机械设计-耐材中间包.doc

XXXXXXXXXXXXX 大 学 毕业论文 论文题目： 方坯连铸中间包结构设计 学 院： 专 业： 机械设计及制造 学生姓名： 张景福 指导教师： 本人免费提供参考论文/毕设（专业不限） QQ:328288522方坯连铸中间包结构设计摘 要 为了精炼后的钢液由钢包运送到连铸机的结晶器中，在钢包与结晶器之间采用了一个被称为中间包的中间容器，中间包是上大下小，耐火材料做内衬的矩形容器，其顶部也有一个用耐火材料做内衬的盖。中间包底部有一个或几个水口，并装有控制钢流量的滑板或塞棒。中间包通常被划分为两个区域：入口区，常常有一注流箱，钢包中的钢液流入到此区域；出口区，将钢液注入到结晶器。坝、堰（挡渣墙）和带孔的夹板等各种控流装置安置在中间包的长度方向。从中间包入口到出口的的路径越长越有利于延长钢液在中间包内停留的时间，促进宏观夹杂的上浮。采用中间包的目的是将钢液以设计的流量和温度、无夹杂引发的污染、平稳的运输给结晶器。通过维持中间包内钢液的深度来保持注入结晶器内钢流量的恒定。通过安装在中间包出口位置的滑板或塞棒增加对流量的控制。在换包和钢包注流断流期间，中间包充当了贮钢池的角色，可以连续向结晶器提供钢液，这样使多炉连浇成为可能。关键词：连铸 中间包 塞棒 包盖 结构设计Tundish Structure Design Of Four-strand Square Billet CCMAbstractFor the refined steel ladle to by the caster in the crystallizer and mould in ladle, between a called the middle vessel, tundish is under the big tundish. Refractory lining of rectangular containers.The top also has a refractory lining do lid. Tundish bottom have one or several shuikou, and control of the board or steel flow. Tundish is usually divided into two areas: the entrance area, often have a note, the flow of liquid steel ladle flow into the region, Export area, will be injected into liquid steel mould. Dam and weir (slag wall) and belt aperture plywood in various inhibitors device of tundish length direction . From the entrance to the export of tundish is the path to extend the length of molten steel in the tundish is the time for inclusion floatation and promote macro. Using the tundish purpose is to design of the steel fluid inclusions temperature and flow rate, and no pollution, cause smooth transportation to mould. By maintaining the tundish is to keep the depth of molten steel flow injection mould steel constant. Through the installation of positions in the tundish exports increased to skateboard or great flow