CN108838352A - 一种双水套结构的结晶器 - Google Patents

Abstract

本发明设计一种双水套结构的结晶器，包括管状主体、外部水套和两分式水套；外部水套安装在管状主体外，两分式水套嵌合在管状主体与外部水套之间的上部。管状水套下部有硬质点、***纵向加工有深度及宽度不同的纵向凹槽，外部水套的内腔与各肋条顶面有间隙；两分式水套的外框周向尺寸与肋条减小前高度一致；两分式水套内腔与肋条之间留有间隙且与管状主体之间通过紧固件固连，两分式水套位于金属液面以上50mm至金属液面以下150～250mm范围内，其材质刚度高于管状主体材质刚度。有利于加快两分式水套内冷却液流速，有利于满足坯壳与结晶器之间换热强度变化的需求，增加了管状主体的抗变形能力。在提高拉速的同时，还提升铸坯质量。

Description

一种双水套结构的结晶器

技术领域

本发明涉及一种双水套结构的结晶器，具体涉及用于大小铸坯的长金属产品连续铸造用结晶器，属于钢铁冶金机械行业连铸技术领域。

背景技术

冶金连铸行业的方形、矩形及多边形截面铸坯的金属凝固过程中，液态金属浇入结晶器铜管后，在铜管外部冷却水的作用下沿结晶器内壁逐渐结晶凝固，形成坯壳并发生凝固收缩，由于结晶器内角部区域的金属受到相邻两面铜管的冷却，它比边部冷却强度大，这将导致角部金属与边部金属温度差异，以及坯壳厚度及收缩不均匀等问题，从而增加了铸坯角裂的倾向，进而限制了铸机的拉坯速度；另一方面，在结晶器内金属液面附近，由于浇铸过程中液面波动，以及该处高温金属液体直接与冷却主体接触，使得此处热流远远大于其它部分，容易造成冷却主体内表面温度过高，并引起热变形等问题。

针对上述问题，现有技术中有许多公开了的解决方案。例如：中国专利“用于连续铸造的结晶器”（CN103328130 A）是通过侧壁厚度上加工冷却通道，实现铸坯的均匀换热，并通过在金属液面附近减薄冷却主体厚度的方法，加强其在该位置的热交换强度，虽然能有效的解决所述问题，但在侧壁厚度上钻孔这种方式要求壁厚达到一定要求，并且在具有一定弧度的壁厚上钻孔，其加工难度大，进而导致实施成本很高，难以被广泛应用；中国发明专利“用于连续铸造的结晶器及其生产方法”（CN105473253A）是采用铜管外壁加工多个纵向凹槽，并在外表面缠绕树脂或玻璃钢等多个纤维材料层或覆盖式粘合剂，以实现对铜管的均匀冷却效果，该技术方案虽然解决了铸坯与铜管之间换热强度增加的问题，但没有考虑到通过在该位置增强铜管与水之间的换热强度来提高铜管的换热效率问题；还有如中国发明专利“双曲线型结晶器铜管”（201110324670.5）所述的，采用结晶器内腔锥度曲线为双曲线，设置四个面的锥度曲线均为双曲线，同时，在弯月面附近有较大曲线梯度，以便更好地迎合弯月面附近对锥度的要求，更好地适应结晶器纵向上坯壳的收缩, 使得结晶器纵向气隙厚度进一步减小, 有效消除气隙的不良影响, 增强了整个结晶器的传热效果，但该方案的不足之处是：该方案只是从内腔形状上解决由于铸坯收缩引起的气隙问题，不能解决铸坯在凝固过程中沿截面周向的冷却不均匀问题。同样的，发明专利“一种铸铁水平连续铸造双水套式结晶器”（201410571277.X），包括钢套和镶嵌在钢套内的高纯石墨套，钢套包括内套和外套，内套上设有梯形截面螺旋水道，水道中设有将水道分成水道I和水道II两部分的隔板，水道I和水道II上分别设置有进出水管，该发明充分发挥双水套分别控制的水平连铸工艺优势，避免漏钢，可提高拉拔速度，但不足之处是：该方案所采用的螺旋式水槽虽然可以增加换热效率，但仍然不能解决铸坯在凝固过程中沿截面周向的冷却不均匀问题。

