宽厚板坯连铸结晶器铜板的热流密度分布与热分析

宽厚板产线连铸板坯热送热装实践摘要：介绍某4100mm宽厚板产线连铸板坯热送热装生产工艺的生产计划组织、轧制技术应用、质量过程控制以及炼钢-轧钢生产一体化管理。

关键词：厚板；连铸板坯；热送热装；改进措施1 前言连铸板坯热送热装工艺是20世纪80年代研究推广的一项新技术，该技术优势主要是节碳降耗，绿色环保，减少氧化烧损，提高成材率，缩短生产制造周期和降低板坯资金占用等，因此热送热装工艺被国内外众多钢铁企业所青睐。

某4100mm宽厚板产线于2009年建成投产，在产线建设方面考虑了炼钢与轧钢工序短流程规划设计，连铸板坯二次切割具备在线热坯辊道切割和离线冷坯辊道切割两条生产作业线，在很大程度上为实现热送热装的提供基础条件。

某4100mm宽厚板产线没有保温坑等装置，连铸坯由直接热装轧制（CC-DHCR），热装轧制（CC-HCR），冷装炉加热后轧制（CC-CCR）等3种轧制方式构成。

2 加热炉与轧机情况介绍某4100mm宽厚板产线车间实施连铸坯热送热装生产工艺的装备为：（1）3座步进梁式蓄热加热炉。

加热炉有效尺寸：48.8m（长）╳8.8m（宽）=429.44㎡，双排装料。

采用高焦转混合煤气加热，蜂窝体空气单蓄热，侧供热方式，空气预热温度950~1050℃。

二次切割后坯料尺寸80~300mm╳1350~2500mm╳2200~3800mm。

常温~850℃的坯料装炉温度，其中单位燃耗冷装1.25GJ/t（坯），加热炉生产能力220t（坯料）/座·h。

（2）四辊可逆式粗轧机最大轧制力60000 KN，传递力矩2╳1433 KN·m。

四辊可逆式精轧机最大轧制力86000 KN，传递力矩：2╳1273 KN·m，平均轧制小时生产能力308t/h。

3 影响热送热装的原因及对策措施连铸坯热送热装工艺的核心是“热”，如何最大限度地利用连铸坯的潜热、显热，是评价热送热装工艺实施效果的重要标志。

板坯连铸结晶器铜板热机耦合应力分析摘要：基于大型板坯连铸结晶器铜的热电偶测量温度数据的分析,获得了铜板温度场分布的基本规律,考虑到钢液,铸造、铜盘、和接触介质的物理参数随温度变化的前提下依靠有限元软件ANSYS模铜盘耦合温度场的动态模拟,应力场与铜在三排热电偶高度上的温度分布及应力应变耦合规律，研究结果为了解铜板的应力/变形状态及铸件缺陷分析提供了良好的数据参考。

关键词：结晶器；铜板；热电偶；热机耦合应力；仿真1前言在连铸过程中，钢水经放热凝固后与铜板表面接触，凝固过程随壳体与铜板接触状态的变化而变化。

随着坯壳向下移动，坯壳与铜板之间的气隙逐渐形成，大大降低了结晶器的传热能力。

气隙的分布直接关系到铜板的工作形态，因为气隙的分布影响热阻，热阻又影响铜板表面的热流，进而影响铜板的应力状态和变形。

为了提高铸坯的质量和铸机的效率，有必要对铜板不同部位热-机械耦合的应力和应变状态进行研究。

因此,本文基于铜热电偶的测量数据的大板模具、铜盘的耦合应力和变形的模具在炼钢厂板坯连铸机采用有限元模拟和分析方法,以便对铸件生产提供了理论依据。

2实际浇注参数2.1浇注工况参数实际浇注参数如下:钢为普通中碳钢；中间包平均温度1545；连续浇注时间:90分钟；板坯截面尺寸分别为218 mm和2100 mm。

