【年产180万吨大方坯连铸车间设计探究11000字（论文）】

年产180万吨大方坯连铸车间设计研究摘要传统模铸经过生产技术的取得巨大进展后，连续铸造技术顺势出现。连续铸造技术简称为连铸，连铸机目前应用于各种材质的钢铁产品生产中，作为一种应用广泛的生产工艺，连铸将液态金属熔铸经过特定模具冷却成型切割生产出铸坯合格的技术。通过对钢水成分的改变，连续铸钢设备能够具有更高的生产速度。同时铸坯的生产的要求就变得更为严格，此时对于连铸设备的设计就变得十分重要。依据上述思路，参照连铸车间的发展历史和状况，本文对年产量180万吨大方坯连铸车间进行了设计。本设计中以380×419mm大方坯，U71Mn钢为典型产品，其中典型产品占总产量的35%。了解国内外大方坯发展状况、绘制金属平衡表制定产品大纲、厂址选择、计算连铸过程工艺主要参数，绘制结晶器图、辊列图、大方坯连铸车间平面布置图。依据对大方坯连铸车间的设计，增强对连铸过程的认识和了解。关键词：方坯；结晶器；二冷区；连铸车间目录TOC\o"1-3"\h\u11206引言 I引言我国出台制定各种工业计划后，冶金技术快速发展，包钢、沙钢、宝钢、马钢等一系列钢铁企业迅速崛起，各行业的发展亟需大量钢铁，反过来促进钢铁领域创新和发展。今天已经发展出成熟的连铸技术，连铸具有以下三个特点：工艺流程短、现代技术联系广、可实现多功能智能。另言之，在现代冶金工业起关键作用的工艺就是连铸技术。由于连铸技术在整个钢铁工业生产中占有极大优势，对于以后的就业和职业发展，学习了解连铸技术对我们冶金工程专业的学生来说十分必要。连铸技术及其发展状况1.1连续铸钢技术国内外现状1.1.1连铸技术国内的发展趋势全球经济发展和科学技术的飞速发展带动钢铁需求量剧烈增长，人们的日常生活离不开各种材料。在我们平常的生活和工作用品中都能找到诸如金属材料、无机非金属材料、纳米高分子材料、橡胶和塑料等相关的产品，金属材料目前应用最为广泛，我们联系最紧密的还是钢铁材料。按照“绿水青山就是金山银山”的生态呼吁，对钢铁冶金技术发展的提出了“节能、环保、成分稳定成品率高等符合新时代的新要求[1]。连续铸造在整个钢铁生产过程中扮演的是“转换站”的角色。作为数量占到总数的一半以上连铸机机型，国内方坯、矩形坯和板坯的产量一直位列前茅。我国各地区的连铸技术和生产需要都紧密联系，导致可以生产各种类型铸坯，连铸率在95%以上在我国大型钢铁企业是普遍现象，不难看出连铸技术在国家钢铁产业中有重要地位。表1国内连铸机相关统计台数/台流数/流年产能/万ｔ小方坯2117938993.50大方、矩坯2087619802板坯911108383圆坯10101162薄板坯2054521.25异型坯1364连铸技术极大的体现了连铸技术结构紧凑，生产能力强，能耗小，成品率高的特点，促使连铸技术的发展迈向新台阶[2]。1.1.2连铸技术国外的发展趋势1999年11月，作为全球最全面的连铸技术产品企业之一，位于德国的西马克-德马克公司能够制造各种连铸机。本世纪初，日本松友重机公司连同日立造船公司成立了钢铁产品成套公司，集设计、制造、冶金生产于一体的钢铁产品是其巨大优势，其名称为“JSP”。从工业时代以来，拥有先进的连铸技术作为体现高水平国家钢铁工业的标志[3]。全球连铸坯产量、钢产量及连铸比变化如表2所示。表2全球钢产量、连铸坯产量及连铸比变化年份1998200220042006钢产量/万吨752008585094750124840连铸坯产量/万吨496007336085045102465连铸比/%72.583.286.391.41.2连续铸造工艺概述连续铸造，即连铸，是一种在换热装置的冷却作用下，液态金属熔体转化为固态金属坯的技术[4]。连铸是冶金工作环境中最好的一个程序之一。连续性作为连铸生产的第一环节，意味着连铸作业一旦开始就不能轻易停止，因此连铸设备应当要具有高耐用性以及高生产率的技术性要求。进入连铸技术的崭新的阶段，在生产的规模、技术的操作，产品的种类和质量及高质量连铸设备、高智能自动化控制方面正快速达到先进水准。1.3连铸的工艺特点把工艺步骤减少了。与传统模铸而言连铸技术的工艺步骤现在很少了，机械化操作也给工人减小了工作量。综合成材率逐步提高。省去开坯等程序，缓解了由于开坯造成的成材率下降的问题[5]。使能源消耗下降了。能源消耗的降低同时能够保证污染排放水平的下降，对于我国可持续发展很有用处。

