CN102554155A

CN102554155A - 管式结晶器

Info

Publication number: CN102554155A
Application number: CN2011104345479A
Authority: CN
Inventors: 王博; 刘洪银; 杨州; 朱秋菊; 张炯; 孙会朝; 刘美
Original assignee: Laiwu Iron and Steel Group Co Ltd
Current assignee: Laiwu Iron and Steel Group Co Ltd
Priority date: 2011-12-22
Filing date: 2011-12-22
Publication date: 2012-07-11

Abstract

本发明提供了一种管式结晶器，在所述管式结晶器的工作外壁的角部处形成有覆盖层，所述覆盖层由耐高温、耐腐蚀、导热系数小于形成结晶器的材料的导热系数的金属陶瓷材料或金属形成。根据本发明的管式结晶器能够改善矩形坯、方坯角部的凝固质量。

Description

管式结晶器

技术领域

本发明涉及钢铁冶金行业的连铸设备，更具体地讲，涉及一种能够改善矩形坯、方坯角部凝固质量的管式结晶器。

背景技术

结晶器是一个水冷的铜模，是连铸机非常重要的部件，被称为连铸机的“心脏”。钢水在结晶器内冷却，初步凝固成形并具有一定厚度的坯壳，这一过程是在坯壳与结晶器壁连续、相对运动下完成的。因此结晶器应具有良好且均匀的导热性和刚性，以使凝固过程均匀、平稳。

现有技术中的结晶器是由铜板或铜管与外面的钢结构组成，铜板或铜管的作用是将钢水的热量传递给冷却水。这样的结晶器一般有两类：(1)内表面没有镀层或涂层；(2)内表面被镀上一层厚度约为20-80微米、比铜耐磨的金属或合金，如镍或铬的合金，增加该镀层的目的在于提高结晶器使用寿命和减缓铜板磨损，但不能够改变结晶器原来的导热性能。而当前的连铸生产中，结晶器的导热性能是显著影响连铸坯质量的重要因素。

无论是哪一种类型的结晶器，已经凝固的坯壳与结晶器内壁接触的散热形式可以视为一维散热，而凝固的坯壳角部与结晶器内腔角部接触的散热形式可以视为二维散热。角部的导热效率远高于其他部位。这种情况的出现常导致角部处急剧冷却，严重影响凝固质量甚至出现裂纹。

专利CN1401449A公布了一种适用于连铸设备中具有隔热耐磨镀层的结晶器产品。该结晶器产品的组成是在结晶器铜壁的外部套有水套，特征是结晶器内的铜壁上部涂有隔热耐磨镀层，但是该专利没有考虑到由于散热环境的不同对连铸坯角部产生的特殊影响，无法在有效改善连铸坯的表面和内部质量的同时兼顾角部凝固质量。

更普遍的做法是，考虑到铸坯的均匀冷却，在铜管的四角都设圆角过度，但依旧无法解决角部的均匀冷却问题。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供了一种能够改善矩形坯、方坯角部凝固质量的管式结晶器。

为了实现本发明，提出了一种管式结晶器，在所述管式结晶器的工作外壁的角部处形成有覆盖层，所述覆盖层由耐高温、耐腐蚀、导热系数小于形成结晶器的材料的导热系数的金属陶瓷材料或金属形成。

根据本发明的实施例，覆盖层在管式结晶器器壁上的覆盖宽度为管式结晶器的窄面宽度的1/10～1/4。

根据本发明的实施例，覆盖层可为形成有30°-75°倒角的等厚层。优选地，覆盖层可为形成有45°倒角的等厚层。

根据本发明的另一实施例，覆盖层可为不带倒角的等厚层或非等厚层。

当所述覆盖层为等厚层时，厚度范围为0.2mm～5mm；当所述覆盖层为非等厚层时，所述覆盖层从0.2mm～2mm的厚度平滑过渡到0.5mm～5mm的厚度。

根据本发明的实施例，当所述管式结晶器由铜制成时，所述覆盖层由耐高温、耐腐蚀、导热系数小于铜的导热系数的金属陶瓷材料或金属形成。

附图说明

通过下面结合附图进行的描述，本发明的上述和其他目的和特点将会变得更加清楚，其中：

图1为示出了根据本发明示例性实施例的形成有隔热材料层的管式结晶器的剖面图；

图2为示出了根据本发明示例性实施例的形成有带有45°倒角的等厚度隔热材料层的管式结晶器的剖面图；

图3为示出了根据本发明示例性实施例的形成有不带倒角的等厚度隔热材料层的管式结晶器的剖面图；

图4为示出了根据本发明示例性实施例的形成有不带倒角的不等厚度隔热材料层的管式结晶器的剖面图。

具体实施方式

在下文中，将详细描述根据本发明示例性实施例的管式结晶器。

在现有技术中，结晶器内的坯壳角部由于受两个结晶器壁的共同作用而处于二维传热状态，其热流量大从而使角部急剧冷却，从而导致坯壳角部受应力作用，严重时坯壳角部在应力作用下形成角部纵向裂纹，且由于角部急剧冷却使初生坯壳收缩较早，从凝固一开始就形成不均匀气隙，导致热阻急剧增加，影响坯壳均匀生长。无论是内表面没有镀层或涂层的结晶器还是内表面被镀上镀层或涂层的结晶器，都无法改变结晶器原来的导热性。