拉速1.1 m/ min；热电偶信号采集周期为1秒；固定侧和活动侧宽铜板厚度38.2mm；在窄边的东面和西面有36块铜板0.8毫米厚。

2.2 热电偶数据分析这个数据是连铸温度数据。

为了研究铜板稳态温度场的比电平，必须取热电偶数据趋于稳定时的温度值。

当铸件截面宽度为2100mm时，宽侧铜板上的热电偶均为热覆盖区，可作为铜板温度场分析的参考。

连铸机参数:2台二机二流直弧多点弯曲多点矫直板坯连铸机，铸坯厚度200mm，预留180mm。

坯料宽度900-1650mm，共11个扇形截面，1-7个弯曲矫直截面，8-11个水平截面。

西中所机组冶金段设计年生产能力300万吨，设计拉拔速度0.9-1.25m/min。

常规板坯连铸机结晶器技术【保护视力色】【打印】【进入论坛】【评论】【字号大中小】2006-12-0711-07杨拉道刘洪王永洪刘赵卫邢彩萍田松林 (西安重型机械研究所)结晶器是连铸机中的铸坯成型设备, 是连铸机的核心设备之一。

其作用是将连续不断地注入其内腔的钢液通过水冷铜壁强制冷却,导出钢液的热量,使之逐渐凝固成为具有所要求的断面形状和一定坯壳厚度的铸坯,并使这种芯部仍为液相的铸坯连续不断地从结晶器下口拉出.为其在以后的二冷区域内完全凝固创造条件。

在钢水注入结晶器逐渐形成一定厚度坯壳的凝固过程中.结晶器一直承受着钢水静压力、摩檫力、钢水热量的传递等诸多因素引起的的影响.使结晶器同时处于机械应力和热应力的综合作用之下.工作条件极为恶劣.在此恶劣条件下结晶器长时间地工作.其使用状况直接关系到连铸机的性能.并与铸坯的质量与产量密切相关。

因此.除了规范生产操作、选择合适的保护渣和避免机械损伤外.合理的设计是保证铸坯质量、减小溢漏率、提高其使用寿命的基础和关键。

板坯连铸机一般采用四壁组合式（亦称板式）结晶器.也有一个结晶器浇多流铸坯的插装式结构。

结晶器主要参数的确定1 结晶器长度H结晶器长度主要根据结晶器出口的坯壳最小厚度确定。

若坯壳过薄.铸坯就会出现鼓肚变形.对于板坯连铸机.要求坯壳厚度大于10～15mm。

结晶器长度也可按下式进行核算：H=(δ/K)2Vc＋S1＋S2 (mm)式中δ——结晶器出口处坯壳的最小厚度.mmK——凝固系数.一般取K=18～22 mm/min0.5Vc——拉速.mm/minS1——结晶器铜板顶面至液面的距离.多取S1=100 mmS2——安全余量.S=50～100 mm对常规板坯连铸机可参考下述经验：当浇铸速度≤2.0m/min时.结晶器长度可采用900～950mm。

当浇铸速度2.0～3.0m/min时.结晶器长度可采用950～1100mm。

当浇铸速度≥3.0m/min时.结晶器长度可采用1100～1200mm。

1 连铸宽板坯角部传热特点连铸过程中，铸坯角部的冷却为三维冷却控制模式，即拉坯方向的传热和横向二维传热，其中拉坯方向的传热量相对于横向二维传热模式而言，其值很小，可以忽略。

因此，铸坯角部的传热可简化为二维传热。

由于两向传热在角部的叠加作用，使得铸坯角部所受到的冷却强度大于铸坯面部其它区域。

在铸坯角部与面部受到同样的冷却强度条件下，铸坯的角部温度与面部温度相比要低很多。

根据文献可知：随着铸坯断面宽度的增大，铸坯角部温度比铸坯宽面温度要小很多，矫直时其温度也更容易停留在脆性温度区内，导致形成角部横裂纹的几率较普通板坯的要高，因此，宽板坯连铸中应考虑角部温度是否过冷，需要对二冷配水进行修正。

2 宽板坯角部复热模型的基本原理对于宽板坯而言，一般除二冷一区窄面喷水外，二冷其它各区窄面均为空冷，但即使如此，当铸坯宽面表面喷水强度相同时，铸坯角部温度仍然偏低，这是因为经过结晶器和二冷一区的冷却后，铸坯具有一定厚度的凝固坯壳，其所蓄含的热量比液态钢水要低得多。

