48t钢锭模设计计算依据.doc

龙成钢铁集团公司48/43吨大钢锭设计说明书辽宁科技大学冶金工程技术中心2008-5-20龙成钢铁集团公司48/43吨大钢锭设计一 项目概况和设计要求龙成钢铁集团为了生产特殊钢种、特厚、特重钢板，拟开发45-50吨特大钢锭。现厂冶炼、浇铸、加热、轧制的基本条件如下：1. 转炉、LF、RH工称容量100吨，可以保证生产纯净钢和特种钢的需要。2. 钢锭采用坑铸或车铸，铸锭、整脱模现场场地满足铸锭要求（年产量约100万吨）。3. 钢锭采用均热炉或车底式室状炉加热，均热炉炉膛尺寸8x3.9x4.9米，采用高炉、转炉混合煤气加热。4. 均热跨间钳式吊车吨位，主钩45吨，副钩50吨，主钩升起最大高度10米，夹钳开度2200/800mm。5. 受锭、运锭辊道宽2500mm，轧机前后辊道宽3800mm。6. 轧机高压水除鳞箱内腔高1300mm，水压25MPa。7. 轧机前立辊开度3800/1200mm，最大轧制力700吨，电机功率2x1500kW。8. 轧机前后延伸辊道间距800mm。9. 厚板轧机工作辊直径1120/1020mm，辊身长3800mm，支撑辊直径2200/2000mm，辊身长3700mm，轧机最大开口度1100mm，电机功率2x7000kW，最大轧制力8000吨，转速0-40-90rpm。10. 四辊轧机和立辊轧机间距4800mm，不形成连轧。11. 精整吊车吨位15+15吨，桥式双钩电磁挂梁吊车。12. 11辊矫直机，矫直钢板厚6-120mm，钢板长度4000-42000mm，最大矫直力3500吨。13. 液压铡刀式双边剪，剪切钢板厚6-50mm。14. 预留超声波探伤装置。15. 热处理设备：辊底式常化炉，辊底式淬火炉各一座，外部机械化炉8座，车底式加热炉3座。16. 粗轧机和精轧机间距120.26米，精轧机与矫直机间距108.55米。17. 生产钢板规格：厚6-400；宽1500-3600；长3000-18000mm，单重：Max. 45吨。设计要求为：1 锭重45-50吨，一炉两锭，出钢量按100吨计算。2 钢锭调整范围5.0吨。3 适应钢种为：普碳钢、低合金高强度钢、模具钢、高强度合金结构钢。4 钢板厚度100-400mm，宽3000-3600mm。5 超声波探伤合格率：III级90%（厚度在220mm以下）。6 成材率73%。二 锭重设计和锭型计算1 设计方案1) 对于特大扁钢锭，国内外有两种锭型。一种为上小下大，钢锭模内插用来调整浇高的绝热板，下部带凹型底盘的钢锭；另一种为上大下小，头部戴保温帽，下部为弧形实底的锭型，二者均采用下铸法。前者的优点是调节锭重比较方便，模锭比和模耗较小，但由于锭型上小下大，内部容易产生二次缩孔和严重疏松，故一般只适用于普碳钢和对超声波探伤无要求的钢种和产品。后者内部质量较好，但模锭比较大，模耗较高。根据本设计的要求，要生产特殊产品，对超声波探伤有较高要求，故选择上大下小戴保温帽的锭型。2) 根据转炉、LF炉、RH精炼炉公称容量100吨，考虑留有铸余1.5吨，下铸汤道损失0.5吨，实际浇钢量为98吨，一炉铸2只锭，每只实际重量为49吨。采用锭模加垫圈的方法，可调整锭重为45吨，此时出钢量为92吨。3) 特大型钢锭由于比表面积小，凝固时间长，故树枝状晶比较粗大，钢锭的中心偏析亦比小钢锭严重，对由于钢中氢析出造成的“白点”也比较敏感，钢锭大面表面产生裂纹的机率也增加。为了克服上述困难，本设计采用以下方案：A. 