[发明专利]连铸结晶器内腔锥度确定方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种在设计连铸结晶器时如何确定其内腔锥度的方法，该方法能够通过考虑连铸结晶器内的气隙、渣膜的分布状态，钢液流动对连铸坯壳在结晶器中收缩的影响，为连铸坯结晶器设计一个理想的锥度曲线。本方法主要应用于冶金行业钢铁材料及其他金属材料的连续浇铸成型领域，适用于方坯、圆坯、板坯、异形坯连铸机的结晶器锥度设计。

 

背景技术

在钢水凝固与热量传输过程中，结晶器是连铸机中的关键部件，被称为连铸机的“心脏”， 结晶器决定了一个连铸机的生产率和最终产品的表面质量。在连铸过程中，钢液从弯月面处开始凝固收缩，凝固坯壳外表面和结晶器铜板热面脱离接触产生气隙，气隙的存在给结晶器内的传热带来阻碍，使得凝固坯壳厚度在周向上分布不均，在结晶器出口处厚度不足抵御钢水静压力，从而随之带来表面质量缺陷或漏钢等一系列的问题。为消除气隙对结晶器传热的影响，现在的连铸结晶器内腔形状普遍被加工成倒锥形，以弥补连铸凝固坯壳在凝固过程中的收缩，减小气隙出现的可能性和厚度，改善结晶器内的传热条件。

合理的锥度值才能发挥效果，当锥度过大时，会造成结晶器对凝固坯壳的挤压，导致铸坯表面凹陷，坯壳与结晶器的摩擦增加，加剧结晶器的磨损，出现连铸坯表面增铜；而过小的锥度不能有效补偿凝固坯壳的收缩，气隙依旧存在，热流减小，出结晶器坯壳厚度不足以抵抗金属液压力，容易发生漏钢，同时角部区域由于气隙的作用会形成热点，坯壳相对薄，凝固坯壳分布不均造成收缩差异，这样的差异会使得角部变形，诱发皮下裂纹和纵向凹陷的产生。

长久以来冶金工作者们为设计一个合理的锥度尝试了多种方法，主要有以下几种：

1) 经验确定方法

各厂家的实际经验，根据生产的坯型、钢种和拉速等工艺参数先给一个锥度，再在生产中对成品的质量进行分析，从而来修正改善这一锥度。也就是边试验，边设计，边改进的方法来确定。

2) 凝固系数计算法

在已知凝固系数的前提下，用碳含量与凝固收缩、相变收缩的关系，液态钢液在降温时的收缩，固态在降温时的收缩，计算得到铸坯横断面的总收缩，并将收缩量均匀地分布到锥度设置的面上。

3) 热—力数学模拟方法

利用数值模拟的方法，计算得到凝固坯壳的温度分布，再将该温度分布作为载荷计算凝固坯壳的收缩。此类方法采用二维切片模型，将经验热流加载在铸坯表面，计算不同结晶器高度上的温度和凝固收缩，同时可以考虑结晶器的变形，用经验热流公式加载在铜板热面上计算铜板热变形。

以上三种方法占据了目前连铸机锥度设计的大部分领域，在多年的应用中解决了大量的连铸问题，特别是第三种热-力耦合数值模拟方法，随着计算机技术的发展，近年来得到了越来越多的认可，连铸技术巨头奥钢联也应用了此方法设计了自己的连铸机产品。

但是连铸结晶器内部钢水流动、凝固、热传输、坯壳应力状态是非常复杂的，钢水、保护渣、坯壳和结晶器构成了一个热状态和力学状态耦合的复杂体系。以上三种设计方法面对这样的复杂体系具有明显的局限性，主要体现在：

1) 经验起主导作用。方法一是完全依靠技术人员经验的设计方法，方法三采用建模的传热边界也是经验热流边界，并且只在角部采用修正系数来表示气隙的影响，这样的设置在结晶器同一高度上热流均匀分布，未考虑结晶器铜板冷却水缝排布差异带来的热流分布差异。

2) 未考虑钢水流动对凝固坯壳分布的影响。连铸结晶器的浸入式水口设计一直为结晶器工艺优化的重点对象，因为大量研究表明浸入式水口对结晶器内温度的分布、凝固坯壳的生长有着重要影响，考虑了水口形状和流股运动状态才能准确获得结晶器内的温度分布，这一条件往往都被目前的锥度设计方法忽视。

3) 气隙分布无差别化。唯一考虑了气隙的第三种方法中，为考虑不能消除的角部气隙的影响，对于角部的热流处理多采用0.3～0.7的比例因子缩小，而并未从角部形状来区分气隙分布的不同，例如当角部为圆角倒角时与角部没有倒角时，气隙的厚度分布是不一样的，或者是异形坯中内凹角的气隙分布是否与角部一致等，都没有在以上方法中体现。

 

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的是提供一种连铸结晶器内腔锥度确定方法，本发明锥度确定准确、合理，确定的结晶器内腔锥度可更有效抑制气隙产生，有效改善结晶器与钢液之间的传热，保证生产的顺行和连铸坯的表面质量。

本发明实现上述目的的技术解决方案如下：

连铸结晶器内腔锥度确定方法，按以下步骤进行，