轮式小方坯高速连铸机的新发展

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1988.03.010 北京钢铁学院学报 第10卷第3期 Journal of Beijing University Vol,10 No.3 1988年7月 of Iron and Steel Technology July 1988 轮式小方坯高速连铸机的新发展 徐宝升 (机械系) 摘 要 亦发了一种水平轮式连铸机，用以高速浇铸52~85mm小方坯。新铸机的结品 轮轴心与垂直线成3”~5°倾角。从中间包流出的钢水，通过密闭的水口进人结晶 情，避免了铜水被氧化，又省去了钢液面检测及控制装置。在直径3m的试验铸机 上：，以18~22m/min的遭度浇出了50mm×63/67mm的小方坯，其表面及内部质 量都令人满意。在此基础上，设计了用以浇铸70一85mm小方坯的水平轮式连铸 机，其项期的最高出15速度为28m/mi口，非能与高速线材轧机相配合，宜接轧制 成材。 关键词：轮式连铸乱，密闭水口，直按轧制 Development of High Speed Wheel Caster for Thin Billet Xu Baosheng Abstract In order to reduce the production cost of rod and wire rolling,a high-speed horizontal wheel caster for billet of 52~85 mm squarc has been developed. The wheel axis of the new caster is inclined from vertical centerline by a small angle of 35.The liquid steel is flowing from tundish to mold cavity through an enclosed nozzle so that the oxidation of steel stream can be prevented and the meniscus detecting and control devices can be climinated. With the pilot caster of 3 m in diameter,billct of 50 mmx 63/67 mm has been 1987一04一17收科 ·参加这项工作的还有殷惟杰、高秀比、刘淑春、杨雪芳、刘新、苏平、黄宏忠及许岛钢厂和重钢三厂有关同志。 337

第 卷第 期 年 月 北 京 钢 铁 学 院 学 报 。 轮式小方坯高速连铸机的新发展 徐 宝 升 机械 系 摘 要 开 发 了一 种水 平轮式连 铸机 ， 用 以 高速浇铸 一 小 方 坯 。 新铸 机的 结 晶 轮轴 』心与垂 直线 成 。 倾 角 。 从 中间包流 出的 钢水 ， 通 过密闭的 水 口 进 入结 晶 槽 ， 避 免了钢水被 氧化 ， 又 省去 了钢液面检测及控制 装置 。 在直径 的 试验 铸 机 土 ， 以 一 的速度浇出 了 的小方坯 ， 其表面及内部质 量 都令 人满 意 。 在 此 墓础上 ， 设计 了用 以浇 铸 小方 坯 的水 平轮 式 连 铸 机 ， 其预期 的 最 佰出” 速度 为 。 ， 并能 与高速线材 轧 机 相配 合 ， 直 接 轧 制 戈材 。 关趣 词 轮 式连 铸 机 ， 密 闭水 口 ， 直接 轧 制 尤“ 夕 ， 一 · 。 一 。 ， 又 一 一 收 稿 参加 这 项 工 作 的 还 有殷 惟杰 、 高秀 民 、 刘淑 春 、 杨雪芳 、 刘 新 、 苏 平 、 黄宏忠及 青岛钢厂和 重 钢三厂有 关同志 。 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1988．03．010