在可能的情况下增加宽厚比，增大比表面积，缩短凝固距离，以减少中心偏析和疏松。B. 采用波浪边的设计，增加比表面积，加快冷却速度增加表层细晶坚壳带厚度，防止裂纹产生。C. 采用钢锭本体厚度方向上的较大锥度和足够的帽容比，以保证钢锭本体的充分补缩，防止二次缩孔和中心疏松产生。D. 采用钢锭大面预起拱和小面梅花形凸形，底部大面较大圆弧半径，小面较小圆弧半径的方法控制轧件变形，提高成材率。4) 特大型钢锭由于锭身厚度大，变形难以深透，由于多道次积累表面变形的结果，造成“双鼓”、“鱼尾”、“轧凹”，使切头、切尾、切边比小锭多，保证质量的压缩比也比小锭大，故设计中采用较大压下量轧制，而且要用立辊控制轧件变形，使变形尽快深透。5) 由于宽厚板不仅要求纵向性能，也要求宽向性能，有的还要求Z向性能，本次设计中除用定向凝固钢锭保证Z向性能外，对普通扁钢锭的宽度设计上考虑了一定量的宽展比（1.3-1.5）。6) 本设计钢锭厚度受到厚板轧机开口度1100mm的限制，最大厚度为1100mm，考虑到超声波探伤要求的最小压缩比为5.0，则所轧钢板厚度最厚为220mm（无超声波探伤要求的板厚不在此例）。7) 本设计钢锭宽度受均热炉夹钳开度（2200mm）和钢锭输入辊道宽度（为2500mm）限制，最大宽度2300mm（夹钳夹钢锭保温帽部）。8) 为保证钢锭内部质量，考虑到钢水的液态收缩和凝固体积收缩之和为4%，保温帽的有效利用率为30%，故帽部容积占钢锭总容积的13.3%。如锭重为49吨，则钢锭本体重为42.48吨，帽部重量为6.52吨；如锭重为45吨，则本体重39.01吨，帽部重量为5.99吨。9) 本设计钢锭高度受钢水静压力产生裂纹的限制，包括保温帽浇高在内的钢锭总高被限制在3200mm以内。10) 为保证钢锭内部补缩通道畅通，液相穴前沿呈V型，取钢锭大面锥度为4%，为提高成材率，保证钢锭平面矩形化，取钢锭小面锥度1%。11) 为防止钢锭大面纵裂，增加坚壳带厚度，钢锭大面中部做成波浪形，波高10mm，弦长100mm，周期间隔200mm。钢锭由于采用纵-横-纵轧，上述波浪不会造成折叠。12) 经计算，49吨钢锭高度达到3300mm，超出了裂纹生成极限，故将锭重调整为48/43吨。进行重新设计、计算，最终锭型详见图纸。其中钢锭本体上口厚1100mm，下口厚900mm，上口宽2300mm，下口宽2250mm，本体高2760mm，钢锭下部大面圆弧半径R=300mm，小面圆弧半径r=100mm，大面锥度4.07%，小面锥度1.04%，大面起拱高度40/20mm，拱顶宽1400/1350mm，小面梅花形高120/100mm，圆弧半径60/70/80mm，反向圆弧半径200/250mm，大面波浪高10mm，宽100mm，R130mm，保温帽浇高450mm，钢锭全高3210mm。本体宽厚比2.275，钢锭高厚比3.21，均在合理范围内。钢锭垫圈厚度265mm，可调整钢水重量5吨。钢锭帽内部衬50mm厚PS绝热板，为防止悬挂拉裂，帽壳宽、厚各向内收缩20mm。2 钢锭重量计算（取液态钢水比重=7.16t/m3）1） 钢锭本体重量A） 本体中央梯形台一块B） 大面梯形片2块C） 小面梅花形2块（按类似弓形计算）D） 模底中间矩形块一块E） 模底大面两侧1/4圆柱二个F） 模底小面两侧类似梯形片二个G） 模底四个角部H） 本体浇铸重量之和G本=41.69 t 合乎设计公差要求。