CN111745136B - 一种结晶器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种结晶器，属于金属连续铸造领域。包括由四块铜板合围而成的铜管，其中两块相向设置的铜板为宽面板，另两块相向设置的铜板为窄面板；沿结晶器浇铸方向，宽面板的板面呈曲线变化、且其入口及出口端处的曲率均不为0；沿结晶器水平方向，宽面板的板面呈分段函数曲线变化。该设计可使结晶器在有限长度内、铸坯坯壳整体应变小，改善了铸坯质量。克服了传统薄板坯结晶器铸坯坯壳在结晶器内应变速率过大的问题。应变速率降低，还改善了铸坯表面的裂纹缺陷、减少了铸坯对结晶器铜板镀层的磨损。结晶器内凹曲线在其出口处设置一定深度，不但能使得结晶器的使用寿命延长，还降低了设备加工难度。

Description

一种结晶器

技术领域

本发明属于金属连续铸造领域，具体涉及一种结晶器。

背景技术

薄板坯连铸连轧工艺因其具有工艺简化、生产流程短、设备少、节约能源、成材率高等优点，能够更加灵活的面对市场，成为近年来钢铁生产公司的重点投资对象。薄板坯连铸连轧技术与常规连铸技术的最主要差异在于结晶器。众所周知，为了解决结晶器与水口间隙的钢液流动等问题，故将结晶器设计成上大下小的漏斗形，但这样的设计使坯壳在结晶器内受到额外应力而容易产生裂纹缺陷，因此，结晶器的内腔形状曲线则显得格外重要，作为薄板坯连铸核心技术，结晶器的内腔形状曲线设计一直受到业内人士的格外关注。

现有薄板坯漏斗形结晶器技术中，其横向和纵向曲线包括：由多段直线连接而成、直线与圆弧连接而成、由双弧和椭圆形成或多项式曲线组合而成。约束曲线的边界条件包括：曲线端点数值、曲线一阶导数连续、曲线二阶导数连续、曲线三阶导数连续、曲线曲率恒定、曲线曲率变化率最小、曲线曲率变化率恒定等，以求解出最终的曲线方程。

申请号为201910263801.X的中国专利申请《基于缓和曲线的薄板坯漏斗形结晶器宽面铜板及制备方法》，公开了一种基于缓和曲线的漏斗形结晶器腔形曲线，在结晶器的水平方向，曲线表达为

在结晶器的浇注方向，曲线表达为

约束曲线的边界条件则为结晶器出入口的数值等。

申请号为200410015897.1的中国专利申请《一种水冷的金属连铸结晶器》，公开了一种漏斗形结晶器腔形曲线，在结晶器的水平方向，其横截面轮廓曲线的曲线部分方程表达为 F(x)＝a₀+a₁x+a₂x²+a₃x³+a₄x⁴+a₅x⁵+a₆x⁶，在结晶器的浇注方向，其纵向截面轮廓曲线的曲线部分方程表达为F(z)＝b₀+b₁z+b₂z²+b₃z³+b₄z⁴+b₅z⁵，约束曲线的边界条件为曲线三阶以上倒数连续等。

《理想薄板坯连铸结晶器内腔宽面部分曲面的获得》一文中，公开了结晶器在浇注方向上采用的曲线为

约束曲线的边界条件为曲线在端点的一阶导和二阶导均为零，且曲率的变化率的最大值最小。

然而，上述曲线均有以下不足之处：

1)因存在“在浇注方向上结晶器入口和出口处曲线的曲率为0”、或是“纵向曲线在很短区间内通过圆弧过渡”、或是“在结晶器内曲率变化率大”等问题，导致铸坯在结晶器有限长度内、铸坯的应变速率增大，增加了连铸坯壳在结晶器内的应力应变。

2)漏斗形区域通常在“结晶器中下部”、“结晶器出口”或是“延长至导向段中”等位置结束；而在结晶器中下部结束必然导致漏斗区域短、应变和应变速率增大；在结晶器出口结束则使结晶器出口处铜板容易磨损，铜板在线寿命缩短；在导向段中结束，则导向段需做成凹槽辊，增加了加工难度。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种结晶器，以克服薄板坯坯壳在结晶器内应变速率过大的问题。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种结晶器，包括由四块铜板合围而成的铜管，其中两块相向设置的铜板为宽面板，另两块相向设置的铜板为窄面板，宽面板的宽度大于窄面板的宽度；沿结晶器浇铸方向，宽面板的板面呈曲线变化、且其入口及出口端处的曲率均不为0；沿结晶器水平方向，宽面板的板面呈分段函数曲线变化。