建立年产量为180万吨大方坯连铸车间设计可行性研究2.1项目名称项目名称：年产量为180万吨大方坯连铸车间设计项目建设地点：辽宁省鞍山市2.2项目优势2.2.1.交通及地域优势作为鞍钢集团所在的城市，鞍山市具有便利的交通条件，港口众多，是货物出口进口的枢纽。同时作为全国大型区域性客运中心，鞍山周边还有大连港、营口港和鲅鱼圈港等重要港口，大量的资源可以利用[6]。同时大量铁路和公路贯穿市区，可办理大部分货物运输手续，非常方便陆运货物的集散运输。2.2.2原料及资源优势辽宁省矿产储量较大，储藏有铁、镍、煤炭、锰等60多种金属、非金属和化学原材料。特别是鞍山的煤、粘土矿、石灰矿等资源分布广泛，对于我们所建设的连铸车间来说很有利[7]。2.2.3产业优势辽宁不仅有众多高校高素质高学历人才，而且有谋划和领导能力极强的政府。在各部门支持的转炉项目，结合生产各档位的产品，既契合国家产业政策，又符合市场需求。2.3项目提出的背景及建设的必要性2.3.1项目提出的背景高速发展的汽车和铁路、高铁、航空航天等，对优质钢铁材料的需求日益增加。作为世界上钢铁消费和生产大国，这些加快了连铸工艺的需求与发展。2.3.2项目建设的必要性为了保证高效生产铸坯优质，很多大中小型钢铁企业均采用了先进的生产设备和技术[8]。达到增大济南在钢铁行业的市场竞争力的经济发展目的，建设大方坯连铸车间是极为必要的。2.4指导思想和设计原则严格遵守国家安全生产、和谐环保排放和劳动保障政策；采用先进高效的原则进行工程设计；综合研判当地产业特点及实际生产情况，达成生产环境优良、排放水平达标、生产高效保质的企业。2.5连铸工艺流程（1）连铸工艺流程一开始把电弧炉或者转炉的钢水调运到钢包中，再经过车间的天车转到钢包回转台上。当钢液流动到中间包时中间包内的挡墙和挡坝可以改变钢液的流动状态，同时在中间包中可以对钢水的成分进行调节。中间包作为一个承上启下的装置，连接回转台上的钢包中的钢水和下面结晶器的铸坯。因为结晶器通透的底部，钢水会充满结晶器90%，所以需要提前安装一个引锭装置，伴随结晶器有频率的振动，铸坯慢慢地向下移动。拉坯辊带动铸坯一直向下传送，开始进入二冷区。在二冷区内的冷却水的冷却后，铸坯坯壳进一步生长[9]。最后铸坯在矫直区经过矫直辊列的矫直，火焰切割机的切割可进行之后的处理。（2）连铸工艺流程图图1连铸工艺流程图2.6原料来源及执行标准炼钢原料：高炉铁水和优质废钢等钢液来源：转炉炼钢所得钢水铸坯材质：Q235；Q345B；20#；15MnSi；U71Mn铸坯规格：220×310mm；250×324mm；290×365mm；330×396mm；380×419mm执行标准：GB/T1996-94；GB/T1220-2005；YB/T001-91；GB/T004-93；YB2012-832.7产品大纲拟建规模为年生产合格铸坯180万吨，其中包括Q235铸坯占30%、Q345B铸坯占15%、20#铸坯占25%、15MnSi铸坯占15%、U71Mn铸坯占15%。产品大纲如下表所示。表3产品大纲序号钢种断面尺寸（mm）钢种总比例（%）年产量（万吨）1Q235220×31015272Q345B250×3242036320#290×3652036415MnSi330×39610185U71Mn380×41935632.8总论钢铁产业的迭代更新中，连铸技术是炼钢领域取得的重大突破，它的创新是钢铁制造企业跟随时代潮流生存和发展的推进器。由此可见，在辽宁省鞍山市建立年产量为180万吨大方坯连铸车间是必要的。

