半连续铸造结晶器内腔形状优化设计.doc

半连续铸造结晶器内腔形状优化设计摘 要：通过对扁铸锭外形尺寸实测数据的分析，提出了一种半连续铸机结晶器内腔形状的优化设计方案。实践证明，本文对结晶器的改进成功地解决了扁铸锭大面凹、小面分层的问题，提高了铸锭铣面成品率和热轧成品率。关键词：半连续铸锭；结晶器；优化设计Optimization Design of the internal shape of the crystallizer for semi-continuous castingAbstract：An optimization design of the crystallizer internal shape for semi-continuous casting was proposed according to the outside dimension data of the flat ingots. Practical application showed that the improved crystallizers solved the problems such as concave big plane and flat side plane of the ingot successfully, and thereby the producing rate was enhanced effectively.Key Words：semi-continuous casting; crystallizer; optimization design 立式直接水冷半连续铸造DC法（vertical direct chill casting）是工业上广泛采用的有色金属锭坯生产方法，半连续铸造机中使锭坯成型的铸模即为结晶器。结晶器是半连续铸造线的关键部件，其结构不仅直接决定了铸锭的几何形状与尺寸，而且还影响到铸锭的内部组织、表面质量及裂纹等缺陷1。多年来，工业生产和科研中对结晶器的研究与改进从未停止过1，2，3。本文根据生产实际需要，也提出了一种结晶器内腔形状的优化设计方案，并进行了实践应用，取得良好成效。 1 存在的问题本文针对实际生产过程中出现的问题进行研究。目前，我公司铸锭车间半连续铸锭生产线所用结晶器是采用厚10mm、高150mm的紫铜板对焊而成，其端面形状为矩形，主要规格有365600、365880、3651060三种。实践表明，这种矩形截面结晶器存在着明显缺陷，给后续加工带来显著影响，主要表现在：（1）大面凹。因铸造过程中铸坯内部存在冷却速度差，中心部位的金属最后凝固、冷却并收缩，将使铸锭的几何尺寸小于结晶器内腔尺寸，尤其在扁锭厚向最为明显，从而在铸锭大面上形成凹弧，如图1所示。大面凹必然使铣面时的铣削量增加，降低铣面成品率；（2）小面平。冷却温差在铸锭宽向引起的几何变化并不明显，因此扁锭两侧的小面保持平直。这种平直的侧面也将给后续的热轧带来不利影响。热轧时因锭坯很厚，在轧制变形过程中侧面易出现双鼓形，使铸锭上、下表层金属沿宽度方向宽展大，中间层宽展小。随着变形量加大，若无立辊对侧面进行多次修整，在侧面必然形成分层，如图2所示。分层是一种破坏性工艺缺陷，必须通过切边去除，从而降低了热轧成品率。可见，如图1所示的铸锭形状是不合理的，而这种形状完全是由结晶器形成的。因此，通过改进结晶器结构，从而获得合理的铸锭形状，对于提高铝板带材生产效率和成品率是非常必要的。图1 铸锭外形示意图图2 侧面分层示意图2 结晶器的结构优化2.1 解决铸锭大面凹的问题解决铸锭大面凹的问题的关键是采用补偿设计法，把结晶器的内腔大面制作成圆弧凸面，从而可使铸出的铸锭大面成为平面。为了正确设计大面凸度，作者较系统地测量了矩形结晶器铸出的铸锭大面实际外型尺寸，测量部位分别为距离侧面的1/8、1/4、3/8和1/2宽度处，如图3所示。实测三种规格铸锭的10组数据如表1所示（表中实测数据为铸锭设计厚度360mm减去测量部位的实测厚度t实测之差）。由表1实测数据可见，铸锭厚度之差最大处达到56mm；而铸锭宽度对凹度影响并不明显。铸锭大面的凹度可用多种曲线方程来描述，最简单的当然是用圆弧描述。通过计算可知，若用圆弧描述，表1中三种规格铸锭的大面凹度的圆弧半径分别约为8.4m、18.5m、27m。将铸锭的大面凹度采用一一对应的方式映射到结晶器上，即可设计出结晶器的大面内腔形状。如图4为36010404500mm规格铸锭的结晶器内腔弧度。这种弧度使铸锭的最终冷却收缩量获得补偿，从而可铸造出具有平直大面的扁锭。铸锭规格3605804500360860450036010404500测量部位a/8a/43a/8a/2a/8a/43a/8a/2a/8a/43a/8a/2实测数据（360-t实测）01.53.94.51.53.55.05.70.82.03.04.001.53.84.51.53.55.56.10.92.53.54.101.53.84.81.64.05.56.10.82.83.54.502.04.55.01.74.05.96.80.83.04.05.002.05.05.51.74.05.96.51.13.24.05.002.54.55.51.74.05.56.01.13.04.05.003.06.06.81.73.85.56.21.03.04.25.202.03.84.01.73.54.55.01.23.84.95.502.55.05.51.73.55.05.51.33.95.05.501.53.84.51.74.05.56.01.23.74.95.5平均值02.04.45.01.63.85.46.01.03.14.14.9表1 实测铸锭外形尺寸（mm）图3 铸锭外形横截面及实测位置示意图2.2 解决小面分层的问题如前所述，在1300热轧机上轧制360mm厚的铸锭至成品时，单侧分层达20mm，严重降低生产效率。解决小面分层的质量问题的关键是通过改进结晶器内腔形状，使铸出的铸锭的小面成外凸形状，从而在热轧时，上下表层金属宽展完后和中部金属齐平，或只有少量分层。这种外凸形状一般可设计成圆弧形、三角形或梯形。考虑到该公司的实际生产情况，扁锭加热炉料垫形状为梯形，铸锭侧面形状应与之匹配，所以将结晶器小面内腔制作成梯形状，如图4所示。这种外凸的梯形结构可避免热轧时侧面产生双鼓形；140mm的平直段是为了在加热时摆放稳当，37.5mm的宽度差可有效补偿上下表层与中间层金属的宽展量之差。上述三种规格铸锭的结晶器小面内腔均可设计成图4所示结构。图4 改进后的结晶器内腔形状与尺寸（图中为36010404500mm规格的结晶器）3 结束语 （1）生产实践表明，按照如图4所示结构改进结晶器内腔形状后，成功地解决了大面凹的问题，可以提高铣面成品率2.7； （2）改进后的结晶器基本解决了热轧侧面分层和工艺裂边问题，