CN102581238A - 一种铝合金半连续铸造冷却强度可变的结晶器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种铝合金半连续铸造冷却强度可变的结晶器，结晶器设置有上水腔和下水腔，上水腔的底部设置减压腔，下水腔的顶部和底部上设置有减压腔，上水腔的减压腔上设置有第三组冷却水孔，下水腔顶部的减压腔上设置有第一组冷却水孔，下水腔底部的减压腔上设置有第二组冷却水孔，第一组冷却水孔和第二组冷却水孔在同一竖直平面内，且与第三组冷却水孔呈交叉状布置，第一组冷却水孔和第二组冷却水孔的角度大于40°，第三组冷却水孔的角度小于40°。本发明采用两组高入射角度冷却水流，相同冷却水流量下可以大大减小高入射角度冷却水流的压力，从而有效避免压力过高带来的返水现象及其产生的铸锭表面裂纹。
Description
技术领域
本发明涉及一种铝合金半连续铸造冷却强度可变的结晶器，铝合金半连续铸造技术领域。
背景技术
直冷式半连续铸造是目前铝合金企业生产铝合金圆锭和扁锭的主要方式，液态铝熔体被浇注到由结晶器和引锭头所围成的空间内，当铝熔体与结晶器及引锭头发生接触，铝熔体就会被结晶器和引锭头冷却并且沿其边界发生凝固。当铝熔体在结晶器中达到一定高度，并且凝壳具有足够强度来支撑这些铝熔体的时候，引锭头将以给定的铸造速度向下运动。已凝固的铸锭将随着引锭头一起下降，当铸锭被拉出结晶器时，结晶器内的冷却水直接喷到铸锭的表面，铸锭被迅速的冷却下来。这样铝熔体不断的被浇铸到结晶器内，而已凝固的铸锭也不断的被拽出结晶器，构成了一个连续的过程。直冷式半连续铸造过程可分为两个阶段：铸造开始阶段和铸造稳定阶段，铸造开始阶段采用较低的铸造速度，然后铸造速度逐步增加，过渡到铸造稳定阶段。
半连续铸造过程中铸锭四周采用连续的冷却水喷射冷却，导致铸锭横截面上存在非常大的温度梯度，铸锭纵剖面存在一个液穴，铸锭凝固收缩的拉应力产生一个轴向分量，铸造开始阶段已成型铸锭抗变形能力较差，导致铸锭的底部形成拱形，这种现象被称为翘曲。翘曲形成对凝壳有破坏作用，凝壳破裂就会产生漏流现象，从而影响铸锭的成型和铸造成功率。工业生产中为了抑制或减轻翘曲，铸造开始阶级采用较弱的冷却工艺，当铸造过渡到稳定阶段采用较强的冷却工艺，以细化显微组织，提高铸锭质量。现有铸造冷却工艺中铸造开始阶段冷却水流量较小，随着铸造过渡到稳定阶段，逐渐增加冷却水流量。为了进一步降低铸造开始阶段冷却强度，国外开发出非连续式/脉冲水冷技术，加气水冷技术等，明显改善了铸锭翘曲。最新的铸造技术中开始阶段采用较小水流量的一组冷却水以低入射角度冲击铸锭，得到较弱的冷却强度；稳定阶段增加水流量的同时，另外增加高入射角度的一组冷却水冷却铸锭，高入射角度冷却水流冲击点高于低入射角度冷却水流冲击点，两组冷却水流交叉分布，与单组冷却水冷却相比增强了单位流量的冷却水冷却效率，从而增强冷却强度。但这种冷却方式下，当冷却水流量增大到一定程度时，由于水压过大，高入射角度的冷却水流冲击到铸锭表面散开，容易促使部分水流沿铸锭表面向上返水，严重时进入结晶器内部铝液表面，导致铸锭局部冷却不均，产生表面裂纹。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种铝合金半连续铸造冷却强度可变的结晶器。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：