cast with spced of 18~22 m/min.Both surface and internal quality of the strand are satisfactory.Based oa the result of pilot experiment,a wheel caster for billet of 70~85 min square in cross-section is 4esigned,the expected casting speed will be 28m/min,and it can match with high-speed rod mill for direct rolling. Key words:wheel caster,enclosed nozzle;direct rolling 引 言 随着我国四化建设的发展，对小型钢材的需要量也大幅度增加。断面在8cm2以下的小 型钢材在所需钢材中约占25%，目前轧制这些钢材所用的钢坯，大多数是用开坯轧机轧制 的。如能用连铸机铸出这些52~85mm方坯，将会取得节约能源、提高成材率的经济效益。 为此，我们开发了一种新型的轮式小方坯高速连铸机，简称LGL,其目的是以18~28m/min 的速度浇铸52~85mm小方坯，并进一步实现在线直接轧制成材。 1 研究内容 LGL的主体是由-一个圆周上带结晶槽的轮子和一条包在外面的无头钢带所组成，如图 1所示。由于用18~28m/min的速度浇铸52~85mm的小方坯，在国内外尚无成熟经验， 所以须从探索性试验开始。 早在1967年，我们就在重钢3厂进行了 轮式连铸机浇铸小钢坯的试验【1】，为了解决 行星轧机所需的坯料，采用了直径2.4m的结 品轮，初步浇出了质量满意的50mm×28Jmm 的小扁坯，其特点是采用了密闭的浇铸系统。 铸机是立式的，即它的结晶轮轴心是水平的。 日本日立公司于198？年也试验成功了立轮式连 铸机，并定名为“回转式”连铸机。 用LGL所铸钢坯厚度是与铸机结晶轮直 910 径成比例的。为了能浇铸70~85mm厚的小方 图1衙型轮式连铸机 坯，于1978年设计了一种新型水平轮式连铸 1,结品轮！2.铜借，3.密闭水口：4，润滑器， 5,刷子，6，烘烤装置：7，吹水嘴，8。拉辊) 机，它的结晶轮轴心与铅垂线成8°~5°的倾 9,矫直辊，10.保护跟 角，也采用了密闭的浇铸系统，结晶轮直径 Fig,1 New wheel caster 3m,简称为LGL30连铸机。这种微小倾斜的 水平轮式铸机的优点是既避免了因轮径加大造成钢水静压力加大，导致铸坯鼓肚的缺陷，又 防止了在浇铸终了时铸坯尾部有很深的缩孔现象。这种铸机的高度很小，不需要很高的厂房 建筑，操作也较安全。 采用密闭浇钱系统的优点是既防止了铸流的氧化，有助于提高铸坯质量，又不需要钢液 面检测及控制设备，简化了操作工艺，有利于高速浇铸， 338