2.9金属平衡表2.9.1金属平衡计算：钢包LF精炼：184.52万吨损失：184.52×0.6%=1.11万吨中间包：184.52×99.4%=183.41万吨中间罐结壳：183.41×1%=1.83万吨连铸切头：183.41×1.1%=2.02万吨钢坯：183.41×97.6%=180.62万吨氧化铁皮：183.41×0.3%=0.55万吨连铸废品：180.62×0.4%=0.62万吨合格坯：180.62×99.6%=180万吨2.9.2金属平衡表图2金属平衡表连铸机相关参数计算3.1轧制的典型产品及连铸机类型选择3.1.1轧制的典型产品大方坯连铸机工艺设计——典型产品：断面380mm(厚)x419mm(宽)钢种U71Mn3.1.2连铸机类型查阅相关资料，参照鞍钢实际生产选择立弯式连铸机。3.2连铸机弧形半径的计算连铸机弧形半径计算公式如下：R≥其中R——弧形半径；c——系数，一般中小型铸坯取30-40。国外普通钢种取33-35,优质钢取42-45，本设计取44；D——铸坯厚度。本设计选取系数为44，R≥44x380=16720mm。所以连铸机弧形半径取R=16m。3.3工作拉速、最大拉坯速度及冶金长度的计算3.3.1工作拉速、最大拉速的计算工作拉速，即一分钟拉出的铸坯长度，单位是m/min，简称拉速。其计算公式如下：vc其中D——方坯厚度，mm;f—断面形状速度系数，m•mm/min断面形状速度系数经验值见表4。表4铸坯断面形状对应速度系数经验值铸坯形状方坯、宽厚比小于2的矩形坯八角坯圆坯板坯系数f/m•mm/min300200260150确定本设计大方坯f=300m•mm/min代入数据计算得到：v最大拉坯速度按经验公式：vc,max得出：v3.3.2冶金长度的计算冶金长度即为最大铸坯厚度和最大拉速确定的液相深度。液相深度与拉坯速度的关系式为：L冶=V式中vc,max一最大拉速，D一铸坯厚度，mm；K一凝固系数，mm/min1/2。铸坯综合凝固系数为24-30本次设计K取30，代入数据得到：L3.4浇注温度的计算典型产品U71Mn钢的化学成分见表5：表5U71Mn钢的化学成分化学成分CSiMnSPVNb最大值%0.710.351.400.030.030.030.01钢水温度TL通常是使用以下方程计算:TL将表5中U71Mn钢种化学成分带入上式，可计算出：T钢水过热度和液相线对应温度之和为浇注温度:T浇本次设计确定钢水过热度为40℃，以留出足够裕量[10]。代入数值得到：T结晶器基本参数的相关计算4.1结晶器的定义连铸过程中可以使液态钢液冷凝成具备规则的断面形状、准确的尺寸铸坯的装置叫做结晶器。4.2结晶器的作用结晶器的作用有两个[11]：将钢液冷凝成有规律的铸坯产品，即模具功能；使钢液的热量流失，把温度降低至液相线以下，此时钢液快速变为拥有坯壳厚度的坯料，即换热功能。4.3结晶器的类型不一样的标准，有着不同类型的结晶器，一般按外部形状有直形、弧形结晶器，按断面形状有矩形、圆形及异形结晶器等，按结构形式有整体式、管式、可调宽式及组合式等。4.3结晶器的长度及锥度相关参数计算4.4.1结晶器有效长度及长度确定结晶器有效长度的计算公式为：Lm=vct结晶器中钢水的停留时间与铸坯出结晶器坯壳厚度的关系可以从凝固定律得出：δ=k凝t式中Lm一结晶器的有效长度，mm；Vc一工作拉速，m/min；δ一出结晶器下口坯壳厚度，mm，通常是10~25mm，取20mm；K凝一凝固系数，mm/min1/2。铸坯综合凝固系数为24-30mm/min1/2得到结晶器有效长度：L结晶器的长度：结晶器上口与实际生产中钢液面长为80~120mm，取110mm，所以结晶器的长度为：L=L4.4.2结晶器上下口尺寸的确定及倒锥度的计算若铸坯冷态尺寸为380mm×419mm确定结晶器上下口尺寸用以下经验公式(断面大于160mm×160mm，c取1.5)：其中a为铸坯厚度，mm；b为铸坯宽度，mm。