2） 钢锭帽部重量钢锭帽部四周为防止悬挂拉裂，帽壳比本体向内收缩20mm，每边衬以50mm厚的PS绝热板，剩余为帽部容积。A） 帽部中心矩形块一块B） 帽部大面梯形块二个C） 帽部小面弓形块二个D） 帽部总重G帽=6.43 t （要求为6.384 t）合乎设计要求。3） 48吨钢锭实际重量 G锭=41.69+6.43=48.12 t实际帽容比13.3%。3 垫圈尺寸确定垫圈为调整钢锭重量用，锭重调整范围为5吨。43吨钢锭按帽容比13%计算，本体重37.41吨，帽部重5.59吨。1） 与48吨锭本体重之差为41.69-37.41=4.28吨2） 模上口内腔截面积为F=2.24 m23） 垫圈调整高度为，取为265mm。4） 保温帽部内腔截面积为F=1.99 m25） 帽部浇高为，取为400mm。6） 43吨钢锭最后参数为钢锭上口宽2294 mm，上口厚1078.5 mm，钢锭下口宽2250 mm，下口厚900 mm，本体高2760-265=2495 mm，钢锭下部大面圆弧半径R=300 mm，小面圆弧半径r=100 mm，钢锭大面锥度4.07%，钢锭小面锥度1.04%，钢锭小面梅花形高117.8/100 mm，圆弧半径60/70/80 mm，反面圆弧半径200/250 mm，钢锭大面起拱，拱高37.8/20mm，拱顶宽1397/1350 mm，钢锭大面波浪高10 mm，宽100 mm，R130 mm，帽部浇高400 mm，钢锭全高2905 mm，钢锭帽容比13%，钢锭宽厚比2.298，高厚比2.937。三 锭模及保温帽壳设计1. 钢锭模设计1） 考虑到特大型钢锭模受热时间长，热应力较大，锭模容易开裂，故采用高炉铁水直接浇注钢锭模，而不采用冲天炉铁水，对铁水要求控制S、P含量和浇铸铸模温度。2） 钢锭模化学成分参考如下：C：4.1-4.5%，Si：0.6-0.9%，Mn：0.6-0.8%，P0.10%，S：0.03% ，Ti：0.2%。 3） 钢锭模大面壁厚取为锭厚的0.29倍为320mm。为缓和各部热应力，钢锭模口大面：小面：转角厚度之比为1.067：1：0.95。小面壁厚300mm，转角厚度为285mm。制造时各部公差要求均衡，要正皆正，要负皆负。4） 为缓和模壁纵向热应力，防止模内壁受热向模内腔变形，模壁纵向距模底1700mm处加厚20/30mm，模底厚度为260mm。5） 模底眼直径取为150/170mm，内装140/160mm反射水口砖，水口砖内径60/70mm。6） 为防止模口“开口效应”和应力集中，做成高400mm，厚30mm的围带，模口打45度坡角。钢锭模全高为3020mm，模口还有高25mm的定位台。7） 在锭模小面处，距顶、底450mm处设吊耳。考虑锭重48吨，加模重58吨，保温帽重5吨，共121吨，吊耳直径取为400mm，保证其剪切强度，防止断耳。8） 模内腔尺寸同锭型，其中大面起拱40/20mm，是为了防止模内壁受热向内变形，造成模锭开裂，大面和小面模壁做成波浪形是为了增加锭模冷却强度，增加表面细晶坚壳带厚度，防止钢锭开裂。9） 锭模上部设调整锭重的垫圈，垫圈与锭模之间有凸凹定位台，保证其对中，垫圈上部也有凸台，保证保温帽对中定位，垫圈上设两个140mm的小吊耳。10） 锭模上要求制造厂家铸上模号以便于管理。11） 锭模按国家标准要求保证尺寸公差和质量，不得有裂纹、沙眼、凸包、飞翅等，模口、模底要求加工精度12.5，并保证平行度3。12） 锭模在制造后要进行时效处理，以消除铸造应力。