CN100408226C - 用于连续铸造铸坯的结晶器的型腔 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于连续铸造方坯、初坯和坯料的结晶器的型腔，其中钢在具有结晶器型腔横截面的至少部分弯曲的周边线(42)的结晶器型腔中铸造并且型腔的壁被冷却。为了提供在成形中的铸坯壳和型腔壁之间沿着铸坯横截面的周边线进行均匀的热交换的最佳条件和避免在铸坯壳中的固化缺陷，本发明建议，在型腔的内角倒圆构造的角部区域中，为了对有目的的消除铸坯壳和被冷却的型腔壁之间的间隙或对铸坯壳的有目的的变形进行控制，从相同的角部区域的沿铸坯运动方向上前后相继的周边线(42’-42″)中减小在角部区域的弯曲的周边线(42)的至少一部分上并且至少在结晶器长度的一部分区域上的曲率1/R。

Description

用于连续铸造铸坯的结晶器的型腔

技术领域

本发明涉及一种用于连续铸造铸坯的连铸结晶器的型腔。

背景技术

连铸长形制品主要在具有矩形的、尤其是近似方形或圆形横截面的管形结晶器中铸造。然后方坯和初坯通过轧制或锻造被进一步加工。

在成形中的铸坯和型腔壁之间沿着铸坯横截面的周边线均匀的传热对于制造具有好的表面质量和微结构质量的连续铸造制品尤其是方坯和初坯具有至关重要的意义。有许多公知的建议用于构造型腔的几何结构，尤其是在型腔的内角倒圆的区域中，使得在成形中的铸坯壳和结晶器壁之间不出现空气间隙，这些空气间隙造成对铸坯壳的再加热或者引起沿着铸坯横截面的周边线的不均匀的传热。

管形结晶器的型腔的角部通过内角倒圆而被倒圆角。结晶器型腔中的内角倒圆做得越大，在成形中的铸坯壳和结晶器壁之间尤其是在型腔的周边上实现均匀的冷却就越困难。紧靠近结晶器中的熔池面之下开始的铸坯固化过程在型腔周边的直线部分上与在内角倒圆区域中是不同的。在直线的或者大致是直线的部分中的热流是准一维的并且遵循通过平壁的传热定律。相反，在倒圆角的角部区域中的热流是二维并且遵循通过弯曲壁的传热定律。

形成中的铸坯壳一般开始时在角部区域中要比在直表面中较厚并且开始较早地和较强烈地收缩。这导致仅仅在大约2秒钟之后，铸坯壳就从角部区域中的结晶器壁上脱开并且形成空气间隙，该空气间隙严重恶化了传热。这种对传热的恶化不仅进一步延迟了壳的生长，而且甚至导致已经固化的铸坯壳内层重新熔化。在热流中的这种变化(冷却和再加热)会导致产生铸坯缺陷，例如在边缘处或者靠近边缘的区域中的表面裂纹和内部纵裂纹以及产生形状缺陷，例如偏菱形变形、颈缩等。

内角倒圆相对于铸坯横截面的边长做得越大，尤其是当内角倒圆的半径达到型腔横截面的边长的10％和以上时，则所述的铸坯缺陷的发生率和程度就越大。这是内角倒圆的半径一般被限制在5至8mm的一个原因，尽管在铸坯边缘处的更大的倒圆对于随后的轧制加工可能是有利的。

JP-A-53011124公开一种用于连续铸造的方坯结晶器，其具有内角倒圆式倒角的角部半径。在这种该结晶器中铸坯可能不规则地冷却和可能形成具有菱形横截面和相应的边缘缺陷如裂纹等的铸坯。为了避免这种铸坯缺陷，该文献建议构造腔具有两个小的和两个大的内角倒圆的四角形结晶器腔。利用内角倒圆的这些不同的角部半径期望使具有不规则厚度的铸坯壳实现固化。在紧靠着结晶器出口处，期望通过在二次冷却区加强边缘冷却来补偿在具有大半径的角部中延迟的固化。这些措施是想产生不翘曲的铸坯横截面。