综上所述，有必要设计一种通过双水套的结晶器结构，以利于在结晶器内形成组合式冷却通道内腔，使得铸坯与冷却主体之间不但换热均匀，并且能够有效地将金属液面附近高的热流迅速带走。

发明内容

本发明目的是针对背景技术所提出的问题，设计一种双水套结构的结晶器，其创新思路是：由于结晶器所承受的热—机械应力最大的区域是跨越金属液面的区域，因此冷却液与结晶器之间的换热系数，特别是跨越金属液面附近的换热系数，直接影响结晶器管状主体内的塑性变形程度，所述机械应力是由金属液面附近区域内高温液态金属所产生，而塑性变形是操作状态下结晶器管状主体内壁所经受的塑性变形。因为结晶器的工作寿命与每个热循环内积累的塑性变形呈反比，因此，如何有效的控制结晶器内的温度场，以确保在有效状态下延长结晶器工作寿命，是极其重要的技术手段。

为达到上述技术目的，本发明通过如下技术方案实现：

一种双水套结构的结晶器，所应用的结晶器的特征首先在于其双水套式的结构所构成的冷却液通道，即保证了结晶器与被凝固金属之间的均匀换热，又通过减小金属液面位置附近的水流面积，提高该位置的冷却液流速的方法，增加该位置冷却液与管状主体之间的换热系数，从而降低该位置结晶器的热面温度，减小机械应力及塑性变形。

本发明所公开结晶器具有纵向凹槽，所述纵向凹槽用于冷却液通过并被直接加工在管状主体表面，各纵向凹槽之间是凸起的肋条，各纵向凹槽沿管状主体某一侧面上非均匀分布，其分布形式与凹槽深度尺寸通过有限元温度场模拟的方法确定，用以满足管状主体内壁均匀受热。

本发明结晶器的特征在于：所述管状主体上部一定高度区域范围内凸起的肋条上加工有厚度减小区，所述厚度减小区的位置位于金属液面以上50mm至金属液面以下150～250mm，减小厚度为2～4mm，其目的在于减小该位置的水流截面积，从而提高该位置的冷却液流速，进而增大冷却液与管状主体之间的换热系数。

进一步地，所述管状主体上部一定高度区域范围内厚度减小区的外部，设置有两分式水套，所述两分式水套的高度与管状主体厚度减小区高度一致，两分式水套与管状主体合体后，两分式水套内腔尺寸与管状主体厚度减小区的外形尺寸一致，设定：两分式水套厚度等于管状主体厚度减小量再加0.1～1mm；两分式水套通过沉头螺钉固定在管状主体上。其有益效果之一是通过两分式水套减小了流经该处的冷却液流动面积，提高了冷却液的流速，增大了冷却液与结晶器之间的换热系数；其二是两分式水套可采用比管状主体刚度更高的材料，两分式水套与管状主体固定在一起，则增加了管状主体的抗变形能力，从而减小塑性变形。

本发明结晶器还设置有外部水套，所述外部水套的内腔横截面尺寸等于管状主体下部横截面外形尺寸加0.1～1mm，以利于管状主体与两分式水套构成的组合体置于外部水套内腔内，其所留间隙有利于结晶器的安装方便。

更进一步地，本发明结晶器还特别考虑到结晶器的耐磨性问题，在所述管状主体下部一定高度区域范围内，嵌入具有耐高温、耐磨损性质的硬质点，所述硬质点通过螺纹连接方式镶嵌在管状主体下部10～40mm高度范围内；硬质点镶嵌在导热性良好的管状主体上，对于其抵抗凝固后金属的磨损起到了“钉扎”的作用。