结晶器上口：结晶器上口厚度： Sa上=（1+2.5%）a+C=380×1.025+1.5=结晶器上口宽度： Sb上=（1+1.9%）b+C=419×1.019+1结晶器下口：结晶器下口厚度： Sa下=（1+2.5%）a−C=38结晶器下口宽度： Sb下=（1+1.9%）b−C=倒锥度：其公式为 ε=(S上−S下)/（Sε=(S上−S下式中ε一结晶器倒锥度，S上一结晶器上口S下一结晶器下口代入数据得到：另一个锥度为ε=(4.5结晶器的水量的确定4.5.1结晶器水缝总面积 水缝总面积的计算公式为：Q结=36Fv10000所以推出：F=10000Q结式中Q结一结晶器的耗水量，m3ℎ，本设计计算为14F一水缝总面积，v一水缝内冷却水流速，ms，方坯结晶器中的水缝内取6~12m代入数据F4.5.2结晶器耗水量的确定结晶器耗水量=方坯横截面积×钢液密度×拉速×比水量，大方坯比水量取0.6L/kg代入数据得到耗水量=0.38×0.419×7.9×103×0.79×0.6=140m3/h4.6结晶器的壁厚和材质通常来说组合式结晶器铜管壁厚度的确定，一般考虑结晶器的传热性、铜管的温度分布等要求，其厚度值可用以下公式确定：tm式中tm一结晶器铜板厚度，mm；d一冷却水缝深度，mm，本次设计取20mm；tr一最终剩余的安全厚度，一般取10mm；tp一整个使用期间的加工量，一般取10~15mm。代入数据计算得出t即结晶器的壁厚为45mm。组合式结晶器由结晶器本体、支撑框架以及足辊等部件组成[12]。铜板厚度为45mm，可采用铜镉镍合金。本次设计结晶器铜管参数如下表：表6结晶器铜管主要参数结晶器长度650mm壁厚度45mm材质铜镉镍合金锥度1.1%冷却水流速7二冷区相关参数的基本计算5.1二冷区各区弧长的计算二冷区各区的弧长计算公式为：2π二上面已经计算出连铸机弧形半径的尺寸为16m，铸坯矫直采用单点矫直法，全弧段弧度为90°，矫直段占11°，则全弧段的弧度数为79°，将全弧段分成足辊段（冷却一区）、冷却二区、冷却三区、冷却四区四部分，足辊段长度为0.6m，弧度数为2°，冷却二区、冷却三区、冷却四区弧度数分别占25%、30%、45%，则由此可得冷却二区、冷却三区、冷却四区的各区弧度数分别取20°、23°、34°。再代入上述公式计算得出：冷却一区：足辊冷却三区：5.2二冷区各区总水量的计算二冷区总水量的计算公式为：总水量=大方坯的比水量取0.6L/kg，代入数据可以得出二冷区总水量为：Q把总水量分到各个区中，每段冷却区喷水量计算公式为：Qi=Q×式中：Q1、Q2、Q3、Q4—二冷区第1段、第2段、第3段、第4段的冷却水量；H1、H2、H3、H4—结晶器液面到第1段、第2段、第3段、第4段冷却中心点的距离。计算得到H的值为：HHHH4二冷区水量的分配：查阅资料，根据大方坯生产实践水量分配公式，总水量为方坯横截面积、钢液密度、比水量及拉坯速度的乘积，其中足辊区配水量占总水量的30%，余下弧形段区占70%。由此计算出：正常拉速下(vc=0.79m/min)的总水量及分区水量总水量总水量：Q二冷区分区水量：一区：Q二区：Q三区：Q四区：Q不同拉速下总水量及分区水量计算总水量当vc=0.1m/min时，总水量：Q二冷区分区水量：一区：Q二区：Q三区：Q四区：Q当vc=0.2m/min时，总水量：Q二冷区分区水量：一区：Q二区：Q三区：Q四区：Q当vc=0.3m/min时，总水量：Q二冷区分区水量：一区：Q二区：Q三区：Q四区：Q当vc=0.4m/min时，总水量：Q二冷区分区水量：一区：Q二区：Q三区：Q四区：Q当vc=0.5m/min时，总水量：Q二冷区分区水量：一区：Q二区：Q三区：Q四区：Q当vc=0.6m/min时，总水量：Q二冷区分区水量：一区：Q二区：Q三区：Q四区：Q当vc=0.7m/min时，总水量：Q二冷区分区水量：一区：Q二区：Q三区：Q四区：Q5.3水流密度的计算水流密度的计算公式为：

