結晶器矩形銅板倒錐度異常情況分析

文漢云，陳 緋

湖北新冶鋼，湖北黃石 435001

近期，煉鋼廠針對一部分過鋼量為0.6萬噸～3萬噸的350X470結晶器銅板倒錐度進行測量，發現倒錐度異常。為保證鑄坯質量不受影響，對倒錐度異常原因進行分析，為結晶器改進提供依據。

1 分析原因

對現在使用的結晶器銅板分析得出，原設計者在設計時與常見銅板設計相比有兩點創新：一是螺栓位置有2mm的凸臺，也就是銅板的冷面與背板之間存在2mm的間隙，整個平面形成一個水縫，目的在于增加冷卻面積，尤其是螺栓孔附近的冷卻；二是在螺栓所在的肋筋上，開了分段水槽，目的也是加強螺栓孔附近的冷卻。 但是，創新不等于合理。首先，對于螺栓所在的肋筋上的分段水槽，雖然通過水縫與整個水系統相通，但是從流體分析可以得出其內部的水幾乎不參與流動，其結果可能就會在這個位置產生沸騰，沸騰產生的水蒸氣形成氣泡混在冷卻水中間，會大大降低冷卻水的換熱效率。并且從位置上看，氣泡更容易在螺栓孔位置的水縫位置聚集，使得設計者的第一個創新意圖難以實現。從下圖中照片上（如圖1所示）也可以看出，在結晶器上部的螺栓孔附近及內置水槽位置，有比較明顯印記，初步分析可能是局部沸騰后產生了高溫水蒸氣，導致傳熱變差所致。

圖2為新舊結晶器銅板內腔曲線對比，進一步了解得知：盡管內腔尺寸變化很大，但表面鍍層基本沒有明顯脫落，因此，我們可以初步判定造成倒錐度異常的原因主要是由于銅板變形。銅板表面在銅板過鋼5千噸～6千噸時銅板就有變形傾向，圖2所示曲線為過鋼量為3萬噸左右時所測結果。對于銅板的變形，有3種可能：一是當銅板內表面溫度超過銅材的再結晶溫度時，銅材發生了再結晶，導致銅板永久變形；二是由于銅板溫度較高，即便沒有達到再結晶溫度，由于銅板受熱膨脹后不合理的約束產生很大的局部應力，并超過了銅材的屈服極限，也會產生永久變形；三是生產鋼種頻繁更換，各鋼種的凝固收縮率不同導致銅板受力狀況復雜并變形。對于這個銅板，3種情況可能都存在。

隨著對鑄坯凝固特性的深入研究，恰當的結晶器內腔尺寸和形狀應根據鑄坯凝固時的體積收縮規律予以確定。澆入結晶器內的鋼水因冷卻而生產坯殼，隨著拉坯進行，鑄坯逐漸收縮，其收縮過程分為液態收縮、凝固收縮和固態收縮。液態收縮會被不斷注入的鋼液填補，對鑄坯外形尺寸幾乎沒有影響，在結晶器中鑄坯主要收縮為凝固收縮。凝固收縮量與鋼種的含碳量有關，隨著含碳量增加凝固體積收縮也增大，不同含碳量的凝固收縮率見表1。

表1 鋼中碳含量與凝固收縮率的關系

倒錐度的確定主要與鑄坯斷面尺寸、拉速和澆注鋼種的含碳量有關。錐度過小，可能導致鑄坯出現菱變、縱向凹陷和縱向裂紋等缺陷；錐度過大，會增加拉坯阻力，造成結晶器內壁過度磨損，減少結晶器銅管或銅板的壽命，甚至可能導致鑄坯出現橫裂紋。

在實際應用中，由于鋼廠的產品方案往往包含許多鋼種，而且其操作條件不盡相同，無法得出一種可通用的多錐度結晶器，但也不能按逐個鋼種選擇錐度。通常可將生產比例較大的鋼種作為確定結晶器倒錐度考慮的重點，并將凝固時具有類似體積變化規律的鋼種歸納為同一類，對各規格結晶器確定1種～2種倒錐度。

圖1 煉鋼廠350X470結晶器銅板

圖2 煉鋼廠350X470新舊結晶器銅板倒錐度對比

2 計算數據

1）拉速：0.32mpm；

2）水流量：計算中取180m3/h；

3）表面鍍層 ：長邊 上部0.2mm，下部1.1mm；

4）冷卻水溫：入口32，出口37.5；

5）導熱率 ：銅板 343Kcal/m.hr.℃， 鍍層 45 Kcal/m.hr.℃ ；

6）液面高度：50mm；80mm；

7）冷卻水流速：實際按水量計算；

8）銅板厚度：34mm。

3 鋼水與銅板熱交換

鋼水與銅板之間有過渡層，二者之間的熱交換

由于拉速低，完全應用這個公式不合理。根據文獻試驗結果，低于彎月面以下200mm以后，熱流變化不大，因此本計算中按200mm位置計算熱流施加。

4 對稱邊界

由于采用對稱條件，在對稱邊界上施加對稱邊界條件，對于熱分析而言，對稱邊界本質上和絕熱邊界等效，所以也可直接施加絕熱邊界。

5 結晶器銅板計算小結

1）結晶器銅板水槽設計不合理，可能會出現局部沸騰；

2）液面高度過高，會造成銅板最高溫度大幅度增加，還會引起冷卻水的局部沸騰；

3）沿拉坯方向螺栓較少，間距較大，由于銅板受熱膨脹引起的變形集中到幾個點來消耗，可能會引起螺栓位置銅板應力超過屈服極限，從而產生永久變形。

6 水槽布置示例

結晶器水槽布置與水流動狀況對銅板的使用效果影響很大。我公司使用過程中發現銅板溫度過高，有時甚至出現銅板燒蝕。設計者在螺栓孔位置的肋筋上開了兩個水槽，目的也是增加螺栓位置的冷卻，但是，通過流體分析，發現水從增開的水槽內流過的流量很小，流速也很小，因此證明其效果并不好。說明這里經過高溫，甚至可能出現過沸騰。

7 分析結果

綜上所述，銅板倒錐度異常主要是銅板變形造成的。銅板變形一是由于銅板冷卻水槽設計不夠合理，冷卻效果不好，銅板內表面溫度局部過高；二是由于結晶器本體水箱與銅板之間有間隙，無法完全支撐銅板，并且水箱強度也不足夠。

[1]王寶峰.IVSamarasckera.不銹鋼高速連鑄中結晶器熱流計算[J].包頭鋼鐵學院，2000，19(1)：28-33.

[2]趙建偉，王寶峰，丁國.奧氏體與馬氏體不銹鋼板在結晶器內收縮規律與結晶器倒錐度的研究.

[3]蔡開科，程士富.連續鑄鋼原理與工藝.北京：冶金工業出版社，2002.