of control. In the bag and ladle flow injection flow during the storage steel tundish is acted the role, continuous pool to mould steel, provide more furnace casting.when become possible.Keyword:continuous casting Tundish stopper rod ladlecover structure design目 录1 文献综述 目前连铸工艺已广泛应用于钢铁生产，并成为其一个重要生产环节，世界上90%的粗钢是通过连铸生产的，西欧、日本和美国等一些国家和地区的连铸比已经超过了97%1。在中国超过95%的钢是通过连铸生产的。中间包是钢液流入连铸结晶器凝固之前最后需要经过的冶金容器。钢液在经过中间包的过程中与耐火材料、渣和空气接触。因此中间包的合理设计与操作对其内的钢液成分、质量和温度产生重要影响。在洁净钢生产中中间包技术不可以被低估和不被重视2。为了精炼后的钢液由钢包运送到连铸机的结晶器中，在钢包与结晶器之间采用了一个被称为中间包的中间容器，中间包是上大下小，耐火材料做内衬的矩形容器，其顶部也有一个用耐火材料做内衬的盖。中间包底部有一个或几个水口，并装有控制钢流量的滑板或塞棒。中间包通常被划分为两个区域：入口区，常常有一注流箱，钢包中的钢液流入到此区域；出口区，将钢液注入到结晶器。坝、堰（挡渣墙）和带孔的夹板等各种控流装置安置在中间包的长度方向2。从中间包入口到出口的的路径越长越有利于延长钢液在中间包内停留的时间，促进宏观夹杂的上浮。采用中间包的目的是将钢液以设计的流量和温度、无夹杂引发的污染、平稳的运输给结晶器。通过维持中间包内钢液的深度来保持注入结晶器内钢流量的恒定。通过安装在中间包出口位置的滑板或塞棒增加对流量的控制。在换包和钢包注流断流期间，中间包充当了贮钢池的角色，可以连续向结晶器提供钢液，这样使多炉连浇成为可能。夹杂物的形成和钢液被污染的主要原因包括：空气和夹带的钢包氧化性渣对钢液的二次氧化；中间包内钢包渣的卷入与氧化。钢液经过中间包进入结晶器前，这些夹杂物必须在中间包中上浮排除2。综上所述中间包的主要作用有：（1）减小钢水静压力，使注流稳定；（2）利于夹杂物上浮，净化钢水；（3）在多炉连浇中，中间包贮存一定量的钢水，在更换钢包期间不会停浇；（4）在多流连铸机上，中间包将钢水分配到每个结晶器；（5）根据连铸对钢质量要求，也可将部分炉外精炼手段移到中间包内实施，即中间包冶金。可见，中间包有减压、稳流、去夹杂、贮钢、分流和中间包冶金等重要作用。研究中间包对对冶金有极其重要的意义。1.1.1中间包的容量文献1中论述了中间包的尺寸与容量的确定方法。中间包的容量是钢包容量的30%40%。在通常浇注条件下，钢水在中间包内应停留810min才能起到上浮夹杂物和稳定注流的作用，为此中间包有向大容量和深熔池方向发展的趋势，容量可达60100t，熔池深为10001200mm。中间包容量应与贮存钢水量相匹配，计算如下： =BD（+） （1）式中取 中间包钢水量，t； 铸坯密度，t/； B铸坯宽度，m； D铸坯厚度，m； 关闭水口等空钢包撤离所需的时间，min； 满载钢包回转到浇钢位置所需时间，min； 开浇器接滑动水口液压管，打开水口所需时间，min； +更换钢包所需总时间，min； 拉坯速度，m/min。 1.1.2中间包结构中间包的结构、形状应保持最小的散热面积良好的保温性能。一般常用的中间包有矩形、T形等，其目的主要考虑钢水注入时尽量不产生涡流，同时使砌包、清渣、吊挂等操作方便。多流连铸机通常采用长条形中间包，矩形中间包仅适用于单流连铸机。中间包外壳是1220mm的铸钢焊接而成，要求具有足够的刚性，在长期高温环境下浇铸、运输、清渣、翻包等确保结构不变形，为此壳体外部都焊有加固筋板，且形状要便于工作衬砖的拆除。中间包内衬砌有耐火材料，根据需要还砌有挡墙、坝、导流板等。包的两侧有吊钢和耳轴，便于调运，耳轴下面还有坐垫，以便稳定的坐在中间包小车上。中间包包体外壳厚度取15mm铸钢。