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                結晶器錐度 結晶器錐度及其較好配合拉速的計算探討

                時間:2019-07-23 08:38:37來源:佩佩美文網 本文已影響 佩佩美文網手機站
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                1999年 4月煉 鋼Apr.  1999

                                         

                第15卷第2期Steelmaking Vol.15 No.2

                結晶器錐度及其較好配合拉速的計算探討

                周建安

                (馬鞍山鋼鐵設計研究院)

                摘 要 文中提出了通過鋼液在結晶器中的收縮量計算結晶器錐度及其較好配合拉速的方法。建

                立了更為明確的計算公式, 簡化了以往的經驗公式。鋼液因液態收縮和凝固收縮引起的體積縮減(可以被認為是坯殼收縮量) 應等于因結晶器外形尺寸縮小所造成的體積縮減。吻合。同時, 也可通過給定的錐度計算出結晶器較好的配合拉速, 應用效果較好

                關鍵詞 結晶器 錐度 拉速 質量 計算

                Discussion on Its (Design Research Institute )

                the approach to calculating mould taper and its ap 2casting speed according to the contraction of molten steel in mould , which can establish much more specific calculation formulae and breviate former ones . The total contraction of volume of molten steel in liquidation and solidification pro 2cesses should be equal to the contraction of volume produced by the reduction of mould external sizes . Calculated taper should be matched with the actual one Meanwhile , the appropriate corresponding casting speed can be calculated by given taper , which can bring about good application effect .

                Keywords  mould  taper  casting speed  quality  calculation

                1 前 言

                結晶器錐度是結晶器的一個重要參數, 對連鑄操作和鑄坯質量的影響很大。為適應鋼液在結晶器內凝固時產生的熱收縮, 結晶器內腔應呈倒錐度, 以減小氣隙, 改善冷卻條件, 增加坯殼厚度, 以利于提高拉速和改善鑄坯表面質量[1], 同時還能消除或減小坯殼溫度回升現象, 有利于防止鑄坯產生裂紋及變形[2]。錐度過小, 氣隙大, 影響鑄坯對結晶器的傳熱, 制約拉速的提高; 錐度過大, 會增加拉坯阻力和結晶器壁的磨損, 易引起鑄坯抖動, 甚至拉裂坯殼, 造成漏鋼。因此, 確定一個合適的錐度至關重要。但迄今為止

                , 除了個別經驗公式[3]外, 尚未見到有關結晶器錐度的定量計算。實

                [3]

                踐證明經驗公式對生產合金鋼的長結晶器適用性較差。本文試圖通過鋼液在結晶器中的收縮量

                聯系人:周建安, 馬鞍山市(243005) 馬鞍山鋼鐵設計研究院煉鋼科

                計算結晶器的錐度及其較好的配合拉速。

                2 錐度及其較好的配合拉速計算模型

                當過熱鋼液注入結晶器時, 由于結晶器壁的強烈冷卻, 先是通過結晶器導出鋼液的過熱量及凝固潛熱, 凝成薄殼。初凝坯殼較薄, 且溫度很度, 不能承受鋼液的靜壓力, 會產生靜壓膨脹, 從而與結晶器內壁相接觸, 進而坯殼受到強烈冷卻, 其厚度得以增大, 于是冷卻收縮, 使坯殼又脫離結晶器壁; 但由于這時坯殼的強度和剛性還很低, 在鋼液靜壓力及坯殼溫度回升的作用下又與結晶器壁重新接觸, 出現“反復接觸”現象。當坯殼厚度增大到能承受鋼液靜壓力時, 坯殼開始與結晶器壁脫離而出現氣隙。其坯殼在結晶器內形成示意圖見圖1。

                鑄坯凝固遵循均方根規律, 因此結晶器錐度

                周建安:結晶器錐度及其較好配合拉速的計算探討?34?