JP-A-60040647公开一种坯料的连续铸造结晶器。在铸造坯料时，纵裂纹常常出现在从中央腹板到两个端部凸缘的过渡区中。在该结晶器中，该过渡部分是凸起地倒圆的边缘部分，当冷却中央腹板时，成型铸坯轻微地收缩在该边缘部分上。为了避免这种收缩或者形成裂纹，该文献建议使结晶器的该凸起的过渡曲线在朝着中央腹板方向上具有连续增大的曲率。

JP-A-11151555公开另一种用于连续铸造方坯和初坯的结晶器。为了在该结晶器中也避免铸坯横截面的偏菱形变形和额外地提高铸造速度，在具有内角倒圆的四个角部处，结晶器设有特殊形状的角部冷却部分。在浇入端，这些角部冷却部分是结晶器壁中的圆形凹陷，其在铸坯运行方向上变小并且在朝着结晶器出口方向，减小到内角倒圆的倒圆程度。圆形凹陷的曲率在朝着结晶器出口的铸坯运行方向上增大。这种形状是期望保证在铸坯壳的角部区域和结晶器的角部部分之间具有不中断的接触。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于连续铸造结晶器的型腔几何结构，其保证了在成形中的铸坯壳和结晶器壁之间沿着铸坯横截面的周边线进行均匀的热交换具有最佳的条件，结果是在铸坯壳中具有对称的温度场。冷却和型腔几何结构应该尤其是沿着具有弯曲的壁部分和从弯曲的到大致直的壁部分的过渡部分的型腔周边进行最优化设计。这样成形中的铸坯壳在通过结晶器时可以实现改善的、均匀的固化成型，以避免铸坯壳中的应力、在铸坯壳和结晶器壁之间形成气隙、颈缩、铸坯横截面的菱形变形和铸坯壳中的裂纹等等。这种型腔此外应该能够具有比现有技术更高的铸造速度并且具有经济的生产成本。

为此，本发明提出一种用于连续铸造铸坯的结晶器的型腔，其中型腔横截面的周边线至少在所述型腔横截面的角部区域中具有弯曲的部分并且所述型腔的壁被冷却，其特征在于，为了控制铸坯壳的有目的的变形，所述周边线在所述型腔的内角倒圆构造的所述角部区域中具有弯曲的外形，其朝着最大曲率1/R增长，然后又自该最大曲率1/R减小，以及在相同的角部区域的沿铸坯运动方向上相继的周边线的预定的最大曲率至少在结晶器的一部分长度上连续地或者非连续地减小。

通过采用本发明的方法和本发明的结晶器腔的几何结构，可以为沿着铸坯横截面的周边线在成形中的铸坯壳和结晶器腔壁之间进行均匀的热交换创造最佳的条件，优化的、均匀的热交换保证了在结晶器中成形中的铸坯壳固化而具有晶体微结构，其均匀地分布在周边上并且没有诸如裂缝、压力集中、菱形等等缺陷。还可以用数学曲线函数限定这种结晶器腔并且可以在数控机床上经济地制造它们。

如果针对特定级别的钢材和成形中的铸坯在结晶器腔中的特定的驻留时间建立了型腔的锥度，那么均匀的壳生长或沿着所述周边线的均匀的额定传热就可以通过铸造试验得到验证。根据一个有利的实施例，在成形中的铸坯壳和型腔壁之间的额定传热中的任何剩余的差异可以通过对具有较大曲率的型腔壁更轻微地冷却或者对具有较小曲率的型腔壁更强烈地冷却而得到补偿。

在传统的结晶器中，型腔周边的直线与角部倒圆的圆弧线在所谓的切点处切向相交。这种点过渡部分和圆形倒圆部分可以有利地用具有一个或两个基本参数和一个幂的曲线函数形式的弧线例如超级椭圆(superellipse)或超级圆代替。此外，通过合适地选择基本参数和曲线函数的幂，在铸坯运动方向上相继的弧线的曲率可以被连续地或者非连续地改变。弧线形状和因此腔的几何结构可以通过减小或增大幂而使其与具体的铸造参数相配。

