CN101176913A - 大型水冷热能回收金属模系统 - Google Patents

Abstract

大型水冷热能回收金属模系统，它涉及大型钢锭或轧辊等铸件铸造工艺技术中水冷热能回收技术。本发明采用的技术方案是：它包括金属模、固定设置在金属模上方的电加热冒口和金属模底盘，所述金属模的内部设有冷却水管，且金属模的外表面固定设置有分别与所述冷却水管的进、出水口连通的进水管头和出水管头；所述金属模底盘的内部设有冷却水管，且金属模底盘的外表面固定设置有分别与所述冷却水管的进、出水口连通的进水管头和出水管头。本发明具有使用寿命长、铸件质量高、热能回收、环保的综合效果，应用前景广阔。

Description

大型水冷热能回收金属模系统

技术领域

本发明涉及冶金技术领域，具体涉及大型钢锭或轧辊铸造工艺技术中水冷热能回收技术。

背景技术

现有的金属型铸造技术分为两大类，一类为传统的金属型钢锭模铸造技术，另一类为水冷铜结晶器连续铸造技术。传统的金属型钢锭模铸造技术，出现较早随着水冷铜结晶器连续铸造技术的不断成熟金属型钢锭生产几乎80％被连续铸锭替代，由于连续铸锭技术适合于同种规格大批量生产条件，而且现有技术仅限于断面直径较小或厚度较薄的方坯、矩形坯、园柱坯等，对于超大断面如大型冶金支承辊、锻造用大型钢锭等产品，吨位大、批量小、规格杂的产品只能采用传统的金属型铸造技术进行单件生产，传统金属型铸造方法多采用金属型外表面向室内空气中自然传热方式冷却，对于小规格尺寸的钢锭也有向金属模外表面喷水降温措施冷却。这两种方法存在下述问题：其一，冷却效果差，无法实现对钢锭不同时间、不同部位的有效冷却控制要求，因此对产品质量无有益效果，故生产的产品质量保证性差；其二，热量及热的水蒸气向空气中的散失造成严重环境污染，特别是夏季造成环境温度非常高；其三，热能无法实现回收利用。

特别是，对于大型铸造轧辊、大型锻造轧辊、发电机转子、发动机主轴等金属型铸造是一个不可缺少的环节，该类件金属型铸造的最大特点是，吨位大、凝固时间长、质量要求高、对内部疏松缩孔等缺陷控制严格、均采用金属型铸造方法，铸件储存的热能非常高，因此，采用一种强制的、可以人为控制的方法，使其按照自下而上的顺序方式凝固，并将其内部热能得到有效收集和利用，使高的热能污染变废为宝，是节能减排当今世界研究的重点话题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种大型水冷热能回收金属模系统。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：它包括水冷热能回收金属模、低温供水管网和热水能量回收管网，所述水冷热能回收金属模包括金属模、固定设置在金属模上方的电磁感应加热冒口和金属模底盘，所述金属模的内部设有冷却水管，且金属模的外表面固定设置有分别与所述冷却水管的进、出水口连通的进水管头和出水管头；所述金属模底盘的内部设有冷却水管，且金属模底盘的外表面固定设置有分别与所述冷却水管的进、出水口连通的进水管头和出水管头；其中所述金属模和金属模底盘的冷却水管进水管头与低温供水管网连通，所述金属模和金属模底盘的冷却水管出水管头与热水能量回收管网连通。

所述金属模和金属模底盘的内表面均设有厚度为0.2～1.5mm的金属型芯涂层。

作为本发明的改进，所述金属模和金属模底盘内部的冷却水管均为螺旋状冷却水管。

作为本发明的进一步改进，所述电磁感应加热冒口为园筒状法兰结构，其内侧为耐火材料砌筑，靠近耐火材料外侧设置有截面为“[”状的导磁体，螺旋管状感应线圈镶嵌在“[”状的导磁体内。