进一步，窄面板为光滑平面或曲面。

进一步，窄面板为半圆柱曲面。

进一步，宽面板为入口及出口端均呈内凹形状的内凹曲面；其中出口处的内凹深度不大于10mm。

进一步，沿结晶器浇铸方向，宽面板的板面曲线为：

其中n＞2；a_i为系数；z为浇注方向z向的坐标值，单位mm。

进一步，宽面板沿板面中心左右对称。

进一步，以宽面板的板面中心为界，其一侧的分段函数曲线为：

其中：y—在结晶器的z高度位置，x方向上某一坐标位置所对应的宽面板的y向坐标值，单位mm；

单位mm；

单位mm；

x—水平方向x向的坐标值，单位mm；

C₁、C₂、C₃均为分段函数的边界点。

本发明的有益效果在于：

该结晶器中的铜管的宽面板板面为内凹曲面，通过将结晶器的宽面板板面设计成纵向内凹曲线，而该内凹曲线在其入口处和出口处的曲率均不为0，可使结晶器在有限长度内、铸坯坯壳整体应变小，改善了铸坯质量。克服了传统薄板坯结晶器铸坯坯壳在结晶器内应变速率过大的问题。应变速率降低，还改善了铸坯表面的裂纹缺陷、减少了铸坯对结晶器铜板镀层的磨损。结晶器内凹曲线在其出口处设置一定深度，不但能使得结晶器的使用寿命延长，还降低了设备加工难度。而在垂直于浇注方向，采用分段函数可缓解因曲面形式导致的铸坯应力集中，在一定程度上起到了减少裂纹缺陷的作用。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为漏斗结晶器的三维视图；

图2为漏斗结晶器的顶底对比图；

图3为漏斗结晶器的顶底对比局部放大图；

图4为参数推导过程示意图；

图5为沿浇铸方向结晶器中心线处内凹深度变化图；

图6为沿浇铸方向内凹曲线的半径变化曲线图；

图7为沿浇铸方向内凹曲线的曲率变化曲线图。

附图标记：

宽面板Ⅰ—1、宽面板Ⅱ—2、窄面板Ⅰ—3、窄面板Ⅱ—4、宽面板宽度—W₁、窄面板宽度—W₂。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”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，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，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的具体含义。

请参阅图1～图4，为一种结晶器，包括由四块铜板合围而成的铜管，其中两块相向设置的铜板为宽面板，对应记做宽面板Ⅰ1、宽面板Ⅱ2，另两块相向设置的铜板为窄面板，对应记做窄面板Ⅰ3、窄面板Ⅱ4；宽面板Ⅰ1与宽面板Ⅱ2的宽度W₁大于窄面板的宽度W₂。沿结晶器浇铸方向，宽面板的板面呈曲线变化、且其入口(亦称之为“上口”)及出口(亦称之为“下口”)端处的曲率均不为0；沿结晶器水平方向，宽面板的板面呈分段函数曲线变化。

具体的，如图1所示，以结晶器的上口端面为水平面、以宽面板板面中心为竖直面，且 X轴与宽面板Ⅰ1入口端上某一直线段重合，建立空间直角坐标系。该空间直角坐标系中，z 轴即为浇铸方向，x轴与y轴所在平面即为垂直于浇铸方向的水平面(亦为“上口端面”)。

在建立的空间直角坐标系中，如图3所示，将该结晶器中的铜管入口处的内凹深度记为 L_t，出口处的内凹深度记为L_b，其中，L_t＞L_b，优选L_b不大于10mm，即铜管下口处的内凹深度不大于10mm。将该结晶器内凹曲线在其出口处设置一定深度，可延长结晶器的使用寿命，同时降低了设备加工难度。

