程中发生漏钢及产生角部裂纹。边部锥度也为双锥度，铜管上部锥度为 3.06/m，下部锥度为 0.47/m，同样也存在上部的锥度太大这种情况。5.4 抛物线锥度铜管存在的问题图 5 220180 铜管宽面之间距离的测量数据01020304
17、05060708024.825.025.25.425.625.826.0铜管窄面内壁之间距离,m铜 管 长 度 , m图 6 220180 铸坯铜管窄面之间距离的测量数据图 5 为 180220mm 方坯结晶器的测量值，从图中可以看出，铜管两个宽面的锥度为抛物线，这样的锥度更能够和实际铸坯在结晶器内的外形尺寸相一致。图 6 为铜管两个窄面之间距离的测量值，从图中可以看出，在铜管的 0280mm 之间铜管没有锥度，从距离铜管顶部 280mm 处到铜管出口，这一段铜管的锥度为抛物线。在连铸过程中，一般液面位于铜管顶部下 135mm 处，从铜管顶部到液面没有锥度对连铸没有影响，而在液面下面，钢液外表
18、面的热流密度比较大，坯壳收缩的比较严重，结晶器没有锥度，那么结晶器和坯壳之间将形成气隙，气隙的热阻比较大，降低了钢液内部热量输出，这样刚刚形成的坯壳温度得到了回升，容易导致漏钢。60 20 40 60 801015.15.215.415.615.8152.0152.152.41.30%/m铜管内腔尺寸，m 铜 管 长 度 ， m 中 心边 部图 7 某 A 厂生产的铜管0204060801015.415.615.8152.0152.152.4152.6152.8 中 心边 部铜管内腔尺寸，m铜 管 长 度 ， m1.56%/m02040608010153.6153.8154.0154.2154
19、.154.6154.815.0铜管内腔尺寸，m铜 管 长 度 ， m中 心边 部（a）铜管直面 （a）铜管弧面图 8 某 B 厂生产的铜管0 20 40 60 8010153.4153.6153.8154.0154.2154.154.6154.815.0铜管内腔尺寸，m 铜 管 长 度 ， m中 心边 部1.65%/m图 9 某 C 厂生产的铜管7图 7图 8 为国内某厂所使用的国内三个结晶器生产厂家提供的铜管内腔尺寸的测量数据，从图中可以看出，三个厂家生产的铜管内腔形状接近都接近抛物线，但铜管锥度是不同的，在距铜管上口 70250mm 这个区间，三个铜管的锥度分别为 1.30/m,1.56%
20、/m和 1.65/m,对于某 B 厂生产的铜管我们从图 8 中可以看出，铜管直面及弧面中心和边部的内腔形状不太相同，铜管直面内腔是内凸形，而弧面为平面形。铜管末端是没有锥度或是倒锥度的，这显然和锥度设计的原则不太符合。同样某 B 厂生长的铜管末端也存在这样的情况。5.5 圆坯铜管锥度测量存在的问题测量圆坯结晶器锥度的锥度仪以测量结晶器长度方向上铜管内腔直径为原理，故锥度仪安装一个传感器。图 10 为 180 圆坯结晶器铜管内腔直径的测量数据。从图中可以看出，从结晶器的入口到结晶器的出口，结晶器内腔直径和结晶器长度关系近似一个线性函数，所以 180 铜管的锥度为单锥度，通过计算得出铜管的锥度为
21、1.2%/m。由于圆坯在凝固过程仅仅在径向方向存在着收缩，其锥度应该比同样尺寸的方坯稍微小一些。010203040506070184.2184.184.6184.185.0185.2185.4185.6185.结晶器内壁直径，m 铜 管 长 度 ,m1.2%/m图 10 180 圆坯铜管内壁直径的测量数据6 结论（1） 从不同厂家结晶器的使用情况看，方坯及圆坯结晶器锥度在设计方面均有不同程度的问题，造成了结晶器使用寿命降低和铸坯质量的各种缺陷。（2） 结晶器的制造水平也有很大的差异，供货的厂家多样。为了保证连铸坯的质量，新的结晶器在使用之前，应该对铜管的锥度进行测量。参考文献1. 王宝峰, 丁
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