所述低温供水管网的管路上设有流量控制阀和压力阀。

所述热水能量回收管网的管道外有保温绝热材料且其管路上设有温度计量控制仪表和压力阀。通过温度计量控制仪表得到的信号自动调节流量控制阀门，起到控制冷却强度、控制管网输出水温度的作用。

本发明结构设计合理，操作可靠，克服了现有各种金属模具寿命短、对铸件质量控制能力差、热能浪费及对环境造成的热污染问题。本发明，可应用于冶金铸造支撑辊铸造生产、锻造支承辊用钢锭、锻造发电机转子用钢锭、大型船舶曲轴锻造用钢锭以及轧制特种钢用方形、矩形、多边形、圆柱体、圆台形各种铸件中的一种。

本发明具有使用寿命长、铸件质量高、节能、环保的综合效果，应用前景广阔。

附图说明

图1是本发明所述铸件水冷热能回收金属模的结构示意图；

图2是本发明所述磁感应冒口1的结构示意图；

图3是本发明所述热能回收系统的结构示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图具体说明具体实施方式。

如图1所示，本实施方式包括水冷热能回收金属模、低温供水管网7和热水能量回收管网8，所述水冷热能回收金属模包括金属模2、固定设置在金属模上方的电磁感应加热冒口1和金属模底盘3，所述金属模2的内部设有冷却水管21，且金属模2的外表面固定设置有分别与所述冷却水管21的进、出水口连通的进水管头211和出水管头212；所述金属模底盘3的内部设有冷却水管22，且金属模底盘2的外表面固定设置有分别与所述冷却水管22的进、出水口连通的进水管头221和出水管头222；其中所述金属模2和金属模底盘3的冷却水管进水管头与低温供水管网7连通，所述金属模2和金属模底盘3的冷却水管出水管头与热水能量回收管网8连通。所述金属模2与电磁感应加热冒口1和金属模底盘3之间分别通过止口定位。所述金属模2和金属模底盘3的内表面均设有厚度为0.2～1.5mm的金属型芯涂层。

所述电磁感应加热冒口1为园筒状法兰结构，其内侧为耐火材料砌筑，靠近耐火材料外侧设置有截面为“[”状的导磁体11，螺旋管状感应线圈12镶嵌在“[”状的导磁体11内。

所述金属模2的外表面固设有隔热层4；比如说，可以采用板状石棉耐火材料。

优选地，所述金属模2和金属模底盘3内部的冷却水管均为螺旋状冷却水管。

其中，所述低温供水管网7的管路上设有流量控制阀和压力阀；所述热水能量回收管网8的管道外有保温绝热材料且其管路上设有温度计量控制仪表和压力阀。

本实施方式所述大型水冷热能回收金属模，电磁感应加热冒口1的上下法兰与中部的导磁体采用绝缘把合连接，感应线圈与导磁体镶嵌连接，内部保温耐火材料与感应线圈间采用砌筑连接。其中，金属模2和金属模底盘3的螺旋状冷却水管与金属模2、金属模底盘3的连接，是在冷却水管通气或气水混合雾冷却条件下，将液态金属模材料浇注到放置好螺旋状冷却水管的砂型模具中铸造而成，因此其连接方式称为灌铸连接。进、出水管头与金属模、金属模底盘的连接采用螺纹把合连接。

电磁感应加热冒口1与金属模2、金属模2与金属模底盘3之间均采用止口定位、把合连接，其金属模2与金属模外表面隔热板4包裹式接触连接，金属模2及金属模底盘3与其内表面涂层5采用热喷涂方式涂覆式连接，金属模2及金属模底盘3的进水管与用于冷却的低温供水管网7、金属模2及金属模底盘3的出水管与加热后的热水能量回收管网8均采用高压输水软管连接阀门，并在管网上安装有压力、流量、温度仪表，吊运用的吊环6与铸件采用熔融状态时焊合连接。

