板坯连铸机结晶器

本科毕业设计(论文)

板坯连铸机结晶器设计

李小博

燕 山 大 学

2010 年 6月

本科毕业设计(论文)

板坯连铸机结晶器设计

学院（系）:里仁学院机械工程系 专 业: 机械电子工程 学生 姓名: 李小博 学 号: 061101011399 指导 教师: 牟德君 答辩 日期: 2010年6月

燕山大学毕业设计(论文)任务书

学院:燕山大学里仁学院 系级教学单位: 机械电子工程 学 学生 专 业 061101011399 李小博 机电-2 号 姓名 班 级 题目名称 1.理工类:工程设计 (√ )；工程技术实验研究型( )； 题 目 题目性质 理论研究型( )；计算机软件型( )；综合型( ) 2.管理类( )；3.外语类( )；4.艺术类( ) 题目类型 1.毕业设计( ) 2.论文(√ ) 题目来源 科研课题( ) 生产实际(√ )自选题目( ) 1 总体的方案及论证 主 2 查资料进行板坯连铸机铜板材质的选择和铜板结构设计 要 3 调宽加紧装置的设计 内 4 支撑足辊的设计 容 设计说明书2万字以上，完成外文资料的翻译不少于5千汉字 基 本 总装图1张A0，部件图、零件图共2张A0 要 要求能够满足1600mm钢板使用要求 求 能够进行结晶器在线调宽 参 1.结晶器设计，1988 考 2.冯荣坦，CAXA实体设计2005基础教程，机械工业出版社，2005 资 3.张策，机械原理与设计，机械工业出版社，2004 料 4.机械设计手册 周 次 第 1 ～ 4 周 第 5 ～ 8周 第9 ～12 周 第13～15周 第16～17周 查阅并翻译外结构参数和力能绘总装图、件完成夹紧和完成论文并准备应 完 成 的 内 容 文资料，提交参数计算，绘总装图和零件图 调宽部分的答辩 开题报告(含图的草图 文献综述、方案论述、拟解决的问题和进度) 指导教师: 职称: 年 月 日

设计 系级教学单位审批: 年 月 日 摘要

摘要

连铸机是现代冶炼生产过程中重要的生产设备，连铸生产线的引入能大大提高冶炼生产效率，降低工人的劳动强度，同时降低了成本，使冶炼生产跨进了一个崭新的时代。结晶器在连铸生产过程中起到了核心的不可替代的作用，组合式结晶器是结晶器进化过程中发展起来的一种，在现代连铸工业中得到了广泛的应用。

在本说明书中，主要研究了直线式结晶器的组成、各部分工作原理，介绍了国内外结晶器的发展趋势，找出了现在连铸生产线中所使用的结晶器的不足和一些解决的办法。

本文重点讨论了直线式结晶器的调宽机构和夹紧机构，详细介绍了直线式结晶器中中的调宽装置的结构以及工作原理，进行了水箱的几何形状及主要构件的设计计算。

关键词 连铸机；结晶器；调宽装置；水箱；足辊

I

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Abstract

Continuous casting machine is an important production process of modern smelting production equipment, the introduction of continuous casting production line can greatly increase the smelting production efficiency, reduce labor intensity, while reducing costs, and smelting step into a new era. Mold in continuous casting process has played an irreplaceable role in the core, composite mold is a kind of molds developed in the evolution of continuous casting, which has been widely used.

In this manual, the main study is the composition of the linear mold, and the working principle of erery parts. I introduced the new trends and developments of de mold of continuous casting at home and abroad , find out the disadvantages of modern continuous casting line and some way to solve them.

This paper discusses the width adjusting institution and clamping institution of liner mold, describs the structure and working principle of the linear mold width adjusting institution. Designs the geometry k and the main components of the water tank.

Keywords Continuous casting machine; mold; width modulated devices; water tank; crystal; foot roll

II

目 录

摘要 ....................................................................................................................... I Abstract ................................................................................................................ II 第1章 绪论 ........................................................................................................ 1

1.1 简单了解连铸机 .................................................................................. 1

1.2 连铸机的发展史 .................................................................................. 1 1.3 连铸机的发展趋势 .............................................................................. 3 1.3.1 连铸板坯热装热送和直接轧制 .................................................. 3 1.3.2 凝固末端的轻压下 ...................................................................... 3 1.3.3 人为鼓肚轻压下技术 .................................................................. 4 1.3.4 线快速调厚调宽的零号扇形段 .................................................. 4 1.4连铸机新技术 ....................................................................................... 5 1.4.1 薄板坯连铸连轧技术的出现 ...................................................... 5 1.4.2 CSP紧凑型带钢生产工艺 ........................................................... 5 1.5 连铸机发展存在的主要问题 .............................................................. 6 1.5.1 板坯表面质量问题 ...................................................................... 6 1.5.2 板坯内部质量问题 ...................................................................... 6 1.5.3 漏钢问题 ...................................................................................... 6 1.6 本章小结 .............................................................................................. 7 第2章 结晶器简介 ............................................................................................ 8

2.1 结晶器概述 .......................................................................................... 8 2.2 结晶器的发展趋势 ............................................................................ 11 2.2.1 结晶器液压震动装置 ................................................................ 11 2.2.2 结晶器在线调宽技术 ................................................................ 11 2.2.3 结晶器铜板表面镀层技术 ........................................................ 12 2.2.4 结晶器电磁搅拌技术 ................................................................ 12 2.2.5 结晶器形状的变化 .................................................................... 13 2.3 结晶器存在的问题 ............................................................................ 13 2.4 结晶器使用前的安全检查 ................................................................ 13

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2.5 本章小结 ............................................................................................. 14 第3章 结晶器夹紧装置的选择计算 ............................................................... 15

3.1 结晶器夹紧装置简介 ......................................................................... 15 3.2 结晶器夹紧受力分析及计算选择 ..................................................... 16 3.3 结晶器宽边调整机构的安装 ............................................................. 18 3.4 液压缸生产厂强调的注意事项 ......................................................... 19 3.5 本章小结 ............................................................................................. 20 第4章 结晶器调宽装置的选择计算 ............................................................. 21 4.1 调宽装置简介 ..................................................................................... 21 4.2 调宽装置的确定和基本参数的选择 ................................................. 22 4.3 调宽装置驱动选择 ............................................................................. 24 4.4 窄边调整机构的安装 ......................................................................... 24 4.5 本章小结 ............................................................................................. 26 第5章 结晶器铜板及水箱的选择计算 ........................................................... 27

5.1 结晶器铜板的设计 ............................................................................. 27

5.1.1 结晶器长度的选择 ..................................................................... 27 5.1.2 结晶器断面尺寸和倒锥度 ......................................................... 29 5.1.3 结晶器铜板材质及表面镀层的选择 ......................................... 30 5.1.4 铜板厚度计算 ............................................................................. 31 5.1.5 小结 ............................................................................................. 32 5.2 水箱设计 ............................................................................................. 32 5.3 本章小结 ............................................................................................. 33 结论 ..................................................................................................................... 34 参考文献 ............................................................................................................. 35 致谢 ..................................................................................................................... 37 附录1 .................................................................................................................. 38 附录2 .................................................................................................................. 49 附录3 .................................................................................................................. 57

