第4章方坯连铸机总体设计及计算4.1 总体方案的确立钢水凝固成型有两种方法：传统的模铸法或连续铸钢法。

传统的模铸法分为脱模、整模、钢锭均热与开坯等工序。

基建投资大，能耗大，生产成本很高。

连续铸钢法的出现从根本上一个世纪以来占统治地位的钢锭初扎工艺，节省了工序，缩短了流程，提高了金属的收得率，降低的能耗。

本设计的主要工序流程是：钢水从钢水包中流出，先注入中间包，然后进入弧形结晶器，在结晶器中形成弧形铸坯沿着弧形辊道向下运动，运动中受喷水冷却，直至完成或部分凝固，然后铸坯到水平切点处进入拉矫机，然后用火焰切割车把铸坯切割成定尺，从水平方向出坯。

4.2 弧形连铸机总体设计计算与确定弧形连铸机总体参数包括：铸坯断面尺寸、冶金长度、拉坯速度、铸机半径以及连铸机的流数。

这些参数是确定铸即性能和规格的基本要素，也是设备选型和设计的主要依据。

4.2.1 铸坯断面连铸的坯型有：板坯、方坯、矩形坯、圆坯、六角或八角坯等。

以生产的铸坯断面尺寸和坯形如表4-1所示：确定铸坯断面尺寸时，应根据轧才的需要和轧制时的压缩比。

还应考虑炼钢炉的容量和铸机的生产能力。

对大型炼钢炉一般配置大断面和多流连铸机。

轧制的压缩比可取6～10。

对不锈钢和耐热钢最小取8，对高速钢和工具钢最小取10，对碳素钢和低合金钢可取6。

铸坯断面越大，对加杂物上浮越有利，同时铸机生产能力越大，但铸坯断面尺寸超过最大压缩比的要求时，就会相对得多消耗能量。

在选择铸坯断面形状和尺寸时，还应考虑与轧机能力的合理配合，可参照表4-2选用。

4.2.2 冶金长度从结晶器液面到铸坯全部凝固为止，铸坯中线距离称为液心长度或称冶金长度，因此液心长度与铸坯冷凝有关。

冷凝公式：铸坯凝壳厚度δ与冷凝强度和冷凝时间有关，冷凝强度用单位热流表示，即每单位时间单位面积上流出的热量，用0H 表示，单位为Kj/m 2·min,0H 越大表明冷凝强度越大，凝壳越厚。

由实验知，有如下关系：δ∝5.05.00τH （mm ）或者 δ=ξ5.05.00τH（4.1）式中 τ——冷凝时间（min ）ξ——系数（mm ·m/k 5.0J ），与铸坯形状和材质有关，由实验知ξ=0.0758式中（4.1）中（ ξ5.00H ）称冷凝系数，用K 表示，即K=ξ5.00H （mm ·5.0min －） （4.2）则冷凝皮可厚度δ为：δ=K 5.0τ（mm ） （4.3）式（4.3）称冷凝公式。

冷凝系数K 的确定：在连铸机中各段冷却强度不同，因此各段的K 值也不同，一般分为两段，即结晶器和二冷段，为简化计算也可以用一个综合系数K 适用与连铸机各段中。

冷却系数可由以下两种方法确定。

（1）经验值冷凝系数的经验值结晶器：水平、旋转、轮式 ：K=25～30mm/5.0min 立式、弧形：K=21～24mm/5.0min不锈钢：K=22～25mm/5.0min综合值：扁坯、板坯：K=24～28mm/5.0min方坯：K=28～33mm/5.0min圆坯：K=25～28mm/5.0min（2）结晶器冷凝系统计算①单位热流法求K 结晶器单位热流0H 可由结晶器冷却水流量和进出口温差算出，即：0H =4.187×SL T Q m ∙∆∙（KJ/min ·2m ） （4.4） 式中 Q ——结晶器冷却水流量(L/min)；ΔT ——结晶器冷却水进出口温差（℃m L ——结晶器有效长度（m ）；S ——结晶器周边长度（m ）。