· ， 爪 一 通。 、 ‘ ， ， ， 七 一 · ， ， 引 言 随 着我 国四化建设 的发展 ， 对小型 钢材的需要量也大幅度增加 。 断面在 以下 的小 型 钢材在所需钢 材中约 占 ， 目前轧制 这些 钢材所 用的 钢坯 ， 大 多数是 用开 坯 轧 机 轧 制 的 。 如能 用连铸机铸 出这些 一 方坯 ， 将 会取 得节约能源 、 提高成材率 的经济效益 。 为此 ， 我们开 发 了一 种新型 的轮式小 方坯 高速连铸机 ， 简称 ， 其 目的是 以 一 的速度浇 铸 。 小 方坯 ， 并进一步实现在线 直接 轧制 成材 。 研究 内容 的主 体是 由一 个圆 周上带 结晶 槽的轮 子和 一条包在外面的无 头 钢带所 组 成 ， 如 图 所示 。 由于 用 一 的速度浇 铸 一 的小方坯 ， 在 国内外尚无 成熟 经 验 ， 所 以须从探 索性 试验 开始 。 图 新型轮 式连 铸 机 结 晶轮 ， 钢 带 ， 密闭水 口 ， 润 滑 器 ， 刷 子 ， 烘 烤 装 置 ， 吹 水嘴， 。 拉 辊 ， 矫 直辊 ， 保 护 罩 早 在 年 ， 我们 就在重钢 厂进 行 了 轮 式连 铸机 浇 铸小 钢坯 的 试 验 ‘ ， 为 了解 决 行星 轧机所 需 的坯料 ， 采用 了直 径 的结 晶轮 ， 初步浇 出 了质量满意的 ， 的小 扁坯 。 其特 点是 采 用 了密闭 的浇 铸系统 。 铸 机是 立式 的 ， 即它 的结 晶轮 轴 心是 水平 的 。 日本 日立 公 司于 了年也 试验 成 功 了立轮 式连 铸机 ， 并定名为 “ 回转式 ” 连 铸机 。 用 所 铸 钢坯 厚度是与铸 机结 晶轮 直 径成 比 例的 。 为 了能浇 铸 一 厚的小 方 坯 ， 于 年设 计 了一 种新型 水 平轮 式 连 铸 机 ， 它 的结晶轮轴心与铅垂线 成 。 。 的倾 角 ， 也采用 了密 闭 的浇 铸系统 ， 结 晶 轮 直 径 ， 简称为 连 铸机 。 这种微小倾斜的 水平轮式铸机 的优 点是既避 免了 因轮 径加大造成钢 水 静压力加大 ， 导 致铸坯鼓肚 的缺陷 ， 又 防止 了在 浇 铸终 了时 铸坯 尾部有很 深 的缩孔现象 。 这 种 铸机 的高度很小 ， 不 需要很 高的厂房 建筑 ， 操 作也较 安全 。 采用密闭浇 铸系统 的优点是既 防止 了铸 流的氧化 ， 有 助于 提高铸坯 质量 ， 又不需要钢 液 面检测及控制设备 ， 简化 了操作 工艺 ， 有 利于高速浇 铸

我们在实验室进行了水力模型的实验，同时在青岛钢厂电炉车间进行了浇钢试验， 2水力模型试验 为了弄清钢液在结品槽内的流动状况，用图2所示的水力模型进行了实验。结品槽9用 有机玻璃制作，它代表结晶轮前半部分，其断面及曲率半径与LGL30同。用直径1mn的 可发性聚苯乙烯粒子作示踪剂，用相当于液面高度H的高位水箱1通过闸阀2供水，排水 流人低位水箱12内。高低位水箱之间有循环水泵11及阀门13，水口8的断面与LGL3)同。 在结晶槽的进水端左、右及下面以及放水端各有一个测压孔，分别与压力指示玻管5、6、 4及T相连接。高位水箱内的水面H用玻管3显示。示踪粒子运动状况用照像机拍摄下来 然后描绘成如图3所示。出坯速度由单位时间排人低位水箱的水量折算出来。 为了使初凝坯壳与结晶槽壁有较好的接 触，以改善传热条件，同时也为了防止铸坏产 生缩孔，使结晶槽内进口处的钢液保持“定的 余压h是必要的。我们取余压h为100mm 左右。 13 图2水力模型试验装置 1,高位水箱，2。闸阀，3，液面指示玻管，4~6。钻 品槽下、左、右面压力指示玻管，T,结晶情内余压指示 图3结品墙内水流状况 玻管，8，水口9。结品情，10，故水闸阀，11.循环水 a,11=800mm,'=39.56m/min1 系，12.低位水箱，13。闸阀 b,//=800mm,=10.86m/min Fig.2 Hydraulic model test apparatus Fig,3 Water flow pattern in the mold 通过水力模型试验，得出了计算水口钢液流量的经验公式： w=AY(H-而) kg/min (1) 19 式中：H一刺水液面高度，mm多h一结的槽内钢水余压，mm; A一水口断面积，mm2。 从水力模型看出，当液体以一定的速度从水1流出后，在约200mm范围内有一个带有 漩涡的紊流区I,在200~500mm范围内有一个流向交变的系流区I,在约500mm以后， 339

