常规板坯连铸机结晶器技术
保护视力色】 【打印 】 【进入论坛 】 【评论 】【字号 大 中 小】 2006-12-07
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杨拉道 刘洪 王永洪 刘赵卫 邢彩萍 田松林 （ 西安重型机械研究所 ）
结晶器是连铸机中的铸坯成型设备 , 是连铸机的核心设备之一。其作用 是将连续不断地注入其内腔的钢液通过水冷铜壁强制冷却 , 导出钢液的热量 , 使 之逐渐凝固成为具有所要求的断面形状和一定坯壳厚度的铸坯 , 并使这种芯部仍 为液相的铸坯连续不断地从结晶器下口拉出， 为其在以后的二冷区域内完全凝固 创造条件。在钢水注入结晶器逐渐形成一定厚度坯壳的凝固过程中，结晶器一直 承受着钢水静压力、摩檫力、钢水热量的传递等诸多因素引起的的影响，使结晶 器同时处于机械应力和热应力的综合作用之下，工作条件极为恶劣，在此恶劣条 件下结晶器长时间地工作，其使用状况直接关系到连铸机的性能，并与铸坯的质 量与产量密切相关。因此，除了规范生产操作、选择合适的保护渣和避免机械损
伤外，合理的设计是保证铸坯质量、 减小溢漏率、 提高其使用寿命的基础和关键。
板坯连铸机一般采用四壁组合式（亦称板式）结晶器，也有一个结晶器 浇多流铸坯的插装式结构。
结晶器主要参数的确定
1 结晶器长度 H
结晶器长度主要根据结晶器出口的坯壳最小厚度确定。若坯壳过薄，铸 坯就会出现鼓肚变形， 对于板坯连铸机， 要求坯壳厚度大于 10～15mm。结晶器长 度也可按下式进行核算：
H=(δ/K)2Vc ＋ S1＋S2 (mm)
K——凝固系数，一般取 K=18～22 mm/min0.5
Vc ——拉速， mm/min
S1——结晶器铜板顶面至液面的距离，多取 S1=100 mm
S2 ——安全余量， S=50～100 mm
对常规板坯连铸机可参考下述经验：
当浇铸速度≤ 2.0m/min 时，结晶器长度可采用 900～950mm。
当浇铸速度 2.0 ～3.0m/min 时，结晶器长度可采用 950～ 1100mm。
当浇铸速度≥ 3.0m/min 时，结晶器长度可采用 1100～1200mm。
2 结晶器铜板厚度 h
铜板厚度的确定是依据热量传热原理和高温下的使用性能，具体说，与 铜板材质、镀层、机械性能、拉速、冷却水量的大小和分布等有关。研究表明， 拉速高，铜板应随之减薄；反之，拉速低，铜板应随之增厚。在考虑上述诸多因 素后，铜板的厚度可由下式确定：式中 δ——结晶器出口处坯壳的最小厚度， mm h=hm+Δ m+δm (mm)
式中 hm——铜板冷却水槽深度， mm
Δm——铜板加工余量，一般取 Δm=10～ 15mm
δm——铜板最终的有效厚度，一般取 δ m=10mm
3 结晶器内腔最大宽度 Amax
Amax=1.025× Bmax (mm)
式中 Bmax——板坯最大名义宽度， mm
4 宽边铜板最大宽度 Cumax
Cumax=Amax+2h+(100～ 150) (mm) Zx=1.019×D+2 (mm)
Δ 结晶器锥度，一般取 0.9%/m 左右
Zs=1.025×D+2 (mm) 5 无轻压下时，窄边铜板上、下口尺寸 Zs、 Zx
式中 D ——板坯名义厚度， mm
如果考虑了凝固末端轻压下，则应再增加 3～4mm。另外，有的用户还要
求按照自己的经验进行确定，这时须尊重用户意见。
6 单边调宽行程 Sd
Sd=( Amax －Bmin)/2+(30 ～50) (mm)
式中 Bmin ——为板坯最小名义宽度， mm。
7 当用户无特殊要求时，生产当中结晶器下、上口尺寸 Ax、 As 的确定
Ax=(1.010 ～ 1.012) ×B (mm) Zx=1.019×D+2 (mm)
Δ 结晶器锥度，一般取 0.9%/m 左右
As= Ax×(1+ Δ× H) (mm)
式中 B ——板坯名义宽度， mm
口尺寸
kN
kN 结晶器长度， m
图 1 为结晶器上、下口尺寸示意图
8 结晶器夹紧力的计算 图 1 结晶器上下
每个结晶器有 4 组夹紧弹簧，上方两组，下方两组，其夹紧力为：
FS1=1.5×ΣPA
FS2=1.5×ΣPB
式中 FS1 ——结晶器上口每个夹紧装置的夹紧力， mm
FS2——结晶器下口每个夹紧装置的夹紧力， mm
ΣPA——钢水静压力和内弧水箱移动所产生的摩擦力在上方的作用力，
ΣPA——钢水静压力和内弧水箱移动所产生的摩擦力在下方的作用力，
夹紧装置结构形式可采用弹簧夹紧、液压缸松开的方式，也可采用全液 压夹紧方式。
9 热态板坯由宽调窄时的推力