1.1.3中间包内衬文献5论述了关于中间包内衬的以下观点：（1） 中间包隔热层的厚度设计应保证使中间包外壳温度符合要求，在采用隔热衬保持的温度范围内选用导热系数0.61.0的耐火材料，它既能显著改善保温效果，也使隔热层的厚度减薄，增加中间包的有效容积。（2） 中间包的永久层主要作为防止钢液渗入隔热层及导致漏钢的安全衬，也可以作为重要的备用工作衬的结合带，它在一年的操作期间，只需偶尔更换。（3） 中间包的备用工作层已由传统的耐火砖衬改为整体铝铬质可塑工作衬。其优点有节省施工劳动力，由于消除了高气孔砖缝，从而提高了耐火材料的使用寿命，由于能快速修补和延长了耐火材料使用寿命而提高了中间包的利用率，并使钢液中的耐火材料夹杂物减少。（4） 工作层采用MgO质耐火材料喷涂或人工涂抹。从脱氧钢的化学反应方面考虑，采用碱性材料的内衬比用高铝质或酸性硅质材料要好。采用90%MgO料自动喷涂工作层的中间包，耐火材料可设计成收缩型的，当结渣层的温度降到260C以下时，工作层就与备用工作层脱开，这样易于清除残钢残渣，有利于翻包。并且这种中间包喷涂工作衬连续浇铸后具有良好的抗渗透性和耐蚀损能力，这样可保证来自涂层本身的腐蚀不会给钢的纯净度带来多少影响。铝质备用工作衬也没有暴露出来而危害钢水纯度，并且延长了备用工作衬的寿命。（5） 采用90%MgO的喷涂料还可使中间包的耐火材料施工完毕后在备用区经204316C烘干，然后让其冷却后待用。这种中间包只要将水口预热到93149C就可投入使用。实验表明在板坯浇铸上，为保证安全有效的操作，只需将中间包在不高于538C温度下烘烤4小时。这样既克服了热中间包的燃料消耗高和使用前需要预热的缺点，也降低了操作成本，同时还提高了钢的纯净度及中间包备用工作衬的使用寿命。综上所述，中间包的耐火材料我选择以下材料： 图11 中间包耐火材料结构图第一层（1）：30mm厚的隔热纤维或轻质砖。第二层（2）、（3）：100mm厚的含50%70%砖。第三层（4）：20mm厚的MgO质喷涂料。1.1.4中间包主体尺寸钢水在中间包内最佳停留时间是810min，小方坯连铸用中间包可浇注液面深度不小于200mm，当中间包液面低于可浇液面高度时，钢水在水口上方会形成涡流，可能卷渣进入结晶器，影响钢坯质量。浇注深度不小于400mm，一般在确定深度时再加100mm。因此最大液面深度不小于200+400+100=700mm。中间包的宽度需考虑以下因素：（1）钢包注流落点与水口的间距应有利于钢水分配，钢水在中间包内不致形成死角；（2）注流的落点到最近水口中心距离应大于500mm；（3）水口中心距端墙应在400-600mm，以免卷渣和对端面过分的冲蚀；然后根据中间包容量、高度和长度确定宽度。中间包过宽会增加散热，降低保温性能，还会影响中间包小车的轨距等。中间包长度是以结晶器的中心距为基准定的水口距包壁端部200mm以上。当水口各部位尺寸确定以后，中间包的长度就定了。为防止运输作业过程中中间包内钢水溅出造成生产事故，中间包高度应高于钢水液面200。中间包端墙有倾角，其内壁是上大下小。倾角的大小应考虑其下因素：耐火材料砌筑的稳定性；便于清除残钢、残渣；便于操作人员观察结晶器液面。倾角在913为宜。取中间包端墙倾角为13。1.1.5中间包包体筋板对中间包这样大型而复杂的结构，合理设计加强筋的形状、厚度以及对加强筋的位置进行合理布置，能增大结构的强度和刚度。根据文献17，中间包加强筋平置矩形断面惯性矩和无加强筋的矩形断面惯性矩之比为 抗弯截面系数与之比 式中：加强筋相对宽度（）；加强筋相对高度（）。图12 加强筋示意图 综合考虑强度和刚度等因素加强筋的相对高度一般取，加强筋的厚度，设计时通常取等号。1.1.6中间包吊耳 中间包吊耳在中间包运输过程中起到至关重要的作用，吊耳的刚度和所能承受的最大强度直接决定了运送中间包的安全。吊耳与加强筋设计为一体并增加吊耳轴。1.1.7导流槽导流槽是为了防止钢包中钢液注入过多造成溢流等安全事故而设置的。导流口设置在包角落不影响中间包的基本结构部位。长300mm，宽100mm，低于包体上沿60mm。钢水从钢包注入中间包的过程中，导流口下方应该有预备容器承接可能溢流的钢水。