IV

第1章 绪论

第1章 绪论

1.1 简单了解连铸机

回顾钢铁发展百年历史，很长一段时期内，冶炼出来的钢水都是通过模铸法浇铸成钢锭，再经初轧机，开坯轧机轧制成钢坯，然后经过加热，通过成品轧机轧制成各种钢材。这种传统的从钢水到钢坯生产方法叫做模铸开坯法。20世纪50年代，钢铁工业出现了一种新的浇铸方法，这就是连铸法。相对模铸开坯法，连铸技术的引入，使冶炼生产的效率与铸坯的质量都大大提高。

连铸过程中，炼好的钢水倒在中间包中(可装几十吨钢水)，液态的钢水(1500度左右)通过中间包下的小孔垂直地流到不停振动的结晶器(一般是圆弧形的，1米多长)中。结晶器外用高压水不停冷却，钢水在结晶器中形成外部是固态，内部还是液态的形态。结晶器外是一段弧形的冷却辊道。钢坯经冷却后全部成固态(800度左右)。随后是拉坯矫直机，将弧形的钢坯矫直，并提供牵引力将结晶器中的钢坯持续的拉出来。一般来说，钢坯出了矫直机后就会被剪断或割断，冷却后再送到轧钢厂。但也有连铸连轧的(就是矫直后的钢坯不经冷却直接进轧机出型材)。 连续铸造对工艺要求非常高，对设备的要求也非常高。

1.2 连铸机的发展史

1840年连铸概念首先由塞勒斯、赖尼等人提出，1887年德国人最早提出类似于现在的连铸技术，20世纪30年代德国建立首台立式连铸设备，20世纪50年代连续铸钢技术开始工业化，20世纪70年代连铸技术开始飞速发展。自从连续浇注技术用于钢铁工业以来，连铸机的高度由高向低发展，由立式到立弯式，再到弧形，近年来又出现了水平式连铸机，从连铸机断面看，有方坯、矩形坯、板坯、圆坯及各种异形坯。

20世纪50年代后期，首先用于工业生产的是立式连铸机，这种连铸机工艺条件优越，但是设备复杂、高度大、地坑深，用于旧钢厂改造困难较大。

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此外，铸坯的运出也比较困难，因此，除了特殊钢材外，一般不采用立式连铸机。20世纪60年代开发的立弯式连铸机成为了立式连铸机的替代品。随着连铸技术的提高和铸坯断面尺寸的增大，先后出现圆弧形和椭圆形连铸机，工业用弧形板坯连铸机是德国率先投产的。弧形连铸机能起到立式和立弯式连铸机的同样的作用，但是设备的高度大大降低，20世纪60年代以后，除了浇铸特殊断面和特殊钢种的铸坯之外，弧形连铸机已经成为各种连铸机中的主流，特别是大型板坯连铸机更是如此。

连续铸钢经过20世纪70年代后期的大发展，进入20世纪80年代后，其上升的势头并未衰减，连铸技术以成为高炉-氧气转炉-连铸-轧制生产中重要的一环。连铸技术被采用的程度已经成为衡量一个国家钢铁水平的重要标志。

我国从1955年起开始从事连续铸钢技术实验研究工作。1957年12月，上海钢铁研究所建立了我国第一台连续铸钢装置。1958年冬，在重庆第三钢铁厂建成了我国第一台工业用连续铸钢机。这是一台立式双流铸钢机，铸坯断面尺寸为170?250mm。1964年6月，我国第一台大型工业试验性板坯连铸机(R6-1700)在重庆第三钢铁厂投产。这是世界上第一台大型弧形板坯连铸机。不仅可以浇铸180?1500mm的宽板坯，而且可以同时浇铸三流180?250mm方坯，可浇铸300?2100mm的板坯，是当时世界上最大的连铸机之一。

我国的连续铸钢技术起步并不算晚，而且初期发展较快，与国外差距不大，但是在此后十年(文革期间)，速度减缓，与主要产钢国家差距逐渐增大。20世纪80年代中后期，随着改革开放政策的推动，我国连铸技术迅速发展，引进了成套连铸设备和技术，为我过自主连铸技术开发创了条件。在消化吸收引进技术的基础上，我国研制的小方坯铸机性能达到了国外同类产品的水平，大型板坯铸机取得了飞速的发展。例如，与日立造船合作设计的1900mm连铸机，舞阳1900mm连铸机，济钢1400mm连铸机，武钢1900mm自行设计连铸机。目前，国内连铸机的核心设备注入钢包回转台、中间罐车、结晶器、结晶器震动装置，支撑导向段，扇形段等设计制造已经达到国际先进

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第1章 绪论

水平。

1.3 连铸机的发展趋势

1.3.1 连铸板坯热装热送和直接轧制

连铸板坯的热装热送和直接轧制技术在20世纪80年代就已引起人们的重视，到了90年代，在薄板坯连铸连轧生产中被广泛采用、并已取得了巨大成功。为了缩短连铸和轧钢之间的生产工艺流程，最大限度地降低能耗，提搞钢水收得率，缩短从钢水到成材的生产周期，达到理想的生产经济效益，这板坯热装热送和直接轧制是实现这一目标的—个重要发展力向。所谓热装、热送，是指将连铸出来的高温铸坯用保温车运送到轧钢厂装人加热炉，或者通过专用辊道输送别扎钢长的加热炉里；而直接轧制则是在连铸饥后间增加均热炉或局部加热设施，把铸坯加热到轧钢机要求的轧制温度，直接在连铸生产线上进行轧制。当今世界上的常规板坏连铸机已实现热装热送、直接轧制的连铸工厂日本占有很大比例。主要有:住友金属鹿岛3号机，新日铁八幡厂、室兰厂、界厂、君津厂，川崎制铁千叶厂、神户制钢加古厂等。而在加拿大、英国、欧洲、中国台湾、宝钢等国家和地区也有许多这类工厂。

1.3.2 凝固末端的轻压下

轻压下技术起始于20世纪70年代末、80年代初，它是在收缩棍=辊缝技术的机基础上发展而来的，是近年来推广较快的板坯连铸机技术之一。对常规板坯连铸机来讲，是指凝固末端的轻压下，而对中厚板坯和薄板坯连铸机来讲。有的几乎是凝固过程中的的全程轻压下。90年代处的概念认为，常规板坯连铸机轻压下目的在于消除板坯中心疏松和偏折．而个厚板坏和薄板坯连铸机轻压下目的在于减薄板坯厚度，从而提高连铸机的工艺操作性，并与后续轧机更好地匹配而取得最佳经济效益:目前的观点认为，中厚板坯和薄板坯的轻压下不仅具有上述效果，它也是减小中心疏松和偏析的手段之一。轻压厂技术20世纪90年代中期之前，尚无静态、动态之分．到了90年代中后期，才出现动动态轻压下。静态轻压下是在浇注前预先设定好辊缝，