如果在成形中的铸坯壳和被冷却的结晶器壁之间的物理接触在通过结晶器时没有被未控制的气隙形成所中断，那么热流则遵循热流物理定律。这种理想的状态假设结晶器型腔的几何结构是一方面按照热流物理定律和另一方面按照铸坯壳的收缩而建立的，并且型腔的几何结构是按照数学限定的曲线函数建立的。根据一个实施例，如果按照超级椭圆曲线函数

${\left|\frac{X}{A}\right|}^n+{\left|\frac{Y}{B}\right|}^n=1$

选择型腔的周边线的弧线，可以获得一种最佳的数学限定的型腔几何结构，通过选择幂“n”和基本参数A和B(椭圆半轴)可以改变相继的弧线在铸坯运行方向上的弯曲度或曲率。

为了实现沿着周边线大致均匀的额定传热，还可以附加地使铸坯壳在结晶器内轻微地塑性变形，即，强迫其与腔的几何结构相一致。根据另一个实施例，提出了由四端弧线构成的周边线，每段弧线包围90°的角。在铸坯运行方向上相继的弧线的尺寸做成使得凸起的铸坯壳在结晶器的浇入端，在通过结晶器腔时，至少在结晶器的第一部分长度上被这样地变形，使得至少在角部区域之间的中央区域中铸坯壳的凸起度是减小的，换言之，弧线延伸进入到铸坯周边的中央区域，或曲率1/R减小。

如果例如在类似于矩形或优选为类似于方形的型腔横截面中内角倒圆结构的角部区域被设置在型腔横截面中的四个大致平的侧壁之间，那么按照一个实施例，在铸坯运行方向上相继的内角倒圆弧线的曲率可以按照曲线函数|X|ⁿ+|Y|ⁿ＝|R|ⁿ来选择并且幂“n”在2.01和10之间变化。

如果形状类似于矩形的型腔横截面大致由四段弧线构成，且每段弧线各占周边线的1/4，那么，根据另一个实施例则选择曲线函数

${\left|\frac{X}{A}\right|}^n+{\left|\frac{Y}{B}\right|}^n=1$

并且在铸坯运行方向上相继的周边线的幂″n″在4和50之间变化。

在型腔横截面的形状类似于方形或圆形的情况下，并且铸坯壳具有轻微的塑性变形，根据在EP-PS0498296中所述的凸起技术(ConvexTechnology)，在铸坯运行方向上相继的周边线的指数“n”的值，根据另一个实施例，对于矩形铸锭为在4-50之间和对于圆形铸锭为在2和2.5之间。

除了结晶器腔横截面由数学限定的弯曲周边线以外，也可以考虑铜壁的水冷的尺度，以便实现大致均匀的额定传热。根据一个附加的实施例，建议增大型腔的弯曲周边线的曲率，尤其是在具有内角倒圆弧线的角部区域，铜壁的水冷被减小。

一般地，用于连续铸造方坯和初轧坯形式的钢的结晶器是由相对较薄的薄壁铜管制造的。对这种管形结晶器进行机加工只能通过浇入口或铸坯出口进行。除了具有直的纵轴的管形结晶器外，在所谓的弯曲连续铸造机中也采用具有弯曲的纵轴的管形结晶器，其使得结晶器腔的机加工更加困难。为了实现高的尺寸精度，根据另一个实施例，建议采用数控切削机床制造结晶器型腔。

附图说明

以下对照附图说明本发明的实施例，附图中，

图1显示了根据现有技术的用于方坯横截面的左手边半个结晶器管的俯视图，

图2显示了根据本发明的用于方坯横截面的右手边半个结晶器管的俯视图，

图3显示了根据图2的结晶器管的放大的角部细节图，

图4显示了具有不相等边长的矩形横截面的结晶器管的放大的角部细节图，

图5显示了方形型腔横截面的周边线，

图6显示了带有铸坯壳变形(凸起技术)的结晶器和

图7显示了大体为圆形横截面的周边线。

具体实施方式

图1显示了由铜构成的结晶器管2的一半。型腔4的周边线3表示浇入端的结晶器口，周边线5表示铸坯出口端的结晶器口。由于型腔4具有锥度，周边线5小于周边线3。型腔横截面的周边线3和5的一部分6具有其倒角半径例如为6mm的内角倒圆形式的圆弧线。结晶器管2的壁，也称为型腔壁，是水冷的，这在现有技术中是众所周知的。在浇入端处部分6中的圆弧线7的曲率1/R小于在铸坯出口端处部分6中的圆弧线8的曲率1/R。

