CN103328130A - 用于连续铸造的结晶器 - Google Patents

Abstract

用于连续铸造金属产品的结晶器，所述金属产品例如是小铸坯或大铸坯，所述结晶器具有由侧壁(12)所界定的单体管形结构，在所述侧壁的厚度内加工有通道(11)，冷却液在所述通道(11)内流动，其中两个相邻的侧壁(12)界定出转角或边缘区域，其特征在于，在至少一个所述侧壁(12)或至少一个所述转角区域的至少一个纵向部分(C)上，加工有厚度减小，纵向部分界定出一个与使用时液态金属的弯月面所在区域对应的区域，厚度减小(13)起始于外表面，从而相对于单体管形结构的剩余纵向部分，确定了面积较小的横截面。

Description

用于连续铸造的结晶器

技术领域

本发明涉及一种用于连续铸造并且工作寿命长的结晶器。

本发明用在铁和钢领域内用于铸造任何类型和截面的小铸坯(billet)和大铸坯(bloom)，优选地为方形或矩形，但是通常也可以是多边形或圆形。

背景技术

在连续铸造中，实现高的铸造速度并且因此获得更高的生产率，同时仍然保持铸造产品的高表面质量和高内部质量，这些都与多个技术参数的优化有关，这些技术参数涉及结晶器和与结晶器连接的装置的特征，并且也涉及铸造方法。

所述参数主要涉及结晶器的几何和尺寸特征、主冷却系统、内壁的润滑系统以及制成所述结晶器的材料。

所述参数影响结晶器的用于支持高热应力和高机械应力以及结晶器经受的磨损的能力，因此决定了在高效状况下其操作寿命。

必须认识到，在结晶器内，同时存在影响其寿命和性能的热现象、机械现象和冶金现象。

必须进行尺寸方面的区分，因为相比用于“大”产品(例如大铸坯)的结晶器，用于“小”产品(例如小铸坯)的结晶器具有不同的问题。从热应力角度看，用于“小”产品的结晶器特别在高速应用时极大地承受压力并且典型地更加需要延长其工作寿命。

好的结晶器必须确保弯曲减小，从而至少在弯月面的区域内限制“负锥度”现象。也必须限制内表面上的裂纹的开始和扩展。必须能够限制所能达到的最大温度，从而用于确定的多个产品的铸造速度和尺寸。

关于几何形状和尺寸特征，已知的结晶器在结晶器的整个长度上具有大体上不变的壁厚，特别在结晶器的外表面和冷却孔之间的区域内，也称为冷零件。

特别地，铜壁的厚度与铸件的大小成正比，典型值约铸件的侧面的十分之一。

增加厚度，传导热阻也增加，从而对于相同热流设置和冷却水温度，最大温度也增加。除了特定温度或“软化温度”，铜的机械特性呈现突降，并且结晶器的几何特性和耐磨性也会出现迅速恶化。

所达到的最大温度取决于传导阻力和对流阻力：前者明确地由铜的厚度和类型决定，而后者由壁内侧流动的冷却液所获得的热交换系数决定。前者对后者具有显著的影响。

对于“小”产品，有限的铜厚度，高铸造速度，热流非常高并且结晶器的变形相当大，使得内部圆锥度无效并且因此使得铸件和结晶器的内壁的持续接触无效。缺少接触对铸件是有害的，因为这会减少热交换并且可能产生表面缺陷，例如凹陷和纵向裂纹，以及降低固化表皮的生长。

鉴于以上，现有结晶器中采用的技术方案特别地在围绕弯月面的区域内(也即，在熔化钢的铸造步骤中承受最高温度的区域)产生结晶器的张紧和变形状态的热机械调节，由于结晶器的导致其工作寿命降低的局部塑形变形，从而限制能够获得的铸造速度。

另外，由于对应于弯月面区域的热峰值，温度沿结晶器不是均匀的，由于材料的不同热膨胀，导致结晶器的不均匀的热机械变形，最终的问题涉及在铸件上出现塑性变形导致的成型缺陷，以及结晶器的过早磨损，这会降低其工作寿命。