将式（4.4）带入式（4.2）即可求出结晶器冷却系数：K=ξ5.0187.4 ⎝⎛⎪⎪⎭⎫∆S l T Q m （mm/5.0min ） （4.5）对结晶器，单位热流一般在5.569×310～16.7×310 KJ/min ·2m 范围，取ξ=0.0758则K=17.88～26.85 mm /5.0min 之间。

② 热流密度求K 每平方米结晶器面上流出的热量称为热流密度，用B H 表示，单位为KJ/2m ，B H 与0H 有如下关系：0H =ml υB H (KJ/2m ) 式中 υ—拉坯速度(m/min)。

由上式即可求出冷凝系数K ：K=ξ(mB l v H )5.0 (mm/5.0min ) (4.6) 参考书籍，本设计中取经验值K=21。

冶金长度： 当δ=H/2时,铸坯全部凝固(H 为铸坯厚度),此时之长度用Le 表示,称冶金长度或液心长度。

若拉坯速度为v,则全部凝固所经历的时间τe=e L /v,则冶金长度e L 为:e L =(kH 2)v 2 (m) (4.7) 从上式很明显可以看出,影响冶金长度的因素有:铸坯厚度、拉坯速度和冷凝强度。

拉坯速度与冶金长度成线性关系变化,即随着拉坯速度的提高,冶金长度 加长,由此在连铸工艺上、铸机结构上出现一系列问题,这些问题的解决,成为近代 高拉速连铸机的重要特征。

铸坯厚度H 和冷凝强度K 对冶金长度的影响成二次方关系,影响强烈,即厚的铸坯和低的冷却强度都会使冶金长度迅速加长。

冶金长度与铸坯宽度B 无关。

4.2.3 拉坯速度拉坯速度是连铸机的重要参数,只连铸机每分钟拉出铸坯的长度,用m/min 表示。

高拉速是近代连铸机的重要标志，为此我们希望连铸机拉速越高越好，但受到结晶器出口处坯壳厚度的限制，刚出结晶器的坯壳，厚度很薄，强度很低，在钢水静压力作用下会产生鼓肚变形甚至会出现漏钢事故。

拉漏，指在连续铸钢过程中,凝固坯壳出结晶器后,抵抗不住钢水静压力的作用,致使钢水从坯壳薄弱处流出造成的事故。

造成漏钢的原因是极其复杂的,但大致可有以下6种情况:(1)开浇漏钢。

开浇后拉坯起步时由于引锭杆头部密封不良所致。

(2)悬挂漏钢。

结晶器角缝大、角垫板凹陷或铜板划伤,使结晶器拉坯阻力增大,极易发生起步悬挂漏钢。

(3)裂纹漏钢。

在结晶器内坯壳产生严重纵裂、角裂或脱方(见鼓肚与菱变),铸坯出结晶器造成的漏钢。

(4)夹渣漏钢。

由于在结晶器内渣块或异物裹入凝固壳局部区域,使坯壳厚度太薄而造成漏钢。

(5)粘结漏钢。

由于结晶器保护渣润滑不良,使坯壳粘结在结晶器铜壁而拉断造成漏钢。

(6)切割漏钢。

当拉速太快,二次冷却太弱,致使铸坯内液相穴过长,铸坯切割后中心未凝固的钢液流出。

某厂对所生产的500万t 板坯统计表明,各类漏钢所占比例为:开浇9.1%,夹渣2.3%,粘结54.5%,裂纹22.7%,鼓肚4.6%,水口凝钢2.3%,其他4.5%。

水平连铸过程拉坯机按间歇拉坯方式驱动铸坯运动的速度与时间的关系(速度—时间曲线)。

这是一种间歇运动方式,由几个动作组合:“拉”、“停”、“推”或“拉”、“停”或“拉”、“推”,往复循环。

常用的组合方式有:拉—停;拉—推;拉—停—推;拉—推—停;拉—停—推—停;以及拉—停—推—停—推—停;间歇拉坯的每个周期内,铸坯都要做变速乃至变向运动,以实现上述任何一种方式的间歇拉坯。

