弧形连铸机结晶器铜管锥度曲线设计与应用实例

金炳全

（连云港美士迪冶金设备有限责任公司，江苏 连云港 222000）

1 铸坯凝固过程和组织结构

1.1 铸坯凝固过程

当钢水注入到结晶器后，首先从器壁开始形成固相结晶核，这些晶核体相互连接发展，逐渐形成凝固前沿。由于溶质中各元素在固相和液相溶解度不同，从而伴随凝固进行，固相中溶质的析出使固液界面处液相中溶质浓度高于原来液相的溶质浓度。而固液界面溶质元素浓度的增加，将造成该处液相线温度的降低。当液相钢水实际温度高于凝固前沿固液界面液相线温度时，则钢水的热量将从液相移向凝固前沿。但当凝固前沿处钢水温度降到液相线以下时，实际上该处液相已处于过冷状态，则凝固前沿将发生晶体长大以消除局部过冷。一旦等到凝固之后又发生过冷和结晶长大，这就是在凝固前沿发生的实际结晶生长过程。

1.2 铸坯的凝固组织结构

连铸坯的铸态凝固组织通常是由三个区域组成的，即：

（1）边部是细小等轴激冷晶区，宽度在5mm左右，它是在100℃/s左右的速度下迅速冷却形成的。

（2）相临的是柱状晶区，它基本上是垂直于铸坯表面且向心部生长的。

（3）中心等轴晶区，并伴有不同程度的中心偏析和疏松。

通过低倍试验可以很明显观察到三个组织区域。

2 结晶器铜管锥度

2.1 结晶器铜管锥度发展现状

由连铸的凝固收缩特点可知，坯壳和结晶器铜管之间的传热是不均匀的，钢液在结晶器内凝固时产生的热收缩，会在坯壳与铜管之间形成气隙，阻碍热量的传递，降低冷却效果，使坯壳变薄。由于现在连铸拉速越来越高，对结晶器冷却效率要求也就越来越高。因此为了改善冷却条件，坯壳与结晶器铜管之间必须有良好接触。为此，伴随着高速连铸的发展，铜管锥度由单锥度逐步发展了双锥度、三锥度及抛物线型锥度等多锥度结晶器，如图1所示。

图1 结晶器发展过程

根据近些年的生产实践，抛物线型锥度比其他锥度具有更好的使用价值，受到钢厂的普遍欢迎。本公司生产的结晶器铜管现在均采用抛物线锥度设计。

2.2 结晶器铜管锥度设计原则

在连铸过程中，高温变形下的结晶器壁面应和收缩的坯壳表面贴合在一起，以减少空隙，降低热阻。结晶器壁和坯壳表面既不能相互挤压，又不能相互脱离。最好的验证方法就是用通钢量的多少来证明锥度设计的是否合理，在拉钢过程中不出现漏钢、鼓肚、脱方等缺陷，通钢量较高并且稳定，说明锥度设计得比较合理。

2.3 结晶器铜管锥度计算表示方法

结晶器铜管都加工成倒锥度，方坯结晶器铜管锥度用结晶器每米长的倒锥度表示。

倒锥度ε的计算公式为：

式中：St----结晶器上口边长；

Sb----与St同一面的结晶器下口边长；

L----结晶器长度，m。

3 结晶器铜管锥度设计应用实例

为了获得尽可能好的一次冷却效果，就要设法最大限度地使坯壳与结晶器铜管保持接触。锥度过小，铸坯得不到足够冷却，就会发生鼓肚，甚至漏钢；锥度过大，增加摩擦阻力，导致质量缺陷，加快铜管磨损。因此，一定要通过了解钢厂的铸机参数和所拉钢种来设计合理的抛物线型锥度曲线。本公司为许多钢厂根据不同钢种设计了大量锥度案例，现举一实例予以阐述：

某钢厂铸机主要参数如下

铸机类型：全弧型；

铸机半径：9m；

流数：10流；

铸坯断面尺寸：170mmx170mm；

结晶器铜管高度：1004mm；

浇铸钢种：HRB400、HRB500；

冷却水流量：150m3/h；

拉速：3.2m/min。

根据钢厂提供的铸机参数，我们现场对设备进行了全面了解和测算，依据生产需要制定了铜管的设计方案。

铜管内腔锥度采用抛物线锥度，根据钢种和铸机工作参数确定总锥度1.1%左右。实际锥度直面锥度比弧面锥度稍大，这样符合坯壳收缩变化规律，避免工作过程中坯壳与铜管内壁出现气隙。

经过综合分析设定总锥度和各区间锥度值如表1所示。

表1 铜管倒锥度设定值（上口端面为0点）

根据表1锥度设定值，具体细化每点锥度参数如表2。

表2 165方坯铜管弧面、直面及对角线锥度分布情况mm

4 小结

按表2参数加工的铜管送到钢厂，经过数月多批次试用，平均通钢量达到1万-1.1万吨，这一结果达到了国内先进水平，受到了钢厂的好评。

下一步我们将不断完善铜管设计理念，根据不同钢厂生产的不同钢种推出针对性的设计方案。设计时要了解钢厂的连铸状态，除了和钢厂进行图纸层面的沟通以外，一定要进行现场测绘，综合考虑多种影响因素，最终使设计的铜管能够得到用户的青睐。