另一问题涉及在必须进行维修和/或替换之前长时间地保持结晶器的高效状态，上述维修和/或替换特别地源自热循环过程中所积累的张力和塑性变形而引起的弯月面区域内的局部开裂。

在目前使用的结晶器中，不可能找到令人满意的解决方案以解决这些问题，并且实际上解决这些问题的努力已经侧重于其他方案。

现有技术JP 61 276749和US 2006/191661显示了截面局部减小的结晶器，但是这些结晶器没有加工在铜壁的厚度内的冷却通道，因此热机械和变形行为(特别是弯月面区域内)完全与装配有这种内部通道的结晶器不同。

US 2004/0069458描述了一种具有内部冷却通道和使用外部护套的冷却的技术方案，所述技术方案还具有喷嘴，喷嘴向结晶器的外壁喷洒冷却液。该文件提供的结晶器的壁厚从顶部减小，并且还在铜壁的厚度和铸件的侧面之间建立了固定的比率(10%级别的)，从而使得铸件的大小变化，结晶器的铜壁的厚度也按百分比变化。

作为这种方法的结果，特别是对于类似小铸坯的“小”产品，结晶器的壁所经受的热机械变形和弯曲特别大。正如所述的，这能够使得内部圆锥无效，并且因此使得铸件和结晶器的壁之间的良好接触无效，导致铜/钢热交换的降低。这导致铸件的表面缺陷，降低表皮的生长并且导致小铸坯从结晶器出口凸出。为了避免这些现象，必须降低铸造速度并且因此会降低生产线的总的生产率。

应当注意的是，在US'458中，厚度的减小独立存在或缺少冷却孔，因为通过结晶器的壁的冷却孔的存在是一个简单的例子，目的不是限制建议的技术方案。

因此本发明建议提供一种针对这些问题的应对，从而寻找一种技术方案，其首先能够在高效铸造的状况下提升结晶器的工作寿命，同时还需要保持内部形状，尽可能不改变大体上圆锥形的延展。

因此本发明的目的是获得一种装配有内部冷却通道的结晶器，其允许达到高的铸造速度，并且同时获得大量的铸造循环，基本上降低弯月面区域内可能的热机械塑性变形，从而在高效状态下提升结晶器的工作寿命。

申请人已经设计、测试和实施了本发明以克服现有技术的缺点并且获得这些或其他的优点。

发明内容

本发明在独立权利要求中被阐述和特征化，同时从属权利要求描述了本发明的其他特征或针对主要发明构思的变形。

本发明的原理基于这样的考虑，即结晶器的最经受热-机械应力的区域是跨越弯月面的区域，因此包括这样一个地带，在操作状态所述地带包含弯月面。

结晶器的壁厚，特别是弯月面的区域内，直径影响结晶器的机械阻力并且界定吸收热机械应力的能力以及因此上界定塑性变形的程度，所述热机械应力是由弯月面区域内钢的高温产生，而所述塑性变形是操作状态下壁所经受的塑性变形。

因为直至破裂的循环数，即结晶器的工作寿命，与每个循环内聚集的塑性变形成反比，因此控制结晶器内的热场以确保在有效状态下延长工作寿命是极其重要的。

本发明所应用的结晶器的特征首先在于具有单体的管形结构，其截面通常为方形、矩形或多边形，或者甚至是圆形，其中，界定截面的侧面通常能够从90 mm变化至250 mm，而纵向延伸长度通常位于900至1600 mm之间。

结晶器具有侧壁，侧壁在相互结合区域界定出转角区域或边缘，转角区域或边缘可能是圆形的。

本发明所使用的结晶器具有纵向通道，纵向通道用于冷却液通过并且被直接加工在其壁的厚度上，并且通常以大体上均匀的方式分布在壁上。

另外，本发明所使用的结晶器具有圆锥形内部轮廓，所述圆锥形内部轮廓当材料铸造逐渐收缩时相对于其逐渐固化从进口至出口调整。

在本发明背景中，基本的要求是当铸造循环持续时圆锥形内部形状保持不变，从而总是确保铸件的尺寸质量和形状。

本发明结晶器的特征还在于，铜壁的厚度和铸件(对于所谓的“小”产品)的侧面之间的高比例，所述高比例能够达到20%，即，对于大小约140-150 mm的铸件侧面，铜壁的厚度约为30 mm。

