CN1123528A - 用于钢的连铸、特别是扁锭的连铸的改进型模具 - Google Patents

Abstract

一种特别适用于连铸扁锭的改进模具，它有两较宽壁，壁在一垂直平面中的纵剖线由若干互成圆角的曲线、特别是这样的圆弧构成，这些圆弧的弯曲半径从该纵剖线的切线为垂直的进口处接近无穷大的一值向下渐减，直到模具出口处的一已知底端连续曲线。该曲线为一圆弧，其圆心与模具的振动中心重合，且位于模具进口和出口之间的某一高度上。该纵剖线最好为从具有垂直切线的进口处直到所述底端圆弧的椭圆线，从而使该曲线连续变化。

Description

用于钢的连铸、特别是扁锭 的连铸的改进型模具

本发明涉及用于钢的连铸、特别是适用于连铸厚度最好小于70mm扁锭的改进型模具。

大家知道，即使在铸造厚度≥240mm和普通钢锭时，一般容许表皮的形成有一定的不均匀性，但在铸造上述扁锭时，由于主要在这些扁锭被直接送到轧制工段时的铸造速度很高(普通钢锭的最高铸造速度为1.5m/min，而扁锭的铸造速度为3—6m/min)，就会发生一系列问题，不均匀冷却导致产品质量下降，由于温度差别而形成各种颜色的纵向条条，从而使扁锭厚度不匀，主要在更高铸造速度下出现的另一个最严重的问题是在固化时表皮可能“开裂”，从而不可避免地危及整个铸造机。

DE—A—4031691公开了一种铸造扁锭的模具，它有两块具有中凹面的相对的内板和外板，这些板的第一长度大致垂直，它起自于该模具的进口区、终止于板高的一半处，然后在模具出口的最后部分呈曲线形，内板(拱腹板)的弯曲半径与外板(拱背板)的弯曲半径基本相同，也可小于一个扁锭的厚度。

其内外板按DE—A—4031691所述特征制造的模具虽然比现有模具具有不可否认的优点，特别就具有更好地冷却均匀性而言，而这对铸件不经中间工艺而直接送到轧制工段来说是极端重要的，但并没有解决铸件在弯度突然发生变动区域可能脱离模具壁的问题。这会造成纵向不连续性，从而不仅造成冷却不均匀，而且会造成局部机械应力(分别在拱腹板和拱背板上造成压缩和拉伸应力)，从而可能在应力最大区发生裂缝并最终造成钢水流出。

因此本发明旨在通过改进模具内外板本身的形状而使模具更好地工作，使铸件尽可能贴近模具壁，从而使铸件的散热最大并尽可能均匀，而弯度的变动从具有垂直切线的进口处向下直到最终的弧形部尽可能连续。因此对模具的拱腹板和拱背板的基本表面的纵向剖面线型部作了改进。

这些目的用具有权利要求1所述特征的，模具实现。

应该看到，按权利要求1基本特征所述的在一垂直平面中由若干互成圆角的曲线形成的模具纵剖线型或按权利要求2所述的椭圆形纵剖线型可用在上文DE—A—4031691中已提及的在上部区域具有中凹面的模具中，但也可用在没有这种中凹面、其较宽两边或相对内外板(拱腹板和拱背板)在上部进口边缘处大致平行的模具中。

从下面结合附图对本发明一非限制性优选实施例的详细说明中可更清楚看出本发明模具的上述和其它目的、优点和特征。附图中：

图1为构成本模具较宽两边的两板的纵向剖面图；

图2和图3分别例示出拱背板和拱腹板的基本表面的纵剖线的弯曲半径R—R₄的变动情况；以及

图4简示出通过一点B在该点与一半径为R的圆周线相切、在B点的弯曲半径为R的椭圆，而图4a为图4的放大详图，以便看得更清楚。

参看图1，本发明连铸模具由作为其较宽两边的分别为拱背板和拱腹板的铜板1和1a构成，也即这两板相对垂直线稍稍弯曲，从而连续地通向一特别适用于生产扁锭的连铸设备的下方弧形路径(未画出)。