1.1.8 挡墙与冲击区连铸中间包内控流挡墙的参数设计，对中间包内非金属夹杂物的上浮以及均匀钢水温度起着非常重要的作用。中间包内设置挡渣墙可优化中间包流场，减少死区，使大包注流基本同时到达中间包的各水口延长钢水在中间包内的停留时间，促进夹杂物上浮，净化钢水。挡渣墙导流孔的位置和开度对挡渣墙的使用效果影响至关重要，合适的位置和开度设计是设计挡渣墙的关键。钢水液面高度为700mm，所以挡墙的高度应冲击区增加稳流器，由于冲击区附近中包涂抹层受钢水冲刷侵蚀过快，在中间包钢水冲击区增加稳流器，以减缓钢水对冲击区附近中包涂抹层的冲刷。应用表明，冲击区附近涂抹层厚度平均比使用前侵蚀量每炉可减少0.5mm。1.1.9水口中间包注流控制装置有：定径水口、塞棒系统、滑板系统、塞棒+滑板组合系统。采用塞棒或滑动水口的注流可实施自动控制，结晶器内钢水液面保持稳定。（1）定水口直径的确定定水口直径应满足连铸机在最大拉速时的钢水流量。水口直径可由下式计算确定： （2）式中 G 一个水口全开时的钢水流量，t/h； H 中间包内钢水深度，mm； d 水口直径，mm。 （2）确定水口间距水口间距既是结晶器之间的中心距。为了便于操作，水口间距至少应为6001000mm。在文献1中同样阐述了注流的落点到最近水口中心距离应大于500mm。所以根据本人设计的中间包的长度，取水口间距为1000mm。最外边的水口与端部的距离为300mm。1.2中间包包盖 中间包包盖的主要作用是：在中间包烘烤和浇注时起保温作用；保护钢包的滑板机构免受钢水的热辐射；在钢包操作工测温取样时起安全防护作用6。1.2.1中间包包盖的要求文献7对普通盖板和复合盖板的结构和材质进行了详细的实验对比。为了满足：保证盖板原来的外形最大尺寸及孔的直径和相对位置；制造和使用时抗变形能力强，且能减轻重量；制造生产可行。普通盖板的重量为11t，复合盖板金属壳体重量为5t7。复合盖板结构和尺寸如下说明：（1） 盖板主断面设计成拱形，减少铸造时的变形能力；拱形结构上设置加强筋，进一步提高抗变形能力，上表面用筋补平，便于盖板的保存和堆放。（2） 将盖板的浇钢孔与一预热孔连通，方便浇钢时长水口移动下表面设置锚固钉。（3） 盖板上的浇注孔、预热孔和塞棒孔上下都设计出外圆台，增加强度，易于孔内缘安装锚固钉。（4） 盖板下端面及盖板之间的结合面为加工面，利于密封，提高保温性能。（5） 盖板下部耐火浇注料厚度设计为100mm。若耐火材料的密度为2.75g/,则浇注料重约3t7。1.2.2中间包包盖的材质盖板金属壳选用ZG30V材质，特点是具有相当的常温强度和韧性外，还有较好的高温性能。而且制造工艺可行，成本合理。结合盖板的结构特征和使用条件，选用高铝质低水泥耐火浇注料作为复合盖板的内衬，施工方便，能满足使用需要。复合板经实际应用表明，保温性能好，抗变形能力强，使用寿命长，并减少了清理工作量。而且经济效益可观7。根据中间包包体尺寸和水口的位置确定出中间包包盖的具体尺寸为：，。上水口在包盖几何中心位置，是直径为80mm的浸入式水口，因为下水口的直径由公式（2）确定为20mm，所以塞棒的直径应该在4060mm，取塞棒直径为50mm，为了使塞棒在塞棒孔中活动自如，不影响操作，塞棒孔的直径设置为60mm的圆孔。中间包覆盖渣在控制连铸坯的质量方面发挥着十分重要的作用。中间包覆盖渣下列重要功能：（1） 绝热保温最大限度的减低表面的热损失；（2） 保护钢液免遭大气的二次氧化；（3） 吸收夹杂物；（4） 维护惰性气体免受钢液流的还原和卷混；（5） 减缓中间包耐火材料内衬和钢包套管的侵蚀。 1.3 塞棒 塞棒是控制钢水注流的装置。塞棒中心有钢管棒芯，外套为锆碳质或铝碳质耐火材料经等静压整体成型。整体塞棒没有砌缝，可避免在高温钢水中浸泡造成砌缝的软化变形、断裂事故，利于实现多炉连浇。对整体塞棒的基本要求有：（1） 耐钢水和熔渣的侵蚀、冲刷。（2） 具有良好的抗剥落能力，使用中不掉片，不崩裂。（3） 具有良好的抗震性。（4） 具有足够的热机械强度，便于安装和操作。塞棒目前使用的材质是铝碳质，渣线附近是复合的氧化锆，提高了抗渣性。