因此需要有符合工艺要求并为拉坯驱动机构能实现的拉坯曲线。

根据曲线函数形式,有:(1)线性函数型。

这类曲线,由不同斜率的直线段拼接而成。

(见图4-1)(2)准正弦曲线型。

拉坯曲线由一条正弦曲线的正半周和另一条参变量不同的正弦曲线的负半周组成。

(见图4-2)(3)数种函数组合型。

曲线由两种或多种函数的线段拼接而成。

这种曲线可以根据需要在一个拉坯周期内的不同时间区段配合使用适当的函数形式的线段。

(4)任意函数型。

在计算机显示屏上用光笔随操作者之意临场绘制,输入内存便可付之拉坯。

图4-1 线性函数拉坯曲线图4-2 准正弦拉坯曲线拉坯曲线是水平连铸工艺特殊性所要求的,执行正确的拉坯曲线可使铸坯顺利拉出,并可避免铸坯缺陷和漏钢。

结晶器出口处坯壳厚度δ：δ=k 0τ (mm) (4.8)式中 0τ——铸坯在结晶器内所经历的时间（min ）若结晶器有效长度为m L ，拉坯速度为ν，则0τ=m L /ν式中 m L ——结晶器有效长度，m L =1-0.1（m ）l 为结晶器长度。

将0τ代入式（4.8）则有：v =(δk )2l m （4.9） 若取δ=【δ】，则最大拉坯速度max v 为：max v = （[]δk ）2l m 式中【δ】——安全坯壳厚度（mm ）。

安全坯壳厚度的大小直接影响拉速和铸机的生产能力，【δ】过大，拉漏机率下降，但必然降低连铸机的拉速，影响铸机生产能力；若【δ】取的过小，拉漏的机率过大，虽然拉速能得到提高，但由于拉漏的机率过大反而会降低连铸机的生产能力，综合考虑，应有一个拉漏率在此拉漏率时连铸的生产能力是最高的，此拉漏率称经济拉漏率。

在此经济拉漏率条件下的坯壳后度称安全坯壳。

安全坯壳厚度通常选取如下值：方坯：【δ】≥10mm板坯、扁坯：【δ】≥15～20mm确定拉坯速度有两种方法：(1)由凝固定律决定拉速：V=L(k/e)2 （4.10）式中 V ——工作拉速m/min ；K ——凝固系数 mm/min 5.0，取k=21；L ——结晶器长度, L=800 mm ；E ——出结晶器坯壳厚度mm ，小方坯e=8～12 mm 。

故 V=800×（21/12）=2.45m/min 。

(2)经验法V=0.118×（L+B ）/D ·B （4.11）式中 B ——宽厚比，B=1；D ——坯厚，D=0.12m 。

故 V=0.118×（1+1）/0.12=1.96m/min 。

拉坯速度有不同的经验公式，钢水温度增加，拉速降低。

实测指出，钢水 过热每增加10℃，拉速降低0.1m/min 。

4.2.4 连铸机生产能力的计算连铸机生产能力必须与炼钢设备的生产能力相配合。

（1）一炉钢水允许的最长浇注时间max t ，为了能正常操作，保证铸坯质量，浇铸时钢水温度波动不能太大。

故容量较小的钢包，钢水降温较快，故一包钢水最长浇铸时间可用下列经验公式进行计算：max t =LgG-3.02.0×f (min) (4.12) 式中 G ——钢包容量（t ）；F ——质量系数；值为10～15，普通钢可取f=11～15。

故 max t =Lg60-3.02.0×12=63.13 (min) （2）连续铸钢机的生产能力连铸机的生产能力有两种表示方法:一是连铸机的浇铸能力，二是连铸机的年产量。

①浇铸能力（Q ）所谓连铸机的浇铸能力是指每分钟注入结晶器内的钢水重量。

Q=n ·F ·V g ·r (t/min) （4.13）式中 n ——铸机流数 ，取n=4；F ——铸坯断面面积 ，取F=0.12×0.12m 2；V g ——拉速，取V=1.96 m/min 。

解得： Q=4×0.12×0.12×1.96×7.8=0.88 t/min②连铸机年产量（W年）按下式计算：W年=W时×24×365×η（4.14） W时=a×b×V×ρ×60 （4.15）式中 a×b——断面面积；Η——连铸机作业率，取为0.6。