                度一般比普碳鋼過熱度低一些) , 因此鋼液液態收

                縮量較小。實際上對收縮起主導作用的是凝固收縮。所謂凝固收縮即從液相線溫度起至固相線凝固終了時的體積收縮。凝固收縮大小主要取決于鋼的化學成分, 其中碳的影響很大, 碳含量對凝固收縮的影響見表1。合金元素的影響見表3。

                圖1 結晶器內坯殼形成示意圖

                呈現拋物線形狀[4]。為便于加工, 目前結晶器通常

                都采用單錐度。

                鋼液在結晶器中的收縮, 。收縮、。, 且溫度很高, 1400℃以上, 因此坯殼由于溫降產生的固態收縮量很小, 計算時可以忽略。液態收縮即澆鑄溫度降至液相線的收縮, 從鐵—碳系平衡相圖(見圖2) 便知, 其收縮量隨著含碳量與澆鑄溫度的提高而增加。由于連鑄鋼液過熱度較小, 一般約為15~30℃(合金鋼過熱

                [5]

                圖2 鐵—碳系平衡相圖表1 碳含量對凝固收縮的影響

                碳含量%

                凝固收縮率%

                0.12

                0.252.5

                0.353

                0.454.3

                0.75

                .3

                鋼液液態收縮和凝固收縮的總體積收縮量Εv

                的確定[7](見表2) 。

                表2 鋼液的體積收縮率

                普碳鋼的體積收縮率

                Εv =ΕC

                Εx =2K i X

                i

                合金鋼的體積收縮率

                =K 1X 1+K 2X 2+K 3X 3+…

                式中 Ε—合金元素對體積收縮的影響; x —  X i ——合金鋼中各元素含量的百分數%

                  K i ——各種合金元素對體積收縮率的影響系數

                (見表3)

                澆注溫度t 0 ℃

                碳鋼的體收縮率與注溫和含碳量的關系

                                    煉 鋼              1999年第2期?44?

                表3 各合金元素對體積收縮率的影響系數

                合金元素影響系數Ki

                W -0.53

                Ni -0.0354

                Mn +0.0585

                Cr +0.12

                Si 1.03

                Al +1.7

                  鋼液因液態收縮和凝固收縮引起的體積縮減應等于因結晶器外形尺寸縮小所造成的體積縮減。由于結晶器內鋼液面距結晶器上口一般留有約100mm 的安全凈空, 因此由其凈空造成的體積縮減量不應計算在鋼液收縮量中, 而應從結晶器體積縮減中扣除。結晶器內坯殼密度與鋼液密度可以認為近似相等。由于坯殼平均厚度較之因坯殼收縮產生的氣隙平均厚度大得多, 這樣, 坯殼體積則比氣隙體積要大得更多, 因此計算坯殼體積時可不考慮氣隙的影響。收縮為線性收縮, :

                S h -

                =[a 上 b 上-(a 上-2?1)(b 上-2?1) ]

                h a 上 b 上

                ΕV Γ(3)

                  對于圓坯結晶器, 則為:

                1--[1-2

                Χ-22

                2

                3Χ上

                22] h Χ12]2

                化為:

                1-

                h Χ上

                ΕV Γ(4)

                  對于小圓坯結晶器, 因Χ≈Χ100上, (4) 式可簡

                22

                上上下下

                    2

                3Χ上

                S 上S 下+S 下) h 3  

                -

                S 上 100-

                3

                100(1)

                2

                =[Χ上-(Χ?1) 2]上-) ] ΕV Γ

                  對于方坯、板坯結晶器, (1) 式則變為:

                a 上 b 上 h -

                =[?S (h -100

                h

                (a 上 b 上+

                a 上 b 上 a 下 b 下

                a 100=a 上-b 100=b 上-

                V Γ2 ΕΧ上

                (5)

                h

                100(6) (7) (8)

                +a 下 b 下) +

                3

                -[100 a 上 b 上-]

                3

                h

                100 100

                222

                3

                Χ100=Χ上-

                h

                =[a 100 b 100-(a 100-2?1)(b 100-2?1

                ) ]

                  (h -100) ΕV Γ

                  式(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)(8) 中:

                S 上——結晶器上口面積 mm S 下——結晶器下口面積 mm h ——結晶器長度, 即L mm

                2

                ?S ——坯殼等效面積 mm

                即1--[1-3a 上 b 上]