我们 在实验 室进行 了水 力模型 的实验 ， 同时在青岛钢厂电炉 车问进 行 了浇 纲试验 ， 水 力模型试验 为 了弄清 钢液在结晶槽内的流动 状 况 ， 用图 所 示 的水 力模型进 行 了实验 。 结 品 槽 川 有机玻璃制 作 ， 它代表结 晶轮 前 半部 分 ， 其断 面 及 曲率 半径与 同 。 用 直 径 的 可 发 性聚苯 乙 烯粒 子作示 踪 剂 。 用 相 当于 液 面高度 的高位 水箱 通过 闸阀 供 水 ， 排 水 流人 低位 水 箱 内 。 高低位 水 箱 之 间有 循环水 泵 及 阀 门 水 口 的断面与 ，同 。 在 结 晶槽的进水 端左 、 右 及下 面 以及 放水端 各有一 个测压孔 ， 分别 与压 力指示 玻管 、 、 及 相连接 。 高位水 箱内的水 面 用玻管 显示 。 示 踪粒 子运动状况用照 像机拍 摄 下 来 然 后 描 绘 成如 图 所示 。 出坯速 度 由单位时 间排 人低位水 箱 的水 量 折算 出来 。 为 了使 初凝 坯 壳 与 结晶槽壁 有 较 好 的 接 触 ， 以 改 善传热 条件 ， 同时 也为 了防止 铸坯 产 生 缩 孔 ， 使 结 晶 槽内进 口处 的 钢 液保 持一 定 的 余压 是 必 要 的 。 我 们 取 余 压 为 左 右 。 一 三三一 」 一日 兰到 图 水 力 模 型试验 装置 高位水 箱 ， 闸阀 ， 液 面指示 玻管， 结 晶槽 下 、 左 、 右 面 压 力 指示 玻 管 ， 结 晶槽 内余 压 指示 玻 管 ， 水 日 ， 结 晶槽 ， 放 水闸阀 ， 循环 水 泵 ， 低 位 水 薪 ， 闸 阀 王 、 ’ 委 了 刁 。辉 卿髓 裂沉 狱牲 淋 牌 舜瀚 脚 城 图 结 品槽 内水 流 状况 ， ， 一厂 。 ， ， 产 。 一 通过水 力模型 试验 ， 得 出 了计 算水 日 钢液流量的经验 公 式 珍 犷 一 ， ， 式 中 一 钢水 液 面高度 ， 一 结 品 槽内钢 水余 压 ， 一水 日 断 面积 ， 从水 力模型 看 出 ， 当液 体 以一 定 的速度从水 日 流 出后 ， 在约 范 围内有 一 个 带 有 漩涡 的紊流 区 ， 在 一 范 围 内有 一 个流 向 文变 的 亲流 区 ， 在 约 以 后

流动渐趋平稳而变为层流区，如图4所示。液体在结晶槽内流动、冲刷及搅拌的剧烈程度随 流速的增大而加剧。紊流区的长度也随流速的增大而延长。流速增大后，靠外孤侧的涡流也 较多，如图3a所示。 Region of turbulent Region of turbulent flow Region of laminar flow 图4液体流动模型 Fig.4 Flow pattern 从水力模型还可看出：结晶槽四壁处的液压是波动的。它们有时同时升降，有时交错升 降，外孤侧的波动幅度稍大于内弧。当平均浇铸速度由10.86m/min增加到39.56m/min 时，其波动幅度由8~5mm增加到10~15mm。说明在素流区内除了流股方向不断变化以 外，还有脉冲现像。 在LGL的结晶槽内，钢液所具有的这种特殊运动状态，对传热及坯壳的增长有其特殊 影响。钢流的冲刷及搅拌作用，加快了钢液过热度的消失，使凝固加快。