整体式下注钢锭模的设计

(磐安三鑫金属制品厂研究部)

摘　要：介绍了整体式下注钢锭模的设计参数选取、设计计算方法。通过锭身设计求出钢锭模上、下端面内切圆的直径、最小锭型时锭身的高度。绝热插板的拉高以各个系列段最大的高径比来限定，为提高锭身的利用率，根据经验，可以选取较大的高径比。由于下注钢锭控速浇铸，为确保充分补缩，给出了各个系列段冒口高度的经验数值。

关键词：下注钢锭模；设计参数；高径比；锭身锥度 中图分类号：ＴＦ　７７　文献标识码：Ａ

下注钢锭因其特殊的浇铸凝固特性，钢锭中非金属夹杂物级别明显优于真空上注钢锭，并且底部不存在钢液凝固时产生的沉积锥，锭身利用率超过８５％［１］。近年来，重型机器行业流行采用同一个系列钢锭模———通过调整冒口端绝热插板的高度改变锭身质量的整体式下注钢锭模。这种钢锭模的优点如下：① 减少钢锭模的数量，可以针对不同的产品，采用同一系列的钢锭模，锭身的利用率稳定在同一个比率上；② 减轻工人的劳动强度，省去了砌筑冒口、烘烤冒口的环节；③ 有效改善了钢锭横截面、纵截面的元素偏析，特别是减少碳的中心偏析，从而有效减轻了产品性能的不均匀性。

１　设计原则

钢锭的品质除了与钢水洁净度有关外，还与钢锭模的设计有关。钢锭模具有如下特性：① 锭身高度与其直径的比例（以下简称高径比）合适，确保锻压比≥３．０；② 冒口高度合适，既要满足锭身充分补缩，又要有效降低冒口钢水的比例；③ 与淌道直径相适应，保证浇铸过程中中心液流呈湍流状，上浮到液渣层后再返回到钢液中；④ 保证能顺利脱模，防止黏膜等事故发生，确保钢锭模的损耗率≤ ２０ｋｇ／ｔ［２］。

２　钢锭结构

钢锭由锭身、冒口、锭尾组成，整体式下注钢锭示意图如图１所示。图１中，Ｄｒ、Ｄｔ、Ｄｂ分别为钢锭的冒口内切圆直径、锭身上端内切圆直径、锭身下端内切圆直径，其中Ｄｔ、Ｄｂ也是钢锭模上口内切圆直径、钢锭模下口内切圆直径；ｈ锥形段、ｈ拉高、ｈ冒口、ｈ插板分别为最小锭型时锭身的高度、绝热插板往上拉升的高度、浇铸时冒口的高度、绝热插板的高度。

３　轮角数确定

从锻造角度看，免去倒棱，要求钢锭为圆形最好，但圆形钢锭的周长最小，钢锭表面积也最小，传热最慢，组织生产较困难；而多边形钢锭的传热较快，不易产生热裂纹［３］，故一般２５ｔ以上钢锭采用１６角锭，２５ｔ以下采用８角锭。图２为钢锭锭身的横截面示意图。

图２中，Ｄ 为钢锭的内切圆直径（即钢锭模的内切圆直径）；Ｒ 为与凹多边形内切圆相切的外切圆半径（即钢锭模的花轮边半径）；ｒ为与花轮边相切的外切圆半径（即钢锭的锭角圆半径）；国内外各厂生产钢锭的花轮边数Ｎ、Ｄ、Ｒ、ｒ之间的关系如表１［４］所示。

４　锭身计算

钢锭最小质量Ｗｍｉｎ是钢锭模设计的已知条件，锭身利用率η是另一个已知条件，一般下注钢锭模的锭身利用率设定为８６．０％。最小锭身质量为

式中，Ｓｔ为锭身上端（钢锭模上端）凹多边形的面积，Ｓｔ＝Ｎ×σｔ，其中，σｔ为钢锭模上端面１Ｎ的凹多边形面积，如图２中阴影区所示；Ｓｂ为锭身下端（钢锭模下端）凹多边形的面积，Ｓｂ ＝Ｎ ×σｂ，其中，σｂ为钢锭模下端面１Ｎ区所示；７．３５为常数，脱模时考虑钢锭的线收缩系数，一般钢种的密度设定为此常数。