为了解决结晶器角部的均匀冷却的问题，本发明提出了一种能够改善矩形坯、方坯角部凝固质量的管式结晶器。根据本发明示例性实施例的管式结晶器的特点在于在现有的内表面没有镀层或涂层的管式结晶器的工作壁外侧角部位置处涂镀或贴附一层具有隔热功能的材料(下面，简称为“隔热材料”)。

可选地，根据本发明示例性实施例的管式结晶器也可以是在现有的内表面镀有涂层的管式结晶器的基础上，在工作面外侧角部位置处涂镀或贴附一层隔热材料。

上述隔热材料可以采用现有技术中的热喷涂、电镀、化学镀的方法使涂镀层与基体牢固结合，也可以采用焊接、粘附的方法使隔热材料片与基体结合。

具体地讲，隔热材料可由耐高温、耐腐蚀、导热系数比结晶器所用材料的导热系数小的金属陶瓷材料和金属材料构成。例如，当结晶器的器壁为铜质时，上述隔热材料可以由耐高温、耐腐蚀、导热系数比铜的导热系数小的金属陶瓷材料和金属材料构成。这里，金属陶瓷材料是由陶瓷硬质相与金属或合金粘结相组成的材料，金属陶瓷具有高强度、高硬度、耐磨损、耐高温、抗氧化和化学稳定性等特性。本发明可以通过在电镀液中混入超细陶瓷粉末，采用被镀金属作为阳极，在将金属离子附着在基体上的同时，又将溶液中悬浮的超细陶瓷粉末带入的工艺来获得所需的金属陶瓷材料镀膜层。

图1为示出了根据本发明示例性实施例的形成有隔热材料层的管式结晶器的剖面图。

如图1所示，隔热材料层3在结晶器器壁上的覆盖宽度W为管式结晶器窄面宽度B的1/10～1/4，并且隔热材料层3可以是带有30°～75°倒角的等厚度隔热材料层、不带倒角的等厚度隔热材料层、或不带倒角的不等厚度隔热材料层。更优选地，当隔热材料层3是等厚度隔热材料层时，隔热材料层3可以是带有45°倒角的等厚度隔热材料层。

具体地讲，带有倒角的等厚度隔热材料层在结晶器安装、运输过程中不易损坏。此外，由于结晶器角部越靠近边缘散热作用越强，而非边缘区域过分的降低导热率对连铸质量会产生负面影响，因此为了使隔热效果均匀过度，当采用隔热系数较大的材料时，使用不等厚度的设计可以使隔热效果在所覆盖区域更合理。

当该隔热材料层为等厚度隔热材料时，厚度范围为0.2mm～5mm；当该隔热材料层为不等厚的隔热材料层时，从窄面的0.2mm～2mm厚度平滑过渡到厚面的0.5mm～5mm。对于热阻值不同的材料，可选择不同的隔热材料层的厚度来获得对角部类似的隔热效果。

现在将详细描述根据本发明示例性实施例的管式结晶器改善矩形坯、方坯角部凝固质量的原理。

结晶器内的坯壳角部受两个结晶器壁的共同作用处在二维传热状态，其热流量大导致角部急剧冷却，从而导致初生坯壳角部受到应力的作用，严重时坯壳角部在应力作用下形成角部纵裂纹，且由于角部急剧冷却使初生坯壳收缩较早，从凝固一开始就形成不均匀气隙，导致热阻急剧增加，影响坯壳均匀生长。无论是内表面没有镀层或涂层的结晶器还是内表面形成有镀层或涂层的结晶器，都无法改变结晶器原来的导热性。基于上述情况，根据本发明的示例性实施例，在管式结晶器的工作壁外侧的角部处形成具有隔热耐磨功能的覆盖层，在保证现有结晶器对铸坯表面及心部质量控制水平的前提下，弱化坯壳角部的二维散热强度，使角部冷却速度减缓，既避免了由于急剧冷却产生的应力对坯壳角部的影响和破坏，又避免了由于初生坯壳较早收缩形成的不均匀气隙导致的热阻不受控增加，影响坯壳均匀生长，使坯壳角部未均匀散热。