水流密度正常拉速下(vc=0.79m/min)的分区水量密度：水流密度一区：ρ=二区：ρ=三区：ρ=四区：ρ=不同拉速下的分区水量密度：水流密度当vc=0.1m/min时，分区水量密度：一区：ρ=二区：ρ=三区：ρ=四区：ρ=当vc=0.2m/min时，分区水量密度：一区：ρ=二区：ρ=三区：ρ=四区：ρ=当vc=0.3m/min时，分区水量密度：一区：ρ=二区：ρ=三区：ρ=四区：ρ=当vc=0.4m/min时，分区水量密度：一区：ρ=二区：ρ=三区：ρ=四区：ρ=当vc=0.5m/min时，分区水量密度：一区：ρ=二区：ρ=三区：ρ=四区：ρ=当vc=0.6m/min时，分区水量密度：一区：ρ=二区：ρ=三区：ρ=四区：ρ=当vc=0.7m/min时，分区水量密度：一区：ρ=二区：ρ=三区：ρ=四区：ρ=5.4喷嘴的选择和配置表7设计喷嘴的选择和配置喷嘴类型压力喷嘴喷嘴形状圆锥形喷嘴材质铜合金对喷嘴的要求：(1)铸坯宽度和拉坯方向上铸坯充分冷却；(2)高速喷射的水不仅可以变成小雾滴，还能快速蒸发；(3)减少冷却强度；(4)喷射的水滴有均匀且丰富的覆盖面积。5.5二冷区的导辊直径及辊间距5.5.1辊径的确定Dr1=140Dr25.5.2辊间距的确定导辊间距的计算公式如下：d1Sd式中：d1--密排导辊直径，mmbm--铸坯最大宽度，mmSd--导辊段外弧前后导辊间距，mm代入数据计算得到导辊间距：S5.6矫直段的设计5.6.1矫直区的弧形半径的计算矫直区弧形半径的计算公式如下：R≥0.5Hε（式中H−[ε]−代入数据计算得到：R≥5.6.2足辊段与密排辊列段设计足辊段导辊段长度： S1=bm102.2代入数据得到：S足辊段的导辊直径：d1=bm0.86 d足辊段的导辊间距：Sd=d1+120 S式中：S1−d1−bm−Sd−5.6.3多点矫直辊列设计矫直段的导辊直径：Dr1Dr2=DrD矫直段的导辊间距：SliS结晶器振动的主要参数计算6.1结晶器振动的基本参数计算振动形式：正弦振动振动频率（f）取值：60次/min振幅（A）取值：4mm冲程（h）：为振幅的2倍即8mm波形偏斜率α：

