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结晶器安装过程中打压问题分析

现场情况

结晶器安装完毕后，为了检验结晶器装配过程中的密封情况，需要进行通水试验，看其各部件之间连接配合是否正常，密封圈密封处是否漏水。我经常在现场观察结晶器安装情况，与工人们进行交谈，了解现场的备件情况，看铜管结垢情况，询问了现场安装结晶器的职工结晶器安装完毕后打压进水，保持压力多少bar，有些钢厂结晶器安装后通水试验，进水的压力较高，有的将试验水压打压到10bar、16bar甚至更高的压力水平，并且担心不能检测到漏水现象，所以还要保压相当长的时间，图1表达的是已经在振动台上安放组装好的结晶器。? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?

图1 ?安装台架上的不会说话的结晶器

图2 ?结晶器水压试验设备和测定变形

尽管结晶器设计有所不同，但是一冷过程中带走铸坯传递过来的热量只能是窄水缝中的冷却水，静态下将水的压力提高到12 bar以上，想象到12 bar的水压进入到结晶器内，等于在结晶器内制造了一个强大的液压压力，虽然看起来这个单位面积上的压强并不是很大，但是由于腔体巨大，造成了很大的破坏力，结晶器脆弱的铜管往往就是在这个时刻遭到一定程度的破坏。图2反映的就是现场打压设备和打压时候使用锥度仪测试铜管变形的照片，对较大规格的铜管测试来看，铜管试验打压压力10~12bar时候铜管中心变形达到0.5mm，如果打压压力继续升高，这个数值将持续升高，铜管受到这么大的变形不能不引起连铸工作者的关注了。

铜管承受的压力

以钢厂现场安装180x220mm的结晶器为例，铜管下口出口内外弧尺寸为150mm，两个侧弧之间的内腔距离为226mm，铜管厚度假设为18mm，于是铜管外表面面积为：

f=((18 1.8) (22.6 1.8))*2*83=7337cm2

注意这里采用的单位是平方厘米，铜管850mm长度，但是下口是侧密封，上口是顶密封，实际考虑受压长度为830mm。

询问了现场职工，结晶器安装结束后的打压为12 bar，即12kgf/cm2，铜管外表面承受的水的液压压力为：

q=7337*12=88044kgf=88吨

如此脆弱的铜管需要接受这么大的锻压压力，相当于平均每个面要受到了近22吨的压力，而宽面尺寸大受到的压力更大，我不相信铜管能够承受这个压力后不受伤害。

如果是150mm方坯铜管，在静止状态下打压到12 bar，其铜管受到70吨液压压力，由于小方坯铜管管壁更小薄，在受较大的压力情况下更加容易受到损伤，

铜管内部是空腔，外部受到如此大压力，铜管必然向内腔方向变形，在上线两端受到约束，在整个长度方向上受到水压压力锻造，产生两个方面的问题：

(1)?锥度的改变：由于是矩形坯，宽面方向受到的挤压更加严重，抵抗这个静压压力只能是铜管窄面上的铜管壁，造成窄面铜管出现轻微的受压失稳弯曲，形成铜管宽面尺寸向内凹陷，铜管锥度不规则性加大。

(2)铜管空间变形：制作标准的铜管应该按照r10或者r8米半径要求一条空间曲线，由于铜管在打压期间受到巨大的水压，铜管变形，形成了难以用模型来描述的曲线，给一冷过程中铸坯下行造成了不可预知的额外阻力。

(3)?镀层丢失：铜管塑性远远高于镀层，铜管额外产生的横向压力造成铜管塑性变形，塑性差的镀层首先受到撕裂，造成镀层容易脱落。特别是在铜管的下部镀层最容易脱落，打压过高形成的铜管变形是镀层易于脱落的原因之一。

从上面三点来看，铜管受到巨大的水压产生变形，锥度改变和空间曲线的改变，造成了铸坯下行受到额外的阻力，铸坯不能按照设计者的要求下行进行拉拔规整，这对一冷过程产生了一定的影响。虽然铸坯的适应性也是很强的，生产能够维继，但是对于高品质钢的生产中，就必须要克服一切不利因素，让铸坯按照设计者和连铸操作者的意愿，在连铸机半径尺寸连续拉拔下行，保持正常稳定的固态坯壳增厚，做到以安全的一冷坯壳厚度离开结晶器，同时产生的初生坯壳质量完好，作为连铸工程师来说，一定要将连铸机结晶器保持在设计的水平和精度上，从而为生产无缺陷的铸坯创造有利的条件。