在满足上述要求的前提下，沿结晶器浇铸方向，宽面板的内凹曲面曲线为：

其中n＞2；a_i为系数；z为浇注方向z向的坐标值，单位mm。

将该结晶器中铜管的窄面板为光滑平面或曲面。优选的，窄面板为半圆柱曲面，此时的的宽度W₂即为半圆柱直径。

优选的，宽面板沿板面中心左右对称。即参照图1、图2，宽面板I 1与宽面板II 2关于yoz所在平面左右对称。

以宽面板的板面中心为界，即以yoz所在平面为界，yoz所在平面右侧的宽面板I1在垂直于浇注方向上，曲线呈分段函数变化。

如图2、图4所示，该分段函数分为4个区间，分别为AB、BC、CD、DE，不同区间的y 值由不同的函数所表示。

对于OB′区间：y＝y_max， ——(0)。

对于B′C′区间，任意y＝PP′，根据相似三角形定理可知ΔO″B′K与ΔPP′K相似，则：

其中：KP′＝x-OB′-B′K， ——(2)；

B′O″＝BO″-BB′＝r-y_max， ——(3)；

联立式(4)和式(5)，可得

联立式(1)、(2)、(3)与式(6)，可得：

对于C′D′区间：任意y＝QQ′＝O′D′-O′D″＝r-rcosβ， ——(8)；

且

联立(8)和式(9)，可得

对于D′E′区间：y为0，即y＝0， ——(11)。

综合式(0)、(7)、(10)与(11)，即可将该分段函数y由以下关系式表示：

其中：y为x和z的函数，其是在结晶器的z高度位置，x方向上某一坐标位置所对应的宽面板的y向坐标值，单位mm；

r是中变变量，根据三角形相似原理，ΔO′D′N相似于ΔO″B′N，由此可知：

sinγ²+cosγ²＝1， ——(15)；

联立式(12)至式(15)可得：

单位mm；

ΔE是中变变量，

单位mm；

x为x向的坐标值，单位mm；

C₁为分段函数的边界点，即图4中的B＇点；C₁可以为0，即表示该段直线段可以不存在；

C₂为分段函数的边界点，即图4中的C＇点；

C₃为分段函数的边界点，即图4中的D＇点；x≥C₃的直线段可以不存在。

该结晶器中的铜管的宽面板板面为内凹曲面，通过将结晶器的宽面板板面设计成纵向内凹曲线，而该内凹曲线在其入口处和出口处的曲率均不为0，可使结晶器在有限长度内、铸坯坯壳整体应变小，改善了铸坯质量。克服了传统薄板坯结晶器铸坯坯壳在结晶器内应变速率过大的问题，应变速率降低，还改善了铸坯表面的裂纹缺陷、减少了铸坯对结晶器铜板镀层的磨损。而在垂直于浇注方向，采用分段函数可缓解因曲面形式导致的铸坯应力集中，在一定程度上起到了减少裂纹缺陷的作用。

以下通过具体实施例来验证说明：

某钢厂的连铸结晶器，由四块铜板合围而成，两块为宽面板，两块为窄面板，如图1所示，其中，宽面板板面为内凹曲面，该内凹曲面沿浇铸方向呈曲线变化且在结晶器入口和出口处的曲率均不为0。沿垂直于浇铸方向，该曲线呈分段函数曲线变化。

具体的，如图2和图3所示，该结晶器入口和出口处均呈内凹形状，其入口处的内凹深度为L_t＝＝40mm，出口处的内凹深度为L_b＝0.5mm。该曲线在结晶器入口处的曲率半径 r_t＝16000mm，在出口处的曲率半径r_b＝20000mm。

内凹曲面沿浇铸方向呈曲线变化，

当n＝3，即y＝a₀+a₁z¹+α₂z²+a₃z³，此时该曲线方程的约束条件如下：

其中：

由此解得该曲线方程为：

y＝40-6.74164842e-02z+3.14503903e-05z²-1.86677142e-09z³；

当窄面板为半径为50mm的半圆柱曲面，如图1所示，以宽面板对称轴右侧板面曲面为例，沿垂直于浇注方向上，曲线呈分段函数变化；

其中：C₁＝AB＝90mm；C₂＝AC＝270mm，C₃＝AD＝450mm；

此时：

则：

通过计算得到结晶器板表面曲面，其结晶器中心线内凹深度沿着浇铸方向变化如图5所示，内凹曲线的半径沿浇铸方向变化曲线如图6所示，内凹曲线的曲率变化率沿浇铸方向变化如图7所示，从图5～图7可知，该曲线在结晶器上口曲率半径为16000mm，在结晶器下口曲率半径为20000mm，且在结晶器下口内凹深度为0.5mm，可以大幅减小铸坯坯壳在结晶器内的应变和应变率；提高了铸坯质量，且降低了设备加工的复杂程度。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.一种结晶器，包括由四块铜板合围而成的铜管，其中两块相向设置的铜板为宽面板，另两块相向设置的铜板为窄面板，宽面板的宽度大于窄面板的宽度；沿结晶器浇铸方向，宽面板的板面呈曲线变化、且其入口及出口端处的曲率均不为0；沿结晶器水平方向，宽面板的板面呈分段函数曲线变化；窄面板为光滑平面或曲面；其特征在于：窄面板为半圆柱曲面，宽面板沿板面中心左右对称；以宽面板的板面中心为界，其一侧的分段函数曲线为：

其中：y—在结晶器的z高度位置，x方向上某一坐标位置所对应的宽面板的y向坐标值，单位mm；

单位mm；

单位mm；

x—水平方向x向的坐标值，单位mm；

C₁、C₂、C₃均为分段函数的边界点。

2.根据权利要求1所述的结晶器，其特征在于：宽面板为入口及出口端均呈内凹形状的内凹曲面；其中出口处的内凹深度不大于10mm。

3.根据权利要求1～2任一所述的结晶器，其特征在于：沿结晶器浇铸方向，宽面板的板面曲线为：

其中n＞2；a_i为系数；z为浇注方向z向的坐标值，单位mm。

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