图2显示了具有型腔14的周边线13和15的结晶器管12的一半。结晶器腔横截面的周边线13界定了在浇入端处的型腔14，而周边线15界定了在铸坯出口端处的型腔14。周边线13，15，或型腔壁在角部区域沿着部分16是弯曲的而沿着部分17是直线的。角部区域19，19′的内角倒圆弧线的尺寸做成它们在两边都占据结晶器出口处的型腔横截面的边长20的至少10％。当横截面例如为120mmx120mm时，内角倒圆弧线在每边占据边长20的至少12mm，优选为边长20的18-24mm或边长20的15-20％。角部区域19中的弯曲的周边线13由具有与圆线不同的基本参数和幂的数学曲线函数限定。图3详细地展示了角部区域19的成形情况。

图3显示了在角部区域19中沿着铸坯的运行方向上的相继的弧形周边线23-23″″。角部区域19从浇入端倒出口端沿着铸锥可以具有恒定的宽度，并且从弯曲部到直线部的过渡点可以设置在线R-R4上或者设置在直线上或者弯曲线R1-R4上。距离25-25″′显示了型腔具有恒定的锥度。弧形周边线23-23″″和直线24-24″″展示了型腔壁的等高线。弧线由数学曲线函数|X|ⁿ+|Y|ⁿ＝|R|ⁿ限定，其中通过选择幂“n”可以确定每个弧线23-23″″的曲率。该选择的一个目的是将型腔构造成使得从结晶器周边上来看形成的铸坯壳均匀地冷却并且在铸坯壳中建立起尽可能对称的温度场。依据不同形状的铸坯横截面，可以实现从周边上看基本均匀的理论传热，其中在近似于圆形横截面的情况下这可以仅仅通过型腔横截面的几何结构实现，或者在近似于矩形型腔横截面的情况下，可以通过几何结构与沿着周边线的不同的冷却相结合来实现。在本示例中，曲线函数的幂变化如下：

弧线23        幂″n″4.0

弧线23′      幂″n″3.5

弧线23″      幂″n″3.0

弧线23″′    幂″n″2.5

弧线23″″    幂″n″2.0(圆弧)

在本示例中，幂在4和2之间连续变化。依据所选择的型腔锥度的不同，也可以采用不连续的跃变。由于幂在4和2之间减少，弧线的曲率变得更小，或者换句话说，弧线朝着结晶器出口延伸。这种延伸进一步保证了型腔锥度沿着对角线26是最大的并且朝着直线壁方向减小。弯曲的周边线23-23″′的曲率朝着最大曲率30-30″′增长。沿着弯曲的周边线23″″的曲率是恒定的(圆弧)。在角部区域19的弯曲的部分16中，对在通过型腔运动的铸坯壳和型腔壁之间的间隙的消除或者铸坯壳的变形可以有目的地进行控制。

图4显示了在对角线41的两侧是不对称的角部细节。尺寸OB不等于OA。弧线42-42″的曲线函数是

${\left|\frac{X}{A}\right|}^n+{\left|\frac{Y}{B}\right|}^n=1$

在本示例中，弧线42-42″具有以下的幂：

弧线42       幂″n″＝4.0

弧线42′     幂″n″＝3.4

弧线42″     幂″n″＝3.0

弧线42-42″随后的部分是直的周边部分43-43″。

型腔壁44由铜构成。不同的冷却强度用三角46～47示意地表示，它们在结晶器外侧上以不等的间距相互隔开。设置得较近的三角46表示较大的冷却强度而相互隔开较大间距的三角47表示较弱的冷却强度。