在另一方面，由于 钢流方向交变及脉冲作用，又会使初凝的坯壳受到不均匀的冲刷，造成坯壳厚度严重不均。 3LGL30的初步试验 LGL30的初步试验是在青岛钢厂电炉车间进行的，采用了直径8m的钢质结晶轮。结 晶轮的旋转平面与地平面形成3°的倾角。试浇的，坯断面为50mm×63/67mm,出坯速度 为18~22m/min。由于受场地限制，未装设剪机及冷床，所以试浇的铸坯长度不超过30m, 初步试浇进行了5轮共18次，其记录如下表所列。铸成的钢坯表面光洁，没有像普通 连铸钢坯那样的表面振动波纹。浇铸的钢种是低碳钢，其内部组织因凝固较快而比铰细密， 如图5所示，中心未形成明显的缩孔。 从表中的试验结果看出：在第一轮试验中，出现的主要问题是水口断裂。经过对水口保 护套加以改进后，就未再出现这类问题。 在以后的几轮试验中出现的种种问题，如 因中间包烘烤温度太低导致水口凝堵，因钢水 测温不准而造成的水口凝堵或矫直裂纹，因水 口安装不正而造成的一边缝隙过大而漏钢，以 及因其它机械故障妨碍了铸坯的运行等，都是 比较容易解决的问题。 试验所采用的最高出坯速度为22m/min。 图6低碳钢坯的？倍组织 这是因为结品槽断面较小，而流钢水口又必旗 Fig.5 Macrostructure of low carbon 伸入结晶槽内，为了使水口有适当的壁厚，所 stecl billet 以其孔腔不能太大，其流量只能满足22m/min 340

流动渐趋平稳而 变为层流区 ， 如 图 所示 。 液体在结晶槽内流动 、 冲刷及搅拌 的剧 烈程度随 流速的增大而加剧 。 紊流 区的长度也随流速的增大而 延长 。 流速增大后 ， 靠外孤侧 的涡流也 较 多 ， 如 图 所示 。 图 液体流 动模型 从 水力模型 还可看 出 结晶 槽四壁处 的 液压是 波动的 。 它们 有时 同时升 降 ， 有时 交错升 降 。 外孤侧 的波动幅度稍大于 内弧 。 当平 均浇铸 速 度 由 增 加 到 时 ， 其波动幅度 由 一 增加到 一 。 说明在紊流 区内除 了流 股方 向不 断 变 化 以 外 ， 还有脉冲现 像 。 在 的结晶槽内 ， 钢液所具有 的这种特殊 运动状 态 ， 对 传热及坯壳的增 一 长有其特 殊 影响 。 钢 流 的冲 刷及搅拌作 用 ， 加快 了钢液过热 度 的消失 ， 使 凝 固加快 。 在另一方 面 ， 由于 钢流方向交 变及脉 冲作用 ， 又会使初凝的坯壳 受到不 均匀的冲刷 ， 造成坯壳 厚度严 重 不 均 。 和 的初步试验 的初步 试验 是在 青 岛钢 厂电炉车 间进 行的 ， 采用 了直径 的钢质 结 晶轮 。 结 晶 轮 的旋转平面 与地平 面形 成 “ 的倾 角 。 试浇 的铸坯 断面为 ， 出坯速 度 为 。 由于受场 地限制 ， 未装设剪机及 冷床 ， 所 以试浇 的铸坯长度不超过 。 初步试浇进行了 轮 共 次 ， 其记录 如下表所 列 。 铸成的钢 坯表面光洁 ， 没有 像 普通 连 铸钢 坯 那样 的表面振动 波纹 。 浇 铸的钢种是低碳钢 ， 其内部组织 因凝固较快而 比较 细密 ， 如 图 所示 ， 中心未形成明 显 的缩孔 。 从 表 中的 试验 结果看 出 在第一轮 试验 中 ， 出现的主要问题是水 口断裂 。 经过对 水 口保 图 低碳钢坯的 胶 倍组织 护套加以改进后 ， 就未再 出现 这类问题 。 在 以后的几轮试验 中出现的种种问题 ， 如 因中间包烘烤温度太低导致水 口 凝堵 ， 因钢水 酬温不准 而造成的水 口 凝堵或矫直裂纹 ， 因水 口安装不正 而 造成的一边缝隙过大而 漏钢 ， 以 及因其它机 械故 障妨碍 了铸坯 的运行等 ， 都是 比较容 易解决 的向题 。 试验 所 采用 的最高出坯速 度为 。 这 是 因为结品槽断面较小 ， 而 流钢 水 」又 必 须 伸 人结晶槽内 ， 为 了使水 口有适 当的壁 厚 ， 所 以其孔腔不 能太大 ， 其 流量 只能 满足