当铸件的侧面增加时，在任何情况下都维持约30 mm的值。

对于“小”产品，当高速铸造时与壁的热机械变形相关的问题更大，壁的阻力足够高并且能够与局部变形效应比较；然而，同样对于较大的产品，壁的厚度足够硬，以确保结晶器的内部圆锥度被保持。

根据本发明的技术特征，在单体管形结构的至少一个侧壁和/或至少一个所述转角区域的至少一部分上，在与应用时液态金属的弯月面所在区域对应的区域内，至少加工有厚度减小，厚度减小起始于侧壁的外表面，其确定了相对于单体结构的剩余部分，面积减小的横截面，其中，厚度减小以这样一种方式被加工，即壁的冷却部分(即相对于铸造金属，位于冷却通道外侧的部分)的剩余厚度小于冷却通道的直径，而冷却通道和铸造金属之间的壁厚度总是大于冷却部分的厚度。

厚度减小(对应于横截面积的减小)的状况决定了单体结构对应于跨越弯月面的区域是纤细的，厚度减小的区域具有期望的高度，与中空部分(冷却通道)和固体部分(通道外侧和内侧的铜壁)之间的比率所确定的热机械阻力有关，从而减小总的变形。 

因此上对于本发明，跨越弯月面的热机械应力较大的区域，由于纤细的横截面，变形会更小，所述较大的热机械应力是由于温度峰值和沿内壁形成局部裂纹的风险导致的 。

另外，由于当横截面的面积减小时机械阻力也减小，因此仅局部地获得厚度减小，也即绕弯月面的区域，而无需在结晶器的整个长度上，因此仅在比较需要吸收变形的地方实现其功能。

对于上述参数，我们因此上获得了局部和具体区域内热机械应力的吸收能力的增加与机械阻力之间最适宜的折中，从而使得在所有参数相等的情况下，当铸造循环持续时结晶器的塑性变形减小，其结果是结晶器有效状态下工作寿命增加。

在本发明的一些实施方式中，在弯月面形成所在的部分内，单体结构的壁厚位于约28 mm和约15 mm之间，优选地约20/25 mm，从而对于上述状况，冷却通道的直径约9 mm，冷却通道和铸造金属之间的壁厚约10 mm，并且冷却通道外侧的冷却区域的壁的厚度约5-6 mm。

在第一种技术方案中，对应于弯月面形成所在的区域，获得厚度减小，所述厚度减小是在单体结构的一个或多个或所有壁的整个外表面上获得的，因此界定出结晶器的厚度减小的部分或地带。

根据本发明的一些实施方式，厚度减小可以提供，结晶器的一个或多个壁沿与铸造轴平行的平面具有均匀的减小，或者在第一变形中，沿两个倾斜的平面逐渐延展，两个倾斜的平面大体在对应于弯月面的高度相交，或者在另一变形中，沿半圆形表面逐渐延展从而不具有粗糙的边缘。

根据另一实施方式，至少一个壁上的厚度减小沿横向方向可以是均匀的，或者根据变形，在中心较小而在端部较大。

根据另一实施方式，外表面的轮廓可以是线性或曲线的，或者是圆形的，即凹的或凸的。

在另一变形中，厚度减小是在形成弯月面所在的区域获得的，厚度减小沿至少一个或多个或所有的边缘获得，所述边缘被界定在单体结构的两个或多个壁之间，从而界定出相应的斜面。