结晶器推力计算时，可参考《板坯连铸机设计与计算》一书，主要考虑 列因素：
1）铸坯变窄时的推力
2）结晶器窄边钢水静压力
3）宽窄边铜板因弹簧夹紧引起的摩擦力
4）沿铸造方向窄边和铸坯之间的摩擦阻力
10 结晶器下口与引锭头之间的间隙
引锭进入结晶器后，结晶器下口宽度与引锭头宽度之间的间隙为 4～9mm
引锭进入结晶器后，结晶器下口厚度与引锭头厚度之间的间隙为 4～5mm
结晶器的优化问题
1 结晶器铜板材质
结晶器铜板设计是结晶器设计的最重要环节。铜板的导热效果及寿命主 要与铜板的材质、热面镀层、结晶器冷却水水量、结晶器与足辊及二次冷却区的 对弧精度有关，除此之外，合理的结构设计显得更为重要。
结晶器铜板母材推荐采用 CuCrZr 合金，也可采用 CuAg合金，在一台结 晶器上两种材质也可一起采用，易磨损的窄面铜板采用 CuCrZr 材质，相对不易 磨损的宽面铜板采用
CuAg材质。
铜板厚度一般取 40～50mm。
铜板镀层采用 Ni-Cr 、 Ni-Fe 、Ni-Co、Co-Ni 等。
铜板每次刨修量 1.5mm。
结晶器铜板的最小有效使用厚度（铜板表面至水槽底部） 10mm。
2 铜板水槽分布
结晶器铜板水槽的分布和传热密切相关，结构设计包括水槽的宽度、深 度、数量分布及铜板固定螺栓的布置等。 其要点是设置合适的冷却水流量与流速， 并考虑结晶器冷却的均匀性。
设计时螺栓直径在 M16～M20之间选取，螺栓间距应尽可能小，尽量减小 固定螺栓近旁的水槽间距，并采用长短结合的水槽深度，即布置在铜板固定螺栓 近旁的水槽可适当深一些，这样可有效降低固定螺栓处的铜板热面温度差，使结 晶器热量传递及形成的坯壳更为均匀，如图 2 所示：
图 2 不同尺寸的水槽深度
表 1 是国外某钢厂常规板坯连铸机高拉速时结晶器铜板主要参数
铜板材质 Cu-Cr－Zr
铜板厚度 35～40mm，表面温度小于 350℃
水槽宽度 5mm
水槽间距 20mm
33mm（螺栓近旁）
水槽深度 15mm
21mm（螺栓近旁）
水速 大于 9.0m/min （弯月面处）
为了减小窄面铜板边缘的热面温度，可以采取在铜板边缘增加倾斜水槽
或者增加角部通水孔，图 3 为角部倾斜水槽及通水孔示意图。
图 3 角部倾斜水槽及通
水孔
3 铜板冷却水量与水流速
冷却水量以浇铸速度为依据，按照板坯断面周边长度取 2.0 ～
2.8 ?/min/mm。冷却水压力 1.0MPa左右，根据结晶器水路结构和压力损失大小，
必要时窄面水的控制回路增设 0.2MPa 的增压泵。
对于常规板坯连铸机，冷却水流速应控制在 6～10m/s 之间
4 窄边和宽边的热流比
设计时应注意，结晶器窄边和宽边的热流比一般在 0.8 ～0.9 时，铸坯不易出现
裂纹。
5 液面处铜板温度分布
结晶器液面处铜板温度沿水平方向的分布，应尽可能做到高低温度差 △T≤10℃，以利于坯壳的均匀形成。
6 沿结晶器长度方向水槽的过渡圆弧
如图 4 所示，过渡圆弧的半径不要选的过大，否则会影响铜板顶部与钢 液面接触部位的冷却效果，可取 R=30～ 100mm。
图 4 水槽的过
渡圆弧
7 铜板与水箱的密封
铜板和水箱一般采用耐热橡胶 O型密封条密封，这时密封槽不能按标准 设计， O型密封条直径选定后，所选的密封槽应比标准规定的小。这还不够，必 要时，采用双密封条密封。 对于中薄板坯连铸机，冷却水流速应控制在 10～13m/s 之间。
8 铜板外形
在生产使用中，因为结晶器长时间热负荷工作，夹紧装置松动或窄边漂 移，也可能由于设备加工及安装等原因，使窄面铜板的工作状态出现偏斜，如图 5(a) 所示，偏斜后出现了间隙 a。
如果 a 值过大，角部热阻增大，不利于该处坯壳的形成，容易造成漏钢， 同时钢水容易进入角部间隙凝结，造成挂钢。优化窄边铜板的外形可以改善这种 状况。
优化方案一，图 5 为解决窄边漂移的优化方案示意图。改变窄边铜板断 面形状，如图 5(b) 所示。其原理是相对减薄窄边铜板的厚度， 从而减小角部间隙。 窄边铜板断面形状改变后的工作状态如图 5(c) 所示，很明显， 优化后的角部间隙 b 值要小于 a 值。
图 5 窄边偏移方案优化
优化方案二，改变窄边铜板宽度方向的几何外形，如图 5(d) 所示。结晶 器上口不接触钢水，下口坯壳已经有一定厚度，所以对窄边铜板的上部和下部可 以进行小量修正，以减小窄边铜板的相对宽度，从而减小角部间隙。
9 水路
结晶器的设计应保证其安装在振动装置上后，水路能够自动接通，对中 简单，固定和更换便捷。
板坯宽度较宽时，结晶器每个宽面冷却水回路可由一个变为两个。此时， 其水箱的结构必须保证有足够的刚度。