一种铝合金半连续铸造冷却强度可变的结晶器，其特征在于：所述结晶器设置有上水腔和下水腔，所述上水腔的底部设置减压腔，所述下水腔的顶部和底部上设置有减压腔，所述上水腔的底部通过安装分水板相隔减压腔，所述下水腔的顶部和底部通过安装分水板相隔减压腔，所述上水腔的减压腔上设置有第三组冷却水孔，所述下水腔顶部的减压腔上设置有第一组冷却水孔，所述下水腔底部的减压腔上设置有第二组冷却水孔，所述第一组冷却水孔和第二组冷却水孔在同一竖直平面内，且与第三组冷却水孔呈交叉状布置，所述第一组冷却水孔和第二组冷却水孔的角度大于40°，所述第三组冷却水孔的角度小于40°。
进一步地，上述的一种铝合金半连续铸造冷却强度可变的结晶器，其中，结晶器由大面侧盖和小面侧盖围成的长方体，所述大面侧盖与所述小面侧盖相交处设有角部隔墙布置，所述大面侧盖的两端各设置有上水腔和下水腔，所述小面侧盖的两端各设置有上水腔和下水腔，所述角部隔墙上开有进水端口，所述进水端口与大面侧盖的上水腔相连通，且还与小面侧盖的上水腔相连通，所述大面侧盖的上水腔通过大面侧盖的进水孔与大面侧盖的下水腔相连通且大面侧盖的进水孔位置处设置有气控水阀，所述小面侧盖的上水腔通过小面侧盖的进水孔与小面侧盖的下水腔相连通，所述结晶器的内腔中设置有相对的内衬，所述内衬之间设置有引锭头。
更进一步地，上述的一种铝合金半连续铸造冷却强度可变的结晶器，其中，所述第一组冷却水孔与第二组冷却水孔、第二组冷却水孔与第三组冷却水孔之间的孔间距在10~16mm，且其孔的直径为2~6mm。
更进一步地，上述的一种铝合金半连续铸造冷却强度可变的结晶器，其中，角部隔墙上的进水端口上设置有过滤器。
本发明技术方案的实质性特点和进步主要体现在：
本发明采用两组高入射角度冷却水流，相同冷却水流量下可以大大减小高入射角度冷却水流的压力，从而有效避免压力过高带来的返水现象及其产生的铸锭表面裂纹；采用三组冷却水冲击到铸锭表面，能够进一步减小层流区，同时随着冲击点的增加相互干涉作用加强，也进一步增加湍流程度，从而进一步提高铸锭冷却效果，有利于提高铸锭冶金质量。
半连续铸造冷却强度可变结晶器本体设有上下两个水腔，冷却水从角部隔墙进入上水腔，小面侧盖的上、下水腔直接通过进水孔连通，大面侧盖的上、下水腔通过气控阀控制连通，从而控制大面侧盖的上水腔的冷却水是否进入大面侧盖的下水腔，满足铸造开始阶段和稳定阶段不同的冷却要求：实现铸造开始阶段大面采用第三组冷却水单独冷却铸锭，获得较小冷却强度，从而抑制铸锭翘曲，而铸造稳定阶段大面采用3组冷却水同时冲击铸锭，获得极强冷却强度，提高铸锭冶金质量。
附图说明
下面结合附图对本发明技术方案作进一步说明：
图1：本发明的俯视示意图；
图2：本发明的内部俯视示意图；
图3：图1的A—A剖视示意图；
图4：图1的B-—B剖视示意图；
图5：图1的C-—C剖视示意图；
图6：本发明半连续铸造冷却强度可变结晶器工作过程示意图。
具体实施方式
如图1、图2、图3、图4、图5所示，一种铝合金半连续铸造冷却强度可变的结晶器，结晶器1设置有上水腔6和下水腔5，上水腔6的底部设置减压腔10，下水腔5的顶部和底部上设置有减压腔10，上水腔6的底部通过安装分水板3相隔减压腔10，下水腔5的顶部和底部通过安装分水板3相隔减压腔10，上水腔6的减压腔10上设置有第三组冷却水孔8，下水腔5顶部的减压腔10上设置有第一组冷却水孔7，下水腔5底部的减压腔10上设置有第二组冷却水孔9，第一组冷却水孔7和第二组冷却水孔9在同一竖直平面内，且与第三组冷却水孔8呈交叉状布置，第一组冷却水孔7和第二组冷却水孔9的角度大于40°，第三组冷却水孔8的角度小于40°。