如前所述，现有板中只在下部区域，即在约一半高度形成这一弯度，其余部分大致垂直。

两相对的板1、1a由任意已知类型水箱2、2a中的流体介质冷却。如上所述，模具的上部区域可有一中凹面，从而两板在横剖面中只在模具较小两边的端部处互相平行。事实上，两板在中部相距一更大距离，以便为浸没的喷嘴留出更多空间，从而确保钢水在板和喷嘴之间有足够宽的热稳定表面，从而有利于面上粉末的熔化而获得最佳润滑。无论如何，下文要说明的特征只着重于两板的纵剖线的弯曲而与有否中凹面无关，因而所述纵剖线或是板的内表面在不管哪一个纵剖面中的真正纵剖线，或是一理想的、所谓“基本”表面的纵剖线，上部表面在中部区域离开该表面而形成上述中凹面。仍就所述“基本表面”来说，它可以是具的中凹面的模具中的上述理想表面，或是两板的真正内表面。

为更清楚表示拱背板和拱腹板的基本表面的几何特征，可参看图2和图3，图中表示出图1所示模具板一实施例的内表面与一垂直平面相交而成的纵剖线的例子。在该两图中，0表示模具的位于该纵剖线约一半高度处的水平线上的振动中心，该振动中心与该纵剖线在模具出口处的最终部分的弯曲中心重合。按照现有技术，该纵剖线的弯曲中心与模具振动中心重合的这一最终部分沿着板的高度的约一半伸展而构成该基本表面的纵剖线的仅有曲线区，而其余基本为直线。

按照本发明，基本表面在垂直平面中的该纵剖线全部为曲线，它由互成连续圆角的具有不同半径的若干弯曲部分构成，换言之，相邻曲线之间的连接点处有共同切线而不形成拐角，直到该模具出口处的最终部分，该最终部分由其圆心与模具振动点重合的一段圆弧构成，从而两板的该圆弧具有预定半径，比方说在5000与5500mm之间(在图2中外板或拱背板的该圆弧的半径为5200mm)，而内板(拱腹板)的该半径相对于拱背板的半径小于扁锭的厚度。

按照本发明第一实施例，该纵剖线分成若干具有相同圆心角α的圆弧(在图2和图3中为5段圆弧)，而各圆弧的圆心位于通过上方相邻圆弧的端点也即下方圆弧起点的径向线上。事实上，点O^IV位于模具进口水平边缘线上距其开口一段距离R₄处。顶部点F、E之间的第一圆弧段因此以R₄为圆弧半径向下转过一角度α而到达E点，而第二圆弧E—D的圆心O^III即在点E与圆心O^IV的连线上，如此等等。这样在点E处圆弧E—F的切线就与圆弧E—D的切线重合，该曲线就完全是圆弧形而不产生拐角。这一点同样适用于两两相邻的圆弧之间的所有点，直到圆弧C—B与最后圆弧A—B之间的点B，圆弧A—B的圆心也就是模具的振动中心。

实际上，为了按照本发明方法构作该纵剖线，可以其几何特征已获得规定的圆弧A—B作为起点，然后在通过与邻接圆弧B—C的接触点B的直线O—B的延长线上确定圆弧B—C的圆心O^I，如此等等。圆弧B—C以及其后直到点F的各圆弧的长度可通过简单的几何和三角计算任选，最好采用计算简便的确定条件，例如在确定长度B—F的圆弧划分数时或考虑点O’…O^IV在通过O的水平线上的投影点S’…S^IV时采用同样的圆心角。均分各圆弧和各圆心角可便于计算和简化板的设计，但在本发明看来并非非如此做不可，而是圆弧的长度以及对应的圆心角可连续增大。

按照所示实施例，圆心O位于模具的约一半高度上，更确切说位于弯度变动的长度的中部，该长度在顶部终止于一圆弧，该圆弧在与模具近口区重合的顶点F处的切线垂直，而其圆心O^IV位于通过同一点F的水平线上。应该看到，两板的基本表面的纵剖线可划分成数量与所示实施例不同的圆弧段，最好大于5，从而获得连续性更佳的曲线。显然，若该纵剖线划分成的圆弧数趋于无穷大，则该曲线变成弯度连续变动的单振曲线。模具振动时，两板的具有较大弯度的下部区域为纵剖线与振动路径差别不大的区域，而该差别在模具上部或进口区最大，但由于基本半径R很大，因此几乎觉察不到由振动引起的横向移动。因此，即使在该区域、在拱背和拱腹板的内表面中心部位不形成凹面，振动时两板的内壁也无碰到浸没的喷嘴的危险。