图2为示出了根据本发明示例性实施例的带有45°倒角的等厚度隔热材料层的管式结晶器的剖面图，图3为示出了根据本发明示例性实施例的不带倒角的等厚度隔热材料层的管式结晶器的剖面图，图4为示出了根据本发明示例性实施例的不带倒角的不等厚度隔热材料层的管式结晶器的剖面图。

实施例1

如图2所示，根据本发明示例性实施例1的管式结晶器1为120mm×120mm方坯管式结晶器。图2中示出的管式结晶器1具有正方形形状，并在管式结晶器1的外侧壁的四个角部处形成有金属陶瓷镀膜2。该金属陶瓷镀膜2为带有45°倒角的等厚度镀膜，其宽度W为20mm，厚度T为1mm，长度(未示出)为结晶器的深度。此外，除了外侧壁的角部处之外，在管式结晶器1的外侧壁的其他部分处没有形成涂镀层。在实施例1中，带有45°倒角的金属陶瓷镀膜2包含按重量计85％的Ni和15％的Al₂O₃。

实施例2

如图3所示，根据本发明示例性实施例2的管式结晶器1为120mm×120mm方坯管式结晶器。图3中示出的管式结晶器具有正方形形状，并在管式结晶器的外侧壁的四个角部处涂镀有金属陶瓷镀膜3。该金属陶瓷镀膜3为不带倒角的等厚度镀膜，其宽度W为15mm，厚度T为2mm，长度(未示出)为结晶器的深度。此外，除了外侧壁的角部处之外，在管式结晶器的外侧壁的其他部分处没有形成涂镀层。在实施例2中，不带有倒角的金属陶瓷镀膜3包含按重量计90％的Ci和10％的ZrO₂。

实施例3

如图4所示，根据本发明示例性实施例3的管式结晶器为120mm×120mm方坯管式结晶器。图4中示出的管式结晶器具有正方形形状，并在管式结晶器的外侧壁的四个角部处涂镀有金属陶瓷镀膜4。该金属陶瓷镀膜4为不带倒角的不等厚的镀膜，其初始厚度为0.5mm，角部最厚处为3mm，即，从角部处的3mm平滑过渡到0.5mm。此外，除了外侧壁的角部处之外，在管式结晶器的外侧壁的其他部分处没有形成涂镀层。在实施例3中，不带倒角的金属陶瓷镀膜4包含按重量计90％的Ni和10％的Al₂O₃。

根据本发明示例性实施例的管式结晶器，通过在角部覆盖隔热层，可以使角部的热流降低20％-40％，从而有效改善角部的散热过快的问题，降低了由于角部的二维散热导致的急剧冷却引起的角部开裂等缺陷。

上述实施例均以120mm×120mm方坯管式结晶器为例进行举例说明，本发明不限于此。

根据本发明示例性实施例的管式结晶器具有如下优点：

1)本发明的结构简单、投资少，易于实现和维护；

2)本发明使坯壳角部位置温度降低减缓，从而使收缩率减小而形成的气隙小，有助于坯壳均匀生长；

3)本发明适应性广，能够广泛应用于内表面没有镀层或涂层以及内表面被镀上一层比铜耐磨的金属或合金的各类矩形坯、方坯管式结晶器。

尽管已经参照本发明的示例性实施例示出和描述了本发明，但是本领域的技术人员应该明白，在不脱离本发明的教导的情况下，可以在形式和细节上做出各种修改。本发明的范围应由权利要求限定。

Claims

1.一种管式结晶器，其特征在于在所述管式结晶器的工作外壁的角部处形成有覆盖层，所述覆盖层由耐高温、耐腐蚀、导热系数小于形成结晶器的材料的导热系数的金属陶瓷材料或金属形成。

2.根据权利要求1所述的管式结晶器，其特征在于所述覆盖层在管式结晶器器壁上的覆盖宽度为管式结晶器的窄面宽度的1/10～1/4。

3.根据权利要求1所述的管式结晶器，其特征在于所述覆盖层为形成有30°-75°倒角的等厚层。

4.根据权利要求3所述的管式结晶器，其特征在于所述覆盖层为形成有45°倒角的等厚层。

5.根据权利要求1所述的管式结晶器，其特征在于所述覆盖层为不带倒角的等厚层或非等厚层。

6.根据权利要求3或5所述的管式结晶器，其特征在于当所述覆盖层为等厚层时，厚度范围为0.2mm～5mm。

7.根据权利要求5所述的管式结晶器，其特征在于当所述覆盖层为非等厚层时，所述覆盖层从0.2mm～2mm的厚度平滑过渡到0.5mm～5mm的厚度。

8.根据权利要求1所述的管式结晶器，其特征在于当所述管式结晶器由铜制成时，所述覆盖层由耐高温、耐腐蚀、导热系数小于铜的导热系数的金属陶瓷材料或金属形成。