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    连铸管式结晶器的优化与设计
    连铸管式结晶器的优化与设计
    发布时间:2017-02-05 10:55:59   浏览:

    随着近年来国内钢铁市场及连铸行业的蓬勃发展,结晶器制造业也迅速形成了一定的规模。根据不完全统计,国内从事结晶器制造或修复的大小厂家约在50家以上,技术水平及加工能力参差不齐。

      结晶器作为连铸机上最重要的部件而被称为连铸机的心脏,对连铸坯质量有重要的影响。为了更好地满足用户的生产需要,我们就方坯连铸结晶器设计、制造、使用及维护等方面的一些问题,与业内同行进行探讨。

      一、铜管的设计和制造

      1.标准的规定与执行

      在国内钢铁企业中,连铸机种类繁多、千差万别,结晶器及铜管作为非标设备,虽然国家对于方坯和圆坯等先后制订了相关标准,但难以适应生产形势的发展,在这方面,希望相关设计单位及制造厂认识到应有的责任,共同努力作到产品规范统一。

      2.铜管的制作要求

      目前,国内管式结晶器铜管主要采用凸、凹模在卧式或立式压力机上挤压成型。断面尺寸较大的管式结晶器铜管,要求压力机的压力要大于800吨,并且适当增加挤压成型道次。

      管式结晶器制作工艺的关键是铜管与模具的贴合性,即铜管的内腔尺寸要完全符合模具的制作精度。影响贴合性的主要因素有两点:

     ?、俦诤癖湫瘟康难≡?。若铜管在挤压过程中变形量选择小了,铜管内表面不能产生足够的塑性变形,造成铜管不贴模;变形量选择大了,挤压阻力增大,易把成型后的管壁拉直,所以选择合适的挤压变形量是影响铜管内腔精度的关键;

     ?、谕艹尚偷挠αΡ湫慰刂?。壁厚较大的铜管,在挤压变形中,内外表面的变形量不一样;外表面的金属被拉的很长,而内表面变形较小甚至有的局部没有变形,这就造成了铜管中存在着很大的内应力,在铜管的后续机加工时,这些应力会释放出来而引起铜管变形,所以在铜管成型过程中一定要采取适当的工艺措施,消除内应力,得到合格产品。

      3.结晶器总成及结构优化

      目前国内小方坯连铸机主要有以下几种机型:德马克型、罗克普型、康卡斯特型、达涅利形以及各设计院的改进型。生产断面主要是120×120 mm2和150×150 mm2.由于小于90×90 mm2,浇铸难度高,拉漏率高,已很少生产。小方坯连铸机比大方坯、板坯连铸机,设备结构比较简单。

      结晶器总成是连铸机的关键部件,其结构和性能直接影响着连铸坯的质量。我们根据国内小方坯连铸机实际使用情况,通过对结晶器总成各零部件结构的优缺点进行分析比较,试图找出一种优化组合,以满足不断提高的连铸生产需要。

      结晶器总成要具有下列性能:结构简单,便于拆装和调整,易于加工制造;要有较好的结构刚性,并且重量要轻,以便在振动时,具有较小的惯性力。

      小方坯结晶器总成主要由下面几种零部件组成:结晶器铜管,外水套,内水套,上下密封法兰,各种密封圈,足辊装置,足辊区喷淋装置。其中的核心零件是结晶器铜管,其它零部件围绕铜管进行装配。

      近年来,随着品种钢生产的需要和自动化控制的需要,方坯结晶器总成中又增加了电磁搅拌装置和液面自动化控制装置。

      4.铜管的选择

      结晶器铜管由铜或铜合金制成,长度为700-1000mm.若铜管短、拉速高,易发生漏钢;铜管过长,会增加拉坯阻力,造成铸坯横裂。现在各钢厂对拉速的要求都在提高,所以铜管长度通常定为850mm和900mm

      铜管的内腔锥度形式对铸坯的质量影响很大。最常用的锥度形式有:单锥度、抛物线、多锥度等。铜管内腔收缩形式基准:小方坯沿中心弧线按双边收缩。由于铸坯在铜管内的收缩接近抛物线规律,所以单锥度的铜管现在已很少使用;由于连续铸钢过程中铜管在热应力和冷却水压力的作用下存在变形,故原冷态下的抛物线锥度规律也随之改变;根据我们掌握的情况认为:多锥度的铜管更适用于生产需要,尤其在多钢种浇铸中更有优势。

      按含碳量设计铜管锥度。对于方坯铜管,一般倒锥度在0.7~1.5%/m之间。20MnSi按下限选择;普碳按0.9~1.1%/m选择;中碳钢按1.0~1.3选择;高碳钢、合金钢、不锈钢按1.2~1.5%/m选择。