结晶器1由大面侧盖14和小面侧盖15围成的长方体，大面侧盖14与小面侧盖15相交处采用角部隔墙布置，大面侧盖14的两端各设置有上水腔6和下水腔5，小面侧盖15的两端各设置有上水腔6和下水腔5，角部隔墙上开有进水端口11，进水端口11与大面侧盖14的上水腔6相连通，且还与小面侧盖15的上水腔6相连通，大面侧盖14的上水腔6通过大面侧盖的进水孔与大面侧盖14的下水腔5相连通且大面侧盖14的进水孔位置处设置有气控水阀12，小面侧盖15的上水腔6通过小面侧盖15的进水孔与小面侧盖15的下水腔5相连通，结晶器1的内腔中设置有相对的内衬2，内衬2之间设置有引锭头17。
第一组冷却水孔7与第二组冷却水孔9、第二组冷却水孔9与第三组冷却水孔8之间的孔间距在10~16mm，且其孔的直径在2~6mm。
角部隔墙上的进水端口上设置有过滤器16。
具体应用时，开始铝合金半连续铸造前，在结晶器1的内衬2表面均匀涂抹一层润滑油，将引锭头17上升到内衬2下沿，构成一个半封闭空间；将0.2MPa压缩空气管道与快速接头13连接，气流通过气通道4进入气控水阀12，气控水阀12打开；接着将冷却水管道与位于角部隔墙处的进水端口11连接，以较小的流量向结晶器1内供水；冷却水经过滤器16过滤后，由角部隔墙的进水端口11进入到大面侧盖14的上水腔6和小面侧盖15的上水腔6中，小面侧盖15的上水腔6的冷却水通过进水孔进入到小面侧盖15下水腔5，小面侧盖15的上水腔6和小面侧盖15的下水腔5中冷却水通过分水板3进入减压腔10，然后通过高入射角度的第一组冷却水孔7、第二组冷却水孔9和低入射角度的第三组冷却水孔8喷出，形成第一冷却水流、第二冷却水流和第三组冷却水流；大面侧盖14由于气控水阀12打开，堵住了大面侧盖14的上水腔6和大面侧盖14的下水腔5相通的进水孔，因而冷却水不能进入到大面侧盖14的下水腔5中，大面侧盖14的上水腔6中冷却水通过分水板3进入减压腔10，然后通过低入射角度的第三组冷却水孔8喷出，形成低入射角度的第三组冷却水流。
准备就绪后开始铸造，如图6所示，向结晶器1空腔内浇注铝熔体，当熔体液面升至接近内衬2中线时引锭头17开始以较小的速度下移，部分凝固的铸锭脱开结晶器1后受到冷却水的二次冷却作用，铸锭和冷却水发生热交换，逐渐凝固成形，随着铸造进行，铸造速度和冷却水流量逐渐增加到一个稳定数值，在此之前的铸造过程构成铸造开始阶段。在铸造开始阶段，大面侧盖14采用第三组冷却水流单独冷却，冷却强度低，能够减少铸锭的翘曲。
铸造过程进入稳定阶段后，关闭气控水阀12，使得大面侧盖14的上水腔6中冷却水由上水腔6流入到下水腔5中，因此大面侧盖14和小面侧盖15的上水腔6、下水腔5中冷却水通过分水板3进入减压腔10，然后通过高入射角度的第一组冷却水孔7、第二组冷却水孔9，和低入射角度的第三组冷却水孔8喷出，形成高入射角度的第一冷却水流、第二组冷却水流，和低入射角度的第三组冷却水流；与铸造开始阶段相比，大面侧盖14增加了高入射角度的第一组冷却水和第二两组冷却水流，也形成了三组冷却水流冷却铸锭。