另外，通过初步的数值模拟计算可知，如果铸坯角部附近的凝固坯壳厚度已足够厚，此时再减少角部配水量，铸坯角部温度回升程度有限，铸坯的角部温度仍低于面部温度很多，导致这一现象的根本原因也在于凝固坯壳所蓄含的热量低于液态钢水蓄含的热量，但凭凝固坯壳的内部热量还不足以对铸坯角部起到复热作用。

从钢水和凝固坯壳所蓄含热量的差异性及凝固坯壳厚度的大小对铸坯角部温度的影响可知，要想减少宽板坯角部与面部的温差，就必须解决两个问题：（1）如何调配宽面配水条件；（2）何时开始调配宽面配水制度。

因此，宽板坯角部复热模型的基本原理就是：铸坯面部中心区域的冷却强度仍按照冶金准则进行冷却水分配，同时减少铸坯角部区域的冷却强度，控制铸坯内部的液相穴形状为两头宽大、中间细小，类似眼镜的形状。

调节宽板坯二冷宽面配水，降低铸坯角部区域冷却强度的方法可以有：直接降低宽面两侧外沿喷嘴的冷却水量、更改喷嘴型号，调节喷嘴间距、调节喷嘴距铸坯表面距离等方法，但最简单实用的方法是直接降低宽面两侧外沿喷嘴的冷却水量，这种方法也常受到连铸二冷供水管路配置的限制。

连铸板坯结晶器温度分布的研究崔立新张家泉陈志平北京科技大学冶金学院炼钢所宝钢集团上海梅山有限公司连铸板坯结晶器温度分布的研究The Research for the Distribution of Temperature in the Mould of the SlabContinuous Caster崔立新1 张家泉1陈志平2(1- 北京科技大学冶金学院炼钢所； 2-宝钢集团上海梅山有限公司)摘要:本研究利用MSC.Marc软件建立了连铸结晶器内热状态有限元分析模型，从物理现象的本质特征出发，掌握了结晶器铜板的温度分布。

利用工厂实测数据对模型进行了验证。

讨论了拉速、冷却水流速、铜板厚度对铜板温度分布的影响，进而准确实施漏钢预报并得到提高结晶器寿命的措施。

关键词:板坯连铸结晶器温度场 MSC.MarcAbstract: Using MSC. Marc software, this paper studied and established the casting thermal field FEM analysis model in mould, from the essential feature of physical phenomenon modeling the temperature field of the copper mould wall. Qualitative agreement was found between model and operating temperature data．The effect of following variables on mould temperature distribution was studied：speed，water velocity and wall thickness in order to gain accurate enforcement leaks steel forecast, and get the measure that raises mould life.Key words: s lab continuous casting；mould；temperature field；MSC.Marcl前言结晶器是连铸机的“心脏”，钢水在结晶器的凝固实质上是把钢水热量通过铜板传给冷却水的过程，铜板的传热状况对铸机产量和铸坯质量有重要影响。

常规板坯连铸机结晶器技术【保护视力色】【打印】【进入论坛】【评论】【字号大中小】2006-12-0711-07杨拉道刘洪王永洪刘赵卫邢彩萍田松林 (西安重型机械研究所)结晶器是连铸机中的铸坯成型设备, 是连铸机的核心设备之一。

其作用是将连续不断地注入其内腔的钢液通过水冷铜壁强制冷却,导出钢液的热量,使之逐渐凝固成为具有所要求的断面形状和一定坯壳厚度的铸坯,并使这种芯部仍为液相的铸坯连续不断地从结晶器下口拉出.为其在以后的二冷区域内完全凝固创造条件。

在钢水注入结晶器逐渐形成一定厚度坯壳的凝固过程中.结晶器一直承受着钢水静压力、摩檫力、钢水热量的传递等诸多因素引起的的影响.使结晶器同时处于机械应力和热应力的综合作用之下.工作条件极为恶劣.在此恶劣条件下结晶器长时间地工作.其使用状况直接关系到连铸机的性能.并与铸坯的质量与产量密切相关。