通过斜面，获得了横截面的减小，横截面的减小是通过在跨越弯月面的区域内相对于结晶器的剩余纵向部分移除壁的转角部分来获得的，所述转角部分界定出结晶器的边缘。

在另一变形中，厚度减小是加工在相应边缘上的斜面和结晶器的至少一个壁的外表面的厚度减小组合的结果：一个或多个斜面和厚度减小的一个或多个壁的所有组合都是可能的。

该技术方案的另一可能实施方式通过在结晶器的整个外周上减小壁的厚度并且移除结晶器的边缘的材料来获得。

在另一实施方式中，厚度减小是在形成弯月面所在的区域内在单体结构的整个外周上获得的，即在表面上并且沿相关的边缘。

附图说明

本发明的这些和其他特征从参考附图并作为非限制性实施例的优选实施方式中变得清楚。

图1显示了本发明结晶器的第一种可能的实施方式的三维视图。

图2显示了图1中结晶器的侧视图。

图3显示了图2中沿III – III线的放大的截面。

图4显示了本发明结晶器的第二种可能的实施方式的三维视图。

图5显示了图4中结晶器的侧视图。

图6显示了图5中沿VI – VI线的放大的截面。

图7显示了本发明结晶器的第三种可能的实施方式的三维视图。

图8显示了图7中结晶器的侧视图。

图9显示了图7中沿IX – IX线的放大的截面。

图10-12显示了本发明结晶器的其他变形。

具体实施方式

参考附图，数字10整体地代表本发明结晶器。结晶器10具有单体的管形结构，在本案中截面为方形，并且具有孔/通道11，孔/通道11用于冷却液通过，并且被加工在其侧壁12的厚度内。

结晶器10的典型截面例如是方形，但是这种截面只是一种实施例，而决不是要限制在本发明背景中。

侧壁12的厚度约30 mm，例如被分割成约11 mm的外部节段“O”、与孔11的直径对应的约10 mm的中间节段“M”以及约9 mm的内部节段“I”(图3)。

根据本发明，在结晶器10的纵向部分C，对应于跨越弯月面形成所在区域的地带，设置有厚度减小13，所述厚度减小起始于侧壁的外面表面。

厚度减小决定了吸收热机械应力的能力的局部增加，从而将塑性变形降低至最低。

在图1至3所示的实施方式中，厚度减小13在单体结构的整个外周上是均匀的，即，厚度减小13位于侧壁12的外表面和外表面所界定的边缘上。

在该实施方式中，厚度减小13提供了约25mm的组合厚度，相比上述实施例，组合厚度被分成约5-6 mm的外部节段“O1”、与孔11的直径对应的约10 mm的中间节段“M”以及约9 mm的内部节段“I”。

因此，跨越弯月面的区域“C”内冷却部分的壁厚小于孔11的直径并且小于壁的包含在孔11和铸造金属之间的部分的厚度。

在图4至6所示的实施方式中，仅在由两个相邻的侧壁12所界定的边缘上获得厚度减小13，厚度减小13大体上界定出了边缘的斜面15。

在该实施方式中，厚度减小13提供了，对应于边缘的组合厚度例如约20 mm，而在侧壁12的中心，厚度保持约30 mm，正如结晶器10的剩余部分的厚度。

应当注意的是，在两个技术方案中，无论是在表面上获得或是在边缘上获得，厚度减小13都起始于侧壁12的外部。

这使得结晶器10的液体金属固化所在的内表面的构造保持不变。

另外，厚度减小13所决定的吸收能力被局限在部分C，其中必须比较由于高温所导致的热机械应力，热机械应力是在跨越弯月面的区域内产生的并且在现有技术状态下决定了结晶器10的塑性变形。在结晶器10的位于部分C上方和下方的部分，没有设置厚度减小13，因为较少需要热机械吸收，同时确保有效的结构和机械阻力。这些选择性的技术方案显然可以应用在沿结晶器10的壁12的任何单体结构形状和相对位置内。

在图7至9所示的其他实施中，厚度减小是通过在结晶器10的整个外周上减小侧壁12的厚度来实现的，并且也通过对应于转角区域加工有斜面15来实现的，在本案中，在所有的转角区域15内加工有斜面。