为什么要使用这么高的水压试验呢？这个里面有一个认识上的误区，认为结晶器一冷过程的进水压力约8 bar，所以窄水缝内水压对铜管的压力就是这个12 bar的数据，为了防止结晶器密封件漏水，所以结晶器安装结束后使用相应的12 bar水压进行保压试验，如果不漏水就证明安装情况良好。

这个水压试样的水压力还不是高的，我曾经在一个著名的大国企看，打压试验的时候上面顶法兰螺栓时常崩裂，他们认为结晶器设计不合理，我对他们这种情形描述非常诧异，马上询问他们的结晶器安装结束后的试压的水压力是多少，他们回答是16 bar以上，最高达到26 bar，我说这个压力值选择的依据是什么？说是按照压力容器的要求打压试验的压力是1.6倍，现场他们使用的压力都达到了20 bar以上，他们拿来的图纸给我看，说结晶器铜管布图纸上要求打压12 bar，我给他们讲述脆弱的铜管不是无缝钢管，不是压力容器，经不住这样的折腾的，就是铜管也不是圆形结构，方形和矩形空腔结构的铜管是不能与钢管材料的强度相比的。在水静压的保压试验中，结晶器桶内就是一个液压缸，结晶器上法兰承受巨大的压力，所以当水压持续增高情况下，达到螺栓的强度极限就产生断裂。

我现场和职工们一起安装了一个结晶器，工人看到我娴熟安装感到吃惊，说难道工程师还能够像俺们一样安装结晶器，我说俺都能设计结晶器，为什么不能安装呢，我们都是劳动者，工程师安装这个设备应该是基本功，工人说俺们钢铁公司从来没有工程师和领导和我们一起安装拆卸结晶器，我说你们水平高，领导都放心你们的工作，所有就不用下来了。

我在现场和职工们讲述了这个原理，指出这种加压保压的方式带来的恶果，希望他们不要使用这个错误的理念。

图3 ?大连大山设计制造的165x590mm小板坯铜管

对于宽厚比较大的铜管，比如160*380mm以上的小板坯产品，其宽面尺寸大，在结晶器试压过程中，受到巨大的压力，往往都造成宽面变形严重，宽面中心部位密封圈都离开铜管外壁，不能很好地起到密封作用右，造成漏水事故。现代技术不断发展，甚至到165x590这样的矩形坯都使用铜管结构，即小板坯铜管结晶器，见图4所示。对这种小板坯铜管的试压，更要给于关注，不能使用过高的水压来试验，现场安装在结晶器上如果进出水阀门开启不当，马上出现宽面中心变形漏水现象。笔者和大山结晶器厂的工程技术人员遇见处理过这样的事情，所以有较深的影响，大山的工程技术人员是有水平的。

一冷过程中铜管承受的压力

正常生产中的结晶器铜管受到多大的压力呢？人们往往认为就是结晶器进水压力，比如有的钢厂结晶器进水压力是10 bar，所以铜管外壁就必须承受这个压力，为了达到与生产相适应的条件，所以将结晶器试验压力增加到12~16 bar，甚至更高。

其实不然，按照一般钢厂的的水路布置，进入到结晶器下口的水压是10 bar，一冷水在管路里面的流速为3~4m/s，但是进入到结晶器内水套与铜管外壁构成的窄水缝后，其一冷水的流速就大大提高，一般来说达到了10m/s，水的流速的增加，其实就是将一冷水的静压转化为动压，能量是守恒的，高流速一冷水在窄水缝内的压力较小，所以经过这次静压转化为动压，一冷水的压力也就大大降低了。

作用在铜管上面的压力基本就是背压，即回水压力，一般的回水压力大约在1 bar左右，这个数值很小，按此计算作用在铜管上的压力总和只有7333kg，如果是这个数值，这就不用担心了，毕竟下来整整一个数量级多呀！这种情况下铜管工作的外部条件就好多了，至少不会出现较大的变形。

