CN102974782B - H型管式结晶器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种H型管式结晶器，其包括腹板，其中，所述H型管式结晶器的工作外壁的腹板中心处设有覆盖层，所述覆盖层由耐高温、耐腐蚀、导热系数小于形成所述H型管式结晶器材料导热系数的金属陶瓷材料或金属材料形成。本发明既可以避免由于急剧冷却产生的应力对坯壳腹板部的影响和破坏，又避免由于初生坯壳较早收缩形成的不均匀气隙导致的热阻不受控制增加、影响坯壳均匀生长的缺陷，使坯壳腹板部均匀散热，从而提高凝固质量，杜绝裂纹等严重质量问题。

Description

H型管式结晶器

技术领域

本发明涉及一种H型管式结晶器，更具体地讲，本发明涉及一种能够改善H型铸坯腹板凝固质量的H型管式结晶器。

背景技术

结晶器是一个水冷的铜模，是连铸机极其重要的核心部件。钢水在结晶器内冷却，初步凝固成形，并具有一定厚度的坯壳。这一过程是在坯壳与结晶器壁连续、相对运动下完成的。因此结晶器具有良好且均匀的导热性和刚性，以使凝固过程均匀、平稳。

现有技术中的结晶器包括铜板或铜管与外面的钢结构，铜板或铜管的作用是将钢水的热量传递给冷却水。这样的结晶器一般有两类：（1）内表面没有镀层或涂层的结晶器；（2）内表面被镀上一层厚度约为20～80微米、比铜耐磨的金属或合金（如镍或铬的合金）的结晶器，增加该镀层的目的在于提高结晶器的使用寿命和减缓铜板磨损，但是不能够改变结晶器原来的导热性能。而当前的连铸生产中，结晶器的导热性是显著影响连铸坯质量的重要因素。

无论哪一种类型的结晶器，已经凝固的坯壳与结晶器内壁接触的散热形式可以视为一维传热，当然，H型管式结晶器腹板部也可视为一维传热，但是铸坯腹板较薄，导热率高于其他部位。这种情况的出现常常导致腹板部急剧冷却，严重影响凝固质量甚至出现裂纹。

中国专利申请CN1401449A公布了一种适用于连铸设备中的具有隔热耐磨镀层的结晶器产品。该结晶器产品的组成是在结晶器铜壁的外部套有水套，在结晶器内的铜壁上部涂有隔热耐磨镀层，但是该专利没有考虑到由于H型结晶器形状不同以及散热环境的不同对连铸坯腹板产生的特殊影响，无法在有效改善连铸坯的表面和内部质量的同时兼顾H型铸坯腹板部凝固质量。

与上述专利申请相比，业界更普遍的做法是考虑到H型铸坯腹板的均匀冷却，减少H型铜管腹板部水腔体积，但是实践表明，其依旧无法解决H型铸坯腹板部均匀冷却的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种H型管式结晶器，以解决现有技术存在的H型铸坯腹板部无法均匀冷却从而影响凝固质量甚至出现裂纹的问题。

为了解决上述问题，本发明提供一种H型管式结晶器，其包括腹板，其特征在于，所述H型管式结晶器的工作外壁的腹板中心处设有隔热用的覆盖层，所述覆盖层由耐高温、耐腐蚀、导热系数小于形成所述H型管式结晶器材料导热系数的金属陶瓷材料或金属材料形成。

根据上述H型管式结晶器的一种优选实施方式，其中，所述覆盖层的宽度与所述腹板的宽度的比例为1/4～1。

根据上述H型管式结晶器的一种优选实施方式，其中，所述覆盖层为等厚层。

根据上述H型管式结晶器的一种优选实施方式，其中，所述覆盖层为设有30°～80°倒角的等厚层。

根据上述H型管式结晶器的一种优选实施方式，其中，所述覆盖层为设有45°倒角的等厚层。

根据上述H型管式结晶器的一种优选实施方式，其中，所述覆盖层为非等厚层，且所述覆盖层的两边缘部分薄中间部分厚。

根据上述H型管式结晶器的一种优选实施方式，其中，所述覆盖层的厚度范围为0.5mm～8mm。

根据上述H型管式结晶器的一种优选实施方式，其中，所述覆盖层的边缘部分厚度为0.1mm～1mm，所述覆盖层的中间部分厚度为0.5mm～8mm，且从两边缘部分平滑过渡到中间部分。