α=A1最大速度：

vm=平均振动速度：v负滑动率NS：

NS=vm−负滑脱率NSR：

NSR=21−απ6.2不同拉速下的负滑脱和正滑脱时间计算不同拉速下的负滑脱时间计算公式为：tN=1−α当vc=0.1m/min时，负滑脱时间tN：t当vc=0.2m/min时，负滑脱时间tN：t当vc=0.3m/min时，负滑脱时间tN：t当vc=0.4m/min时，负滑脱时间tN：t当vc=0.5m/min时，负滑脱时间tN：t当vc=0.6m/min时，负滑脱时间tN：t当vc=0.79m/min时，负滑脱时间tN：t不同拉速下的正滑脱时间计算公式为：tp=1f−当vc=0.1m/min时，正滑脱时间tp：t当vc=0.2m/min时，正滑脱时间tp：t当vc=0.3m/min时，正滑脱时间tp：t当vc=0.4m/min时，正滑脱时间tp：t当vc=0.5m/min时，正滑脱时间tp：t当vc=0.6m/min时，正滑脱时间tp：t当vc=0.79m/min时，正滑脱时间tp：t6.3不同拉速下的振痕间距振痕间距的计算公式为：p=vcf当vc=0.1m/min时，振痕间距p：p=当vc=0.2m/min时，振痕间距p：p=当vc=0.3m/min时，振痕间距p：p=当vc=0.4m/min时，振痕间距p：p=当vc=0.5m/min时，振痕间距p：p=当vc=0.6m/min时，振痕间距p：p=当vc=0.79m/min时，振痕间距p：p=表8不同拉速下的振动参数拉速（v）0.10.20.30.40.50.60.79tN/s0.260.250.240.230.220.210.19tp/s0.2430.2330.2230.2130.2030.1930.184p/mm1.673.335.006.678.3310.0013.17连铸机生产能力和中间包的选取及基本参数的相关计算7.1连铸机台数及生产能力计算7.1.1连铸机台数计算连铸机流数的计算公式如下：N=GtFvρ连铸机台数为：

n=Y求Y实+备用台数=7.1.2连铸机生产能力计算生产能力的计算公式为：qm=nqу式中qm一n一流数；qy一F一V一ρ一代入数据得到：q连铸机平均年产量计算公式为：

Ya=8760G·式中Ya一G一N一Fv一η一T1代入数据计算得到：

Y7.1.3实际浇注时间Tt最大=logG−0.2式中tG一f一7.1.4浇注周期单炉浇注时间的计算公式为：

τs=GB·式中G一B、D一ρ一v一N一流数。代入数据计算出：

τ则浇注周期为：

T=τsa=7.1.5年等钢液损失时间计算公式如下：

t损=365n∙G式中G一B、D一ρ一v一N一流数。代入数据求出：

t7.1.6平均连浇炉数连浇炉数的计算公式为：n=GF·ρ式中G─平均每炉产钢量，t；ρ─方坯比重，取7.7t/m3；V─铸坯拉速，m/min；F─铸坯面积，m2；t─实际浇注时间，min；n一连浇炉数，炉代入数据计算得到：

n7.2中间包的选取及基本参数的相关计算7.2.1中间包容量大小的选取G中=G7.2.2中间包高度的计算大方坯钢液可浇液面为300mm，浇钢结束深度为400mm，则标准液面深为：ℎ标在标准液面上再加上净空200mm，则得到最大钢液深度为：ℎmax中间包高度应该比最大液深高200mm左右，则中间包的高度为：ℎ高7.2.3中间包长度的计算中间包包底的长度为：

l1=v中间包包顶的长度为：l2=l7.2.4中间包宽度的计算中间包包底的宽度为：w1=v中间包包顶的宽度为：w2=w17.2.5中间包水口直径的计算水口直径的计算公式为：d=0.073×a·bvC式中d─水口直径，mm；a·b─断面面积，CD─水口流量系数，取0.H─钢液深度，m。代入数据计算得到：

d所以取水口直径为30mm。 连铸车间设计总体设计8.1连铸机总长度连铸机的总长度=结晶器中心到铸坯冷床挡板间的总长度=45m8.2连铸机总宽度连铸机的宽度与连铸机流数有关，综合考虑连铸机质量及外表面大小、车间使用空间大小方面来确定。连铸机总宽度=浇注平台长度+连铸机拉矫机区宽度+剪断机切头输出部分宽度+辊道区宽度=17+13+4+6m=40m8.3连铸机的高度连铸机高度是指拉矫机的底座到中间包顶面的距离。所以连铸机高度=中间包高度+结晶器长度+弧形半径+水口长度+拉矫机底座高度=1.1+0.7+16+0.2+5=23m8.4连铸车间各个跨度原料跨：运输各种原料进入车间，钢水的工作系统，维持确保进料不会间断及正常储备生产。原料跨取值为12m。接收跨:使用天车把钢水运输调配到钢包回转台。接受跨取值6m。浇注跨：二冷区及结晶器、结晶器振动、中间包维修区域和拉矫装置设在浇铸跨。浇注跨取值9m。出坯跨：出坯并保存生产出的铸坯。出坯跨取值为15m。

8.5车间配置及环保8.5.1连铸供水系统(1)由于要软化水，因此使用高热负荷的结晶器，另外，脱盐处