高效连铸结晶器铜管制造与修复工艺浅析

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连铸机实现高效连铸的核心 目的就是在保证铸坯质量的前提下通过提高拉坯速度，进而实现提高产能，多锥度结晶器铜管这-部件则是连铸机的心脏，担负着将液态钢水凝 固成所需坯型的主要任务 ，而这种结晶器铜管又存在着刚度较大、不易变形，制造成本较高、难于修理等优缺点并存的问题。

如何保证结晶器铜管的制造方法能适应现代高效连铸的需求，并具备制作简单降低成本、修复廉价便于拆卸等优点，则是现代结晶器铜管成型技术的重要研究课题。

1 国内现行结晶器铜管制造工艺国内现行结晶器铜管制造方法主要有 ：机械切削挤压成型和爆炸成型两种工艺。

1.1 结晶器铜管简介结晶器铜管是结晶器的核心，主要由纯铜锭或铜合金(如含银 0.08-0.12%的银铜合金)材料制作，内层为高性能金属镀层 (0.08～0.1硬铬或镀镍合金)，长度约为700-1000mm (-般控制在 850mm和 900mm之间)，壁厚-般控制在坯体规格 的 8-10%，-般按照下限选择较为合理 ，内圆角半径-般控制在 6-8ram，内腔多为单锥度、双锥度及多锥度等几种 ，因高速拉伸连铸机铸坯在结晶器铜管中的凝固收缩规律与多锥度结晶器铜管内腔形状非秤近.因此现行设计多采用多锥度结晶器铜管以提高连铸机拉速，尤其在多钢种浇铸中更具有优势，能有效提高连铸拉坯生产效率。

修稿 日期 ：2013-03-25作者简介：刘建忠 (1978-)，男，内蒙古包头人，大学本科，毕业于内蒙古工业大学材料成型及控制专业；张毅 (1984-)，男，内蒙古鄂尔多斯人，研究生硕士，毕业于哈尔滨工业大学。

82结晶器铜管作为连铸机的重要部件 ，应具备以下特性：①具有良好的导热性能且内表面耐磨损、多锥度几何形状；②具有较好的结构钢性：高强度、高硬度、散热好 ；③有较好的耐高温、耐腐蚀和抵抗热应力的性能；④质量要相对较轻，便于拆卸和调整，易于加工制造。

1.2 机械切削挤压成型基本原理机械切 削挤压成型主要采用 凸、凹模在卧式或立式压力机 (300吨以上)挤压成型 ，断面尺寸较大 的结晶器铜管 ，通常要求压力机 的压力要达到至少 800吨 ，并且要多道次挤压成 型。工艺 流程 ：原料铜锭-加热- 挤压-冷拔-退火-矫形-成品。

结 晶器铜管 制作 工艺 的关键是铜 管与模具 的贴合性 .即铜管 的内腔尺寸要完全符合模具的制作精度。机械切削挤压成型在加工过程中有几个关键技术难点 ，主要因素有两点：①壁厚变形量的选择。若铜管在挤压过程 中变形量选择小 了，铜管内表面不能产生足够的塑性变形，造成铜管不贴模；变形量选择大了，挤压阻力增大.易把成型后的管壁拉直 ，所以选择合适的挤压变形量是影响铜管内腔精度的关键；②铜管成型的应力变形控制 。壁厚较大的铜管 ，在挤压变形 中，内外表 面的变形量不-样 ；外表面的金属被拉的很长 ，而 内表 面变形较小甚至有的局部没有变形 ，这就造成了铜管中存在着很大的内应力，在铜管的后续机加工时，这些应力会释放出来而引起铜管变形。所以在铜管成型过程中要采取适当的工艺措施，消除内应力，得到合格产品。

1.3 爆炸成型基本原理爆炸成型是指利用可控的化学爆炸能量使金属加工成所需的形状所进行的加工作业。爆炸成型可追溯到1876年 ，据今 已有近 140年历史 ，最初就是利用xx爆炸研究铁板和钢板承受冲击压力的行为研究 ，后又借助·产 品与市长镂花模板和钢丝网拈在金属表面雕刻图案等都是人类从事爆炸成型的早期案例。目前金属爆炸成型 的范围主要包括成型 、校形、胀形、翻边 、雕刻 、压绞 、粉末压制成型、焊接 、表面硬化和切割等。