高入射角度的第一组冷却水流冲击点位于高入射角度的第二组冷却水流冲击点之上约10mm，第二组冷却水流冲击点位于低入射角度的第三组冷却水流冲击点之上约10mm；第一组冷却水流冲击点和第二组冷却水流冲击点在同一竖直线上，第一组冷却水流和第二组冷却水流冲击点与第三组冷却水流冲击点间隔分布。铸造过程中，第一组冷却水流和第二组冷却水流冲击到铸锭表面后部分反弹，反弹起来的冷却水包含着部分气流，位于第一组冷却水流冲击路径上，被第一组冷却水夹带着冲击到铸锭表面，这种水流相互干涉作用消除了冷却水飞溅，同时也增加了冷却水的湍流程度。每组冷却水流冲击到铸锭表面，在冲击点以下的铸锭表面上，依次形成第一湍流区a、层流区b和第二湍流区c，其中第一湍流区a高度约12.7mm，第一湍流区a下方是高度约25.4mm的层流区b，层流区b以下是第二湍流区c，湍流区的换热效率远高于层流区。采用三组冷却水在不同高度平面上交叉分布冷却铸锭，每组冷却水依次形成的第一湍流区a叠加后能够覆盖层流区b。
本发明提供的半连续铸造冷却强度可变的冷却方式是铸造开始阶段采用较小水流量的一组冷却水以低入射角度冲击铸锭，得到较弱的冷却强度；稳定阶段增加水流量的同时，另外增加高入射角度的两组冷却水冷却铸锭，得到极强的冷却强度。采用本发明提供的半连续铸造冷却强度可变结晶器能够实现上述冷却方式。稳定阶段采用三组冷却水流交叉分布在不同高度平面上冷却铸锭，与采用单组冷却水冷却铸锭的情况相比，能够减少冷却水飞溅，增加冷却水湍流效果；与采用两组冷却水流交叉分布冷却铸锭的情况相比，本发明采用两组高入射角度冷却水流，相同冷却水流量下可以大大减小高入射角度冷却水流的压力，从而有效避免压力过高带来的返水现象及其产生的铸锭表面裂纹；三组冷却水流交叉分布在不同高度平面上冷却铸锭，其第一湍流区a叠加后能够更多地覆盖层流区b，增加湍流区高度，同时随着冲击点的增加相互干涉作用加强，也进一步增加湍流效果，从而进一步提高铸锭冷却效果，有利于提高铸锭冶金质量。
需要强调的是：以上仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (4)
1.一种铝合金半连续铸造冷却强度可变的结晶器，其特征在于：所述结晶器设置有上水腔和下水腔，所述上水腔的底部设置减压腔，所述下水腔的顶部和底部上设置有减压腔，所述上水腔的底部通过安装分水板相隔减压腔，所述下水腔的顶部和底部通过安装分水板相隔减压腔，所述上水腔的减压腔上设置有第三组冷却水孔，所述下水腔顶部的减压腔上设置有第一组冷却水孔，所述下水腔底部的减压腔上设置有第二组冷却水孔，所述第一组冷却水孔和第二组冷却水孔在同一竖直平面内，且与第三组冷却水孔呈交叉状布置，所述第一组冷却水孔和第二组冷却水孔的角度大于40°，所述第三组冷却水孔的角度小于40°。
2.根据权利要求1所述的一种铝合金半连续铸造冷却强度可变的结晶器，其特征在于：所述结晶器由大面侧盖和小面侧盖围成的长方体，所述大面侧盖与所述小面侧盖相交处设有角部隔墙布置，所述大面侧盖的两端各设置有上水腔和下水腔，所述小面侧盖的两端各设置有上水腔和下水腔，所述角部隔墙上开有进水端口，所述进水端口与大面侧盖的上水腔相连通，且还与小面侧盖的上水腔相连通，所述大面侧盖的上水腔通过大面侧盖的进水孔与大面侧盖的下水腔相连通且大面侧盖的进水孔位置处设置有气控水阀，所述小面侧盖的上水腔通过小面侧盖的进水孔与小面侧盖的下水腔相连通，所述结晶器的内腔中设置有相对的内衬，所述内衬之间设置有引锭头。
3.根据权利要求2所述的一种铝合金半连续铸造冷却强度可变的结晶器，其特征在于：所述角部隔墙上的进水端口上设置有过滤器。
4.根据权利要求1所述的一种铝合金半连续铸造冷却强度可变的结晶器，其特征在于：所述第一组冷却水孔与第二组冷却水孔、第二组冷却水孔与第三组冷却水孔之间的孔间距在10~16mm，且其孔的直径为2~6mm。
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