现在有一个小小的趋势，结晶器一冷水压力不断提高，达到了1mpa的压力，现场观察还有12bar的进水压力，其实没有这个必要性，我认为只要0.8mpa就够了，完全可以满足现场需要的流量，满足窄水缝中的高流速要求，这样就可以减少泵房的电机功率，不必要输出那么高的水压，水泵节能的效果是明显的，这是要从设计上做起。现在的设计部门一味保守，宁高勿低，这样保险，不承担责任，其实要精心设计，充分考虑各种因素，为企业和老板省钱，为环保来节约能源，绿水青山要从点点滴滴做起。当然一冷水在窄水缝里面的流速与带走热量之间关系必须考虑冷却水处理水平，很多钢厂难以达到水处理要求，铜管弯月面之处呈现黑色的心形状，说明了此处一冷水没有及时带走铜管传递过来的热量，形成热量在表面积累，温度高时间长形成了氧化亚铜。有的钢厂即使采用了铜管外部开槽增加冷却面积，但如果水处理不到位，照样与原先的平面铜管外壁一样出现结垢和烧损现象，见图2~3。我认为不是特别高的拉速结晶器铜管没有必要进行刻槽处理，况且是较低的拉速生产优特钢就没有这个必要性，不然铜管加工成本太高。?

图4? 同一规格不同外壁铜管使用后的外壁情况

一冷水泵设计原则

一冷水需要的流量大，比如七机七流连铸机，每流正常生产需要的一冷流量为150m3/h，总流量为1050m3/h，到达一冷阀站压力为0.8mpa。水泵应按照两用一备的方案布置，比如单台水泵的流量为525m3/h，两台泵同时工作时就形成需要的流量和压力，即使一台水泵出现故障，另外一台泵仍然可以工作，形成525m3/h的水量，虽然不能满足正常生产的需要，但是在短时间内仍然能够保持一冷的正常传热，此时立刻开启备用泵，形成正常生产所需要的流量和压力，这样的设计才是比较合理的。还请注意，一台泵工作时候，形成的水压要大于事故水塔形成的水压，这样才能保持单向阀不被顶开，事故水不下泄。一般来说事故水塔的高度在30米，结晶器使用点高度在10米，这样形成2 bar的压力，单台水泵虽然流量大大减少，但是压力至少在4bar，完全能够达到设计的要求。在水泵供水设计中应避免一用一备的方案，一旦水泵出现故障，是来不及开启备用水泵的，将会出现结晶器冷却水干枯汽化，形成大量的蒸汽爆炸而引发事故。在生产实践中，即使是两用一备水泵布置，也要确保备用泵能够及时开启使用，或者轮流开启工作，定期检查，制度上要有保障措施。

结晶器水阀操作

连铸检修更换等工作完成之后，通知水泵房送水之前，应该将结晶器回水阀打开，也可以将同时将结晶器一冷水进出水阀打开，然后调整生产中需要的一冷水量。切记不可以关闭回水阀状态下，打开进水阀，然后在逐渐开启回水阀，这样的操作将造成一冷水高压憋在窄水缝中，此时的窄水缝的压力就是一冷进水压力，要防止这种高压给铜管造成的伤害，其危害性就与结晶器安装结束后的过高的保压试验一样。

当在线更换某一流或几流结晶器时候，此时水泵房并没有关闭水泵。在吊起需要更换的结晶器之前，首先关闭该流的一冷水进水阀，然后再关闭回水阀，这样做就不会产生憋压。更换结晶器完毕后，先开启该流的回水阀，然后在开启进水阀，同理这样不会产生憋压，操作上要注意这个顺序过程，不可失误的，看起来关系好像不大，但是已经对结晶器铜管产生了不利的影响。

图5 ?无锡雪丰大圆连铸机结晶器冷却水阀台

我从2005年从无锡雪丰大圆连铸机开始，自己从事设计制造的连铸机基本上都采用了使用气动薄膜阀调节一冷水量，这样做提高了结晶器冷却水调节精度，方便职工操作，如果是一个七流连铸机将所有的进出水阀门关闭一次，然后再开启，需要相当大的劳动量的，有时候闸板阀运转吃力就更加麻烦。

结晶器安装完毕后究竟打压多大的水压呢？

我认为仅仅需要3 bar的水压就足以，观察结晶器上下法兰密封之处没有漏水现象即可，其实就是下法兰铜管侧密封漏点水，对结晶器的使用是没有影响的。要记住铜管不是钢管，更不是压力容器。

