CN101412080A - 新型薄板坯漏斗形结晶器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种新型薄板坯漏斗形结晶器及其制造方法，属于金属薄板坯连续铸造设备领域。该结晶器由两块彼此相对的宽面水冷铜板(11，12)和两块可移动位置的窄面水冷铜板(13，14)组成；宽面水冷铜板的热面由左右两侧平面、下部平面和中间漏斗形曲面构成；两块宽面水冷铜板(11，12)的平面部分相互平行，漏斗形曲面部分形成漏斗形浇铸区(15)，且以宽度方向中心线为对称。该曲面任一高度处漏斗形浇铸区上口横向曲线(17)由六段曲线光滑连接而成；曲率连续变化，曲率变化率不变且小于1×10^－5。在薄板坯连铸生产中，本发明可有效解决结晶器内高温坯壳应变速率突变、应力集中问题；该结晶器中坯壳变形均匀，应力水平低，能够有效避免薄板坯产生裂纹，从而提高铸坯质量和生产效率。

Description

新型薄板坯漏斗形结晶器及其制造方法

技术领域

本发明属于金属薄板坯连续铸造设备领域，特别是涉及一种新型薄板坯漏斗形结晶器及其制造方法。

背景技术

薄板坯连铸结晶器是薄板坯连铸生产中的关键部件，是由两块水冷宽面铜板和两块水冷窄面铜板组成。目前薄板坯连铸大多采用漏斗形结晶器，与传统板坯结晶器不同，它的两块宽面铜板并非平面，在放置浸入式水口的中间部分向外扩张，两边部分保持平行，从而在结晶器中部形成一个漏斗形浇铸区。漏斗形浇铸区自上而下逐渐收缩，在结晶器下部漏斗形状消失，两个宽面铜板变为平行，达到铸坯设计厚度。漏斗形结晶器增大了结晶器上部浇铸区域的容积，减小钢液面的波动，改善了保护渣在结晶器钢水弯月面上的熔化状况，很大程度上改善了薄板坯的表面质量，从而取代了平行板式薄板坯结晶器。由于宽面铜板漏斗形状的存在，使得在拉坯方向铸坯不仅变窄，而且其横剖面的形状同时也在改变。钢的高温力学性能表明，应变至断裂主要是受应变速率的影响，应变速率的增大或突变均会使临界应变值降低。对比平行板式薄板坯结晶器，在漏斗形结晶器中附加的变形被施加到铸坯上，为了避免铸坯产生表面缺陷，在设计漏斗形状时，漏斗形浇铸区横、纵向曲线须满足曲率连续、曲率变化率小且恒定，使坯壳的应变远离临界应变值、应变速率没有突变，保证高温坯壳内较低的应力水平，防止产生裂纹。

美国专利(US4721151)公开了一种连续铸造钢带用结晶器。所述结晶器为漏斗形结晶器，具有被冷却的宽面铜板和窄面铜板，其中宽面铜板的上部中心区域向外张开构成一个漏斗形浇铸区，该浇铸区侧面的宽面铜板相互平行并保持结晶器出口铸坯厚度的距离。该漏斗形浇铸区上口横剖面形状是由多段直线连接而成，整条横向轮廓曲线不连续，凝固坯壳在连接点处应力集中，从而产生裂纹。

美国专利(US5311922)公开了一种连铸钢带用结晶器。该专利提供一种漏斗形结晶器，该结晶器漏斗形浇铸区上口曲线是由中间的凹圆弧与两侧的凸圆弧连接而成。凹弧与凸弧的圆弧半径不同，连接点处曲线曲率发生突变，凝固坯壳在经过凹弧与凸弧的分界点以及由凸弧移向平面的过程中产生较大的应力集中，伴随裂纹出现。

中国专利(ZL200410086102.6)公开了一种薄板坯连续铸钢机结晶器及设计方法。其结晶器宽面部分中间曲面不同高度的网格曲线为大于等于8次、小于等于20次偶次多项式，曲率连续且在两端点处的一阶导数和二阶导数均为零，曲率变化率小于等于3.3×10^-5；该曲面在高度方向上的中心曲线为大于等于4次、小于等于10次的多项式。该结晶器降低了铸坯坯壳从结晶器上部移动到下部不断冷却凝固收缩的过程中承受的由于结晶器内腔形状造成的“弯”、“扭”、“剪”应力，减少铸坯纵向裂纹等质量缺陷。