根据上述H型管式结晶器的一种优选实施方式，其中，所述H型管式结晶器由铜制成。

根据上述H型管式结晶器的一种优选实施方式，其中，所述覆盖层包含按重量计82%的Ni、12%的Al2O3、6%的Cr；或者所述覆盖层包含按重量计86%的Ni、6%的Al2O3、8%的ZrO2；或者所述覆盖层包含按重量计87%的Ni、10%的Al2O3、3%的Cr。

本发明通过在其工作壁外侧腹板部位置形成有具有隔热功能的覆盖层，在保证对铸坯表面及心部质量控制水平的前提下，弱化腹板部特别是腹板中心部的散热强度，使腹板部、腹板中心部冷却速度减缓，既避免了由于急剧冷却产生的应力对坯壳腹板部的影响和破坏，又避免了由于初生坯壳较早收缩形成的不均匀气隙导致的热阻不受控制增加、影响坯壳均匀生长的缺陷，使坯壳腹板部均匀散热，从而提高凝固质量，杜绝裂纹等严重质量问题。

附图说明

图1为本发明优选实施例一的剖视结构示意图；

图2为本发明优选实施例二的剖视结构示意图；

图3为本发明优选实施例三的剖视结构示意图；

图4为本发明优选实施例四的剖视结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明。

为了改善现有H型管式结晶器腹板冷却不均匀的问题，本发明提供了一种能够改善H型连铸坯腹板冷凝质量的H型管式结晶器，其工作壁外侧腹板部位置涂镀或贴附一层具有隔热功能材料构成的覆盖层。不论工作壁内表面是否设置有镀层或者涂层，在工作面外层腹板部位置处均可涂镀或贴附该隔热用的覆盖层。

图1示出了本发明优选实施例一的剖视结构，如其所示，该优选实施例一包括腹板1，工作外壁的腹板1中心处设有覆盖层2，覆盖层2由耐高温、耐腐蚀、导热系数小于形成本优选实施例一的材料导热系数的金属陶瓷材料或金属材料形成。其中，工作内壁是H型管式结晶器的形成（即接触）H型铸坯的界面，工作外壁是与工作内壁相反的表面（即不接触H型铸坯），腹板1形成H型铸坯的界面属于工作内壁的一部分。覆盖层2的宽度W等于腹板1的宽度B，也即覆盖层2的宽度B与腹板1的宽度W的比例为1。在其他实施例中，覆盖层2的宽度W与腹板1的宽度B的比例最好为1/4～1，例如图2-图4所示的优选实施例，覆盖层2的宽度W与腹板1的宽度B的比例均小于1。

在图1所示的优选实施例一中，覆盖层2为等厚层。在其他实施例中，也可以将覆盖层设置为非等厚层，中间部分的厚度大于两边缘部分的厚度。

如图2所示，本发明优选实施例二的覆盖层2的宽度W小于覆盖1的宽度B，并且覆盖层2为等厚层。另外，覆盖层2可以为带有30°～80°倒角的等厚度隔热材料层或不带倒角的非等厚度隔热材料层，更优选地，隔热材料层1可以是带45°倒角的等厚度隔热材料层，例如图3所示的本发明优选实施例三。

具体地讲，带有倒角的等厚度隔热材料层在安装、运输过程中不易损坏。此外，由于腹板1较薄、散热强，特别是腹板1的中心位置散热最快，翼缘或靠近翼缘的区域散热较慢，散热不均匀会对铸坯质量产生负面影响，因此为了使隔热效果均匀过渡，当采用隔热系数较大的材料时，使用不等厚的设计可以使隔热效果在所覆盖区更合理。