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然后按照设定的拉速和工艺条件进行浇铸的一种方法，而动态轻压下是在浇铸过程当中随着凝固终点的位置变化调整辊缝及辊缝收缩程度的一种浇铸方法，动态轻压下技术是近几年发展最快的板坏连持机技术。

1.3.3人为鼓肚轻压下技术

日本钢管公司经过多年的研究后，将人为鼓肚轻压下(IBSR)技术成功地应用在该公司福山6号板坯连铸机上.连铸机小辊径密排分节辊可以改善辊子间的鼓肚，而IBSR可以有效地改善钢水的流动状态。促进板坯凝固朝着有利于提高板坯质量的方向发展，从而克服了板坯的中心疏松和中心偏析。一般的轻压下能够改善板坯中心线沿厚度方向的中心偏析．而IBSR除能够达到同样的目的外，还能够改善板坯宽度方向的中心偏析。测试表明，传统的板坯凝固终端凝固部分沿板坯宽度方向呈“W‖状，当板坯厚度为300mm而未采用IBSR时其突出面至低谷的距离最大可达2m。这种凝固状态对钢水的流动和板坯质量是不利的，也不利于凝固终端采用轻压下。人为鼓肚后，凝固终端凝固部分变成了平直状，从而促进了钢水的流动．便于在该区域采用轻压下，使轻历下的效果得以充分体现。因此，IBSR工艺无疑是轻压下效果最理想的工艺，它可以使一般的轻压下效果更加显著，因为沿板坯宽度方向上的凝固终点是惟一的。

1.3.4线快速调厚调宽的零号扇形段

在常规断面的板坯连铸机中，有很多连铸机都是为厚板轧饥提供厚板钢种的铸坯，厚板钢种的浇铸与热轧带钢钢种不同点之一就是前者批量较小。后者批量大，由于很多厚板钢种都是高级钢种，成分差异大，质量要求高，再加上批量较小，所以各钢种之间不能连浇(连浇后的交接坯会变成废坯)。常规板坯连铸机浇铸轧带钢钢种时，如果不改变厚度，结晶器可以在热状态下进行在线调宽，若要改变厚度，则须将结晶器和华零号扇形段更换富后，才能开始浇铸。浇铸厚板钢种时，若板坯厚度较薄，可停机在线调整结晶器

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第1章 绪论

的宽度；当板坯厚度较厚时，如果零号扇形段需调宽或者板坯需要厚整厚度时均需要将结品器和军号扇形段更换后才能够重新浇铸。为了改变这种状况，日本住友重机公司开发广在线快速调厚，调宽的结晶器，并已用在日本钢管福山6号高速板坯连铸机上，同时又开发了在线液压马达驱动的、快速调宽调厚的机械夹紧式零号扇形段。这样、浇铸不同厚度的板坯时．整个让铸饥的辊缝才能够快速得到调整，而不用整体更换任何设备，从而减少了重新对弧的工序，减少丁非作业时间，提高了厚板连铸机的作业率。

1.4连铸机新技术

1.4.1薄板坯连铸连轧技术的出现

针对短流程小钢厂开发的薄板坯连铸连轧技术成功以来，受到的不仅仅是关注而是青睐，在冶金界产生了巨大反响，短短几年来，兴建了大批生产线。西马克公司的紧凑式热带生产技术1989年在美国建立第一条生产线，之后又相继建成了黑克曼、希尔沙、第那米克斯等钢厂。中国也相继引进该技术，建立了珠钢、邯钢、包钢、马钢、涟钢等生产线。薄板坯连铸经历第一代技术，现在第二代技术已经趋于成熟。首先，液压芯下压技术的出现，可有效的在二冷区对铸钢进行轻压下。其次，二代技术实现了铁素体轧制和半无头轧制，并且最终产品厚度可达到超薄带尺寸(小于0.8mm)。

1.4.2 CSP紧凑型带钢生产工艺

1989年7月，第一台由德国SMS提供的CSP投产，从而开辟了一个生产宽带产品的新时代，从结晶器内钢水高卷曲成热带，前后不超过三十分钟，是无数参观者惊愕不已。该厂9个月后盈亏平衡，以后长期稳定。从而向世界表明这一技术是成产热宽带最经济的手段。CSP工艺的设计思想贯彻了连续生产的三大原则:

以最少的工序达到经济上的高效益。从钢水到带卷仅用5个不可缺少的工序。用CSP浇铸铸坯，在辊底式均热炉中是铸坯加热到轧制温度，用六机架四辊连轧机轧制成品厚度，在输出辊道上根据材料性能进行冷却，最后用卷曲机卷取；最少的能源消耗。铸坯在均热炉中不需要重新加热；使薄板坯

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维持绝对的恒定温度。经均热后板坯温度均匀。以后的轧制和冷却工艺可以恒速进行。最终产品显微组织和尺寸精度容易达到理想状态。

1.5 连铸机发展存在的主要问题

1.5.1板坯表面质量问题

在连铸过程中，由于钢水不纯净，二次氧化，夹杂上浮不充分；由于铸坯本身的凝固特性；由于高温铸坯要经过冷却、弯曲、拉矫等方面的热应力和机械应力，是铸坯表面存在一些缺陷。如夹杂、缩孔、偏析和裂纹。对于重要用途钢，如机器、桥梁、造船用钢，要求良好的抗拉强度、韧性和焊接性能。因此，板坯必须偏析最小，内部致密度高，不变形，夹杂含量低。板坯的表面缺陷主要包括板坯表面纵裂纹、板坯表面横裂纹、其他表面裂纹，皮下气孔和表面夹渣、表面凹陷。

1.5.2 板坯内部质量问题

板坯的内部缺陷主要包括板坯的内部纵列纹、内部横裂纹、中心疏松和中心偏析。这些缺陷是在板坯的鼓肚、带液芯弯曲和矫直、板坯表面温度回升出现热应力、不同程度的过剩富裕溶质充填支晶的间隙等因素的影响下形成的。这些缺陷对轧材的质量影响较大，但在后部工序的加工中，有不可能消除。因此，为了提高板坯的质量，我们在减少板坯内部质量问题上还有很多工作要做。

1.5.3漏钢问题

漏钢事故在水平连铸机生产中是不可避免的，它的发生将使钢水包中的钢水无法继续拉坯，降低钢水收得率和拉成率，以至造成全炉终费，甚至由于处理漏钢事故停止生产。漏钢事故的原因有以下几种:结晶器质量的影响、钢水质量的影响、二次冷却水的影响。

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第1章 绪论

1.6 本章小结

通过这一章的工作，了解了连铸生产线的组成和工作流程，掌握了连铸生产行业及其相关行业的知识，如轧钢行业，汽车行业，机械制造行业等。掌握了连铸机目前在国内国外的发展趋势和行业动向，知道了现阶段连铸生产所使用的主要技术和其中的不足。同时掌握了搜集信息和查阅资料的的的技能，为今后的工作做好了准备，为毕业设计的顺利完成奠定了基础。