按照本发明一优选实施例，两模板的内表面在空间中的位置从顶点处的垂直切线方向连续地变动到底端处圆弧形所形成的连续变动曲线为椭圆形。在图2、3的点F与点B之间的椭圆形圆弧所必须满足的条件有：在顶端的切线垂直；在底端的切线与在图2、3的点B处与该椭圆邻接的最终圆弧的切线重合；在该位置上的弯曲半径ρ等于该圆弧的半径R。

图4及其最有意义部分的放大图4a中，示出了一例椭圆，其第四象限可确定所需要的图2、3的点F与点B之间的该椭圆圆弧，为构作该椭圆，只须记住上述条件并应用不多的简单几何规则即可。

从过点F的切线必须垂直这一要求，可导出椭圆的圆心O¹应该在通过点F的水平线上。这样就可画出一笛卡儿坐标系，其原点为O’，横轴X与椭圆的短轴b即O’F重合。因此有待确定的首批未知量为短轴b和与纵轴y重合的垂直通过O’的长轴的长度。设O即模具的振动中心在以O’为原点的x、y轴系中的坐标分别为m和n，则作为椭圆上点B的坐标分别为：X_B＝bcost；y_B＝asint，其中t为轴x与点O’与点H的连线的夹角，而H为以a为半径的圆周线与通过B的水平线的交点，该连线还通过一通过点B的垂直线上的点K。若把B作为以O为圆心，以R为半径的圆上m一点，则在该坐标系中可得下列方程：X＝Rcosξ＋m；y_B＝Rsinξ＋n，其中，角ξ为过O的水平线与点O与B的连线之间的夹角。使该两组坐标值相等，计算点B处作为这些坐标的函数的弯度半径ρ，而该ρ必须等于已知的半径R(即距离OB)，通过一系列并非简单但用三角可获得解决的计算，可得下列方程： $\left(I\right)a=\frac{R\sin \mathrm{\ξ}+n}{\sin t}$ $\left(\mathrm{II}\right)\mathrm{ab}=\frac{\mathrm{tg\ξ}(R\sin \mathrm{\ξ}+n{)}^2}{\mathrm{tgt}\·{\sin }^{2}t}$ $\left(\mathrm{III}\right){\cos }^{4}t=\frac{R^2}{\mathrm{tg\ξ}(\mathrm{Rsn\ξ}+{n)}^2(\mathrm{tg\ξ}+1{)}^3}$

点O的纵坐标n尽管在前面作为未知数，但作为振动中心它位于相对于模具上端的下部，因此O点的纵坐标n可任意确定。因此，该纵坐标n在零(此时不存在椭圆而只存在一段圆弧AF)和yB(此时必须有BΞF，由于圆弧在B点的切线应垂直，从而椭圆的弧缩减成这一点)之间。在图2中n(在拱背板上)的值为400mm。在通过比方说在B点的切线的倾角(等于90°＋ξ)而确定角ξ后，并考虑到R当然是已知量(在图2中对拱背板来说为5200mm)，即可从方程III求出值t。把该值代入方程I可求出a，再从方程II立即可求出b。这样，椭圆的长短轴已确定，必须确定其圆心O在轴x上的位置即可确定该椭圆，这只须求出m，即O’的横坐标，而m可从下式求出：m＝bcost—Rcosξ。

实际上，为确定内外两板的纵剖线，只须计算在拱腹板和拱背板的两纵剖线中间的一理想椭圆上的一系列点M的坐标x_M和y_M，点的个数可任意多。若用Δ表示两板之间的距离的一半(例如Δ＝30mm)，则拱腹板(内板)上一点P的坐标为：x_P＝x_M－Δcosδ和y_P＝y_M－ΔSinδ，而在拱背板上对应点P’的坐标为：x_P’＝x_M＋Δcosδ和y_P’＝Y_M＋ΔSinδ，其中，δ为对于每一点M来说与角ξ对应的角，而ξ在上面讨论点B时已予定义。

这样就可使用例如某类表和合适的计算程序逐点确定两个相对的椭圆形表面。如上所述，在相对于两“基本”纵剖线制造两板的实际内表面时，如此确定的差别可用来界定可能有的中凹面，而中凹面不管在横截面还是纵截面中的形式可按照与本发明无关的方式任选。

无论如何下面一点是显然的，由于弯度从顶端接近无穷大的一值(从而对于由振动引起的横向移动来说这最适合于安装浸没的喷嘴)到在底端圆弧区适用于扁锭的2500—6000mm之间的一预定值连续变动，因此其优点是避免了铸件在这一危险的初始工段中发生急转弯，而在这一初始工段中铸件尚未固化，其中心仍为钢水。事实上，这些急转弯不仅可能使铸件表皮离开模具壁而降低冷却效果和冷却均匀性，而且集中在某一部位的变形应力会引起表皮开裂而使内部钢水流出，从而严重损坏铸造设备，这不仅造成材料损耗，而且造成设备停工而浪费工时。