发明内容

为了克服现有技术存在的上述不足，本发明提供一种漏斗形浇铸区曲线曲率连续变化、曲率变化率小且恒定的新型薄板坯连铸漏斗形结晶器，该发明可使凝固坯壳收缩均匀，铸坯应变速率不突变，从而减小高温坯壳内的热应力和机械应力，避免铸坯裂纹的产生。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：这种新型薄板坯漏斗形结晶器由两块彼此相对的宽面水冷铜板和两块可移动位置的窄面水冷铜板组成，宽面水冷铜板的热面由左右两侧平面、下部平面和中间漏斗形曲面构成；两块宽面水冷铜板的平面部分相互平行，漏斗形曲面部分形成漏斗形浇铸区，且以宽度方向中心线为对称；每块宽面水冷铜板漏斗形曲面任一高度处漏斗形浇铸区上口横向曲线17由六段曲线BE(1)、EC(2)、CD(3)、DC′(4)、C′E′(5)、E′B′(6)光滑连接组成，其中BE(1)、EC(2)、C′E′(5)、E′B′(6)为内凸曲线，CD(3)、DC′(4)为外凸曲线，漏斗形浇铸区上口横向曲线17的表达式为：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_i\left(s\right)=a_i{\∫}_0^s\cos \left(\frac{{\mathrm{\πu}}^2}{2A_i^2}\right)\mathrm{du}+b_i{\∫}_0^s\sin \left(\frac{\mathrm{\π}{u}^2}{2B_i^2}\right)\mathrm{du}+c_i\\ y_i\left(s\right)=d_i{\∫}_0^s\cos \left(\frac{{\mathrm{\πu}}^2}{2A_i^2}\right)\mathrm{du}+e_i{\∫}_0^s\sin \left(\frac{{\mathrm{\πu}}^2}{2B_i^2}\right)\mathrm{du}+h_i\end{array}\right.$

其中：s为曲线弧长，a_i、b_i、c_i、d_i、e_i、h_i、A_i、B_i为比例因子，i为1～6，分别对应曲线1～曲线6。

根据钢种凝固特性设计漏斗形曲面纵向曲线，六段曲线上各点的曲率半径自上而下逐渐增大，并保证漏斗形曲面横向曲线自上而下的收缩与高温坯壳的凝固收缩相一致。漏斗形浇铸区上口纵向曲线18由直线段GF(9)和两段等曲率变化率曲线FQ(7)、QP(8)组成。在漏斗形曲面与结晶器下部平面过渡区，纵向曲线采用等曲率变化率曲线FQ(7)、QP(8)连接漏斗形浇铸区直线段GF(9)和下部直线，避免坯壳应变速率突变，等曲率变化率连接曲线FQ(7)、QP(8)的表达式为：

$\left\{\begin{array}{c}{Y}_i\left(s\right)=k_i{\∫}_0^s\cos \left(\frac{{\mathrm{\πu}}^2}{2C_i^2}\right)\mathrm{du}+l_i{\∫}_0^s\sin \left(\frac{\mathrm{\π}{u}^2}{2D_i^2}\right)\mathrm{du}+m_i\\ Z_i\left(s\right)=n_i{\∫}_0^s\cos \left(\frac{{\mathrm{\πu}}^2}{2C_i^2}\right)\mathrm{du}+p_i{\∫}_0^s\sin \left(\frac{{\mathrm{\πu}}^2}{2D_i^2}\right)\mathrm{du}+q_i\end{array}\right.$

其中：s为曲线弧长，k_i、l_i、m_i、n_i、P_i、q_i、C_i、D_i为比例因子，i为1，2，分别对应曲线7和曲线8。

漏斗形浇铸区纵向曲线直线段GF(9)表达式为：Y_GF＝-y_i(s)+kZ_GF，其中：y_i(s)为漏斗形浇铸区横向曲线y轴坐标；Y_GF为直线GF的Y轴坐标，Z_GF为直线GF的Z轴坐标，k为直线斜率。