表１　国内外各厂生产的钢锭的Ｎ、Ｄ、Ｒ、ｒ之间的关系

４．１　σ 的求法

σ为凹多边形面积的１/ Ｎ，如图３阴影区所示。本文推荐一种精确计算不规则的凹多边形面积的办法。

σ由２００％的不规则形状１２４６５１组成，即
σ＝２Ｓ_{１２４６５１}

式中，Ｓ_{１２４６５１}为不规则形状１２４６５１合围的面积。

由表１可知，一旦钢锭模的花轮边数确定，则Ｒ／Ｄ、ｒ／Ｄ 也确定。假设Ｒ／Ｄ ＝Ｃ１，ｒ／Ｄ ＝Ｃ２，则Ｒ ＝Ｄ×Ｃ１，ｒ＝Ｄ×Ｃ２ 。

Ｓ_{１２４６５１} ＝Ｓ_{１２４５１}＋Ｓ_{扇形４６５}      (3)

式中，Ｓ_{１２４５１}为不规则形状１２４５１ 的合围面积；Ｓ_{扇形４５６}为扇形４５６的面积。
Ｓ_{１２４５１} ＝Ｓ_△１３５－Ｓ_{扇形２３４}         (4)

式中，Ｓ_△１３５为△１３５的面积；Ｓ_{扇形２３４}为扇形２３４的面积。

（１）△１３５的面积

（３）不规则形状１２４５１的面积将式（８）、（９）代入式（４），得

Ｓ_{１２４５１} ＝Ｓ_△１３５－Ｓ_{扇形２３４} ＝Ｄ^２×Ｃ_６－Ｄ^２×Ｃ_７ ＝Ｄ^２×（Ｃ_６－Ｃ_７）

令Ｃ_６－Ｃ_７ ＝Ｃ_８，则Ｃ_８也为常数，得

Ｓ_{１２４５１} ＝Ｄ^２×Ｃ_８         (10)

（４）扇形４５６的面积

（５）不规则形状１２４６５１合围的面积将式（１０）、（１１）代入式（３），得

Ｓ_{１２４６５１} ＝Ｓ_{１２４５１}＋Ｓ_{扇形４５６} ＝

Ｄ^２×（Ｃ_８＋Ｃ_９）        (12)

（６）σ的计算结果

σ＝２×Ｓ_{１２４６５１} ＝２×Ｄ^２×（Ｃ_８＋Ｃ_９），令C₁₀＝２×（Ｃ_８＋Ｃ_９），则Ｃ_１０也为常数，得

σ＝Ｄ^２×Ｃ_１０             (13)

４．２　钢锭模参数的求法

（１）最小钢锭质量时的计算式

参照式（１３）可得到钢锭模上端凹多边形面积为
Ｓ_ｔ＝Ｎ ×Ｄ^２_ｔ×Ｃ_１０ｔ
其中，Ｃ_１０ｔ为参照式（１３）的求解过程得到的常数，令Ｃ_１１ｔ ＝Ｎ×Ｃ_１０ｔ，则Ｃ_１１ｔ也为常数，得到钢锭模上端面的凹多边形面积为

Ｓ_ｔ＝Ｄ^２_ｔ×Ｃ_１１ｔ     (14)
同理可以得到钢锭模下端面的凹多边形面积为

Ｓ_ｂ ＝Ｄ^２_ｂ×Ｃ_１１ｂ     (15)

式中，Ｃ１１ｂ为参照式（１３）、（１４）的求解过程得到的常数

（２）锭身锥度δ

δ＝(Ｄ_ｔ－Ｄ_ｂ)/ｈ_锥形段                 （１７）

δ太小，容易造成钢锭脱模困难；δ太大，则会给以后的加热、锻造等工序带来不便。根据国内外冶金企业、上海重型机器厂有限公司的大量的锭模统计资料，下注钢锭模的锥度选择１０．５％～１１．５％，设计时选取１１．０％比较合适。

（３）最小高径比χｍａｘ

χｍｉｎ ＝ ２ｈ_锥形段/(Ｄ_ｔ＋Ｄ_ｂ)              （１８）

高径比不能太小，根据企业已有压机的尺寸，尽可能增大高径比，这样才能有效提高锭身的利用率。由于下注钢锭凝固过程特有的特点，控速浇铸，边浇边凝，故下注钢锭不可能存在沉积锥，增大高径比不会对钢锭的质量带来影响。