      拉坯速度提高,倒锥度加大。铜管长度维持不变,提高拉速后,铜管内高温区下移,下部钢坯温度升高,收缩率增大。铜管锥度大小与润滑种类有关。相同工作条件下,选择?;ぴ蛴腿蠡耐茏抖龋呵罢咭笥诤笳?0%.具体锥度增加多少、在什么位置增加锥度,要根据钢厂工艺参数及钢种来确定。

      一般铜管壁厚为方坯规格的8~10%.按下限选择较为合理;按上限选择,铜管易过烧及变形。铜管R角以4~6㎜为宜。选择R角过小时,铜管角部不易保证镀铬层质量。

      5.冷却水缝

      结晶器铜管与内水套之间的水缝是冷却水的通道。水缝尺寸的大小和精度对铸坯质量影响很大,现在常用的水缝尺寸是4mm.水缝的精度要求是±0.2㎜,并且周边要尽量均匀。

      内水套上常用的定位调整装置有两种:一种是固定水条式,另一种是调整螺钉式。前者的优点是装配简单,缺点是制造精度较高,而且在磨损或水套变形后,水缝的精度就难以保证;后者的优点是水缝精度可以通过螺钉来调整,易于保证周边水缝尽量均匀,缺点是调整螺钉的锁紧螺母一旦松动,螺钉可能脱落造成事故。

      综合上述两种形式的优缺点,我们在实践中常采用结合法。这种结构既能实现周边水缝可以调整,又能保证在锁紧螺母松动后螺栓不脱落。

      6.足辊装置

      结晶器下部的足辊装置有两个作用,一是在穿引锭时,对引锭头起引导作用,防止划伤铜管。二是对刚出结晶器的铸坯具有夹持作用,尤其对有轻微脱方现象的铸坯有校正的作用。有些钢厂认为,结晶器下部带足辊装置漏钢后难于清理,所以将其取消或改成导向板装置。多数钢厂的实践证明:足辊装置的优点大于缺点,保留一排足辊还是必要的。为了便于更换和清理漏钢,足辊装置可以做成4个分体式、辊子为偏心的可调结构。

      7.喷淋装置

      足辊区的喷淋装置或称0段。这段冷却水的配给很重要:刚出结晶器的坯壳较?。ㄔ?0mm左右),冷却弱了易造成漏钢,冷却太强有时易产生内裂等缺陷;若冷却分布不均,易产生脱方,凹陷,纵裂等缺陷。喷淋装置通常采用2~3排扁平喷嘴。

      铸坯在结晶器内部时,铸坯角部最先脱离铜管;刚出结晶器时,角部的坯壳最薄。我们认为在最上面一排喷淋环上增加角喷是必要的。它可以增加角部坯壳的厚度,减少脱方,角部纵裂等缺陷。

      8.结晶器的密封

      由于结晶器内部存在0.7~1.2MPa的水压,因此密封结构的合理性对于结晶器使用中的安全性和保证生产顺利进行至关重要。结晶器的密封主要指铜管上、下端部法兰的密封及内水套与外水套分水腔处的密封。

     ?。?)铜管上、下端部的密封

      铜管上、下端部的密封主要有三种结构形式:

      罗克普型常用密封结构。其特点是安全可靠。若上端的侧密封失效,顶端的密封圈阻挡冷却水同钢水相遇,防止造成生产事故;即使有轻微渗水,也能继续维持生产。其缺点是更换顶端的密封圈较麻烦,得把整个结晶器全部拆开。

      德马克型的典型密封结构。其优点是结构简单,更换密封圈方便;缺点是碟簧的预紧力不易掌握,若上端的密封圈失效,冷却水就会进水铜管内,容易造成生产事故。

      康卡斯特和达涅利型常见结构。它兼备了前两种结构的优点,结构简单、安全可靠,维修方便。只要把顶面法兰拆掉,就可以更换上端密封圈,维护较容易,甚至可以在线维护。这种结构值得推广。

     ?。?)内水套与外水套分水腔处的密封

      内水套与外水套分水腔处的密封主要有以下3种形式:

     ?、倬匦蚊芊馊γ芊?。其特点是结构简单、密封可靠,而且对外水套内水套的加工精度要求不高。其缺点是它的密封是靠上密封法兰压在水套的支撑板上来实现的,支撑板与导流管中间法兰是焊接结构,容易产生焊接变形,而且内水套在外力作用下,也易产生变形,从而影响冷却水缝的精度。

