周聰達,譚繼斗（.大連大山結(jié)晶器有限公司; .大連大山重工機械有限公司,遼寧 大連 6600）

新型連鑄結(jié)晶器的設(shè)計與加工制造

周聰達1,譚繼斗2
（1.大連大山結(jié)晶器有限公司; 2.大連大山重工機械有限公司,遼寧 大連 116600）

本文主要介紹了新型銅管的熱學和力學特點及其優(yōu)越性，并闡述了新型結(jié)晶器總成的生產(chǎn)加工過程。

連鑄結(jié)晶器；銅管；優(yōu)越性

連鑄機是鋼鐵鑄造業(yè)的常見設(shè)備，連鑄機的使用大大提高的鑄鋼的效率，但對技術(shù)水平的要求也相對較高。結(jié)晶器是連鑄機的核心部件，其技術(shù)水平的高低決定了鑄鋼的效率和鋼材的質(zhì)量。

1　新型連鑄結(jié)晶器銅管的設(shè)計目的

銅管是結(jié)晶器的關(guān)鍵部件，銅管技術(shù)標準往往會決定連鑄機的生產(chǎn)能力，以及鑄坯表面的質(zhì)量。不合理的銅管設(shè)計不僅影響效率，而且還可能引起鋼液泄漏，給生產(chǎn)作業(yè)帶來極大不便。

結(jié)晶器銅管在工作過程中，面臨的問題主要有內(nèi)壁坯殼與銅管接觸不良、坯殼與銅管內(nèi)壁之間存在氣隙、電鍍層脫落、易變形、熱學穩(wěn)定性差等。這些問題都是澆鑄作業(yè)中常見的問題，而大部分問題產(chǎn)生的原因都是銅管設(shè)計不合理。銅管設(shè)計的技術(shù)要點主要包括銅管的鑄造、電鍍、錐度等等。本文所討論的新型結(jié)晶器銅管設(shè)計的目的就是克服或緩解上述問題，以提高生產(chǎn)作業(yè)的效率，適應(yīng)鋼鐵產(chǎn)業(yè)的發(fā)展總趨勢。

2　連鑄結(jié)晶器銅管的設(shè)計與加工

2.1涂層材料與工藝

一般情況下，在銅管設(shè)計過程中會考慮添加涂層來增加銅管的耐磨性、耐腐蝕性和強度。涂層材料的選擇是設(shè)計的關(guān)鍵因素。同于結(jié)晶器銅管內(nèi)壁的材料有很多，典型的有電鍍及噴涂鎳鉻等金屬材料。電鍍技術(shù)實施起來相對簡單，但問題是鍍層一般較薄，在生產(chǎn)作業(yè)中鍍層也經(jīng)常出現(xiàn)脫落的現(xiàn)象。而且電鍍鎳鉻等金屬還會對環(huán)境和施工人員的身體健康產(chǎn)生危害。噴涂技術(shù)最初是由國外引進，對于板坯來說效果很好。但是，該技術(shù)適用性較差，僅僅適用于板坯結(jié)晶器的噴涂。新型結(jié)晶器銅管的涂層材料選用強度高、耐腐蝕、耐高溫的陶瓷材料，結(jié)合離心鑄造技術(shù)。這種新型銅管不僅與涂層接觸良好，而且在高溫條件下性能相當穩(wěn)定，適合長時間高強度作業(yè)。

2.2銅管材質(zhì)

結(jié)晶器銅管所使用的材質(zhì)并不是單一的銅，為了加強銅管的力學和熱學性能，經(jīng)常采用銅合金作為主要材質(zhì)。一般情況下，用于連鑄結(jié)晶器的銅合金有銀銅、磷脫氧銅、鉻鋯銅等。不同的材質(zhì)的銅管適用于不同的坯材。小方坯一般使用脫氧銅加工而成的銅管；大方坯使用鉻鋯銅為佳；圓坯則以銀銅為主。

2.3錐度的設(shè)計

為了防止作業(yè)過程中坯殼與銅管內(nèi)壁產(chǎn)生脫落，一般把銅管內(nèi)腔設(shè)計成從上到下錐度分段的雙錐或三錐或多錐，也可以是拋物線形狀。錐度的設(shè)計是結(jié)晶器銅管設(shè)計的另一個技術(shù)要點。所謂錐度，簡單來講就是單位長度上銅管內(nèi)兩個截面積的變化量。結(jié)晶器銅管的錐度設(shè)計一般是基于拋物線方程，并綜合鋼液的凝固規(guī)律。