在图1至图3分别所示的优选实施例一至优选实施例三中，当覆盖层2为等厚度隔热材料时，厚度范围为0.5mm～8mm，例如0.5mm、1mm、3mm、5mm、8mm。如图4所示优选实施例四，当覆盖层2为不等厚隔热材料层时，覆盖层2的厚度为两边缘部分薄中间部分厚，也即，边缘部分的厚度T1小于中间部分的厚度T2。优选地，两边缘部分从0.1mm～1mm的厚度T1平滑过渡到中间部分0.5mm～8mm的厚度T2。对于热阻值不同的材料，可选择不同的隔热层厚度来获得对腹板部的隔热效果。

再如图2所示，本发明示例性实施例二为550mm×440mm×90mm的H型管式（坯管式）结晶器，其具有H型形状，并在腹板1两个外侧壁处形成有金属陶瓷镀膜形成的覆盖层2。覆盖层2为不带倒角的等厚度镀膜，其宽度W为20mm，厚度T为1.6mm，长度（未示出）为本优选实施例二的结晶器的深度。此外，除了本优选实施例二外侧壁的腹板部处之外，在外侧壁的其他部分处没有形成涂镀层。在本优选实施例二中，覆盖层2包含按重量计86%的Ni、6%的Al2O3、8%的ZrO2。

再如图3所示，本发明优选实施例三为550mm×440mm×90mm的H型管式结晶器，其具有H型形状，并在腹板1两个外侧壁处形成有金属陶瓷镀膜材质的覆盖层2。覆盖层2为带有45°倒角的等厚度镀膜，其宽度W为22.5mm，厚度T为2mm，长度（未示出）为本优选实施例三的结晶器的深度。此外，除了本优选实施例三外侧壁的腹板部处之外，在外侧壁的其他部分处没有形成涂镀层。本优选实施例三的覆盖层2包含按重量计82%的Ni、12%的Al2O3、6%的Cr。

在如图4所示，本发明优选实施例四为550mm×440mm×90mm的H型管式结晶器，其具有H型形状，并在腹板1两个外侧壁处形成有金属陶瓷镀膜构成的覆盖层2。覆盖层2为不带倒角的不等厚度镀膜，其初始的边缘部分的厚度T1为0.4mm。腹板2的中心部分的厚度T2最厚处为5mm，即，从腹板1中心部分的5mm平滑过渡到0.4mm。此外，除了本优选实施例四外侧壁的腹板部处之外，在外侧壁的其他部分处没有形成涂镀层。在本优选实施例四中，覆盖层2包含按重量计87%的Ni、10%的Al2O3、3%的Cr。

本领域技术人员应当理解，虽然上述优选实施例二-优选实施例四均以规格为550mm×440mm×90mm的H型管式结晶器为例进行举例说明，但本发明不限于此。

上述本发明优选实施例一-优选实施例四的覆盖层2可以采用现有技术的热喷涂、电镀、化学镀的方法与基体腹板1牢固结合，也可以采用焊接、粘附的方法与腹板1结合。

具体地讲，构成覆盖层2的隔热材料可以由耐高温、耐腐蚀、导热系数比腹板1所用材料的导热系数小的金属陶瓷和金属材料构成。例如，本发明的器壁为铜质时，也即腹板1为铜质时，隔热材料可以由耐高温、耐腐蚀、导热系数比铜的导热系数小的金属陶瓷材料和金属材料（，如铝合金、硬铝、黄铜、青铜、不锈钢等）构成。这里，金属陶瓷材料是由陶瓷硬质相与金属或合金粘结相组成的材料，金属陶瓷具有高强度、高硬度、耐磨损、耐高温、抗氧化和化学稳定性等特性。实施时，可以通过以下工艺来获得所需的金属陶瓷材料镀膜层（覆盖层2）：在电镀液中混入超细陶瓷粉末，采用被镀金属作为阳极，在将金属离子附着在基体上的同时，将溶液中悬浮的超细陶瓷粉末带入。