上述热能回收系统的制备及具体操作，按如下步骤进行：

(1)模具的准备：电磁感应加热冒口1的耐火材料按照冒口要求的形状砌筑、干燥；金属模2和金属模底盘3的清理、预热；钢锭模外表面隔热板4准备；钢锭模及底盘内表面涂料5配制；预热清理后的钢锭模、锭模底盘内表面喷涂涂层；吊运用的吊环6准备，所述吊运用的吊环6，由两个“倒V”形的钢棒组成，“倒V”型的两个杈脚为“Y”形结构；用于冷却的低温供水管网7、加热后的热水能量回收管网8连接软管的准备。

(2)大型水冷热能回收钢锭模的组装：

①首先将金属模底盘3安放在工作场地，找水平垫实；

②将金属模2放置在金属模底盘3上，两者间止口方式对接；

③安放电磁感应加热冒口1在金属模2上面，两者间止口方式对接并用螺栓把合；

④连接电磁感应加热冒口1的电源连线；连接金属模2和金属模底盘3的水管，将进水管与低温供水管网7连接，出水管能量回收管网8连接。

⑤将隔热板4包裹在金属模2外表面，并用钢丝缠绕固定。

(3)、大型钢锭的浇铸：

①按照生产工艺要求的参数使钢液由钢锭模下端底盘上表面开始，自下而上浇铸至距冒口上端面100mm左右，停止浇铸；

②打开出水管连接热力管道的阀门，后缓慢打开冷却水进水管阀门，使冷却水逐渐进入锭模内，调整进水管压力和流量控制出水管水温保持在80～90℃间。

(4)启动感应加热冒口电源，使冒口部位的钢液加热到过热度50～80℃温度，表面覆盖保温材料，根据冒口温度变化，间断送电保持冒口的补缩通道畅通。

(5)安放吊装环，通过CAE凝固数值模拟计算铸锭的凝固时间，待凝固区进入锭身上端面100mm左右时，停止感应送电加热，将吊装环悬挂到冒口上方呈倒V型，倒V型下端浸入高温钢液中，使其表面部分熔化并与冒口金属液一并凝固在一起。

(6)停止铸锭操作：待铸锭整体温度达到起模温度(80～120℃左右)后，关闭低温供水管网7的阀门和热水能量回收管网8的阀门，卸下管网连接软管、卸掉感应加热冒口电源；

(7)脱模操作：卸掉感应加热冒口与钢锭模上端面紧固螺栓、卸掉感应加热冒口、吊装冒口吊装环将铸锭运至下道工序、吊出钢锭模与钢锭模底盘至存放场地。

大型水冷热能回收金属模，所述水冷模、水冷模地板与进水管网的连接均设置了流量控制阀门，水冷模、水冷模底盘出水管网的连接均设置了温度信息采集，温度信号与流量信号的处理控制，起到对铸件冷却强度调节和对输出热水温度的控制作用。

本发明的工作原理、工作过程、突出特点及优越性是：总体说来，本发明是鉴于已有技术存在的不足、缺陷与弊端，基于发明人丰富的专业理论知识和大型轧辊铸、锻造研发经验，依据钢铁冶金原理、电磁感应原理和凝固理论基础，提出了大型水冷热能回收金属模的构思。其中，针对大型铸钢件最易出现的中心疏松、缩孔问题，而提出了采用水冷金属模、水冷金属模底盘，低温水由下方进入，高温水有上方流出，从而起到自下而上的强制冷却的效果，保证了金属液的顺序凝固使铸锭内部疏松、缩孔由锭身移向冒口，使消除铸件疏松、缩孔予以实现；针对热能回收问题，由于采用了水冷降温冷却，在保证对铸件冷却的同时，将热量传递给水，再将储备着大量高温热能的水通过热力管道输送给热能利用系统，如热能发电机等，使能量的回收予以实现；针对传统铸锭向空气中自然传热问题，为了消除热能对环境的污染，同时最大限度的回收热能，本专利采用了在金属模表面包裹绝热耐火材料的办法，既起到消除环境污染，又起到减少热能浪费的有益效果予以实现；针对金属模使用寿命低问题，经研究分析了金属模寿命低的原因是由于金属模接触在高温金属液后模壁厚度方向存在着极高的温度梯度，由于梯度造成的内壁热涨受阻致使内壁发生永久性塑性变形，在冷却到室温时收缩又不能得到恢复，进而使内壁过早出现龟裂(既热裂)，由于本专利采用了内水冷模具，冷却水管布置在具模具内表面1/4位置，有效的起到了降低内外梯度的作用，进而使铸模使命的提高予以实现；针对大型铸锭冒口保温差，中心形成的正“V”型缩窝深，冒口切头量大，有效金属液利用率低等缺点，本发明采用了金属液内热式电磁感应加热冒口，与电弧外热式加热相比无弧光外露，金属液面被保温材料覆盖，电效率高、热损失小，起到了完全消除缩孔，提高冒口部位有效利用率的有益效果。

