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1、漏斗型結(jié)晶器漏斗形狀的設(shè)計(jì)盛義平 趙靜一(燕山大學(xué))摘 要 分析了SMS漏斗型結(jié)晶器在使用中出現(xiàn)局部高溫、產(chǎn)生熱裂紋、壽命低的原因，提出了結(jié)晶器漏斗形狀的更為合理的設(shè)計(jì)要求和設(shè)計(jì)方法。關(guān)鍵詞 漏斗型結(jié)晶器 漏斗曲面 設(shè)計(jì)DESIGNOFFUNNEL-CURVEDSURFACEOFFUNNEL-SHAPEDMOLDSHENGYiping ZHAOJingyi(YanshanUniversity)ABSTRACT Thereasonsoflocaloverheating,thermalcrackingresultinginshorter
2、lifeoffunnel-shapedmoldareinvestigated.Themorereasonablerequirementsandmethodfordesigningfunnel-shapedmoldaresuggested.KEYWORDS funnel-shapedmold,funnel-curvedsurface,design1 前言 薄板坯連鑄具有節(jié)約能源、減少基建投資、降低生產(chǎn)成本、提高鋼材收得率等許多優(yōu)點(diǎn)，是國(guó)際上競(jìng)相開發(fā)的重大新技術(shù)?！ ±酶邷嘏鳉さ目伤苄院湍淌湛s性開發(fā)的橫剖面形狀從上到下變化的漏斗型
3、結(jié)晶器是薄板坯連鑄的關(guān)鍵技術(shù)之一。具有代表性的當(dāng)屬SMS漏斗型結(jié)晶器和DANIELI透鏡型結(jié)晶器，見圖1?！ ∽儥M剖面結(jié)晶器形狀復(fù)雜，加工成本高，所以希望結(jié)晶器有較長(zhǎng)的使用壽命。但是，薄板坯連鑄的高拉速加大了結(jié)晶器的熱負(fù)荷，再加上漏斗形狀設(shè)計(jì)得不盡合理，使結(jié)晶器的使用壽命還未達(dá)到其預(yù)期的壽命。DANIELI公司分析了SMS漏斗型結(jié)晶器后指出［1］，在結(jié)晶器的橫剖面上，在AB直線與BC直線的交點(diǎn)B處，鑄坯凝固殼與結(jié)晶器壁間存在著一個(gè)約0.6mm的間隙，DANIELI公司開發(fā)的透鏡型薄板坯結(jié)晶器在橫剖面上用一段光滑的曲線BC代替了SMS
4、結(jié)晶器在相應(yīng)位置處的直線，使結(jié)晶器的整個(gè)橫剖面曲線光滑連接，B點(diǎn)處的間隙下降到0.06mm。Thomas等人亦分析研究了SMS結(jié)晶器［2］，發(fā)現(xiàn)SMS結(jié)晶器的最高溫度比傳統(tǒng)的厚板坯連鑄機(jī)結(jié)晶器的最高溫度高60～70℃；在結(jié)晶器的各個(gè)橫剖面上，最高溫度出現(xiàn)在漏斗區(qū)域的外彎處(漏斗的側(cè)邊緣)，最低溫度出現(xiàn)在漏斗區(qū)域的內(nèi)彎處(靠近鋼液的入口)；在結(jié)晶器的縱剖面上，最高溫度出現(xiàn)在彎月面處，然后隨離結(jié)晶器上口距離增大而下降，在漏斗的下邊緣處溫度突然升高，然后又繼續(xù)下降；在開澆和穩(wěn)定操作時(shí)，最高溫度處產(chǎn)生最大壓應(yīng)力，在更換浸入式水口時(shí)，鋼水液面
5、下降至漏斗的底部以下，結(jié)晶器溫度下降到接近于室溫，最大壓應(yīng)力又變成了最大拉應(yīng)力，交變的熱負(fù)荷導(dǎo)致了在漏斗區(qū)域的側(cè)邊緣處產(chǎn)生裂紋，結(jié)晶器壽命只有原預(yù)計(jì)的40%［2，3］。圖1 SMS漏斗型(a)和DANIELI透鏡型(b)結(jié)晶器的上口Fig.1 TheentriesofSMSfunnel-shapedmold(a)andDANIELIlens-shapedmold(b) 在SMS漏斗型結(jié)晶器中，彎月面處的初生坯殼沿拉坯方向在漏斗區(qū)內(nèi)運(yùn)行時(shí)，其橫向曲率從上到下逐漸減小，其類似于矯直過程。但當(dāng)坯殼途經(jīng)漏斗的邊緣進(jìn)入平面區(qū)域時(shí)，由于結(jié)晶器
6、縱橫兩個(gè)方向上的剖面輪廓曲線均不光滑，將使坯殼曲率和運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生突變；又由于坯殼自身有一定的剛性，其蠕變變形需要一定時(shí)間，當(dāng)坯殼曲率的變化速率跟不上結(jié)晶器內(nèi)腔曲率的變化時(shí)，必將在該處與結(jié)晶器壁間產(chǎn)生間隙。由坯殼的粘—塑性行為可知，坯殼曲率和運(yùn)動(dòng)方向的突變還將使坯殼本身受到較大的彎曲(矯直)應(yīng)力。可以想象，拉坯速度愈高，產(chǎn)生的間隙將愈大。這就是SMS結(jié)晶器在漏斗的邊緣處出現(xiàn)局部最高溫度，產(chǎn)生裂紋，導(dǎo)致壽命降低的根本原因。所以，必須更為合理地設(shè)計(jì)結(jié)晶器的漏斗曲面形狀，只有當(dāng)結(jié)晶器漏斗曲面在縱橫兩個(gè)方向上的剖面輪廓曲線的曲率均連續(xù)變化時(shí)，
7、才能滿足“鋼液在漏斗形部分形成的凝固殼在向下運(yùn)動(dòng)(拉坯)至平行截面的過渡區(qū)域內(nèi)所受的彎曲(矯直)應(yīng)力應(yīng)最小”的條件［4］，也才能消除坯殼與結(jié)晶器壁間的間隙，消除局部過熱，提高結(jié)晶器的使用壽命。2 漏斗形狀的設(shè)計(jì)要求 (1)滿足安置浸入式水口的要求。這一要求是容易滿足的，只要結(jié)晶器的漏斗內(nèi)腔能允許浸入式水口插入結(jié)晶器中鋼液一定的深度并與結(jié)晶器內(nèi)壁保持適當(dāng)?shù)拈g距就可以了?！ ?2)滿足坯殼凝固收縮的要求。要滿足這一要求，結(jié)晶器內(nèi)腔的橫剖面輪廓曲線的周長(zhǎng)在拉坯方向的收縮率必須等于或小于坯殼的凝固收縮率，否則，在結(jié)晶器內(nèi)壁與坯殼之間，或者
8、出現(xiàn)過大的間隙，增加傳熱熱阻；或者使拉坯阻力過大，甚至把坯殼拉斷。因此，必須對(duì)結(jié)晶器中鋼液的凝固收縮和結(jié)晶器的溫度場(chǎng)和熱變形進(jìn)行計(jì)算，合理地確定漏斗部分的錐度。文獻(xiàn)［5］認(rèn)為，結(jié)晶器開口度β≤10°?！ ?3)漏斗曲面在縱橫方向上的曲