塞头与水口相配合控制注流，为提高塞棒使用寿命，棒芯用厚壁钢管；浇注过程中芯管内插入直径稍小的钢管，引入压缩空气冷却塞头，对延长塞棒寿命有一定的效果。1.3.1 塞棒棒头的设计在连铸浇注过程中，中间包内的钢水经由浸入式水口进入结晶器，而钢水的流量大小，则由与水口碗部相匹配的塞棒来控制。在连铸开浇之前，塞棒棒头的圆弧面与水口碗部的圆弧面相接触，它们之间的间隙为零；当塞棒向上抬起的一瞬间，在塞棒棒头与水口碗部之间产生了间隙，钢水进入水口的流钢中孔，并从水口的出钢口注入结晶器，连铸浇注就开始了。由此可见，塞棒向上抬升的距离的多少，直接控制着塞棒棒头与水口碗部之间的间隙大小，进而控制着钢水进入浸入式水口的流量的大小。显而易见，塞棒棒头与水口碗部之间的间隙距离的变化，与它们本身的圆弧曲线半径的大小有关。目前，在国内连铸用塞棒棒头的形状，有以下几种，如图6所示： 图31 塞棒棒头形状示意图 （1）图 3 中A，为半圆头形，半径R值较大，通常在60mm以上。 （2）图 3 中B，棒头外形由两个半径为R1和R2相切组成。（3）图 3 中C，棒头外形由两个半径为R1和R2与直线相切组成。（4）图 3 中D，棒头外形由两个半径为R1、R2和R3相切组成。在上述图形中，棒头尖的圆弧面半径R1的值在1250mm之间，对于大多数小断面方坯和圆坯来说，R1的值在1235mm范围内；对于大板坯则在3550mm之间。棒头头体的圆弧面的半径R2的值在120200mm之间，此值的大小与塞棒棒身相结合，决定了棒头头体形状的胖与瘦。而塞棒棒身的直径一般在100150mm之间。棒头头体的圆弧面的半径R3要与R2相切，其值比R2大得多。塞棒棒头的高度通常在60120mm范围内。 塞棒总长度的确定：从插入中间包水口碗部的塞棒棒头尖位置算起，直至穿出中间包盖50100mm处为止。1.3.2 塞棒种类 目前国内所用的与浸入式水口匹配的整体塞棒，主要有以下两种类型： （1）组合型塞棒即棒身为高铝质或堇青石质袖砖，与铝碳质或其它材料的棒头组合。见图7，A所示。 （2）整体塞棒 即棒身与棒头直接成型在一起，成为一体。目前常见的铝碳质整体塞棒，其棒头材质有高铝碳质，铝锆碳质和镁碳质或其它材质。塞棒结构有两种：盲头型，棒头为实心的。见图4，B所示。吹氩型，即在塞棒头部带有吹氩孔。见图4，C所示。图32塞棒分类 整体塞棒材质一般为铝碳质，为了延长塞棒的使用寿命，可在其渣线和塞棒头部份复合含ZrO2、ZrO2-C质、MgO-C质等材料。近几年来，Al2O3-C质塞棒在主要成份方面，即Al2O3的含量与以前相比，提高了不少，从50%提高到70%左右，使用寿命更长。由于近几年来，国内大电炉兴建很多，由于钢种的需要，Al2O3-C质棒身与MgO-C质棒头相组合的整体塞棒得到广泛使用。棒头中MgO为75-80%，C 15-20%。2 设计计算过程2.1中间包容量已知大包（转炉钢水-大包-中间包）钢水量为100 t，热铸坯密度7.6 t/，铸坯宽度，铸坯厚度，关闭水口等空钢包撤离所需的时间，满载钢包回转到浇钢位置所需时间，在通常浇注条件下，钢水在中间包内应停留810min才能起到上浮夹杂物和稳定注流的作用，所以开浇器接滑动水口液压管，打开水口所需时间，拉坯速度=0.43.2m/min，根据马钢技术研究，四流中间包的小方坯拉坯速度为时拉坯时间缩短且不影响铸坯质量。根据以上材料中描述，中间包容量为大包容量的30%40%得：。又根据公式（1）得：。所以取中间包容量。2.2中间包的尺寸确定2.2.1中间包包底宽度因为中间包容量。所以（）。根据公式，得 。因为中间包的宽度需考虑以下因素：（1）钢包注流落点与水口的间距应有利于钢水分配，钢水在中间包内不致形成死角；（2）注流的落点到最近水口中心距离应大于500mm；（3）水口中心距端墙应在400-600mm，以免卷渣和对端面过分的冲蚀；然后根据中间包容量、高度和长度确定宽度。中间包过宽会增加散热，降低保温性能，还会影响中间包小车的轨距等。中间包长度是以结晶器的中心距为基准定的水口距包壁端部200mm以上。所以取中间包的宽度为。2.2.2中间包包体高度因为小方坯连铸用中间包可浇注液面深度不小于200mm，当中间包液面低于可浇液面高度时，