综合上述，现将本发明的具体原理解释如下：

H型管式结晶器内铸坯腹板处坯壳受结晶器壁作用，可看做处于一维传热状态，与翼缘相比厚度较薄，热流量大使腹板急剧冷却，腹板坯壳中心处与两端相比存在温度梯度，在冷却强度一样的情况下，铸坯腹板中部冷却较快，较早形成坯壳，两端冷却较慢，较晚形成坯壳，从而导致腹板坯壳受应力作用，严重时腹板中部坯壳在应力作用下形成腹板纵向裂纹。由于腹板中部冷却快，使初生坯壳收缩较早，从凝固开始就形成不均匀气隙，导致热阻急剧增加，影响坯壳均匀生长。无论内表面是有无镀层、涂层的结晶器，都无法改变结晶器原来的导热性。基于上述情况，本发明在工作壁外侧腹板部位置形成具有隔热功能的覆盖层，在保证现有结晶器对铸坯表面及心部质量控制水平的前提下，弱化腹板部、腹板中心部的散热强度，使腹板部、腹板中心部冷却速度减缓，既避免了由于急剧冷却产生的应力对坯壳腹板部的影响和破坏，又避免了由于初生坯壳较早收缩形成的不均匀气隙导致的热阻不受控制增加，影响坯壳均匀生长，使坯壳腹板部均匀散热。

测试表明，通过在腹板部覆盖隔热材料形成的覆盖层，可以使腹板部的热流量降低22%～43%，从而有效改善腹板部散热过快的问题，大大避免了由于腹板较薄、冷却水流量大、散热大且快导致的急剧冷却引起的腹板中部纵向开裂等缺陷。

综上所述，本发明具有如下优点：

第一，结构简单、投资少、易于实现和维护。

第二，不影响现有技术对连铸坯表面及心部的质量控制水平。

第三，使坯壳腹板部位置的温度降低减少，从而使由于收缩小而形成的气泡小，有助于坯壳均匀生长。

第四，可以广泛应用于内表面没有镀层或涂层的H型结晶器以及内表面镀有比铜耐磨的金属或合金的H型管式结晶器。

由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。

Claims (10)

1.一种H型管式结晶器，包括腹板，其特征在于，

所述H型管式结晶器的工作外壁的腹板中心处设有覆盖层，在工作外壁的其他部分不形成覆盖层，

所述覆盖层由耐高温、耐腐蚀、导热系数小于形成所述H型管式结晶器材料导热系数的金属陶瓷材料形成，

所述金属陶瓷材料是由陶瓷硬质相与金属或合金粘结相组成的材料，

所述金属陶瓷材料形成的覆盖层，通过在电镀液中混入超细陶瓷粉末，采用被镀金属作为阳极，在将金属离子附着在基体上的同时，将溶液中悬浮的超细陶瓷粉末带入的方式形成。

2.根据权利要求1所述的H型管式结晶器，其特征在于，

所述覆盖层宽度与所述腹板宽度的比例为1/4～1。

3.根据权利要求1所述的H型管式结晶器，其特征在于，

所述覆盖层为等厚层。

4.根据权利要求3所述的H型管式结晶器，其特征在于，

所述覆盖层为设有30°～80°倒角的等厚层。

5.根据权利要求4所述的H型管式结晶器，其特征在于，

所述覆盖层为设有45°倒角的等厚层。

6.根据权利要求1所述的H型管式结晶器，其特征在于，

所述覆盖层为非等厚层，且所述覆盖层的两边缘部分薄中间部分厚。

7.根据权利要求3所述的H型管式结晶器，其特征在于，

所述覆盖层的厚度范围为0.5mm～8mm。

8.根据权利要求6所述的H型管式结晶器，其特征在于，

所述覆盖层的边缘部分厚度为0.1mm～1mm，所述覆盖层的中间部分厚度为0.5mm～8mm，且从两边缘部分平滑过渡到中间部分。

9.根据权利要求1所述的H型管式结晶器，其特征在于，

所述H型管式结晶器由铜制成。

10.根据权利要求1所述的H型管式结晶器，其特征在于，

所述覆盖层包含按重量计82％的Ni、12％的Al₂O₃、6％的Cr；或者所述覆盖层包含按重量计86％的Ni、6％的Al₂O₃、8％的ZrO₂；或者所述覆盖层包含按重量计87％的Ni、10％的Al₂O₃、3％的Cr。