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第2章 结晶器简介

2.1 结晶器概述

结晶器是连铸设备中的铸坯成型设备，人们称它是连铸机的心脏。它的功能是将连续不断地注入其腔内的高温钢液通过冷却壁强制冷却，到出其热量，使钢液在结晶器内逐渐凝固成所需的断面形状和一定厚度的坯壳，并是这种芯部仍为液态的铸坯不断的从结晶器的下口被拉出，进入二次冷却区。为保证坯壳不被拉漏以及不产生变形和裂纹等缺陷，结晶器的性能对连铸机的性能对连铸机的生产能力和铸坯的质量都起到非常重要的作用。

结晶器是非常重要的设备，结晶器为坯壳形成的最初阶段提供了冷却，几何形状和空间，连续的钢水通过结晶器内部的铜板强制冷却，逐步成型。这个过程是钢水(坯壳)与结晶器之间连续相对运动下进行的。因此结晶器一直承受着钢水静压力、坯壳和铜板间摩擦力钢水热量的传导等因素的影响，使结晶器始终处在机械应力和热应力综合作用下，工作条件极为复杂。

结晶器在生产过程中，是否能够保证均匀强化的冷却，以及在机械应力和热应力的作用下不致产生变形，保证猪皮质量，降低溢漏率，提高结晶器使用寿命，因此一个良好的结晶器设计应该满足以下要求:

(1) 要有良好的均匀的导热性能。

(2) 结构合理，并具有足够的刚性，能够在承受剧烈的温度变化时变形小，铜板内壁要有良好的耐磨性能。

(3) 保证结晶器刚性的前提下，尽量减轻结晶器的重量，以便减小震动时结晶器的惯性力。

(4) 结晶器结构尽量简单，可接近性好，便于制造安装和调整。 (5) 冷却水路能自行离合。

结晶器是连续铸钢中的铸坯成型设备，也是连铸机心脏设备之一。它的功能是将连续不断地注入其内腔的高温钢水通过水冷铜壁强制冷却，导出共热星，使之逐渐凝固成为具有所要求的断面形状和坯壳厚度的铸坯。并使这种芯部仍为液态的铸坯连续不断地从结晶器下口拉出，为其在以后的二次冷

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第2章 结晶器简介

却区域内完全凝固创造条件。一个组合式结晶器可以绕铸一流铸坯，也可以通过捅装件浇铸多流铸坯。

板坯连铸机早期的结晶器是一个固定的模子，即一个结晶器对应—―个板坯断面。20世纪70年代四壁组合式结晶器出现后，在—个结品器上浇铸的扳坯宽度可以任意改变，而厚度可有级变化。在浇铸过程中可改变板坯宽度是8u年代的事情。到80年代不停机在线调厚已经在日本钢管公司福山6号机上实现。因此，组合式结晶器在连铸机发展史上具有重要意义。

组合式结晶器的结构又可分为带支撑框架和不带支撑框架两大类。后者由于结构紧凑、重量轻，也有的厂家称为紧凑式结品器，近年来应用逐渐增多。结晶器主要由内、外弧冷却水箱与铜板的装配件，内、外弧足辊，左、右窄面水箱与铜板装配件，窄面足辊，调宽装置，支撑框架紧装置，设备冷却水、二冷喷水及于油润滑配管等主要部件组成。带支撑框架的结晶器典型的是德国西马克公司生产的结晶器。在浇铸过程当中的调宽采用伺服电机。奥钢联工程技术公司液压缸伺服调宽结晶器，其最大特点也是没有支撑框架，但调宽的驱功力为液压缸:除此之外，还有几个特点:即结晶器窄面有4对足辊；结晶器带有支脚，存放时不用专门的存放台架。另外奥钢联工程技术公司为了节约昂贵的钢板，把传统板坯连铸机结晶器铜板背面20一26mm深的水槽变为浅而宽的水槽并移至支撑铜板的钢结构背板上，使结晶器传热冷却更加均匀且铜板厚度出45mm 减薄到27mm，从而降低了材料成本。这种结构又需要在铜板后焊接几百个钢螺母以固定铜板。这样在—定程度上又增加了加工成本。

结晶器主要参数言:结晶器长度、调宽速度、结晶器水量和水流速、铜板厚度等。常规板坯连铸机因拉速低于薄板坯和中厚板坯连铸机，结晶器长度(均指冷却铜板长度)一般为700—950mm，大部分为900mm，而薄板坯和中厚饭坯连铸机的结晶器长度在900一1200mm之间:浇铸过程中每侧的调宽速度一般为0—20mm／min。每侧最高达100mm／min.这是新日铁钢厂在80年代中期创造的。冷状态每侧调宽速度达200mm／min。结晶器水量为板坯断面周长2．0一3.0L／(min·mm)。大多数方坯连铸机的结晶器水量为板坯断面周长2．0一3.0L／(min·mm)。大多数板坯连铸帆的结晶器为20L

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／(min·mm)，而福山6号饥宽面铜板为2．41L／(min·mm)。300mm厚度的窄面铜板为2．88L／(min·mm)。板坯连铸机结晶器的水流速度为7—10m／min。10m／5min的水流速度是2001年才出现的。新结晶器的铜板厚度在27—60mm之间，而多数在39—50mm之间，27mm的铜板厚度是奥钢联发明的铜板和钢螺母焊接式结构中采用的。结晶器关键技术是:

(1)结晶器倒锥度；

(2)在线热状态调宽调锥度系统； (3)结晶器在线停机调厚；

(4)高速浇铸时铜板冷却水高流速均匀传热冷却结构；

(5)涡流式、电磁式、同位素式、浮子式、激光式、超声波式等各种； (6)漏钢顶报及热成僚系统；

(7)结晶器铜板热面温度控制系统及最低进水温度控制； (8)结晶器电磁搅拌和电磁制动；

(9)一个结晶器烧多流铸坯的插装式结构。

A调整装置中心线支撑框架中心线振动台中心线铸造方向A 图2-1组合式结晶器俯视图

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第2章 结晶器简介

A - A支撑框架中心线 （振动台中心线）外 弧 线调整装置中心线 图 2-2 组合式结晶器左视图

2.2 结晶器的发展趋势

2.2.1结晶器液压震动装置

结晶器液压振动系统是结晶器液压震动领域的先进技术。结晶器震动经过凸轮机械震动到今天十分先进的液压震动，经历了很长一段时间。结晶器液压振动系统较以往的震动方式具有很多先进的特点，包括:频率可调，振幅可调，震动曲线可调及高振频低振幅的特点。这些特点足够充分满足整个连铸工艺对包括钢坯振痕在内的表面质量及部分内部质量的要求。结晶器振动控制器可以接受来自连铸机二级计算机系统的模型设定数据、连铸机一级控制系统操作员设定数据及来自控制器本身自带的控制面板的人工设定。接收数据时，先检查权限和有效性，然受下载到控制器实现震动控制。

2.2.2结晶器在线调宽技术

结晶器是板坯连铸机的关键部件，位于中间罐下方的支撑导向段上方。为满足不同宽度板坯的需要，需要对接惊奇进行调宽。现在结晶器普遍采用在线调宽。结晶器调宽装置可以在线调宽和调锥度，主要通过调节结晶器窄