     ?、诙⌒蚊芊馊γ芊?。其特点是结构简单密封可靠。整个内水套几乎是浮动的,在垂直和水平方向都不受外力,因此能很好地保持水缝的精度。对内、外水套的加工精度要求也不高。

     ?、?O形密封圈密封。它也具有不受外力的优点,但对内、外水套的加工精度要求很高。如果内、外水套的同轴度不好,装配会很困难,由于大部分内、水套内腔都是弧形的,要保证内水套中间法兰的同轴度是很困难的,并且在装配时容易挤坏O形圈。

     ?。?)密封失效的产生原因主要有结构原理、形状及尺寸的设计不合理将是密封失效的首要影响因素;制造误差,不仅影响密封的可靠性,而且将对结晶器铜管使用寿命产生较大影响;另外,密封材料及尺寸精度的选择,结晶器在制造出厂和生产检修时的安装误差,也不能忽视。

      二、方坯连铸质量问题与结晶器的使用

      1.方坯连铸质量与结晶器

      连铸坯的质量与浇注工艺、浇注钢种、断面尺寸和形状、设备情况、操作条件等有密切关系。连铸坯在凝固过程中受到冷却、弯曲、拉矫等,使铸坯经受温度应力和机械应力的作用,很容易产生各种裂纹缺陷,甚至可能造成漏钢事故或废品。另外,由于设备设计不合理或操作不当,也会造成铸坯缺陷。

      连铸坯表面裂纹缺陷按裂纹方向及所处位置,可以分为表面和角部纵裂纹、表面和角部横裂纹;在同样的条件下,裂纹敏感性钢种更容易产生漏钢。钢水温度过高或拉速过快是造成纵裂漏钢的主要原因。由表面裂纹引起的漏钢是影响生产的主要问题。

      方坯连铸上常见的连铸坯缺陷,例如:脱方、角裂、纵裂、粘钢、抖动等,其中造成连铸坯表面缺陷和漏钢原因,一般来说绝大部分(80%以上)是在结晶器内产生的。从生产实践看,防止纵裂或漏钢的重点应放在结晶器和二冷系统上,保证结晶器有足够强度的均匀冷却。

      菱形变形又称为脱方,是方坯所特有的一种形状缺陷。脱方是由于结晶器变形、锥度或圆角设计不适当、结晶器内冷却和坯壳厚度生长不均匀,引起坯壳不均匀收缩造成的。

      在生产实践中,引起结晶器内冷却不均匀的因素较多,如结晶器变形、内表面光滑程度、锥度或圆角的选择、冷却水缝的均匀度、?;ぴ难∮?、足辊的调节等都会造成结晶器冷却不均匀。注流不对中也会影响坯壳厚度均匀性。

      在设备方面,减轻和防止纵裂的主要办法是设计合理的结晶器形状和冷却水分布,减少坯壳内外温差引起的热应力;正确安装结晶器,不要使处于歪扭状态;在使用过程中,对结晶器要进行定期检查,发现结晶器变形量超过规定数值时,应及时更换。

      方坯连铸的突出特点是生产过程中可以控制的因素多,但主要在工艺操作(包括钢水质量和冷却水)、连铸设备和?;ぴ龇矫?,因此可以采取某些保证质量的有效措施以取得改善连铸坯质量的效果。

      2.结晶器的使用和维护

      由于各钢铁厂之间工艺装备、设备状况、生产操作和管理水平等差别较大,加上结晶器使用标准各不相同,就会造成同规格、同质量的铜管产品,在不同用户的使用中有较大的差别。小方坯铜管单支过钢量一般在3000吨左右,最好的超过10000吨。例如:及时清掉铜管内在弯月面处的钢渣瘤和?;ぴ?,以防造成脱铬;避免因划伤铜管引起铬层开裂,可以延长铜管的使用寿命。

      在结晶器的使用方面,用户一般是根据铸坯质量好坏、结晶器损伤程度、镀层磨损程度等来判断结晶器能否继续使用。首钢、包钢等企业采用在线检测结晶器锥度的方法,使连铸坯质量和结晶器寿命得到了较好的控制。

      三、结语

      综上所述,如何发挥连铸结晶器在生产中的作用,应该加强以下工作:在现有基础上,有必要进一步细化和规范结晶器铜管的设计、验收标准;改进结晶器铜管制造工艺;根据生产条件,合理选择结晶器铜管的锥度、内腔曲线、壁厚等参数要求;优化结晶器的结构,提高结晶器密封橡胶的材质性能;加强连铸结晶器的维护、保养和合理使用,以延长其使用寿命。

      随着我国钢铁生产和连铸技术的迅猛发展,在结晶器等连铸设备的开发制造方面的要不断进步,以适应连铸事业的发展的需要。

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