因此.除了规范生产操作、选择合适的保护渣和避免机械损伤外.合理的设计是保证铸坯质量、减小溢漏率、提高其使用寿命的基础和关键。

板坯连铸机一般采用四壁组合式（亦称板式）结晶器.也有一个结晶器浇多流铸坯的插装式结构。

结晶器主要参数的确定1 结晶器长度H结晶器长度主要根据结晶器出口的坯壳最小厚度确定。

若坯壳过薄.铸坯就会出现鼓肚变形.对于板坯连铸机.要求坯壳厚度大于10～15mm。

结晶器长度也可按下式进行核算：H=(δ/K)2Vc＋S1＋S2 (mm)式中δ——结晶器出口处坯壳的最小厚度.mmK——凝固系数.一般取K=18～22 mm/min0.5Vc——拉速.mm/minS1——结晶器铜板顶面至液面的距离.多取S1=100 mmS2——安全余量.S=50～100 mm对常规板坯连铸机可参考下述经验：当浇铸速度≤2.0m/min时.结晶器长度可采用900～950mm。

当浇铸速度2.0～3.0m/min时.结晶器长度可采用950～1100mm。

当浇铸速度≥3.0m/min时.结晶器长度可采用1100～1200mm。

2020年第3期梅山科技-35-结晶器铜板腐蚀的原因分析及改进措施谢序渊（梅山钢铁公司炼钢厂南京210039）结晶器铜板自2018年上半年发生较多的局部见铜异常，主要体现在铜板靠近下口镀层失效，呈椭圆形状，较为集中于铜板冷却水入口喷嘴处。

宽边和窄边都有,过钢量4~5万吨,远远低于协议过钢量目标。

由于铜板厂家的镀层材质及工艺未发现改变，经与铜板厂家交流及现场分析初步判断为铜板腐蚀造成的°1铜板腐蚀的机理铜板该类腐蚀在腐蚀类型上定义为电化学腐蚀中的电偶腐蚀，是由异种金属直接接触并有电解质存在的条件下所必然发生的一种腐蚀。

在连铸过程中，在下口由于铸坯和铜板之间存在一定的间隙，并且下部喷淋所产生的水蒸气容易钻入该间隙，造成铸坯和铜板之间形成腐蚀原电池，该腐蚀原电池以铜板镀层为阳极，铸坯为阴极，阳极发生溶解，故产生腐蚀现象"2产生间隙的原因分析由于类由于坯和存一定的间隙，并且下部喷淋所产生的水蒸气进入该间隙造成的。

本文主要从设备方面分析铜板下口间隙产生的原因,经现场分析验证主要由以下四部分原因造成铜板下口与铸坯间产生间隙。

2.1结晶器宽边足辐收缩量过大足辐对中时宽面足辐高于结晶器底部（即宽面足7开口度小于结晶器窄面铜板下口宽度），梅钢的奥钢联连铸机宽边足辐开口度相对结晶器下口收缩了1mm，因此结晶器宽边足7高出0.5mm。