本发明的有益效果是：该发明由于漏斗形曲面横向曲线曲率连续变化，曲率变化率不变，因此，坯壳通过拐点时应变速率不发生突变，解决了应力集中的问题，避免了裂纹的产生。根据钢种凝固特性设计漏斗形曲面纵向曲线，保证漏斗形曲面横向曲线自上而下的收缩与高温坯壳的凝固收缩一致，并采用等曲率变化率曲线连接漏斗形浇铸区纵向曲线与下部平面部分直线，使坯壳应变速率不突变。由于结晶器对高温坯壳施加的附加应力小，坯壳应变速率不突变，坯壳内应力水平低，减少铸坯表面裂纹等缺陷，适合生产裂纹敏感性钢种。按照本发明提供的技术方案制造的薄板坯漏斗形结晶器，可在薄板坯连铸中，有效解决结晶器内高温坯壳应变速率突变、应力集中问题；该结晶器中坯壳变形均匀，应力水平低，能够有效避免薄板坯产生裂纹，从而提高铸坯质量和生产效率。

附图说明

图1是新型薄板坯漏斗形结晶器俯视结构示意图；

图2是新型薄板坯漏斗形结晶器A-A剖面图；

图3是新型薄板坯漏斗形结晶器是漏斗形浇铸区横向曲线示意图；

图4是新型薄板坯漏斗形结晶器纵向曲线示意图；

图5是新型薄板坯漏斗形结晶器宽面曲面的网格曲面。

在上述附图中，1～6.组成结晶器任一高度处漏斗形浇铸区横向曲线的六段曲线，7、8.漏斗形浇铸区纵向曲线中等曲率变化率两段曲线，9.漏斗形浇铸区纵向曲线的直线段，11、12.宽面水冷铜板，13、14.窄面水冷铜板，15.漏斗形浇铸区，16.浸入式水口，17.为漏斗形浇铸区上口横向曲线，18.为漏斗形浇铸区上口纵向曲线，L.为漏斗形浇铸区上口宽度值，H.为漏斗形浇铸区上口最大厚度值，x_C为C点横坐标值，y_C为C点纵坐标值，Z₀为漏斗形浇铸区高度，Y_F为F点Y轴坐标值，Z_F为F点Z轴坐标值。

具体实施方式

参见图1、图2，本发明由两块彼此相对的宽面水冷铜板(11，12)和两块可移动位置确定铸坯宽度的窄面水冷铜板(13，14)组成，浸入式水口16伸入漏斗形浇铸区15之中。参看图1、图3，宽面水冷铜板(11，12)的漏斗形浇铸区上口横向曲线17由BE1、EC2、CD3、DC′4、C′E′5和E′B′6六段光滑曲线连接组成，其中BE1、EC2、C′E′5、E′B′6为内凸曲线、CD3、DC′4为外凸曲线，曲率变化率不变，且以中心线为对称，表达式为：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_i\left(s\right)=a_i{\∫}_0^s\cos \left(\frac{{\mathrm{\πu}}^2}{2A_i^2}\right)\mathrm{du}+b_i{\∫}_0^s\sin \left(\frac{\mathrm{\π}{u}^2}{2B_i^2}\right)\mathrm{du}+c_i\\ y_i\left(s\right)=d_i{\∫}_0^s\cos \left(\frac{{\mathrm{\πu}}^2}{2A_i^2}\right)\mathrm{du}+e_i{\∫}_0^s\sin \left(\frac{{\mathrm{\πu}}^2}{2B_i^2}\right)\mathrm{du}+h_i\end{array}\right.$

其中：s为曲线弧长，a_i、b_i、c_i、d_i、e_i、h_i、A_i、B_i为比例因子，i为1～6，分别对应曲线1～曲线6。

本发明中漏斗形浇铸区上口宽度值L和漏斗形浇铸区上口最大厚度值H由浸入式水口和薄板坯的尺寸确定，H取值范围为35mm～60mm；L取值范围为800mm～1300mm。

参看图2、图4，宽面水冷铜板(11，12)的漏斗形浇铸区纵向曲线18根据钢种凝固特性来确定。本发明以低碳钢为例，漏斗形浇铸区纵向曲线18由GF(9)、FQ(7)、QP(8)三部分组成，其中GF(9)为直线，FQ(7)、QP(8)为等曲率变化率曲线。FQ(7)、QP(8)等曲率变化率曲线表达式为：

