燕山大学本科生毕业设计(论文)
FB=
式中:
??L2S2 (5-2)
?——摩擦系数
?——钢水比重
S——铸坯断面周长
这时由拉坯力产生的拉应力:
FB??Vp1.5L (5-3) ?1==
S?2K由钢水静压力产生的拉应力?2由下式算出:
?L(a?2?)?L(a?2?)?LaVpaVp?2) (5-4) +=-(?2=
2?4?24KLKL根据强度动力学理论，当量应力可有下式确定:
?3kB??12??22??1?2 (5-5)
把有(3)(4)公式得到的?1,?2代入得到:
??kB=
?Vp2K?2L3?a4Vp4K2?a3VpK?a2L??a2L1.5Vp2K??aL2
(5-6)
根据实验数据, 铸坯表面温度按波状曲线变化，这条曲线可以修直，并可以用下面的指数函数表示:
t??500(2?e?5.33?) (5-7)
铸坯凝固壳的平均温度是
t?1=250(5+e?5.33?) (5-8)
2(t0?t?)式中
t0——钢水温度(大约1500℃)
?B?765?0.51t (5-9)
把(8)的温度规律率考虑在内
?B=127(1-e?5.33) (5-10)
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结晶器铜板及水箱的设计
理想的是尽量增大F值。若代入数值??7?10?3公斤/厘米3，k=3厘米
0.5/分 ，??0.6时，
F=127(1-e5.33L)-1.17×10?3× Vp
Vp?0.25L3?0.5aL2?0.083Vpa2L1.5?a2L?0.33a3VpL?0.028a4Vp
(5-11)
对于F可根据结晶器长度L，由于F曲线与横坐标轴橡胶而受限制。在
F曲线上能够办证最大安全系数的最大值，通过微分法不难算出相当于这个
最大值的结晶器长度L。
经过计算，结晶器的长度应该是600mm到1200mm。 结晶器的长度计算 L??(?/k)2Vc
L?——结晶器的有效长度mm
?——结晶器出口的坯壳厚度mm
K——钢液凝固系数mm/min1/2
Vc——拉坯机拉坯速度mm/min
L?L??(80?120) (5-12) 取mm
K?20mm/min1/2 Vc=20mm/min
最终计算得到结晶器的长度1000mm
5.1.2结晶器断面尺寸和倒锥度
结晶器下口宽度A=冷板坯宽度×1.013 (5-13)
B?AT/200 (5-14)
T是结晶器的锥度，按经验取1% 得 A=1637mm
B=8.10mm
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燕山大学本科生毕业设计(论文)
结晶器上口宽度1620.8+2×8.10=1637mm (5-15)
图 5-1 结晶器窄边铜板示意图
5.1.3结晶器铜板材质及表面镀层的选择
5.1.3.1铜板材质
铜板是钢水凝固期间进行热交换并使之成形的关键件，铜板的材质需满足相应的要求，根据浇铸时的工艺要求，铜板与钢液面接触的最高温度不得超过400℃。宽边铜板与短边铜板因其使用部位不同，所选用的材质也不同。
连铸机最初采用紫铜板，紫铜板虽然导热性好，但强度和硬度很低，耐磨性差，高温下强度更低。为了提高结晶器的使用寿命，现在普遍采用铜合金板制作结晶器，如铜银合金、铜-铬-锆-砷合金、铜-镁-锆合金、铜-铬-锆-镁合金等。奥钢联、西马克结晶器铜板的材质均采用铜银合金、真空冶炼，冷加工成型。前者在铜银合金内表面进行了镀铬。铜银合金成分为
Cu99．5% ，Ag0.07% ～0．1%(有的达到0．13%)，P0．006% 左右。采用铜银合金的目的，主要是提高铜板再结晶温度。当含银量为0.08% ～0.1% 时，再结晶温度为318℃ ～326℃ ，比普通冷轧铜板的再结晶温度约高出50% 。一般与钢水液面接触的铜板表面温度在正常冷却条件下为250℃～320℃。舞钢板坯连铸机结晶器用铜——银合金制作，化学成分为
9% ，Ag 0．07% ～0．12% 。导电率≥98%I．A．C．S(20℃)。Cu+Ag>99．
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结晶器铜板及水箱的设计
机械性能为?B≥200MPa，?S≥40MPa，HB≥45。为了更有效地提高铜板的使用寿命，在设计和制造中采用了在铜板表面镀层的方法。
结晶器的窄边铜板不仅在液面附近有热裂和剥离现象，而且由于热膨胀受宽边夹紧力的制约，使窄边铜板受压应力的影响而出现蠕动变形，在其下部由于调锥度，磨损更严重。因此，一般窄边铜板寿命比宽边短。据国外资料报道，采用含银的脱氧铜板，平均使用寿命为2000炉。结晶器的铜板要求有极好的热传导性，在室温和高温下能保持相当的强度。早期的连铸机使用纯铜作为铜板材质，经常发生变形。随着材料科学的发展，我有了更好的选择，这就是国外新近开发的材料，Al?Cr?Zr?Cu以满足我设计恶劣的热负荷条件。
5.1.3.2 铜板镀层
为了提高耐磨性和耐腐蚀性，常用电镀和热喷涂方法。我这次设计依然采用热镀层和热喷涂的方法。在宽边铜板上镀Co?Ni，窄边铜板上喷涂
NI?Cr。这种技术已经能够非常成熟的运用，使铜板修复一次平均过钢时间提高到20万t以上。上部要求导热性，镀层0.2-0.5mm下部要求耐磨性，镀层1.2-1.5mm。
5.1.4铜板厚度计算
h3 h2
图 5-2 结晶器铜板示意图
h1
h=h1?h2?h3 (5-16) 式中 h1——铜板水槽深度(取10mm) h2——铜板有效厚度(取10mm) h3——铜板加工余量(取15mm)
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5.1.5小结
结晶器的使用寿命，主要是铜板的使用寿命，其主要指标为铜板的耐磨性，耐磨性增加，使用寿命随之增加，因此，寻找合适的材质及镀层成为延长结晶器寿命的关键技术。根据不同的铸机、不同的浇铸速度，使用不同材质及镀层可大大提高结晶器的使用寿命，降低维修费用提高生产率。
5.2水箱设计
结晶器是整条连铸机的心脏设备，其主要作用是将钢水形成最初结晶，以形成坯壳。由于该设备在高温区使用，钢水接触到水会产生爆炸等事故，因此对结晶器的密封性控制相当严格。结晶器水箱是该设备的关键零件，
在本次设计中我参考了宝钢结晶器水箱的设计思路:
(1) 水道的内套选用导热性较好的材料，内外套所使的材料都需要有足够的抗压能力及工艺性。装配好的结晶器需要进行水压测试。确认密封无渗漏，水道畅通。
(2) 利用流体力学及传热学知识以计算机为辅助工具对不同结构的冷却水道的流场进行计算，掌握冷却水在各种冷却水道中的流动规律。 (3) 以冷却强度我最大目标。
在这次设计中我的结晶器水箱是用钢板焊接的结构，如下图所示。因为不能像工厂一样进行模拟，所以我尽量让结晶器水箱中间的水流量很大，这样就基本能完成水箱的冷却任务。如下图所示:
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