为了清楚起见，图5中的示例只显示了类似于方形的型腔50的三个在铸坯运行方向上相继的周边线51-51″。每个周边线由四段弧线构成，每段弧线围成90°的角。四段弧线遵循数学函数

|X|ⁿ+|Y|ⁿ＝|R|ⁿ

如果铸造锥度″t″也用数学函数表示，则它例如表示为

|X|ⁿ+|Y|ⁿ＝|R-t|ⁿ

该示例是基于以下的数值：

弧线	幂n	R-t	t
				51	4	70	0
51′	5	66.5	3.5
				51″	4.5	65	5

依据对在铸坯运行方向上相继的幂的大小和间隔的选择，可以这样构造周边线，使得至少在结晶器的部分长度上在内角倒圆结构的角部区域之间铸坯壳在通过结晶器时的变形通过合适地选择相继的弧线的幂来实现。

在图5所示的示例中，两条在铸坯运行方向上相继的弧线51和51′的幂″n″是增大的，例如从4增大到5，以便实现铸坯壳变形，尤其是在浇入端半个结晶器处的角部区域之间(凸起技术)。在铸坯出口端的半个结晶器中，在铸坯运行方向上相继的弧线51′和51″之间，通过将幂从例如5减小到4.5，实现了基本上没有铸坯壳变形的均匀的额定传热。该示例显示了可以通过在结晶器的第一部分中增大幂和通过在结晶器的第二部分中减小幂，亦即通过型腔的几何结构的匹配来实现在铸坯运行方向上相继的弧线中的额定传热，。但是在另一方面，也可以通过依据弯曲的周边线的几何结构不同的冷却沿着周边线实现有或没有铸坯壳变形的额定传热。

图6显示了连续铸造用于方坯或初坯的钢、具有型腔63的铜的管形结晶器62。型腔63的横截面在结晶器出口处是方形的而内角倒圆式构造的角部区域65-65″′布置在相邻的侧壁64-64″′之间。内角倒圆弧线不是圆弧线的形式，而是呈现按照数学函数|X|ⁿ+|Y|ⁿ＝|R|ⁿ的曲线形状，其中幂″n″的值位于2.0和2.5之间。在该示例中，在结晶器浇入端处的内角倒圆弧线67的曲线形状由幂n＝2.2限定，在结晶器出口端处的内角倒圆弧线68的曲线形状由幂n＝2.02限定，即，曲线形状非常接近在铸坯出口端处的圆弧。如果凸起的鼓出部分是余弦形状的，那么内角倒圆弧线的曲线形可以用在3和10之间的幂″n″来限定。

在图6的实施例中，结晶器上部中的型腔63的侧壁64-64″′的形状在结晶器62的部分长度例如该结晶器长度的40％-60％上是凹陷的。在该长度部分上，弧线高度66在铸坯运行方向上是减小的。在结晶器中正在成形的具有凸起的铸坯壳的铸坯在该部分长度上连续地轻微地变形，直到弧线变成直线。在下部的第二半结晶器中，型腔63的周边线61，69是直线。在结晶器的这部分中，型腔设有锥度，其对应于铸坯横截面在结晶器的这部分中的收缩程度。

在具有凸起侧壁的结晶器中，幂″n″选择成使得在弧线高度减小情况下的弦的延长部分不会在角部区域65-65″′中的正在固化的铸坯壳上作用任何有害的压力并且在倒圆的角部区域65-65″′中的热流与大致为直壁的传热相一致。传热的附加调节可以通过沿着结晶器腔横截面的周边线对型腔壁进行不同的冷却来实现。

图7是在结晶器出口端处是圆的型腔70的三个带有弯曲的部分的周边线71-73的示意图。周边线71和72由四段弯曲的部分构成，其在本示例中包围90°。这些弯曲的部分遵循数学曲线函数|X|ⁿ+|Y|ⁿ＝|R|ⁿ并且弯曲的部分的幂″n″的值分别是2.2和2.1。周边线73在结晶器出口处是圆的。在具有类似于圆形状的型腔横截面的结晶器的上部部分长度中，对在上部的半结晶器中正在成形的铸坯壳的塑性变形的大小可以通过增大带有弯曲的部分的周边线71和72之间的曲线函数幂的差来确定。塑性变形的大小用于共同确定铸坯壳和结晶器壁之间的传热。

为了简单起见，图1-7中的所有型腔都具有直的纵轴线。用于圆弧连续铸造机的结晶器呈现了弯曲的纵轴线，其具有一般在4m和12m之间的半径。

Claims (11)