本发明的有益效果是：

1、根据对连铸结晶器内钢水凝固过程中坯壳与结晶器之间，以及结晶器与冷却水之间传热特性的研究，并通过铜管内部预埋热电偶的方法进行测温验证，总结推演出的结晶器内热流传递规律，以确定本发明所刻凹槽的大小、形状及布置。

2、管状主体上部一定高度区域范围内加工有厚度减小区，符合高拉速结晶器对连铸过程中坯壳与结晶器之间换热强度变化的需求；所述纵向凹槽的刻槽沿周长方向尺寸及布置满足结晶器铜管内面与铸坯之间换热均匀的需求。

3、铜管的内腔采用梅花型结晶器铜管设计，以利于铸坯与结晶器之间的气隙均匀。

4、在铜管的下部设置硬质点，有利于结晶器耐磨，以提高铜管的使用寿命。

5、两分式水套可采用比管状主体刚度更高的材料，两分式水套与管状主体固定在一起后，增加了管状主体的抗变形能力，从而减小塑性变形。

附图说明

图1为本发明 “一种双水套结构的结晶器” 实施例三维立体结构示意图；

图2为图1中部分切开外部水套后展现的三维立体结构示意图；

图3为本发明 “一种双水套结构的结晶器” 实施例沿一侧面方向正视图；

图4为图3沿垂直中心线剖开后展现的内部结构示意图；

图5为图3沿另一侧面剖开后展现的内部结构示意图；

图6为图3之A向示意图；

图7为图5沿C—C剖开示意图；

图8为图7之B处放大示意图。

附图中的标记说明：1—管状主体，2—两分式水套，3—外部水套，4—沉头螺钉，5—硬质点，a—宽凹槽宽度,b—窄凹槽宽度。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例作进一步说明，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内，本技术方案中未详细述及的，均为公知技术。

参见图1～图5，本发明一种双水套结构的结晶器，包括：管状主体1、两分式水套2和外部水套3，所述管状主体1与两分式水套2构成组合体，所述外部水套3包覆在组合体的外部，外部水套3与组合体之间构成冷却液通道，即保证了结晶器与被凝固金属之间的均匀换热，连铸过程中，钢液自图1中管状主体1的上部流入，凝固后的铸坯从下部拉出。两分式水套2位于管状主体1上部，从图2或图4可看出，本发明结晶器结构，实际上是在外部水套3与管状主体1之间的上部嵌入了一个两分式水套2夹层，所述夹层即为两分式水套2，该夹层的作用之一是减小金属液面位置附近的水流截面积，从而提高了该位置的冷却液流速，进而增大了该位置冷却液与管状主体1之间的换热系数，达到降低该位置结晶器的热面温度，减小机械应力及塑性变形效果。

参见图2、3、6和图7，管状主体1的***上加工有宽窄不等且深度各异的纵向凹槽，各纵向凹槽之间为肋条，纵向凹槽用于冷却液通过，纵向凹槽直接加工在管状主体1表面，纵向凹槽沿管状主体1某一侧面上非均匀分布，其分布形式与凹槽深度尺寸通过有限元温度场模拟的方法确定，用以满足管状主体1内壁均匀受热。

参见图2、4和图5，所述管状主体1表面上部一定高度区域范围内的肋条上加工有厚度减小区，本发明实施例中，所述厚度减小区的位置设置在位于金属液面以上50mm至金属液面以下150～250mm尺寸范围内，减小区所减小的厚度为2～4mm，由于该减小区外部包覆有两分式水套2，使得冷却液只能沿着两分式水套2内部流过，所以减小该位置的水流截面积，从而提高了该位置冷却液流速，进而增加了冷却液与管状主体1之间的换热系数。

