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结晶器水冷却系统改进

王平¹，刘海²，王飞鹏³，胡文超²，江和平²，江帆²

(1．九江精密机电科技有限公司；2．武汉钢铁集团国际经济贸易总公司；3．武汉钢铁股份有限公司炼钢总厂三分厂；九江332007)

摘 要：针对连铸结晶器水冷却系统振动问题，采用了低成本、易维护、高可靠性的改进设计，将振动减少到了对管路无危害的程度，保证了结晶器工作的安全，节约了成本。

关 键 词：结晶器；水冷却系统；减振；蓄能器

1 前言

结晶器是连铸机中不可或缺的部件，是一个强制水冷的“无底钢锭模”，称之为连铸设备的“心脏”。就结构来说结晶器是一个槽型容器，容器壁设有夹套或内装蛇管。结晶器的主要作用有以下几点：

(1)使钢液逐渐凝固成所需要规格形状的坯壳。

(2)通过结晶器的振动，使坯壳脱离结晶器壁，而不被拉断和漏钢。

(3)通过调整结晶器的参数，使铸坯不产生脱方、鼓肚和裂纹等缺陷。

2 结晶器振动原理

连铸机在正常浇钢时，结晶器必须要以一定的频率与幅度进行振动。其目的是为了防止钢水凝结在结晶器铜板上，造成粘钢和漏钢。目前振动源通常为液压振动系统(如图1所示)。主要是通过两个液压伺服机构来分别控制两个液压缸的快速升降，从而带动结晶器快速上下振动。每个液压缸上都装有一个高精度的位置传感器，用于检测液压缸中活塞杆的移动位置，从而确定振动的振幅。

3 振动对水冷却系统的影响

结晶器另一个重要的部分是冷却系统，冷却介质是水。冷却水通过不锈钢管连接到结晶器内部的夹套或者蛇管，用于冷却结晶器内的钢水。

由于不锈钢管为刚性元件，而结晶器又在不断地振动，所以钢管与结晶器之间是通过波纹管来连接的。由于结构上的原因，结晶器的振动不可避免地造成了冷却水的压力的变化。

改进前结晶器冷却水管路上采用的减振元件是隔膜式球形蓄能器，但是此类元件在现场的使用中极易损坏，造成冷却系水压力峰值无法平滑，各连接处螺栓易断裂，造成系统橡胶补偿器中部螺栓疲劳断裂，冷却水无法流出，容易引起浇铸中断，造成安全事故。

4 相关计算

通过结晶器本身及水冷却系统的分析，了解问题所在之后，就可以进行相关计算，以便改进。

4．1 水冷却系统参数

最高压力：1．1MPa；

最低压力：0．8MPa；

系统总管通径：150mm；

热交换器进出口波纹管轴向振幅：﹣2．9～3．1mm。

4．2 蓄能器容积计算

(1)预充气压力。蓄能器用于压力波动缓冲时，预充气压力公式为：

P₀=0．6～0．75p_a

式中：P₀—预充气压力／MPa；

p_a—平均工作压力／MPa。

由于系统压力波动和振幅均较小。平均工作压力可近似为最高压力和最低压力的算术平均值。为减小冲击，系数取为0．75。这样蓄能器充气压力P₀=0．75(p₁＋p₂)／2=0．95MPa。

(2)蓄能器输出油液最大体积。蓄能器工作时，输出油液的最大体积应对应热交换器进出口波纹管的正负伸缩体积：

式中：V_w—蓄能器工作输出油液最大体积／L；

d—波纹管内径／mm；

t—波纹管轴向振幅／mm。

(3)蓄能器容积。根据Boly—Mariotte理想气体状态变化方程推导出的蓄能器容积计算公式，可得蓄能器容积

式中：P₁—系统最高压力／MPa；

P₂—系统最低压力，MPa；

n—多变指数。由于该蓄能器作为吸收压力波动的缓冲器使用，蓄能器内部气体压缩和膨胀过程速度很快，热交换还没有发生就完成了变化过程，可以认为是绝热过程，因此，可取n=1．4。

5 蓄能器选型

根据原使用2L隔膜式球形蓄能器无法完全吸收压力波动的情况，经分析认为系统内还有其他造成压力波动的因素未考虑进来，故加大安全系数，取V₀=10L。根据计算得到的蓄能器容积和JB／T7035—2006最终选定螺纹连接的97—NQX—10／10—SL。

6 改进效果

改进后的结晶器水冷却系统已使用近一年，橡胶补偿器中部螺栓再未发生过断裂现象，管路中各连接部分也再无振动造成的损害，消除了管路泄漏带来停机的重大隐患。同时也减少了粘钢、漏钢事故的发生，减少了结晶器修复的次数。结晶器各连接处的螺栓数量达200根，按每更换一根螺栓的成本600元计算，每修复一次的金额为3～4万元，改进后每年可减少直接损失50多万元。