                3a 上 b 上

                h -100

                2

                ——結晶器有效長度, 即L mm

                Ε—鋼液總體積收縮率 %V —

                a 上、b 下——分別代表結晶器矩形斷面上口的

                h

                =[a 100 b 100-(a 100-2?1)(b 100-2?1) ]

                h

                長邊與短邊的尺寸 mm

                (2)

                a 下、b 下——分別代表結晶器矩形斷面下口的

                a 上 b 上

                ΕV Γ

                長邊與短邊的尺寸 mm

                a 100——鋼液面處結晶器上口拉坯方向尺寸 mm b 100——與拉坯方向垂直的鋼液面處結晶器

                  對于小方坯結晶器, 因a 100≈a 上, b 100≈b 上,

                (2) 式可簡化為:1-3a 上 b 上

                上口尺寸 mm

                Χ—結晶器上口半徑 上—mm

                周建安:結晶器錐度及其較好配合拉速的計算探討

                Χ—結晶器下口半徑 下—mm

                Χ—鋼液面處結晶器上口半徑 100—mm ?1——坯殼等效厚度 mm Γ——修正系數

                結晶器內凝成的坯殼厚度?與凝固時間Σ的平方根成正比, 即:

                ?=K =K

                ?54?

                [8]

                      

                L V

                (出結晶器口) V

                ?=K

                (9)

                式(9) 中

                ?——坯殼厚度 mm

                K ——結晶器凝固系數 mm ?(min

                2-2

                圖3)

                普通連鑄機K , 具體情況而定

                mm min 2

                L ——(一般比結晶器長度h 少0.1m ) m

                -1

                V ——拉速 m ?min

                坯殼等效厚度?1的確定(見圖3) 。

                A =

                [3]。上口尺寸一旦確定。結晶器錐度就由下口尺寸及長度來確定。對弧形連鑄機來說, 由于拉坯、矯直作用等因素的影響, 鑄坯厚度必然會減少, 因此計算時應加上減薄量, 具體視鑄坯公稱尺寸大小而定。由于不銹鋼鑄坯表面精整量較大, 減薄量可按2mm 考慮。

                方坯:

                a 上=a +2.5b 上=b +2.5

                ?×a +?A

                [4]

                O

                L

                K

                V

                d L

                3

                ?==

                L

                1

                V

                L

                1

                3 2

                ?×b -?A [4]

                a 下=a +X (1.9) ?×a +?A b 下=b +X (1.9?) ×b -?A

                  板坯:

                a 上=a +2.5b 上=b +2.5a 下=a (1+2.5

                A =? L

                3

                V

                V

                L

                1 2

                ?×a +2?×b ?- ?-

                窄寬

                =

                3

                1000

                ) +2(11)

                (10)

                b 下=b (1+2.5)

                  在正常澆鑄過程中, 拉速一般是不變的, 可以認為是個常量, 這是由工藝本身性質決定的。

                欲得到常溫下的鑄坯尺寸, 首先必須要考慮鋼水冷卻到常溫的總收縮量, 一般考慮到鋼的化學成分、鑄機型式和澆鑄參數, 取11

                3%~215%的收縮量是合適的[9]。板坯連鑄機結晶器的倒錐度是按兩寬面間和兩窄面間分別給出的, 窄面(厚度方向) 錐度常取寬面錐度的一半[9]。由于軋機對鑄坯斷面有個公差要求, 一般在±310mm 以上[10]。對于負公差的鑄坯, 軋機咬入性會更好一些。因此結晶器上口尺寸的要求并非那么嚴格。

                式(11) 中

                =2

                a 上、b 上、

                a 下、a 下——同前

                a ——冷態鑄坯公稱尺寸(鑄坯長邊) mm b ——冷態鑄坯公稱尺寸(鑄坯短邊) mm X ?——未知收縮系數, 通過上述聯立方程

                求出

                ——板坯寬面錐度

                窄——板坯窄面錐度

                (括號內1.9為經驗公式[3]的數據。) 結晶器錐度計算公式較多, 大都采用下列計

                                    煉 鋼              1999年第2

                期?64?算公式:

                方坯:

                =

                100?a 上h

                計算結晶器錐度及其較好配合拉速, 操作簡單易

                行, 對設計、生產具有一定的指導意義, 通過馬鋼等廠的生產實踐, 證明是可行的。

                寬= 100?

                a 下

                3 結 語

                (1) 通過鋼液在結晶器中的收縮量求得結晶

                  板坯:

                =2

                  

                (12)

                =

                100?b 下h

                器錐度及其較好配合拉速對生產具有一定的指導

                意義。

                (2) 晶器的設計尋求到理論依據(3) 。

                  對澆鑄某種鋼種某種斷面的鑄坯來說, 拉速可以認為是常量, 但對連鑄機來說, 由于生產鋼種、斷面較多的原因, 鑄機拉速則是個變量, 因此結晶器錐度不盡相同。對已確定的鑄坯來說, 拉速對應一種錐度的結晶器, 做到的。、鋼種、斷面響, , 以適應生產的要求。對于設計多鋼種多斷面的結晶器, 可按總體積收縮率Ε。若總體積收縮率Εv 較大的鋼種進行設計v 懸殊較大, 應分別設計結晶器錐度。在實際生產過程中, 也可根據給定的錐度, 通過上述公式求得一個結晶器較好配合拉速, 其拉速應在所澆鋼種的允許拉速范圍內。正常拉速小于最佳配合拉速, 說明鋼液收縮量大, 易出現氣隙, 如氣隙過大則會影響鑄坯質量; 正常拉速大于較好配合拉速, 說明鋼液收縮量小, 因此增大了拉坯阻力。利用上述公式

                , . 北京:冶金工業出版社,1987:88, 連鑄鋼坯凝固進程的數值模擬. 鋼鐵,1985;20(5) :

                24

                3 陳家祥主編. 連續鑄鋼手冊. 北京:冶金工業出版社,1991:4574 殷瑞鈺主編. 鋼的質量現代進展(上篇) . 北京:冶金工業出版

                社,1995:29

                5 關潤浩編著. 鑄鋼件凝固控制及冒口設計. 北京:冶金工業出

                版社,1987:20~21

                6 李弘英編著. 鑄鋼件的凝固和致密度的控制. 北京:機械工業

                出版社,1985:12

                7 施廷藻主編. 鑄鋼實用手冊. 沈陽:東北工學院出版社,1988:2~12

                8 徐寶升. 連鑄知識講座. 連鑄通訊,1985;4,37

                9 曹廣疇主編. 現代板坯連鑄. 北京:冶金工業出版社,1994:184~185

                10 中國標準出版社第二編輯室編. 黑色冶金工業標準匯編(鋼

                坯、型鋼及鐵道用鋼) . 北京:中國標準出版社,1992:31~34

                (收稿日期 1998—03—16)

                高磷熱壓塊鐵生產低磷鋼

                布羅肯?希爾公司、委內瑞拉黑色冶金公司以及Midrex 公司的工作都證明, 無論是采用Finmer

                流化床還原工藝, 還是用Midrex 還原豎爐生產時, 鐵礦石中的鐵氧化物幾乎全部被還原成金屬鐵。鐵礦石中的磷都以磷灰石—鈣(CaO ?P 2O 5) 形態存在, 很穩定, 經還原后產品的化學分析表明:在還原產品中磷以鈣磷化合物形態存在于脈石中, 金屬鐵相里幾乎沒有磷。

                在多處電爐冶煉表明:高比例配用含磷較高的HB 1冶煉時, 脈石中的磷酸鹽被爐渣吸收, 渣中含磷很早就達到較高水平, 而后, 在早期放渣操作中將磷排出爐外, 使冶煉鋼水含磷量達到較低水平; 含氮量也很低。

                如西班牙新基哈諾山公司在電爐爐料中使用了46%的含磷0.072%熱壓塊鐵, 可得到含磷0. 011%的鋼水; 委內瑞拉黑色冶金公司在悉尼鋼廠進行的嚴格試驗也證明, 在冶煉0.012%低磷鋼的生產過程中使用了85%的高磷熱壓塊鐵。

                (東北大學供稿)

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