$\left\{\begin{array}{c}{Y}_i\left(s\right)=k_i{\∫}_0^s\cos \left(\frac{{\mathrm{\πu}}^2}{2C_i^2}\right)\mathrm{du}+l_i{\∫}_0^s\sin \left(\frac{\mathrm{\π}{u}^2}{2D_i^2}\right)\mathrm{du}+m_i\\ Z_i\left(s\right)=n_i{\∫}_0^s\cos \left(\frac{{\mathrm{\πu}}^2}{2C_i^2}\right)\mathrm{du}+p_i{\∫}_0^s\sin \left(\frac{{\mathrm{\πu}}^2}{2D_i^2}\right)\mathrm{du}+q_i\end{array}\right.$

其中：s为曲线弧长，k_i、l_i、m_i、n_i、p_i、q_i、C_i、D_i为比例因子，i为1，2，分别对应曲线7和曲线8。

漏斗形浇铸区纵向曲线直线段GF(9)表达式为：Y_GF＝-y_i(s)+kZ_GF，其中，y_i(s)为漏斗形浇铸区横向曲线y轴坐标，Y_GF为直线GF的Y轴坐标，Z_GF为直线GF的Z轴坐标，k为直线斜率。

本发明中漏斗形浇铸区高度Z₀根据钢种的临界应变速率确定，Z₀取值范围为800mm～950mm。

下面给出漏斗形结晶器漏斗形曲面的设计及制造方法：

a、根据浸入式水口的和薄板坯的尺寸确定漏斗形浇铸区上口宽度值L和漏斗形浇铸区上口最大厚度值H。

b、参见图3，选取C点横坐标值x_C和C点纵坐标值y_C的初始值，由表达式：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_i\left(s\right)=a_i{\∫}_0^s\cos \left(\frac{{\mathrm{\πu}}^2}{2A_i^2}\right)\mathrm{du}+b_i{\∫}_0^s\sin \left(\frac{\mathrm{\π}{u}^2}{2B_i^2}\right)\mathrm{du}+c_i\\ y_i\left(s\right)=d_i{\∫}_0^s\cos \left(\frac{{\mathrm{\πu}}^2}{2A_i^2}\right)\mathrm{du}+e_i{\∫}_0^s\sin \left(\frac{{\mathrm{\πu}}^2}{2B_i^2}\right)\mathrm{du}+h_i\end{array}\right.$

初始计算结晶器上口漏斗形浇铸区横向曲线，其中：s为曲线弧长，a_i、b_i、c_i、d_i、e_i、h_i、A_i、B_i为比例因子，i为1～6，分别对应曲线1～6。

c、计算结晶器上口漏斗形浇铸区横向曲线的弧长与弧长收缩量Δs。

d、根据实际冷却条件，利用有限元法计算结晶器内漏斗形浇铸区坯壳的横向收缩量Δl。

e、计算横向曲线弧长收缩量与坯壳收缩量之差|Δs-Δl|，调整C点横坐标值x_C和C点纵坐标值y_C重复步骤b、c、d使|Δs-Δl|<0.1mm及曲率变化率小于1×10^-5，结束结晶器上口漏斗形浇铸区横向曲线计算。

f、选取漏斗浇铸区高度Z₀初始值，通过计算坯壳拉坯方向应变速率

修正Z₀值，使

小于1×10^-3。

g、参见图4，选取F点Y轴坐标值Y_F和F点Z轴坐标值Z_F的初始值，由表达式

$\left\{\begin{array}{c}{Y}_i\left(s\right)=k_i{\&Integral;}_0^s\cos \left(\frac{{\mathrm{\&pi;u}}^2}{2C_i^2}\right)\mathrm{du}+l_i{\&Integral;}_0^s\sin \left(\frac{\mathrm{\&pi;}{u}^2}{2D_i^2}\right)\mathrm{du}+m_i\\ Z_i\left(s\right)=n_i{\&Integral;}_0^s\cos \left(\frac{{\mathrm{\&pi;u}}^2}{2C_i^2}\right)\mathrm{du}+p_i{\&Integral;}_0^s\sin \left(\frac{{\mathrm{\&pi;u}}^2}{2D_i^2}\right)\mathrm{du}+q_i\end{array}\right.$ 和GF直线方程Y_GF＝-y_i(s)+kZ_GF求出结晶器漏斗形浇铸区纵向曲线，其中：s为曲线弧长，k_i、l_i、m_i、n_i、p_i、q_i、C_i、D_i为比例因子，i为1，2，分别对应曲线7、8；y_i(s)为漏斗形浇铸区横向曲线y轴坐标；Y_GF为直线GF的Y轴坐标，Z_GF为直线GF的z轴坐标，k为直线斜率。

