CN104232918B - 电渣熔铸高效散热结晶器 - Google Patents
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Abstract
本发明的目的在于提供一种高效、均匀散热的新型内腔结构电渣熔铸结晶器，包括铜板内套、钢板外套、内套与外套之间形成的冷却水腔；其特征在于：内套外壁有一定升角的螺旋形凹槽，冷却水在内套外呈螺旋上升状流动。与现有结晶器相比，该结晶器没有冷却死角，能够大幅提高冷却强度和冷却均匀性，从而达到提高电渣熔铸件凝固质量和均匀性的目的。
Description
技术领域
本发明属于电渣冶金领域，涉及到一种新型内腔结构的电渣熔铸用高效、均匀散热结晶器。
背景技术
电渣熔铸结晶器是生产电渣钢锭的必要辅助设备。熔铸过程中钢液在结晶器中凝固成钢锭，结晶器起到熔炼室和成型模具两个作用。电渣熔铸是将铸造或锻压的金属电极通过电渣电阻热进行二次重熔的精炼工艺，电渣熔铸产品有纯净度高，铸态组织致密均匀，无白点及年轮状偏析，硫含量低和夹杂物细小弥散等优良特性，因此在中大型锻件和模块毛坯生产中处于垄断地位。电渣熔铸过程中，金属熔滴通过渣液清洗后在水冷结晶器中冷却凝固成为电渣铸件，水冷结晶器的冷却强度越大，冷却越均匀，则金属凝固的晶粒越细，内部组织越均匀，热应力越小，即电渣熔铸件的内在质量越好。
通常结晶器的结构如图1所示，其中11为内套，12为外套，中间形成空腔13，冷却水从下部进水管流入，经过中间空腔13，从出水口流出。
为提高结晶器的冷却强度，目前的做法有如下几种:
1、用导热系数高的材料制作结晶器内套(加快导热速度)
目前多用紫铜材料制作结晶器内套。因为铜的导热系数为400W/mK，在目前的金属材料中只比银略低（银的导热系数413W/mK），但银的价格很高。所以，到目前为止，紫铜板仍是制作结晶器内套的最好材料。
2、提高冷却水流速(使热量迅速散出)
进水口流量相同的结晶器，结晶器内套与外套的间隙越小，则结晶器冷却水的流速越快，冷却强度越好。但如果结晶器内套与外套间隙过小，使用中就容易被铁锈和其它杂物堵塞，影响冷却效果。目前对于过窄间隙的结晶器(5mm-10mm)，外套通常采用不锈钢板制作，冷却水为软化水，水路闭环流通，且水路中配有二次换热装置。但这种做法既增加了结晶器成本，又增加了外围设备，所以，目前常用的结晶器，通常是将内套与外套的间隙控制在10mm～30mm，选择普通碳钢板制作结晶器外套，这样对冷却水要求不高，也可选择开放式水路，节约了结晶器的制作成本，但冷却均匀性和冷却效果不够理想。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高效、均匀散热的新型内腔结构电渣熔铸结晶器，与现有结晶器相比，该结晶器能够大幅提高冷却强度和冷却均匀性。所采取的措施是：①增大结晶器铜内套与冷却水的接触面积以提高冷却强度；②利用结晶器内套螺旋形凹槽和外套导流板，改变冷却水运动状态，实现均匀冷却并进一步增加冷却强度，最终实现提高电渣熔铸件的凝固质量的目的。
本发明具体提供了一种电渣熔铸高效散热结晶器，包括铜板内套1、钢板外套2、内套1与外套2之间形成的冷却水腔3；其特征在于：内套1外壁有一定升角的螺旋形凹槽5，外套2内设有螺旋状导流板4，冷却水在内套1与外套2之间呈螺旋上升状流动。
本发明所述电渣高效散热结晶器，其特征在于：所述结晶器内套外壁加工有螺旋升角为10°～60°的螺旋形凹槽5，所述凹槽5的截面优选矩形或三角形。
本发明所述电渣高效散热结晶器，其特征在于：所述结晶器内套1的铜板厚度选取标准为：当结晶器直径铜板厚度为10～18mm；铜板厚度为18～25mm；铜板厚度为25～30mm。
本发明所述电渣高效散热结晶器，其特征在于：所述螺旋状凹槽5开口宽度为T（见图2，下同），相邻两螺旋状凹槽5中心间距为S，螺旋状凹槽5深度为h，内套1铜板厚度为δ，则螺旋状凹槽5加工尺寸按以下公式选取：
(1)、h=2/5×δ；
(2)、S=2T。
本发明所述电渣高效散热结晶器，其特征在于：所述螺旋状凹槽5的螺旋升角为α，结晶器高度为H，螺旋线长度L，α=arcsin(H/L)；