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面铜板来实现。结晶器在线调宽能够连续浇铸出不同宽度的板坯，是产量增加。若采用停机调宽，没调一次宽度需要一小时。采用在线条款可减少部分头尾铸坯损耗，提高连铸收得率，铸坯尺寸自由增加，还可连续浇铸相似钢水不停机。结晶器条款技术已向告诉发展，日本开发的告诉调宽系统在结晶器两窄边上下各有两台步进油缸单独驱动。窄边的宽度锥度和速度分别有两台微机单独驱动。该系统完全实现了高速自动调宽，为提高铸坯成品率作出巨大贡献 。

2.2.3结晶器铜板表面镀层技术

结晶器铜板是否具有高导热性和高抗变形能力、高强度、高表面精度、高硬度、高耐磨性、高抗腐蚀性以及足够常的工作寿命成为衡量结晶器质量的重要指标。铜板是刚睡凝固期间热交换的重要部件。铜板镀层技术的优劣是决定征台阶惊奇使用寿命的重要因素之一。连铸技术诞生以来，铜板从裸用发展为镀铬，镍铬合金直至最新一代的镍锌合金镀层，更适合高效连铸机，为保证连铸技术的发展提供了结晶器长寿的技术保证。

2.2.4结晶器电磁搅拌技术

MEMS于2002年6月在长特两刘特钢连铸机上投入使用，从样坯取样分析看，取得了良好的冶金效果。铸坯表面和皮下质量大幅度提高，经酸水处理后，铸坯表面的气孔，夹渣，凹坑基本消除。铸坯基本上不需要精整，表面质量明显提高，一次性不合格率又13%降至1%。消除了铸坯内部的白亮带。提高了铸坯内部质量，等轴晶旅明显扩大。结晶器内钢水温度趋于均匀，芯部温度降低，凝固前沿温度提高，温度梯度增大，有利于向外传热，从而有利于降低温度。柱状晶梢被折断成“结晶雨”。

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第2章 结晶器简介

2.2.5结晶器形状的变化

结晶器是连铸机的心脏,其设计结构决定了拉坯速度和生产率。若提高拉速增大产率, 则需要结晶器有适宜的几何形状来改善传热效果、降低摩擦力。大板坯连铸机的直结晶器: 使用直结晶器比传统弧形结晶器更能让铸坯与结晶器间均匀接触, 使坯壳均匀、快速地生长, 降低了漏钢的风险, 而且, 非金属夹杂物能上升到钢液面, 使得板坯具有优秀的内部质量。小方坯连铸机的多级结晶器: 现已证实, 多级结晶器能有效降低高速小方坯连铸机的漏钢率。其结结构组成为一个初级管式结晶器和一个采用刚性连接的长320mm 的第2 段。锥形结晶器: 锥形结晶器可用于大方坯、小方坯和大板坯连铸机。大方坯和小方坯连铸机抛物面结晶器的引入是连铸发展史的转折点。结晶器锥度与钢种和拉坯速度有关。铸坯在高速连铸机结晶器内的停留时间非常短, 坯壳必须有足够的厚度和强度来承受钢水静压力。因此, 考虑到铸坯收缩, 要使铸坯和结晶器保持良好接触, 结晶器管的各段要设计多个锥度。小方坯连铸机结晶器长度: 高速小方坯连铸机的结晶器总长比普通结晶器延长了900mm , 因此增加了钢水在结晶器内的停留时间, 提高了坯壳强度。

2.3 结晶器存在的问题

(1) 研发能力较低，对关键技术掌握较差，进口依赖程度较大，关键部件如铜板镀层，和精确调宽调后机构仍依赖于进口。大多数企业以生产为主，对于新技术的研究处于之后状态。

(2) 连铸生产过程中，钢坯极易出现拉漏的情况，生产安全性较差，工人的工作环境较差，安全性较低。

2.4 结晶器使用前的安全检查

结晶器安装上线前，在维护区应检查结晶器的装配、对中、运行、泄露情况、正确的安装和二次冷却喷嘴的喷雾情况。在结晶器到达操作区前，检查和结果都应被记录下来，还应该完场下面的检查和操作:

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(1) 检查铜板表面的磨损、损伤和平整 (2) 检查窄面和宽面间的缝隙

(3) 检查窄面锥度的调节和结晶器的的宽度

(4) 在窄面和宽面间检查结晶器的边缘缝隙，并使用硅橡胶正确密封 (5) 检查结晶器的水密封性能

(6) 检查结晶器盖是否在结晶器的正确位置 (7) 在调节后，检查夹紧装置的功能和夹紧结晶器

(8) 检查结晶器液面传感器的位置并校验，为传感器安装保护盖和接通冷却水

(9) 通过调节机构的手动方式来检查宽度调节装置的运转 (10) 检查供应管线(气体、液体)是否正确连接，包括密封性检查 (11) 检查结晶器盖的正确位置、变形和耐火材料内衬的损坏 (12) 检查供水软管机检查喷嘴位置和喷雾形式

(13) 检查结晶器足辊和侧面铸坯导向辊固定的紧密配合 (14) 检查结晶器足辊和侧面铸坯导向辊的旋转

(15) 检查结晶器与振动装置接触面的正确位置以及是否损坏 (16) 检查结晶器固定螺栓可能的损伤

在结晶器更换后，还要在结晶器上完成以下的检查和操作

(1) 检查结晶器足辊到铜板下部边缘是否道道设计值(视觉检查，用一个直尺定位在宽面)

(2) 通过过渡直尺来检查结晶器足辊到弯曲段第一个辊的对中 (3) 检查第一个窄面足辊到铜板下部边缘的对中 (4) 用结晶器锥度测量仪检查宽面锥度的对称性。

2.5 本章小结

通过第二章的学习，我进一步加深了对连铸机以及结晶器的了解。了解了结晶器的发展趋势和目前应用在国内外主流结晶器上的技术。对结晶器的设计工作做好了铺垫，为下一章的顺利进行做好了准备工作。

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第3章 结晶器夹紧装置的选择计算

第3章 结晶器夹紧装置的选择计算

3.1结晶器夹紧装置简介

现代的板坯连铸机结晶器都采用宽面压窄面的结构，所以宽面板调整装置不能采用固定的支撑防止。因为窄边面板在浇铸过程中会受热膨胀，款面板对债面板即要有一定的事呀，防止接缝处漏钢，又要允许膨胀。原来使用的结晶器宽面调整装置时纯粹的电动机械调整装置，这种装置调整的精度较差，采用齿轮箱变速传动，寿命较短。后来随着液压技术的不断成熟，第二代结晶器跨面调整装置采用的是螺杆加蝶形弹簧加液压缸的形式，这种调整装置较第一种有了质的飞跃，液压装置的引入大大提高了调整精度，但是蝶形弹簧在高温的工作条件下，很容易到达疲劳极限，因此这只能够宽面调整装置出现了自身无法突破的瓶颈。