由于结晶器外弧是通过样板对弧，内弧通过开口度对弧，考虑到结晶器角缝的问题，内弧宽边足7实际高出结晶器底部的数值更大。

2.2结晶器铜板的平面度超差铜板的平面度除了铜板本身还受背板和结晶器框架的影响,铜板组装后如果局部平面度超差较大会影响宽边足7局部突出量过多。

2.3结晶器宽边足辐的直线度和跳动值超差直线度和跳动值超差同样能造成7子局部7子突出量过多而产生间隙。

现场对下线结晶器足7进行检测，有部分7子直线度和跳动值超标，部分7子超过0.2mm，经拆检发现主要是由于7子芯轴变形造成的。

摘要结晶器是钢坯连续铸造的关键设备，其设计和制造的优劣直接影响到连铸生产的正常与稳定。

本文就目前连铸结晶器采用的铜板材料及铜板材料表面处理技术的发展现状进行了总结和分析。

指出针对板坯结晶器窄面铜板易高温变形、磨损的情况，采用高强度、高导热率的弥散强化铜材料，进而延长结晶器的维修周期，提高生产效率。

同时针对现有结晶器铜板表面改性技术的优缺点，发展新型合金涂、镀层技术，进一步提高涂、镀层的硬度，耐磨和耐腐蚀性能。

目前结晶器铜板表面处理的几种方法：电镀法、热喷涂法、化学热处理法以及具有潜在发展前景的激光熔覆法。

激光熔覆法由于具有清洁无污染，成品率高以及性价比高等特点，具有广阔的发展和应用空间。

而且，通过优化熔覆工艺参数，设计合理的熔覆材料体系，能够形成与铜板呈冶金结合的优良抗热耐磨复合涂层，从而显著提高结晶器的使用寿命。

关键词：结晶器；化学热处理；激光熔覆；铜板AbstractThe progress of mould plates was reviewed in continuous casting. The techniques such a solution or aging or forming or fine crystal and their combination were an effect tiveme thod which benefit for high conductivity and high strengthen of copper base alloy. Copper base composite maerial through dispersion technique and composite hardening and surface strengthening have more promising for mouldes in the future.Based on the current study stat of surface strength ening on copper crystallizer, several surface treatment means,such as electro plating thermal spraying,penetration and laserclad dingte chnique with potential development are described. Because of cleanliness without any pollution, high finished product ratio and high performance costratio, laser cladding has wide development and application range. Moreover, by optimizing process parameters and designing suitable material system, fine hea-t resistant and wear-resistant coating having metallurgy bonding with copper substrate can be fabricated, therefore, it may notably improve the service life of copper crystallizer.Key words:Copper crystallizer; Electroplating; Thermal Chemical heat treatme;Copper plate目录摘要 (I)Abstract (II)第1章绪论 (1)1.1连扎连铸简介 (1)1.2工艺流程 (3)1.3板坯连铸机质量优势 (4)1.4研究背景 (5)1.5国内外状况 (6)1.6结晶器概述 (7)1.7结晶器存在的问题 (9)1.8结晶器使用前的安全检查 (9)1.9本章小结 (10)第2章结晶器夹紧装置的选择计算 (11)2.1结晶器夹紧装置简介 (11)2.2结晶器夹紧受力分析及计算选择 (12)2.3结晶器宽边调整机构的安装 (14)2.4本章小结 (14)第3章结晶器调宽装置的选择计算 (15)3.1调宽装置简介 (15)3.2调宽装置的确定和基本参数的选择 (16)3.3调宽装置驱动选择 (18)3.4窄边调整机构的安装 (18)3.5本章小结 (19)第4章结晶器铜板及水箱的选择计算 (20)4.1结晶器铜板的设计 (20)4.1.1结晶器长度的选择 (20)4.1.2结晶器断面尺寸和倒锥度 (22)4.1.3结晶器铜板材质及表面镀层的选择 (23)4.1.4铜板厚度计算 (24)4.2水箱设计 (25)4.3本章小结 (26)第五章结晶器振动装置的应用和发展 (27)5.1振动装置的概述 (27)5.2结晶器的振动方式 (27)5.3总结 (30)5.4本章小结 (31)结论 (32)参考文献 (33)致谢 (35)第1章绪论1.1连扎连铸简介连铸连轧全称连续铸造连续轧制（Continue Casting Direct Rolling，简称CCDR），是把液态钢倒入连铸机中轧制出钢坯（称为连铸坯），然后不经冷却，在均热炉中保温一定时间后直接进入热连轧机组中轧制成型的钢铁轧制工艺。