我在现场看到钢厂的结晶器安装师傅装配结晶器，和他们交流，将道理说给他们听，纠正不正确的结晶器打压保压试验，其实我们的职工非常好的，只要说的有道理，他们是能够接受的。现场经过不同试水压力使用游标卡尺测量铜管内腔之间的距离，发现随着水压的升高，距离发生变化，压力越大，铜管内腔中心凹陷越严重。试验水压逐步减少，铜管变形也逐渐恢复，泄压后测量铜管恢复到原始的内腔尺寸，但是铜管在空间的变形情况就不得而知了。

我在国外偶然见过生产150mm方坯采用很高的背压，询问现场知道这是有意而为之的，说是为了抵抗钢水静压，让铜管变形，使得固态坯壳能够靠紧铜管内壁。我认为这个做法弊多利少，一冷过程中的收缩产生的气隙是依靠拉拔规整来消除的，如果要求铜管变形来弥补气隙最多只能在中央部位，铜管角部向内变形几乎没有，我不赞同这种做法。从当时的生产来看并未发现异常，但总是觉得这个压力将铜管和内水套分离，破坏窄水缝设计的条件。

笔者曾观察过很多现场，总是提及到结晶器铜管下部镀层脱落严重，而且有铜管掉肉的现象，见图6所示。看到很多既有下部大面积镀层脱落，也同时伴有这种铜管掉肉的现象，铜管打压过度造成铜管本体材质变形，而脆性镀层材料塑性很差，在铜管打压变形的情况下就受到严重的变形，生产过程就出现镀层容易脱落的状况，这种铜管内腔下口附近镀层容易脱落，除了引锭产生的巨大的摩擦之外，没有约束的下口铜管容易变形，造成与镀层材料结合的破坏，或者镀层本身受到铜管变形的应力影响而脆裂，所以在现场结晶器安装打压试验时候都要注意不能随意提高水压，否则出现的镀层脱落又要去找制造厂家，我们应该先找找自己使用上的不足，然后再去挑别人的毛病。

铜管下口部分是没有约束的，相对于上部中间部位来说容易变形，从现场打压测量铜管内腔的结果来看，也是铜管下口处变形严重。图6反映了圆坯铜管下部掉肉情况。

图6 ?铜管下部掉肉

结晶器内水套

结晶器内水套与铜管一起构成窄水缝，这个部件的设计也是非常重要的，由于窄水缝内水流高速流动，其水压对内水套的内腔压力影响很小，而在结晶器的进水腔内，水套下部分的外壁受到进水压力的作用，对内水套也是起到了巨大的压缩作用，所以这个不锈钢水套需要具有一定的刚度来抵抗变形，其设计和制造壁厚不能过薄，否则将造成水套的变形，破坏水缝的均匀性。目前这个水套从拉拔成型的加工方式有逐步过渡到精加工水套的趋势，这种加工方式决定了水套具有相当的厚度，大大提高了刚度，为在较高压力下工作的水套部件不变形操作了条件。图7是大连大山在十五年前设计制造的不锈钢精加工内水套，使用厚壁无缝钢管，内腔数控加工成型，这是高水平的设计制造，使用多年始终保持非常高的精度。

图7 ?大连大山设计制造的大圆坯精加工不锈钢水套

我是一个现场工程师，无论在哪里，看到不合理的地方马上指出来，希望大家能够干好，不要失误，改正不合理之处。

工作之后的学习是非常重要的，也决定了一个人在事业上面究竟能够达到什么样的水平，只有坚持看书学习，做综述笔记，把自己的所思所想分类记录下来，经过长期的实践才能达到一个合格和优良的工程师水平。一个好的科学家可以通过异想天开提出伟大的发明和发现，但是好的工程师必须磨练多年，也许需要10年20年的时间，甚至更长，没有经历失败和挫折是不可能成长起来的。夏磊工程师就做的非常好，坚持读书学习，现场用于实践和探索，无论在理论水平和动手设计和操作能力上都得到很大提高，我的很多思想也是受到他的影响和合作得到的。

只要大家能够干好，吸取我的教训和经验，能够解决现场一点小问题，我就感到快乐高兴。

?唐工水平有限，不对之处尽管指正。

祝钢铁企业好！

唐杰民

2020年9月

语言区：找不同

幼儿园自制教具：

《找不同》

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3—4岁(小班)

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