现如今，第三代宽边调整装置已经投入使用，如下图3-1所示。现在主要使用的是纯粹的液压调整装置。这种装置的引入大大提高了宽边调整的精度，调整装置的使用寿命大大延长，同时这种装置免去了机械调整和螺杆蝶形弹簧调整时所需要的润滑管路，大大精简了结晶器的设计，同时提高了工作人员的安全性，使结晶器的可接近性大大提高。

图 3-1 加紧装置

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图 3-2 结晶器夹紧装置

3.2结晶器夹紧受力分析及计算选择

结晶器在连铸生产过程中，受的力非常复杂，因为结晶器的宽边钢板是弧线的，因此受力是变化的，在结晶器的设计过程中，工厂设计时遍采用的是计算机模拟结晶器内部受力情况。因此，我在本次毕业设计过程中只能通过简单的力学计算来得到结晶器宽边调整液压缸的受力情况。

图 3-3 结晶器夹紧装置受力示意图

钢水静压力计算

Pmax=?gH?10?4 （3-1)

式中 Pmax——最大钢水静压力 MPa

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第3章 结晶器夹紧装置的选择计算

H——结晶器压面到足辊中心线的距离 dm ?——钢水密度 kg/dm3

F?HB (3-2)

式中 F——受压面积 dm3

H——结晶器压面到足辊中心线的距离 dm B——板坯宽度 dm

P=H?g/2 (3-3)

F=H2B?g/2 (3-4)

P——钢水静压力 N

H——结晶器压面到足辊中心线的距离 dm B——板坯宽度 dm ?——钢水密度 kg/dm3

设定作用力作用在距底面(最大压力足辊处)1/3 高度上。 上下部液压缸受力及窄面板压紧力计算 对上部液压缸作用点B取?MB=0

则

pB=

pA=

p(2/3H?BC) (3-5)

ABp(2/3H?BC) (3-6)

AB上下各设置两个液压缸，故每个液压缸受力1/2pA与1/2pB。实际上由于考虑到一定的安全系数，则上下部液压缸受力为

p(2/3H?BC) p?= (3-7) AAB式中 pA——上下部每股液压缸的实际受力 N

p?A——上下部每个液压缸的计算受力

K ——安全系数 取 K =1.75

p(2/3H?BC) p?= (3-8) BAB式中 p?B——上下部每股液压缸的实际受力 N

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pB——上下部每个液压缸的计算受力 K——安全系数 取 K=1.75 经过计算，上下两组液压缸的受力应该是

4N ?10=2.91p?A

4p?B=3.53?10N

经上述计算，查机械手册，连铸机使用的液压缸是专用的液压缸，手册上没有记录，故上网联系一液压缸生产厂进行生产。抚顺天宝重工液压制造有限公司，该公司长期生产重型机械液压设备，有着丰厚的生产经验，能够做出满足我本次设计的液压夹紧缸。配合液压锁紧回路，能够完成宽边的调整和夹紧动作。但是连铸机结晶器在连铸生产过程中是不断振动的，因此液压缸的受力还受到振动的影响，这就需要反馈系统，利用微处理计算机进行调整，这在我本次设计的工作要求之外。

3.3结晶器宽边调整机构的安装

结晶器宽边调整机构采用的是液压缸调整和夹紧，在安装过程中，因为结晶器的水箱和铜板以及窄边调整机构等一系列组件都是通过铜板水箱两侧的螺栓和液压缸直接悬吊起来的，一次，宽边调整装置在安装时就不能和普通的液压缸一样采用尾部耳环连接。为了保证结晶器的强度，保证在连铸生产过程中随着结晶器的不断振动，宽边调整装置不会错位，依然能够顺利正常的工作。这次结晶器宽边调整液压缸的安装比较特殊，首先在结晶器的框架上，在预先计算好的中心线上打出和液压缸同等直径的通孔，然后将液压缸穿过通孔，通过尾部法兰，用螺栓将液压缸固定在结晶器框架上，这样安装，即保证了结晶器在连铸生产过程中不会发生轴向蹿动，也不会发生径向振动，这样的安装方式大大提高了结晶器宽边调整的精度。同时这样的安装方式，便于微计算机反馈调整装置的测量，又再一步提高了结晶器宽边调整和夹紧装置的稳定性和精度。

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第3章 结晶器夹紧装置的选择计算

3.4液压缸生产厂强调的注意事项

(1) 液压缸使用工作油的粘度为29～74mm2/S，推荐使用ISOVG46抗磨液压油。工作油温在－20℃~＋80℃范围内。在环境温度和使用温度较低时，可选择粘度较低的油液。如有特殊要求，需特别注明。

(2) 液压缸要求系统过滤精度不低于80μm要求，要严格控制油液污染，保持油液的清洁，定期检查油液的性能，并进行必要的精细过滤和更换新的工作油液。

(3) 安装时要保证活塞杆顶端连接头的方向应与缸头、耳环(或中间铰轴)的方向一致，并保证整个活塞杆在进退过程中的直线度，防止出现刚性干扰现象，造成不必要的损坏。

(4) 当液压缸安装上主机后,在运转试验中应先检查油口配管部分和导向套处有无漏油，并应对耳环和中间铰轴轴承部位加油。

(5) 液压缸若发生漏油等故障要拆卸时，应用液压力使活塞的位置移动到缸筒的任何一个末端位置，拆卸中应尽量避免不合适的敲打以及突然的掉落。

(6) 在拆卸之前，应松开溢流阀，使液压回路的压力降低为零，然后切断电源使液压装置停止运转，松开油口配管后，应用油塞塞住油口。

(7) 液压缸不能作为电极接地使用，以免电击伤活塞杆。 (8) 常见故障及排除方法可参照下列方法维修:

外部漏油活塞杆碰伤或拉伤,缸筒内表面拉伤,用极细的砂纸或油石修磨,仍然漏油可采用金工技术修复,修复后如新品使用性能;防尘圈挤出或反唇,拆开检查重新更换;活塞和活塞杆上的密封件磨损或损伤,更换密封件;液压缸安装定心不良,使活塞杆伸出困难,拆下来检查安装位置是否符合要求;活塞杆爬行和蠕动液压缸内进入空气或油内有汽泡,松开接头将空气排出;液压缸的安装位置偏移,在安装时检查与主机运行方向平行;活塞杆全长或局部弯曲,活塞杆全长校正不直度小于等于千分之三或更换活塞杆;缸内锈蚀或拉伤,采用金工技术修复达到使用要求。

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3.5本章小结

通过对本章的工作，完成了了宽边调整的夹紧装置这一重要部分，对结晶器的整体结构有了更深层次的认识。

本章工作还进行了液压缸的选择，选择了液压缸的的型号，对液压缸的行程，运动速度，工作原理等方面也有了了解，掌握了液压缸的分类，安装方式和实际工作的注意事项。

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第4章 结晶器调宽装置的选择计算

第4章 结晶器调宽装置的选择计算

4.1调宽装置简介

对于板坯连铸机来说，结晶器的宽度根据所要浇铸的板坯的断面不同时可以进行调节的。起调宽方法有在线停机调宽和浇铸中调宽两种。过去多采用前者，但随着连铸技术的进步，尤其是对于80年代发展起来的热传送热装机连铸-直接轧制工艺，更需要应用浇筑过程中的调宽技术。