在金属爆炸成型领域应用中的爆炸是在限定的条件下受 控的爆 炸形式 .其具 有独特的理论体 系和工程条件 。工艺流程 ：原料铜板- 加热-挤压焊接-装模-爆炸成型-脱模-成品。

采用爆炸成型技术加工连铸结 晶器铜管 ，就是利用敷设在毛坯材料表面xx爆轰所释放出来的巨大能量。

对结晶器铜管管坯进行加载 .使管坯材料获得足够 的能量向芯模表面高速碰击，当管坯材料与芯模完全贴合时，管坯材料的高速运动停止 ，结晶器铜管管坯内腔则形成与芯模形状完全-致 的型腔 。这种爆炸成型是-种使毛坯材料在三向压应力状态下发生塑性流动 的爆炸压缩成型。

2 国内现行结晶器铜管的修复工艺结 晶器铜管也有使用寿命 ，达到-定过钢量后 ，结晶器铜管内层会造成铜管 内腔镀铬层及铜管壁多锥度 内表面磨损和划伤、横截面变形等缺陷。影响拉坯速度及质量效果 ，必须采用更换或修复的方式保证连铸机过钢速度和质量 。

现行结 晶器铜管修复技术方法主要依然是依靠 机械切削挤压修复成型”和 爆炸修复成型”。

2.1 机械切削挤压修复成型基本原理工艺流程 ：选材-检验-酸洗退铬-退火-扩孔-收口-挤压-打磨-修整-电镀-成型。在经过选材、酸洗退铬、退火等工艺流程的基础上，以液压机装芯模人铜管内，通过凹模减壁延伸挤压、机加修整、电镀成型。缺点是制作精度低、耗材大。

2.2 爆炸成型修复基本原理工艺流程：选材-检验- 酸洗退铬-装模-爆炸塑型-脱模-电镀-成型。爆炸成型修复技术具有针对复杂内腔形状连铸结晶器铜管修复的理论依据和实践经验 ，所生产的结晶器铜管在修复后 ，无论是管坯的内腔精度还是铜管材质的硬度都会有-定程度的提高 ，有效增强管坯使用的寿命，与机加方法相比能更好的降低修复加工成本 。

3机械切削挤压成型与爆炸成型方法综合对比经有关实验资料查询总结，爆炸成型及修复主要具备以下特点 ：3.1 优点(1)高能率 、高性能：单位克xx爆炸所释放的能量表 机械切削挤压成型与爆炸成型方法综合对比方法项目 机械切削挤压成型 爆炸成型对 比内容采用凸、凹模在卧式或立式压 利用可控的化学爆炸能力机上挤压成型.-般要求压 量使管坯材料与芯模完制作方法 全贴合，使结晶器铜管 力机的压力要在800吨左右. 管坯内腔形成与芯模形并需多次挤压成型。 状完全- 致的型腔。

因挤压内外表面变形量不-产 可充分发挥金属延展伸缩生内应力.在铜管后续加工时会引起铜管变形，需在铜管成 性.节竖械成型所需的工序对比 中间退火工序.有效避免 型过程中采取适当工艺措施如机械成型时可能产生的局 退火工艺等. 消除工件成型产 部应力集中现象。 生的内应力变形。

需多次挤压修正并需控制好合 实现机械加工方法难以适的挤压变形量，否则易造成 实现的加工手段可保证 质量分析塑性变形不够铜管不贴模.或 严格的制造工差 .获得挤压阻力过大造成管壁拉直。 较好的表面光洁度。

在经过退火等工艺流程的基础 利用标准芯模压人受损上，以液压机装芯模人铜管内. 结晶器内腔中.以xx修复方法 通过凹模减壁延伸多道次挤压、 为能源 ，采用爆炸成型机加修整电镀成型。缺点是制 技术修复结晶器铜 管。