左右的出坯速度。铸坯渐面加大以后，其出坯速度还可提高。 表初步试验结果 Table Expcrimental results 试验浇 中间包共烤 开浇时锅水 出坯速度出坏长度 铸 情 况 记求 轮数 本 浇 数 温度℃ 温度℃ mm in 么 1 920 1520 21 3.8 中间包烘烤温度太低，水小蘗者 2 1100 1550 20 3.5 水口断裂 3 990 1560 20 3.6 水口断裂 1190 1535 20 0 水口邻分凝堵，结品槽未充满 1080 1558 名 6.1 水口断裂 1120 1540 17 5 引淀头未进人拉辊，停格 1200 1540 公 0 中间包水口未装好，漏钢，不能浇铸 1205 1530 17 15 结晶槽未清扫干净，小钢珠卡住了结品轮 1150 1545 18 13.5 出拉棍后裂纹漏钢 10 1200 1530 18 7.8 钢带未张紧，铸还有较大飞边，矫直漏钢 11 1180 1535 7.6 矫直附产生裂纹满钢 1250 1523 17.7 钱坯翘曲，顶在辊道侧板上不能前进 13 1530 12 13 水口安装不正，一边缝隙过大，漏铜 1520 g 14 钢水温度太低，水口部分凝堵 15 980 1525 18 9.5 中间包，烤温度太低，水山凝堵 6 1205 1534 18 14.5 过拉辊后漏钢 17 1100 1614 18 24 温度测昼不准，实际钢温偏流，矫直裂纹 18 1100 1525 18 35 未及时停车，钱还超长，顶弯成形 4。 凝固系数K值的测定 LGL采用了密闭的浇铸系统，钢水进入结晶槽时保持了一定的静压力，使初凝的坯光 与结晶槽壁有较好的接触，改善了传热条件。再加上钢水从水口喷出时的冲刷搅拌作月，使 UOE 图G布光增长情况 Fig.6 Growth of solidificd shell 341

左右的 出坯速 度 。 铸坯 断 面加大以后 ， 其出坯 速 度还 可提高 。 表 初步 试验 结 果 、 、 、 试 验 一浇 铸 轮 。 … 次 ， 中间包烘烤 温 度 ℃ 开 浇时 钢水 温 度 ℃ 出坯 瞰 出肤 度 浇 铸 情 况 记 录 中间包 烘 烤温度 太低 ， 水 凝 堵 水 口 断 裂 水 口 断 裂 水 口 部分 凝堵 ， 结 晶槽未充满 水 断 裂 引键 头未进 人 拉辊 ， 停浇 中间包水 口 未装好 ， 漏钢 ， 不 能浇铸 结 晶擂未清 扫 干净 ， 小 钢 珠 卡住 了结晶轮 出拉辊后裂纹 漏钢 钢带未张 紧 ， 铸坯 有较大 飞边 ， 矫 直漏 钢 矫 直时 产生裂 纹漏 钢 铸坯翘 曲 ， 顶在辊道 侧 板上 不 能 前迸 任 二 山 电 曰任，月 水 口 安装不 正 ， 一 边 缝隙过 大 ， 泥 明 钢水温度 太低 ， 水 部 分 凝堵 二目二‘ 怡八月 。 。 中间包洪烤温度太低 ， 水 日 凝堵 过 拉辊后漏钢 温度 测量不 准 ， 实 际 钢温 偏 高 ， 矫 直裂纹 未及 时停 车 ， 铸 坯超 长 ， 顶 弯成 形 几」皿一‘ ，占几上二，甘月内勺一 左‘‘二 ︺内摊盆︸一︸ 凝固 系数 值 的测定 采用 了密闭 的浇铸系统 ， 钢水进入结晶槽时 保 持 一 定的静压 力 ， 使 初 凝 的 坯 壳 与 结 晶槽壁有较好 的接 触 ， 改 善了传热 条件 。 再加上 钢水从 水 口 喷 出时 的冲 刷搅拌 作用 ， 使 箭图 环 壳摺增 长情 况 王 ‘ 选