h、调整F点Y轴坐标值Y_F和F点Z轴坐标值Z_F，重复步骤g使曲率变化率小于1×10^-5，结束漏斗形浇铸区纵向曲线计算。

i、统一横向、纵向曲线坐标系，计算横向和纵向曲线族，形成漏斗形浇铸区宽面曲面，进而生成数控加工程序，在数控机床上加工出漏斗区宽面曲面。

本实施例中，结晶器宽面铜板尺寸：宽度：1870mm，高度：1100mm；漏斗形浇铸区：L：1150mm，H：60mm；漏斗形浇铸区曲线曲率变化率达到6.3227×10^-6。

Claims (3)

1.一种新型薄板坯漏斗形结晶器，包括彼此相对的两块宽面水冷铜板(11，12)和可移动位置确定铸坯宽度的两块窄面水冷铜板(13，14)组成；宽面水冷铜板的热面由左右两侧平面、下部平面和中间漏斗形曲面平滑过渡而成，两块宽面水冷铜板的平面部分相互平行，漏斗形曲面部分形成漏斗形浇铸区(15)，其特征是：所述漏斗形曲面以宽度方向中心线为对称，该曲面任一高度处漏斗形浇铸区上口横向曲线(17)由六段曲线BE(1)、EC(2)、CD(3)、DC′(4)、C′E′(5)、E′B′(6)光滑连接而成，其中：BE(1)、EC(2)、C′E′(5)和E′B′(6)为内凸曲线，CD(3)和DC′(4)、为外凹曲线，所述不同高度处每段横向曲线的表达式为：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_i\left(s\right)=a_i{\&Integral;}_0^s\cos \left(\frac{{\mathrm{\&pi;u}}^2}{{2A}_i^2}\right)\mathrm{du}+b_i{\&Integral;}_0^s\sin \left(\frac{{\mathrm{\&pi;u}}^2}{{2B}_i^2}\right)\mathrm{du}+c_i\\ y_i\left(s\right)=d_i{\&Integral;}_0^s\cos \left(\frac{{\mathrm{\&pi;u}}^2}{{2A}_i^2}\right)\mathrm{du}+e_i{\&Integral;}_0^s\sin \left(\frac{{\mathrm{\&pi;u}}^2}{{2B}_i^2}\right)\mathrm{du}+h_i\end{array}\right.$

其中：s为曲线弧长，a_i、b_i、c_i、d_i、e_i、h_i、A_i、B_i为比例因子，i为1～6，分别对应曲线(1)～曲线(6)；

所述漏斗形浇铸区上口纵向曲线(18)由直线段GF(9)和两段等曲率变化率曲线FQ(7)、QP(8)连接而成，FQ(7)、QP(8)等曲率变化率连接曲线表达式为：

$\left\{\begin{array}{c}{Y}_i\left(s\right)=k_i{\&Integral;}_0^s\cos \left(\frac{{\mathrm{\&pi;u}}^2}{{2C}_i^2}\right)\mathrm{du}+l_i{\&Integral;}_0^s\sin \left(\frac{{\mathrm{\&pi;u}}^2}{{2D}_i^2}\right)\mathrm{du}+m_i\\ Z_i\left(s\right)=n_i{\&Integral;}_0^s\cos \left(\frac{{\mathrm{\&pi;u}}^2}{{2C}_i^2}\right)\mathrm{du}+p_i{\&Integral;}_0^s\sin \left(\frac{{\mathrm{\&pi;u}}^2}{{2D}_i^2}\right)\mathrm{du}+q_i\end{array}\right.$