优点是提高铜管硬度和 作精准度低、 耗材成本高。 使用寿命， 加工成本低。

达几千焦耳 ，而xx爆炸的时间多在微秒量级，因此在短时间内释放出如此高 的能量可形成-段有效 的高能率过程 ，产生压力十几吉帕 ，温度可实现高达数千度 ，形成高温高压的材料形成条件 ，进而对材料的物 质形态和金属 晶体变化都造成影响，为材料的新工艺、新性能创造条件，爆炸成型可有效强化工件硬度，延长工件使用寿命。

(2)高效益、高效率：由于爆炸产生的压力高、时间短，因此材料成型速率快、效率高；爆炸成型-般不需要复杂的安装设备，可以有效节省制作成本及修复成本3.2 不足(1)爆炸成型受xx爆炸效果制约 ，涉及到药量的控制、炸点的分布、周围环境等因素的制约(2)爆炸成型要求铜管与芯模间保持真空状态 。因此需设置密封装置、抽真空装置及相应工序。

特别是材料工件形状 、尺寸复杂 、强度硬度高难以有效加工 的零件及 和所需 承受的加工压 力大 、车削工序繁琐，对加工设备的能力要求特别高的高强度耐热材料：②实现某些机械加工方法难以实现的加工手段并可保证严格的制造工差，获得较好的表面光洁度；③通过调整工件表面的整体爆炸压力分布 ，可充分发挥 出金属 的延展伸缩性，节竖械成型所需中间退火、车削修正等工序，有效避免机械成型时可能产生的局部应力集中现象。

(下转第53页)83· 产品与市长短轴与 x轴重合 ，其 中椭 圆 Z长半轴 为：aZ ，短半轴为 ：b ；椭圆 M长半轴为 ：a - ，短半轴Z Z COSO/，为 ：bM 。

(2)按照式 (4)计算所得叶片外缘翘起端点至叶片与塔板二平面交线的距离 ，并 以椭圆 M，椭圆 Z的中心点O为圆心，以 Z2 为半径在 Y轴上截得 OE：/2 交 Y轴于 Ez。

(3)过 E：点作 X轴的平行线交椭圆 Z于点 B ，连接OB2，交椭圆 M 于点 C2。

3 几点说明(1)内向板和外向板的判定。根据文献1，内向板或者外向板根据径向角的代数值确定 。如图 5所示 。

对于 13>0时是 内向板 ：130是径 向板 ：13<0是外向板 。但是文献 中没有注明气体流向，当气体如图 5中逆时针方向流动时是正确的。如果气体流向相反，则径向角的代数值也应相反，如图6则应为内向板。

(2)投影重叠度 8以及罩筒高度h 。目前部分专利厂图6内向板商或工艺专业提的条件不直接给定投影重叠度 8，而是根据式(1)计算出罩筒高度h 提供给设备专业。

正如前文所述，式 (1)是在叶片投影重叠度略小于零的前提下做出的分析，且其考虑模型不是十分精确。

根据文献[3、文献f8投影重叠度 对于旋流板是重要 的参数 ，直接影响到塔板性能 ，当 8较小时不能保证分离效率 ，较大时又会导致流体阻力太大 ，-般综合考虑常取 e0。

对于给定罩筒高度 h 的旋流板，可以用式(2)及式(3)反算出投影重叠度 ，Ig请专利厂商予以确认 ，如果无误则同样可以反算 出叶片外缘翘起端点至叶片与塔板两平面交线的实际距离用于画叶片落料 图，对于旋流板制造落料无任何影响。

(3)盲板外径与叶片内径。由旋流板叶片的形状分析可以知道 ，旋流板 叶片内缘是-条平面椭 圆曲线 的-部分，此椭圆曲线与塔板平面成 Ot角，而盲板外径是圆，如果要使盲板厚度刚好封闭叶片内缘则盲板厚度过大。

文献[6]推荐用扁钢圈来过渡连接 ，扁钢圈厚度的计算可以参见文献[2。

笔者认为可 以对 叶片与盲板连接部位进行局部扳平 。这样成型后在叶片与盲板连接处局部存在扭曲，但是对于操作影 响不大。

4 结论旋流板罩简的各几何参数密切相关 ，落料图的确定亦需综合考虑各个因素，以上画法较为简单明了，可以考虑在工程中运用 。