而条调宽技术关键中的关键中的关键就是结晶器窄边调整机构。结晶器窄边调整机构从连铸生产线诞生以来就一直是结晶器不可或缺的一部分。从最开始的手动机械调宽，到后来的电动机械调宽到现在的液压调宽，经过一系列的变化，窄边条款机构精度越来越高，性能越来越稳定，越来越适应快速连铸生产的要求。

图4-1 调宽装置

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图 4-2 结晶器调宽装置

4.2调宽装置的确定和基本参数的选择

结晶器在浇铸生产过程中的调宽方法有两种。第一种是T型变化，第二种是Y型变化。T型变化时早期结晶器的变化方式，因为我本次设计采用的新型的液压调宽装置，所以我选用的的是较为先进的Y型变化，其变化的示意图如下图所示。

变锥度 宽度变大 锥度设定

a

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第4章 结晶器调宽装置的选择计算

宽度缩小 锥度设定

b

图4-3 结晶器窄边调整过程示意图 a 宽度变大 b 宽度变小

板坯调宽时的有关锥度设定和调宽速度选择是由制造工艺确定的。以下是控制调宽过程的数学公式:

?v=

式中:

aH (4-1) vcv——窄面顶部和底部的调整速度差； a——加速度；

H——结晶器高度；

vc——拉速。

根据经验，调宽速度一般为: 宽度变大时，每侧 0-10 mm/min 宽度变小时，每侧 0-20 mm/min

我在本次设计中借鉴宝钢连铸机工艺要求，选择锥度位3～16 mm，浇铸

时调宽速度:调宽用2～10mm/min ，调窄用2～20mm/min

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4.3调宽装置驱动选择

在浇铸中调宽时，机构处于带热负荷状态下运转。为了保证正常浇铸，窄边必须与初期凝固的坯壳保持良好的接触面，窄边的倒锥度必须适当，因此宽度调节的速度是在低速下进行的，而且移动速度要稳定。调宽素的机锥度的调节量必须与所浇铸的钢种、浇铸速度等参数相对应。且宽度、锥度的变化时相互配合的，可见，调宽装置的驱动要求比较特殊。西欧那个上所属，调宽装置的驱动要满足以下要求:

(1)调速范围宽; (2)调速精度高; (3)力矩稳定性好； (4)适应恶劣的工作环境。

过去一般采用的的机械驱动，这种驱动方式刚度刚性很好，但是因为丝杆的螺母之间总是存在间隙，所以停止精度就比不上液压调宽的方式。由于调宽装置的设置环境和相当恶劣的工作条件，在电动调宽方式中，直流电子调速系统更不能满足要求。就是一半的交流电机驱动也不能满足工作要求，宝钢采用的交流鼠笼型异步电动机加上带矢量控制的交流变频调速系统，它的性能无论是动态还是静态都是非常优秀的，尤其是输出恒转矩性能良好。但是这套性能工作原理复杂，设备成本高昂，所以我在本次毕业设计中并没有采用如此先进的驱动方式，而是采用的基本的液压调整方式，只要满足我设计所需要的工作精度就可以了。

本次设计，通过查找相关的资料，我采用的是日本新日界厂的系统，下面是这套系统的工作原理图。条款是，单边的移动速度可达100mm/min。告诉调宽技术将更利于连铸直接轧制的铸坯尺寸配合以及提高铸坯的成品率。

4.4窄边调整机构的安装

结晶器窄边调整机构是固定在结晶器框架上的。因为窄边调整机构的调

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第4章 结晶器调宽装置的选择计算

整范围比较大，我本次设计的调整范围是960mm至1600mm。所以如果两边采用单杆液压缸进行调整的过程中，在恶劣的工作环境和不断的震动过程中，液压缸的活塞杆可能发生挠度变形。这样，很大程度上影响了结晶器的精度甚至导致窄边卡死进而导致结晶器不能正常工作。

所以在这次设计中，我采用了四个步进液压缸，一边一对，分别固定在结晶器的窄边铜板上，这样就在很大程度上解决了活塞杆挠度变形的问题。但是很可能在不正常的工作条件下，活塞杆依然会发生变形。在宝钢的结晶器窄边机构中，已经出现了导向缸，即分别在每两边的一对液压缸中间加上一组导向缸，这样就完美的解决了活塞杆变形的问题。其机构如下图所示。

图4-4 宝钢的结晶器窄边调整机构(带导向缸)

在安装时，不能仅仅把窄边调整系统通过法兰固定在结晶器框架上，考虑到肋板的强度不够，在结晶器框架上加上两个纵向的三角形肋板，这样，从理论上经过论证完全能够承受住窄边调整机构在工作时所需要的轴向力。我的设计如下图所示。将窄边调整机构用螺栓固定在加强之后的肋板上，这样不仅有更好的强度，而且更加便于安装，更加便于窄边调整机构的拆卸和维修。

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图4-5 有加强肋板的结晶器框架

4.5本章小结

通过本章的工作，了解并进一步熟悉了结晶器的另一重要组成部分调宽装置即窄边调整装置，理解了该机构的机械构造和工作原理，同时指出了该部分的不足之处，并提出了自己的合理化建议和尝试改进。

本章同上一张有共同之处，也进行了液压缸的选择，进行了相关的计算分析。对该机构个别部分进行了改进，将原来的机械结构替换为液压机构，节省了空间，方便操作，提高了工作效率，同时也节省了成本，便于自动控制。

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结晶器铜板及水箱的设计

第5章 结晶器铜板及水箱的选择计算

5.1结晶器铜板的设计

5.1.1结晶器长度的选择

连铸机结晶器的长度是决定连铸机工作的可靠性和铸坏质量的最重要的参数之一。结晶器越长, 在其出口处的铸坯的凝固壳就越厚越坚固, 但拉坯力和拉应力也同时增大。对于各种尺寸规格的铸坯都存在一个在铸坯凝固壳中应力最小的合理的结晶器长度, 此长度可以取近似方坯断面的铸坯为例进行计算。

在计算时采用如下假设条件: (1)铸坯整个周边的结晶均匀

(2)当量应力根据强度的动力学理论进行计算。

在结晶器出口处具有足够强度的铸坯凝固壳的厚度?可按式式计算:

L ?=K? =K (5-1)

Vp式中:

K——凝固系数

?——金属在结晶器中存在的时间

L——结晶器有效区段长度 Vp——浇铸速度

与液态金属结晶的同时, 凝固壳便产生相变收缩, 钢水静压力把凝固壳压向结晶器壁, 而其收缩又阻止其向结晶器壁靠近。在研究上述现象的过程中, 得出一个结论, 即在结晶器中存在若干区段:直接接触区, 间接(脉动)接触区和在铸坯和结晶器壁之间有一定间隙的区段。可以假定, 结晶器与铸坏之间的摩擦是发生在有效区段全长范围内。

拉坯力可由下式确定:

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FB=

式中:

??L2S2 (5-2)