参见图2、7和图8，所述管两分式水套2高度与管状主体1厚度减小区的高度相等，两分式水套2包覆在管状主体1外部形成组合体后，两分式水套2的内腔尺寸与管状主体1的厚度减小区的肋条之间留有均匀一致的间隙，本发明实施例中，设置管状主体1的厚度减小区肋条与两分式水套2的内壁之间间隙量为0.1～1mm；所述两分式水套2通过一定数量及均匀布置的沉头螺钉4固定在管状主体1上，两分式水套2的材质刚度高于结晶器管状主体1的刚度。由于两分式水套2减小了该位置的冷却液流动截面积，提高了冷却液的流速，增大了冷却液与结晶器之间的换热系数，同时，两分式水套2采用刚度更高的材料，与管状主体1固定在一起后，即增加了管状主体1的抗变形能力，从而减小了结晶器在工作中的塑性变形。

参考图2和图4，图中外部水套3的内腔尺寸略大于管状主体1的外形尺寸，具体设置为管状主体1的外形尺寸加0.1～1mm，此时将管状主体1与两分式水套2构成的组合体置于外部水套3内腔中时，所留间隙有利于结晶器的安装方便。

图1中所述管状主体1下部一定高度区域范围内，嵌入具有耐高温、耐磨损性质的硬质点5，所述硬质点5通过螺纹连接方式镶嵌在管状主体1下沿以上10～40mm高度范围内。通过将硬质点5镶嵌在导热性良好的管状主体1上方式，有利于抵抗凝固后金属的磨损，起到了“钉扎”的作用。

采用本发明技术方案实施例，能够获得较强的移除结晶器上部区域内部热量的能力，符合高拉速结晶器对连铸过程中坯壳与结晶器之间换热强度变化的需求；所述纵向凹槽沿周长方向的尺寸及布置满足结晶器铜管内面与铸坯之间换热均匀的需求，如图7所示，管状主体1***加工的纵向凹槽为不均匀式分布，纵向凹槽的宽度有至少二种规格，其中宽凹槽的宽度a大于窄凹槽的宽度b，各纵向凹槽所加工的深度也不相同。此外，管状主体1的内腔采用梅花型结晶器铜管设计，以利于铸坯与结晶器之间的气隙均匀；在管状主体1的下部，采用带硬质点5耐磨结晶器设计，以提高结晶器铜管的使用寿命。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语 “长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、、“水平”、“纵向”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”、“固连”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

Claims (5)

1.一种双水套结构的结晶器，包括：呈弧状的管状主体和外部水套；所述外部水套安装在管状主体的外部，所述管状主体的内腔采用梅花型结晶器铜管结构，液态金属自管状主体上部浇入，在外部冷却液的作用下沿结晶器内壁逐渐结晶凝固后，自下部被连续拉出，管状主体的下部出铸坯处的周边镶嵌有对低硬度的管状主体基体起钉扎作用的硬质点；沿管状主体***纵向加工有设定数量的纵向凹槽，各纵向凹槽之间为凸起的肋条，所述纵向凹槽的宽度有至少二种规格；所述外部水套的内腔与各肋条顶面之间设置有0.1～1mm的间隙；其特征在于：

所述管状主体上部设定的高度区域范围内凸起的肋条上，加工有厚度减小区，所述厚度减小区的外部设置有两分式水套，所述两分式水套的外框周向尺寸与未加工厚度减小区前的肋条高度一致，两分式水套上下端与所述各肋条嵌合；两分式水套内腔与肋条之间留有间隙，两分式水套与管状主体上的肋条之间通过紧固件固连。

2.如权利要求1所述一种双水套结构的结晶器，其特征在于：设置所述厚度减小区的位置位于金属液面以上50mm至金属液面以下150～250mm范围内。

3.如权利要求1或2所述一种双水套结构的结晶器，其特征在于：设置所述厚度减小区肋条的减少量为2～4mm。

4.如权利要求1所述一种双水套结构的结晶器，其特征在于：设置所述两分式水套内腔与肋条之间留有的间隙量为0.1～1mm。

5.如权利要求1所述一种双水套结构的结晶器，其特征在于：设定所述两分式水套材质刚度高于管状主体材质刚度。