连铸坯热装热送中的温度分布分析与调控连铸坯热装热送是钢铁生产过程中的重要环节，它直接影响到连铸坯的质量和后续工艺的顺利进行。

因此，对于连铸坯热装热送中的温度分布进行准确分析和合理调控是十分重要的。

本文将从分析温度分布的原因、调控温度分布的方法以及温度分布的优化等方面进行探讨。

一、温度分布的原因在连铸坯热装热送过程中，温度分布不均匀的原因主要包括两个方面：连铸坯本身的结构特点以及连铸过程中的热交换过程。

1. 连铸坯的结构特点连铸坯由于其自身的结构特点，导致了温度分布的不均匀。

在连铸过程中，坯内部的不均匀结构或缺陷将使得热量传递不均匀，进而影响到坯面的温度。

2. 连铸过程中的热交换在连铸过程中，连铸坯与机具表面以及空气之间的热交换也是导致温度分布不均匀的一个重要原因。

连铸坯表面与机具的接触情况、距离以及连铸坯周围的气体流动等因素都会对热交换造成影响，从而导致温度分布不均匀。

二、温度分布的调控方法针对连铸坯热装热送中温度分布不均匀的问题，可以采取以下方法进行调控。

1. 优化连铸过程参数通过合理调整连铸过程中的参数，如浇注速度、结晶器的冷却水量、结晶器轧制速度等，可以使得连铸坯的温度分布更加均匀。

例如，适当降低浇注速度可以减少连铸坯内部的温度梯度，从而提高温度的均匀性。

2. 调整连铸机具设计改变连铸机具的设计，优化连铸机具与连铸坯的接触方式，可以改善热交换的效果，使得温度分布更加均匀。

例如，采用具有特殊表面涂层的连铸机具，可以提高与连铸坯之间的热交换效率，从而改善温度分布。

3. 控制环境温度和气体流动在连铸过程中，合理控制连铸坯周围的环境温度和气体流动，可以改变热交换的条件，从而调控温度分布。

例如，在连铸过程中增加局部的冷却气流，可以减少连铸坯表面的温度差异。

三、温度分布的优化通过以上的方法进行温度分布的调控后，可以进一步优化温度分布，以满足后续工艺的需要。

1. 温度均匀性控制通过调整连铸参数和机具设计，使得整个连铸坯的温度分布均匀，并且不同位置的温度差异尽量小。

4.2.2 结晶器长度热量主要是从结晶器上部传递，下部传热量比较小。

确定结晶器长度的主要依据是铸坯出结晶器下口时的坯壳最小厚度。

对于大断面铸坯，要求坯壳厚度大于15mm ，小断面铸坯为8-10mm 。

结晶器长度与热流密度的关系对大小方坯断面来说，设计具有三维锥度的结晶器内腔可以增加传热量。

而对板坯来说，仅仅窄面为适应断面收缩带有锥度，而宽面一般是彼此平行的。

窄面锥度要根据浇铸速度和钢种来调节，而且使通过窄面的热流密度基本上应与宽面保持一致。

4.2.3 结晶器保护渣的影响保护渣在结晶器钢液面上形成液渣层，由于结晶器振动，液渣从弯月面渗漏到坯壳与铜板之间气隙处，形成均匀渣膜，既起润滑作用，又改善传热。

()s l gve ρρη−=结晶器润滑剂与传热的关系保护渣对结晶器热流影响主要决定于渣膜厚度：4.2.3.1 保护渣的作用◆绝热保温◆防止氧化◆吸收夹杂物◆润滑和改善传热4.3.2.2 保护渣在结晶器内的行为1、绝热保温、防止钢液面结壳在高温钢液面上加入低熔点的保护渣，一般要求保护渣形成液渣层、烧结层和原渣层三层结构。

保护渣三层温度，液渣层温度较高，同钢液温度相近，烧结层在800～900°C左右，原渣层400～500°C。

加入保护渣后，钢水扩散的热量比裸露钢液散热小10倍，可以减少大量的热损失，防止结壳。

2、隔绝空气防止二次氧化3、吸收钢水中的夹杂物要求保护渣具有良好的吸收熔解夹杂物的能力。

通过认为，黏度低夹杂物熔解速度增加，液渣的高碱度、低SiO2、Al2O3、高Na2O、CaF2有利于提高夹杂物的熔解度。

4、渣膜的润滑作用结晶器内钢水表面张力和铜壁的冷却作用，形成了向内弯曲的凝固壳，加之结晶器振动和气隙的毛细管的作用，可把弯月面上的液渣吸入坯壳与铜壁间的气隙形成渣膜，起润滑作用。

润滑的好坏主要取决于：1)液体渣和弯月面钢水润湿角;2)液渣黏度。

5、改善结晶器传热结晶器内坯壳的收缩产生了气隙，使热阻增加，导致热流减少，如果气隙内充满均匀渣膜，气隙热阻减少将改善传热，凝固坯壳均匀生长。