1. 用于连续铸造铸坯的结晶器的型腔，其中型腔横截面的周边线(13，15)至少在所述型腔横截面的角部区域(19，19′)中具有弯曲的部分(16)并且所述型腔(4，14)的壁被冷却，其特征在于，为了控制铸坯壳的有目的的变形，所述周边线在所述型腔的内角倒圆构造的所述角部区域(19，19′)中具有弯曲的外形，其朝着最大曲率1/R(30-30″′)增长，然后又自该最大曲率1/R(30-30″′)减小，以及在相同的角部区域(19，19′)的沿铸坯运动方向上相继的周边线(23-23″″)的预定的最大曲率(30-30″′)至少在结晶器的一部分长度上连续地或者非连续地减小。

2. 根据权利要求1的型腔，其特征在于，至少在所述角部区域(19，19′)处的弯曲的部分(16)遵循数学曲线函数

${\left|\frac{X}{A}\right|}^n+{\left|\frac{Y}{B}\right|}^n=1$

其中，幂″n″大于2和小于100。

3. 根据权利要求1的型腔，其特征在于，所述型腔横截面近似于矩形，并且具有在四个大致平的侧壁之间的内角倒圆式构造的角部区域(19，19′)，所述内角倒圆弧线在所述角部区域(19，19′)中遵循曲线函数|X|ⁿ+|Y|ⁿ＝|R|ⁿ和幂″n″的值在2.0和10之间。

4. 根据权利要求1的型腔，其特征在于，所述型腔横截面近似于矩形并且由四段带有凹入弯曲的角部区域的周边线构成，每段周边线包围大约90°的角，所述周边线遵循数学函数

${\left|\frac{X}{A}\right|}^n+{\left|\frac{Y}{B}\right|}^n=1$

并且幂″n″的值在3和50之间。

5. 根据权利要求1的型腔，其特征在于，所述型腔横截面近似于圆形并且由带有弯曲的部分的周边线构成，每个弯曲的部分包围15°和180°之间的角，所述弯曲的部分遵循数学函数|X|ⁿ+|Y|ⁿ＝|R|ⁿ并且幂″n″的值大于2和小于2.3。

6. 根据权利要求1的型腔，根据权利要求1或2的型腔，其特征在于，所述型腔横截面近似于方形并且由四段周边线(51-51″)构成，每段周边线包围90°的角，所述周边线(51-51″)遵循数学函数|X|ⁿ+|Y|ⁿ＝|R|ⁿ，至少在所述结晶器的一部分长度的上，在设置在所述内角倒圆式构造的角部区域之间的所述周边线的一部分上，通过延伸所述周边线(51-51″)的部分，所述铸坯壳在通过所述结晶器时的变形是可以控制的。

7. 根据权利要求1-6任一项的型腔，其特征在于，所述型腔朝着所述结晶器出口方向具有按照数学函数|X|ⁿ+|Y|ⁿ＝|R-t|ⁿ的铸造锥度，其中t是锥度的尺度。

8. 根据权利要求1的型腔，其特征在于，所述型腔(63)近似于矩形，并且包括具有按照曲线函数|X|ⁿ+|Y|ⁿ＝|R|ⁿ的内角倒圆弧线(67，68)的内角倒圆式构造的角部区域(65-65″′)，并且在铸坯运动方向上相继的弧线的幂″n″的值在2.0和10之间，以及包括在所述内角倒圆弧线(67)之间的弯曲的侧壁，所述侧壁的曲率这样延伸在所述结晶器的至少一部分长度上，使得所述铸坯壳在通过所述部分长度时被塑性变形。

9. 根据权利要求1-6中任一项的型腔，其特征在于，所述型腔(14)配置到管形结晶器(12)上。

10. 根据权利要求1-6中任一项的型腔，其特征在于，所述结晶器(12)包括水冷的铜壁，随着所述型腔的所述弯曲的周边线的部分的曲率增大，在具有内角倒圆弧线的所述角部区域(19)中，所述铜壁的水冷被减少。

11. 根据权利要求1-6中任一项的型腔，其特征在于，所述型腔的几何结构通过数控切削机床制造。

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