显然，本发明的架构内，也包括这样的方案：相对于结晶器10的区域“C”的上方或下方，仅某些转角区域或仅某些侧壁具有厚度减小，只要横截面积整体上减小。

关于厚度减小的纵向延展，图10显示了第一实施方式，其中在相关的整个纵向节段上，壁12具有大体上均匀的厚度减小13 并且具有不变的实体部分。

在图11所示的实施方式中，厚度减小13渐进地起始于上端，在在与弯月面对应的区域内达到最大(壁12的最终厚度最小)，然后逐渐地恢复到其正常值，该正常值对应于结晶器10的下部的厚度。

在图12所示的另一实施方式中，厚度减小13的逐渐延展是曲线的，在这种情况下也决定了在与弯月面对应的区域内壁厚最小，但是防止在壁12内形成锋利的边缘。

在其他未示的实施方式中，厚度减小可以沿横向方向从边缘至壁的中心区域是渐进的，其具有倾斜的平面或者具有圆形的曲线节段。

显然，对本发明可以进行修改和/或添附，而不会超出权利要求所界定的保护范围。

Claims (10)

1.用于连续铸造金属产品的结晶器，所述金属产品例如是小铸坯或大铸坯，所述结晶器具有由侧壁(12)所界定的单体管形结构，在所述侧壁的厚度内加工有通道(11)，冷却液在所述通道(11)内流动，其中两个相邻的侧壁(12)界定出转角或边缘区域，其特征在于，在至少一个所述侧壁(12)和/或至少一个所述转角区域的至少一个纵向部分(C)上，厚度(13)被减小，所述至少一个纵向部分(C)界定出一个与应用时液态金属的弯月面所在区域对应的区域，所述厚度减小起始于外表面，从而相对于单体管形结构的剩余纵向部分，确定出面积减小的横截面，其中，所述厚度减小使得壁的冷却部分的剩余厚度(“O1”)小于所述冷却通道(11)的直径(“M”)，而壁的位于所述冷却通道(11)和所述液态金属之间的厚度(“I”)大于所述冷却部分的厚度(“O1”)，所述冷却部分相对于所述液态金属位于所述冷却通道(11)的外部。

2.根据权利要求1所述的结晶器，其特征在于，所述侧壁(12)的对应于所述纵向部分(C)的厚度位于约28 mm至约15 mm之间，而在不同于部分(C)的部分时其厚度为至少30 mm，或者在任何情况下总是大于所述减小的厚度。

3.根据权利要求1或2所述的结晶器，其特征在于，所述厚度减小(13)在相关侧壁(12)的整个外表面上进行。

4.根据权利要求1或2所述的结晶器，其特征在于，所述厚度减小(13)沿至少一个转角边缘进行，所述转角边缘由两个相邻的侧壁(12)界定，从而在所述两个壁(12)之间获得斜面(15)。

5.根据权利要求4所述的结晶器，其特征在于，所述厚度减小(13)是通过在相应的转角边缘上形成至少一个斜面(15)和在结晶器的至少一个侧壁(12)的外表面上减小厚度的组合而实现的。

6.根据权利要求5所述的结晶器，其特征在于，所述厚度减小是通过所有侧壁(12)的整个外周上的厚度减小以及通过所有的由两个相邻侧壁所界定的转角区域内的斜面(15)获得的。

7.根据权利要求1所述的结晶器，其特征在于，所述厚度减小(13)沿所述结晶器的一个或多个壁(12)进行，所述厚度减小沿与所述结晶器的纵轴平行的平面均匀地延展。

8.根据权利要求1所述的结晶器，其特征在于，所述厚度减小(13)沿结晶器的一个或多个壁(12)进行，并且沿两个倾斜的平面渐进地延展，所述两个倾斜的平面大体上在对应弯月面的高度相交。

9.根据权利要求1所述的结晶器，其特征在于，所述厚度减小(13)沿结晶器的一个或多个壁(12)进行，并且沿半球表面渐进地延展。

10.根据权利要求1所述的结晶器，其特征在于，在至少一个壁(12)上的厚度减小(13)在所述壁的中心较小而在所述壁的端部较大。

Images