自然时效时间半年，人工时效工艺如下：以50/h速度升温至550，保温8h，然后随炉冷却至100出炉空冷。2. 保温帽设计1） 保温帽壳内腔尺寸较模口各方向向内收缩20mm，以防止帽座偏产生悬挂拉裂。帽口内腔挂50mm厚的PS绝热板，帽壳尺寸见图纸。2） 根据保温帽最大浇高450mm（48吨），最小浇高400mm（43吨），设计帽壳高度为510mm，留高60/110mm，做盛保护渣和碳化稻壳保温用。3） 帽壳厚度取为100mm，上、下面设有100mm厚的顶板和加强筋，防止帽壳受热变形。4） 帽壳上设两个小吊耳150mm。5） 帽壳材质与锭模相同，上、下表面为加工面，加工精度12.5。6） 帽壳内腔由于安装绝热板，要求尺寸公差3mm，内壁不得有凸包、飞翅、裂纹等缺陷。7） 为便于模、帽对中，垫圈及帽壳下表面边部设有宽30mm，高30mm，深25mm的豁口以及对中标记，便于人工撬杠拨正帽壳或垫圈。注：经厂方研究，48吨锭采用整体钢锭模，暂不加垫圈。故文中涉及套圈内容暂不实施，可作以后参考，图纸以整体48吨锭为准。四 中心铸管及底盘设计1 中心铸管设计1） 考虑到48吨钢锭模高3020mm，保温帽高510mm，为了保证正常浇铸必须有足够的压力高差，故取中心铸管高度为3890mm。2） 由于中心铸管很高，工人安装中铸管砖不便，故中铸管做成两截形式，中间以销轴方式连接。3） 中铸管材质采用灰口铸铁，两截中铸管上均设有吊耳，直径分别为120、150mm，其长度以不妨碍挂铁键为准。4） 中铸管底面为1200mm的重砣形以保证其稳定性，底座平面与两截中铸管结合面为加工面，加工精度12.5，要求保证其平行度3。5） 中心铸管内径为240/270mm，内部套装中心铸管砖（外径160mm，内径100mm）。砖的四周用灌沙方法固定，中铸管最上方为喇叭口，内装高300mm外径310/160mm的喇叭口砖。砖与中铸管喇叭口之间的缝隙用沙子填埋、固定。6） 根据中心铸管座砖高出底盘平面40mm，喇叭口砖高出中心铸管50mm的条件，中铸管砖选12个250mm长的和3个200mm长的砖。7） 中心铸管内腔不得有裂纹、砂眼、飞翅等缺陷。2 底盘设计1） 根据中心铸管底座尺寸，钢锭模底部尺寸，考虑到一个底盘铸2只锭，采用钢锭模横放方式布置。底盘尺寸设计为长4500mm，宽3200mm的矩形。2） 根据钢锭加钢锭模以及中心铸管的总重约250吨，取底盘厚度为350mm。3） 根据中心铸管座砖外形尺寸为290mm八角形的需要，底盘中部设尺寸为310/330mm的八角形凹槽，槽深配合八角座砖厚度130mm，设计为160mm，砖的四周空隙用砂子填埋。4） 根据内径60mm汤道砖外形120x120mm的要求，底盘汤道宽160/140mm，深140mm，缝隙用砂子填埋。5） 根据中心铸管底座1200mm，中铸管座砖外形尺寸290mm，钢锭模底尺寸1420mm的要求，考虑到要压住所有汤道缝，防止铸中漏钢，取汤道长度为1500mm。其中放300mm长的汤道砖2块，250mm长的1块，220mm长的1块，200mm长的上升孔尾砖1块。钢锭模与中心铸管底座间有30mm的调节余地，尾砖后有80mm的调节余地，可用残砖堵住。6） 为减轻底盘重量，底盘下部非汤道部分挖空，挖空处底盘厚度180mm，底盘材质为灰口铸铁。7） 在底盘外侧长边上，铸4个220mm的吊耳，长160mm。此时底盘要求铸坑的宽度为3700mm。8） 底