3　新型連鑄結(jié)晶器銅管的優(yōu)越性分析

新型連鑄結(jié)晶器在熱學和力學特性方面有較為顯著的優(yōu)越性，主要體現(xiàn)在銅管導(dǎo)熱、受熱膨脹、拉速影響等方面。通過建立數(shù)學模型，結(jié)合計算機編程，對銅管的熱、力學特性進行深入研究。

3.1建立數(shù)學模型

以方坯為例，建立結(jié)晶器銅管與冷卻水的傳熱數(shù)學模型。銅管的傳熱方程為

冷卻水的傳熱方程為

以上兩式中ρ表示密度，T表示溫度，c表示比熱，v表示流速。

3.2冷熱面溫度分布

根據(jù)上面的數(shù)學模型，我們可以得出銅管冷熱面的溫度分布，如下圖所示：根據(jù)上面的曲線圖，銅管彎月面并非熱面溫度峰值處。而熱面溫度最大值在200℃以下，不會引起銅管軟化。冷面最高溫度在70攝氏度左右，因此也不會造成冷卻水沸騰。由此可以得出結(jié)論：銅管冷熱面溫度分布情況良好，利于導(dǎo)熱且不會損傷銅管。

3.3熱應(yīng)力的影響

銅管內(nèi)壁不均勻的溫度場，會在銅管中產(chǎn)生熱應(yīng)力，進而引起銅管膨脹變形。通過前文所建立的數(shù)學模型，得出熱應(yīng)力對銅管影響的情況。負錐度過大會導(dǎo)致坯殼與銅管內(nèi)壁產(chǎn)生較強的撞擊效應(yīng)，不僅影響坯殼的強度，而且還降低了導(dǎo)熱能力。新型結(jié)晶器銅管一方面通過特殊涂層增強了銅管的熱穩(wěn)定性，減小了銅管的受熱形變，另一方面設(shè)計合理的倒錐度。這兩個方面的改進，從很大程度上減小了熱應(yīng)力產(chǎn)生的負錐度對銅管及坯殼的影響。這也是新型結(jié)晶器銅管的主要優(yōu)越性之一。

3.4拉速影響

現(xiàn)代鋼廠以逐漸趨于高拉速的狀態(tài)，這必然對連鑄機結(jié)晶器提出更高的要求。拉速主要會影響結(jié)晶器銅管的導(dǎo)熱性能、力學性能以及鋼坯的內(nèi)部質(zhì)量以及表面光滑度。在高拉速的情況下，結(jié)晶器銅管的缺陷甚至會造成斷拉現(xiàn)象的發(fā)生。

新型結(jié)晶器銅管首先在銅管材質(zhì)上采用了強度更高的銅合金，力學性能穩(wěn)定，受熱形變較小。其次在銅管內(nèi)壁涂層方面，創(chuàng)新性地使用了強度和熱穩(wěn)定性都很好的陶瓷材料，增加了銅管整體的性能。不僅如此，內(nèi)壁光滑、阻力較小，提高了坯殼的質(zhì)量，在保證鋼坯質(zhì)量的同時又保證了高拉速。綜上所述，新型結(jié)晶器銅管適應(yīng)現(xiàn)代鋼廠的高拉速。

4　結(jié)束語

連鑄機是澆鑄作業(yè)中的常用設(shè)備，結(jié)晶器是連鑄機的“心臟”，我們要從細節(jié)出發(fā)，不斷突破創(chuàng)新，不斷改進技術(shù)。只有這樣，我們的鋼鐵產(chǎn)業(yè)才能得到更好更快的發(fā)展。

[1]蔡少武.鋼坯連鑄結(jié)晶器銅管結(jié)構(gòu)模擬優(yōu)化設(shè)計[D].大連理工大學,2010.

[2]盛義平.新型高速連鑄結(jié)晶器的理論研究與實際應(yīng)用[D].燕山大學,2007.

[3]尹合壁,姚曼.圓坯連鑄結(jié)晶器傳熱的反算法[J].金屬學報,2005,06:638-644.

[4]侯峰巖,譚興海,蔣麗敏,黃麗,張躍剛,畢剛,李朝雄.連鑄結(jié)晶器表面電鍍技術(shù)的應(yīng)用進展[J].表面技術(shù),2007(03):61-63.