其中：s为曲线弧长，k_i、l_i、m_i、n_i、p_i、q_i、C_i、D_i为比例因子，i为1，2，分别对应曲线(7)、曲线(8)；

漏斗形浇铸区上口纵向曲线(18)的直线段GF(9)表达式为：Y_GF＝-y_i(s)+kZ_GF

其中：y_i(s)为漏斗形浇铸区横向曲线y轴坐标；Y_GF为直线GF的Y轴坐标，Z_GF为直线GF的Z轴坐标，k为直线斜率。

2、一种制造权利要求1所述的新型薄板坯漏斗形结晶器的方法，其特征是：所述漏斗形曲面按照如下步骤进行设计及制造：

a.根据浸入式水口的和薄板坯的尺寸确定漏斗形浇铸区上口宽度值L和漏斗形浇铸区上口最大厚度值H；

b.选取曲线拐点横、纵坐标值的初始值，由表达式

$\left\{\begin{array}{c}{x}_i\left(s\right)=a_i{\&Integral;}_0^s\cos \left(\frac{{\mathrm{\&pi;u}}^2}{{2A}_i^2}\right)\mathrm{du}+b_i{\&Integral;}_0^s\sin \left(\frac{{\mathrm{\&pi;u}}^2}{{2B}_i^2}\right)\mathrm{du}+c_i\\ y_i\left(s\right)=d_i{\&Integral;}_0^s\cos \left(\frac{{\mathrm{\&pi;u}}^2}{{2A}_i^2}\right)\mathrm{du}+e_i{\&Integral;}_0^s\sin \left(\frac{{\mathrm{\&pi;u}}^2}{{2B}_i^2}\right)\mathrm{du}+h_i\end{array}\right.$

初始计算结晶器上口漏斗形浇铸区横向曲线；

c.计算结晶器上口漏斗形浇铸区横向曲线的弧长与弧长收缩量Δs；

d.根据实际冷却条件，利用有限元法计算结晶器内漏斗形浇铸区坯壳的横向收缩量Δl；

e.计算横向曲线弧长收缩量与坯壳收缩量之差|Δs-Δl|，调整曲线拐点横、纵坐标值重复步骤b、c、d使|Δs-Δl|<0.1mm及曲率变化率小于1×10^-5，结束结晶器上口漏斗形浇铸区横向曲线计算；

f.选取漏斗浇铸区高度Z₀初始值，通过计算坯壳拉坯方向应变速率ε修正Z₀值，使ε小于1×10^-3；

g.选取等应变速率曲线起始点坐标的初始值，由表达式

$\left\{\begin{array}{c}{Y}_i\left(s\right)=k_i{\&Integral;}_0^s\cos \left(\frac{{\mathrm{\&pi;u}}^2}{{2C}_i^2}\right)\mathrm{du}+l_i{\&Integral;}_0^s\sin \left(\frac{{\mathrm{\&pi;u}}^2}{{2D}_i^2}\right)\mathrm{du}+m_i\\ Z_i\left(s\right)=n_i{\&Integral;}_0^s\cos \left(\frac{{\mathrm{\&pi;u}}^2}{{2C}_i^2}\right)\mathrm{du}+p_i{\&Integral;}_0^s\sin \left(\frac{{\mathrm{\&pi;u}}^2}{{2D}_i^2}\right)\mathrm{du}+q_i\end{array}\right.$

和Y_GF＝-y_i(s)+kZ_GF求出结晶器漏斗区纵向曲线；

h.调整等应变速率曲线起始点坐标值，重复步骤g使曲率变化率小于1×10^-5，结束漏斗区纵向曲线计算；

i、统一横向、纵向曲线坐标系，计算横向和纵向曲线族，形成漏斗形浇铸区宽面曲面，进而生成数控加工程序，在数控机床上加工出漏斗区宽面曲面。

3.根据权利要求2所述的新型薄板坯漏斗形结晶器的制造方法，其特征是：根据浸入式水口与薄板坯的尺寸确定漏斗形浇铸区上口宽度值L和漏斗形浇铸区上口最大厚度值H的取值范围，L＝800mm～1300mm，H＝35mm～60mm；根据钢种的临界应变速率确定漏斗形浇铸区高度Z₀的取值范围，Z₀＝800mm～950mm。

Images