对于确定的浮动段，先选取一个最小高径比，然后一直计算到最大的高径比，这样就形成了一个浮动系列。最小高径比的选取如表２所示，其中，χｍａｘ为最大高径比。

表２　下注钢锭模最小高径比的选取

解式（１６）～（１８），由于η、Ｗ_ｍｉｎ、Ｃ_１１ｔ（根据式（１４）求得）、Ｃ_１１ｂ（根据式（１５）求得）、δ、χ_ｍｉｎ为已知数，则通过Ｅｘｃｅｌ试算表软件代入数据，可得到Ｄ_ｔ、
Ｄ_ｂ、ｈ_锥形段的具体值。

（４）最大钢锭的参数

下注钢锭模通过调节上口的绝热插板高度来改变锭身质量。先计算出插板的最大拉高，根据

χ_ｍａｘ ＝２（ｈ_锥形段＋ｈ_最大拉高）/(Ｄ_ｔ＋Ｄ_ｂ)

且结合表２的数据，确定χｍａｘ，进而得到插板最大拉高ｈ最大拉高，然而计算出锭身的最大质量为

Ｗ_{ｉ－ｍａｘ} ＝Ｗ_{ｉ－ｍｉｎ}＋Ｓ_ｔ×ｈ_最大拉高×７．３５        （１９）

５　冒口参数计算

冒口钢水的作用是用于补缩。根据表２的数据，确定各浮动系列的最小冒口高度、最大冒口高度。但由于冒口钢水在凝固过程中是变化的，故不能用ｈ冒口来计算冒口钢水的质量。冒口钢水铸态时的质量计算如下：

式中，Ｗｃ－ｃ为浮动段冒口钢水铸态时的质量；Ｗｃ为给定的钢锭质量；Ｗｉ－ｃ为浮动段锭身铸态时的质量，

式中，Ｗｅ为锭尾铸态时的质量；７．１０为一般液态钢水的密度［５］。

求解式（２４）得到ｈ冒口。需要注意的是ｈ冒口必须符合表２给定的参数；若不符合，可通过调节最小钢锭时的高径比、锭身锥度，直到符合表２给定的ｈ冒口为止。

６　锭尾计算

上海重型机器厂有限公司的下注用钢锭模，锭身与锭尾都是分体式设计，锭尾放在底盘上。锭尾的形状为球缺，其求解方法如图５所示。先给定锭尾的高度ｈ尾高、锭尾质量Ｗｅ。

式中，Ｒｅ为锭尾球缺的半径。求解式（２５）得到Ｒｅ，进而再得到尾上平面与其球缺的截交线Ｄｅ。

７　钢锭模的外形与壁厚

（１）锭模外形设计成多边形，即有Ｎ 个锭角就设计成Ｎ 边形。
（２）模壁厚度取锭身直径的１５％～２０％，通常钢锭模下端壁厚大于上端壁厚。
（３）为提高锭模的使用寿命，增加钢锭激冷层，提高钢锭的抗裂性，在本钢锭模设计中，上部壁厚取锭身直径的２０％，下部壁厚取锭身直径的２５％；在钢锭模上、下端面均铸有加固带

８　结　语

（１）整体式下注钢锭模高径比大，锭身利用率可大于８５％。通过调整绝热插板的拉高，改变锭身的大小，实现同一钢锭模浇铸不同锭型的目的。

（２）整体式下注钢锭模的设计分别为锭身设计、冒口设计、锭尾设计３个部分。这３个部分的参数计算集中体现在锭身设计上，通过最小钢锭求出钢锭模Ｄｔ、Ｄｂ、ｈ锥形段、最小钢锭时的ｈ锥形段。

（３）由于钢锭模采用花轮边形，上端面、下端面是一个不规则的形状，需要通过Ａｕｔｏ　ＣＡＤ计算机辅助设计软件绘出凹多边形面积的求解示意图，结合国内、外各厂给定的锭角数与Ｒ／Ｄ、ｒ／Ｄ 的关系，才能精确计算凹多边形的面积。

（４）每个系列插板的最大拉高值以各系列段经验值能达到的χｍａｘ（参照表２给定的数据）来计算。由于下注钢锭特有的浇铸与凝固特性，没有沉积锥，故为提高锭身的利用率，结合各厂压机的工作尺寸，在保证锻压比≥３的前提下，尽可能提高高径比。