针对大型铸锭降温过程对冷却能力要求的不同特点，采用了出口温度监控、根据温度进行供水流量自动调节的控制系统，保证了铸件质量冷却对的要求，同时保证了热能有效利用的有益效果。针对大型铸锭开箱吊运问题，本专利采用了铸锭凝固后期在冒口安装倒“V”型吊环方法，替代了铸锭人为铸造工艺吊装把的方法，操作简单，起到了简化了工序环节的有益作用。

Claims (9)

1.大型水冷热能回收金属模系统，其特征在于它包括水冷热能回收金属模、低温供水管网(7)和热水能量回收管网(8)，所述水冷热能回收金属模包括金属模(2)、固定设置在金属模上方的电磁感应加热冒口(1)和金属模底盘(3)，所述金属模(2)的内部设有冷却水管(21)，且金属模(2)的外表面固定设置有分别与所述冷却水管(21)的进、出水口连通的进水管头(211)和出水管头(212)；所述金属模底盘(3)的内部设有冷却水管(22)，且金属模底盘(2)的外表面固定设置有分别与所述冷却水管(22)的进、出水口连通的进水管头(221)和出水管头(222)；其中所述金属模(2)和金属模底盘(3)的冷却水管进水管头与低温供水管网(7)连通，所述金属模(2)和金属模底盘(3)的冷却水管出水管头与热水能量回收管网(8)连通。

2.根据权利要求1所述的大型水冷热能回收金属模系统，其特征在于所述金属模(2)与电磁感应加热冒口(1)和金属模底盘(3)之间分别通过止口定位。

3.根据权利要求1所述的大型水冷热能回收金属模系统，其特征在于所述金属模(2)和金属模底盘(3)的内表面均设有厚度为0.2～1.5mm的金属型芯涂层。

4.根据权利要求1所述的大型水冷热能回收金属模系统，其特征在于所述金属模(2)和金属模底盘(3)内部的冷却水管均为螺旋状冷却水管。

5.根据权利要求1或2所述的大型水冷热能回收金属模系统，其特征在于所述电磁感应加热冒口(1)为园筒状法兰结构，其内侧为耐火材料砌筑，靠近耐火材料外侧设置有截面为“[”状的导磁体(11)，螺旋管状感应线圈12镶嵌在“[”状的导磁体(11)内。

6.根据权利要求1或2所述的大型水冷热能回收金属模系统，其特征在于所述金属模(2)的外表面固设有隔热层(4)。

7.根据权利要求6所述的大型水冷热能回收金属模系统，其特征在于所述隔热层(4)采用板状石棉耐火材料。

8.根据权利要求1所述的大型水冷热能回收金属模系统，其特征在于所述低温供水管网(7)的管路上设有流量控制阀和压力阀。

9.根据权利要求1所述的大型水冷热能回收金属模系统，其特征在于所述热水能量回收管网(8)的管道外有保温绝热材料且其管路上设有温度计量控制仪表和压力阀。

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