?——摩擦系数

?——钢水比重

S——铸坯断面周长

这时由拉坯力产生的拉应力:

FB??Vp1.5L (5-3) ?1==

S?2K由钢水静压力产生的拉应力?2由下式算出:

?L(a?2?)?L(a?2?)?LaVpaVp?2) (5-4) +=-(?2=

2?4?24KLKL根据强度动力学理论，当量应力可有下式确定:

?3kB??12??22??1?2 (5-5)

把有(3)(4)公式得到的?1,?2代入得到:

??kB=

?Vp2K?2L3?a4Vp4K2?a3VpK?a2L??a2L1.5Vp2K??aL2

(5-6)

根据实验数据, 铸坯表面温度按波状曲线变化，这条曲线可以修直，并可以用下面的指数函数表示:

t??500(2?e?5.33?) (5-7)

铸坯凝固壳的平均温度是

t?1=250(5+e?5.33?) (5-8)

2(t0?t?)式中

t0——钢水温度(大约1500℃)

?B?765?0.51t (5-9)

把(8)的温度规律率考虑在内

?B=127(1-e?5.33) (5-10)

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结晶器铜板及水箱的设计

理想的是尽量增大F值。若代入数值??7?10?3公斤/厘米3，k=3厘米

0.5/分 ，??0.6时，

F=127(1-e5.33L)-1.17×10?3× Vp

Vp?0.25L3?0.5aL2?0.083Vpa2L1.5?a2L?0.33a3VpL?0.028a4Vp

(5-11)

对于F可根据结晶器长度L，由于F曲线与横坐标轴橡胶而受限制。在

F曲线上能够办证最大安全系数的最大值，通过微分法不难算出相当于这个

最大值的结晶器长度L。

经过计算，结晶器的长度应该是600mm到1200mm。 结晶器的长度计算 L??(?/k)2Vc

L?——结晶器的有效长度mm

?——结晶器出口的坯壳厚度mm

K——钢液凝固系数mm/min1/2

Vc——拉坯机拉坯速度mm/min

L?L??(80?120) (5-12) 取mm

K?20mm/min1/2 Vc=20mm/min

最终计算得到结晶器的长度1000mm

5.1.2结晶器断面尺寸和倒锥度

结晶器下口宽度A=冷板坯宽度×1.013 (5-13)

B?AT/200 (5-14)

T是结晶器的锥度，按经验取1% 得 A=1637mm

B=8.10mm

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结晶器上口宽度1620.8+2×8.10=1637mm (5-15)

图 5-1 结晶器窄边铜板示意图

5.1.3结晶器铜板材质及表面镀层的选择

5.1.3.1铜板材质

铜板是钢水凝固期间进行热交换并使之成形的关键件，铜板的材质需满足相应的要求，根据浇铸时的工艺要求，铜板与钢液面接触的最高温度不得超过400℃。宽边铜板与短边铜板因其使用部位不同，所选用的材质也不同。

连铸机最初采用紫铜板，紫铜板虽然导热性好，但强度和硬度很低，耐磨性差，高温下强度更低。为了提高结晶器的使用寿命，现在普遍采用铜合金板制作结晶器，如铜银合金、铜-铬-锆-砷合金、铜-镁-锆合金、铜-铬-锆-镁合金等。奥钢联、西马克结晶器铜板的材质均采用铜银合金、真空冶炼，冷加工成型。前者在铜银合金内表面进行了镀铬。铜银合金成分为

Cu99．5% ，Ag0.07% ～0．1%(有的达到0．13%)，P0．006% 左右。采用铜银合金的目的，主要是提高铜板再结晶温度。当含银量为0.08% ～0.1% 时，再结晶温度为318℃ ～326℃ ，比普通冷轧铜板的再结晶温度约高出50% 。一般与钢水液面接触的铜板表面温度在正常冷却条件下为250℃～320℃。舞钢板坯连铸机结晶器用铜——银合金制作，化学成分为

9% ，Ag 0．07% ～0．12% 。导电率≥98%I．A．C．S(20℃)。Cu+Ag>99．

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结晶器铜板及水箱的设计

机械性能为?B≥200MPa，?S≥40MPa，HB≥45。为了更有效地提高铜板的使用寿命，在设计和制造中采用了在铜板表面镀层的方法。

结晶器的窄边铜板不仅在液面附近有热裂和剥离现象，而且由于热膨胀受宽边夹紧力的制约，使窄边铜板受压应力的影响而出现蠕动变形，在其下部由于调锥度，磨损更严重。因此，一般窄边铜板寿命比宽边短。据国外资料报道，采用含银的脱氧铜板，平均使用寿命为2000炉。结晶器的铜板要求有极好的热传导性，在室温和高温下能保持相当的强度。早期的连铸机使用纯铜作为铜板材质，经常发生变形。随着材料科学的发展，我有了更好的选择，这就是国外新近开发的材料，Al?Cr?Zr?Cu以满足我设计恶劣的热负荷条件。

5.1.3.2 铜板镀层

为了提高耐磨性和耐腐蚀性，常用电镀和热喷涂方法。我这次设计依然采用热镀层和热喷涂的方法。在宽边铜板上镀Co?Ni，窄边铜板上喷涂

NI?Cr。这种技术已经能够非常成熟的运用，使铜板修复一次平均过钢时间提高到20万t以上。上部要求导热性，镀层0.2-0.5mm下部要求耐磨性，镀层1.2-1.5mm。

5.1.4铜板厚度计算

h3 h2

图 5-2 结晶器铜板示意图

h1

h=h1?h2?h3 (5-16) 式中 h1——铜板水槽深度(取10mm) h2——铜板有效厚度(取10mm) h3——铜板加工余量(取15mm)

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5.1.5小结

结晶器的使用寿命，主要是铜板的使用寿命，其主要指标为铜板的耐磨性，耐磨性增加，使用寿命随之增加，因此，寻找合适的材质及镀层成为延长结晶器寿命的关键技术。根据不同的铸机、不同的浇铸速度，使用不同材质及镀层可大大提高结晶器的使用寿命，降低维修费用提高生产率。

5.2水箱设计

结晶器是整条连铸机的心脏设备，其主要作用是将钢水形成最初结晶，以形成坯壳。由于该设备在高温区使用，钢水接触到水会产生爆炸等事故，因此对结晶器的密封性控制相当严格。结晶器水箱是该设备的关键零件，

在本次设计中我参考了宝钢结晶器水箱的设计思路:

(1) 水道的内套选用导热性较好的材料，内外套所使的材料都需要有足够的抗压能力及工艺性。装配好的结晶器需要进行水压测试。确认密封无渗漏，水道畅通。

(2) 利用流体力学及传热学知识以计算机为辅助工具对不同结构的冷却水道的流场进行计算，掌握冷却水在各种冷却水道中的流动规律。 (3) 以冷却强度我最大目标。

在这次设计中我的结晶器水箱是用钢板焊接的结构，如下图所示。因为不能像工厂一样进行模拟，所以我尽量让结晶器水箱中间的水流量很大，这样就基本能完成水箱的冷却任务。如下图所示:

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