应该看到，本发明并不限于用上述计算方法求得确定椭圆曲线所需结果。

Claims (9)

1.一种用来连铸扁锭的模具，它的两相对较宽边由分别为水冷的拱背板和拱腹板的铜板(1，1’)构成，对每一板来说都可这样界定与板的内壁符合的一基本表面，从而就该基本表面而言，在可能存在一中凹面的情况下，与该内壁可以有一偏差，其中，所述基本表面的纵剖线在下部为一圆弧形弯部(A—B)，其弯曲中心与模具的振动中心重合，半径为(R)，其特征在于，基本表面的所述纵剖线由若干互成圆角的曲线构成，从该下部圆弧开始，所述各曲线的弯曲半径随着离开该下部圆弧的距离增大而减小，两两相邻曲线之间的连接点都没有拐角和不连接性，直到在相对顶端(F)处该半径几乎为无穷大，从而此处曲线的切线大致垂直，所述点(O)的高度位于纵剖线两端点即底端(A)与顶端(F)之间。

2.按权利要求1所述的模具，其特征在于，在一所述的各曲线构成在模板基本平面的一个垂直平面中的纵剖线这些曲线为圆弧，其弯曲中心为连接该弧端点与相邻圆弧弯曲中心的连线的交点，直到所述最后圆弧(A—B)的弯曲中心与该模具的振动中心(O)重合，各圆弧的圆心角(α)都相等，从所述点(F)开始的上部第一圆弧的弯曲中心(O^IV)于通过该点(F)的水平线上。

3.按权利要求2所述的模具，其特征在于，所述圆弧的个数趋于无穷大，从而形成一椭圆形曲线，其弯曲半径向下渐减，直到连续变动的弯曲半径(ρ)在(B)点与所述最后圆弧形部分(A—B)邻接时达到相应所述预定半径(R)的最小值。

4.按权利要求3所述的模具，其特征在于，所述椭圆曲线伸展在所述基本纵剖线的所述顶点(F)与点(B)之间，该顶点(F)与模具的进口边对应，此处的切线垂直，而在B点的切线与邻接的底端圆弧(A—B)的切线重合并相对水平线倾斜一角度(90°＋ξ)，角(ξ)为负值，它是通过点(O)的水平线与(O)点与(B)点连线的夹角。

5.按权利要求4所述的模具，其特征在于，所述椭圆曲线(A—F)为一椭圆中的一段，该椭圆的圆心(O’)位于在点(O)同一边穿过(F)的水平线上，该圆心(O’)可作为一笛卡儿从标系的原点，其轴(x)在连线(O’—F)上，该连线(O’—F)的长度等于所述椭圆的短轴(b)。

6.按权利要求5所述的模具，其特征在于，所述与模具振动中心重合的点(O)的纵坐标(n)为在零与所述点(B)的纵坐标(y_B)之间的一负值，而点(B)为圆弧(A—B)的起点，而该圆弧(A—B)具有相同的圆心(O)。

7.按权利要求6所述的模具，其特征在于，点(O)的所述纵坐标(n)等于(Y_B/2)。

8.按权利要求6或7所述的模具，其特征在于，若模具的整个高度为约1m，则所述最终圆弧部(A—B)的高度约取100mm，而该高度可看作两端点(A、B)在原点为(O’)的所述坐标系中的纵坐标之差。

9.按权利要求3至8中任一权利要求所述的模具，其特征在于，拱背板和拱腹板的两基本纵剖线中的每一个可通过计算构成一位于所述两纵剖线之间的椭圆纵剖线的一系列任意数目的点(M)的坐标(x_M；y_M)而加以确定，而所述两纵剖线又可使用下述关系式通过拱腹板的点(P)和拱背板的点(P’)的坐标加以界定：

y_P＝y_M－Δcosδ；y_P＝x_M－Δsinδ以及x_P，＝x_M＋Δcosδ；x_P，＝y_M＋Δsinδ，其中，Δ等于所述两基本纵剖线之间的距离的一半，δ为其值随所述中间椭圆的各点M而变动、并等于所述点(B)处的所述角(ξ)的一角度。

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