其中螺旋线长度L选取标准为：结晶器直径1500mm≤L≤2000mm；2000mm≤L≤2800mm； 2800mm≤L≤3500mm。
本发明所述电渣高效散热结晶器，其特征在于：所述结晶器内套1外直径为D，螺旋状凹槽5的条数为χ，螺旋状凹槽（5）的开口宽度为T，其中χ=πDsinα/（2T）。
本发明所述电渣高效散热结晶器，其特征在于：所述结晶器外套2内设有螺旋状导流板4，导流板4可以根据结晶器高度的不同设置为1～5层。
其中优选方案为：结晶器高度＜500mm时，导流板层数为1，每层3块导流板；结晶器高度500～1000mm时，导流板层数为2，每层4块导流板；结晶器高度1000～1500mm时，导流板层数为3，每层4块导流板；结晶器高度＞1500mm时，导流板层数为5，每层6块导流板。
本发明所述电渣高效散热结晶器，其特征在于：所述结晶器下方设有进水管，上方设有出水管，且进出水管通径为1.5寸，水管数量与结晶器直径的关系为：
时，设有2个进水管和2个出水管；
设有4个进水管和4个出水管；
设有6个进水管和6个出水管。
本发明的优点是：
1、利用铜内套外部的螺旋形凹槽，增加铜内套与冷却水的接触面积，加速了内套热量的传导，提高了结晶器的冷却效果。
2、冷却水在螺旋形凹槽与导流板的导向作用下在结晶器内腔中呈一定角度的螺旋上升状态，这时冷却水会均匀地沿结晶器铜内壁螺旋流动，结晶器冷却均匀，没有冷却死角，消除了电渣熔铸件在结晶时由于冷热不匀而产生的开裂现象，同时也有利于增加结晶器的使用寿命。
附图说明
图1常规结晶器结构图；
图2结晶器内套展开示意图；
图3实施例1结晶器结构主视图；
图4实施例1结晶器结构俯视图；
图5实施例2结晶器结构主视图；
图6实施例2结晶器结构俯视图。
具体实施方式
实施例1
结晶器结构如图3、4所示，结晶器高1500mm，结晶器铜内套1直径厚25mm，外套2采用10mm厚钢板焊接，外套2与内套1间距20mm。内套1外侧加工有螺旋形凹槽5，其螺旋线升角为35°，螺旋形凹槽5截面为10mm（深度）×20mm(宽度)的矩形，相邻两个螺旋形凹槽5间的间距为20mm；外套2内侧等距安置3层导流板4，每层均布4块导流板，导流板4的材料为10mm厚碳钢板；结晶器进出水管各4个，通径均为1.5寸，冷却水流向为下进上出，螺旋形凹槽5和导流板旋向相同，进出水管与螺旋形凹槽5相切。
经计算得：可加工出38条螺旋形凹槽5，每条螺旋形凹槽5长2600mm（视为水流动距离），内套1外表面新增面积1976000mm2，则新增冷却面积约为原面积的50%。
实施结果：结晶器工作时的进出水温差为20℃，结晶器工作时同高度水位温差≤2℃。钢锭成形后，各部分组织均匀细密、质量优良。而同尺寸常规结晶器工作时的进出水温差为13℃（进出水温差小，表明换热效率低），同水位温差2～5℃（同水位温差大，表明冷却均匀性差）。
实施例2
结晶器结构如图5、6示意，结晶器高600mm，结晶器铜内套1直径厚16mm，外套2采用10mm厚钢板焊接，外套2与内套1间距20mm。内套1外侧加工有螺旋形凹槽5，其螺旋升角为25°，螺旋形凹槽5截面为6mm（深度）×10mm(宽度)的矩形，相邻两个螺旋形凹槽5间的间距为10mm；外套2内侧等距安置2层导流板4，每层均布4块导流板，导流板材料为10mm厚碳钢板，结晶器进出水管各2个，通径均为1.5寸，冷却水流向为下进上出，螺旋形凹槽5和导流板旋向相同，进出水管与螺旋形凹槽5相切。
经计算得：可加工15条螺旋形凹槽5，每条螺旋形凹槽5长1400mm。内套1外表面新增面积252000mm2，则新增面积约为原面积的58%。
实施结果：结晶器工作时的进水和出水温差18℃，结晶器工作时同高度水位温偏差≤2℃。钢锭成形后，各部分组织均匀细密，质量优良。而同尺寸常规结晶器的进出水温差在12℃，同水位温差2～4℃。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种电渣熔铸高效散热结晶器，包括铜板内套(1)、钢板外套(2)、内套(1)与外套(2)之间形成的冷却水腔(3)；其特征在于：内套(1)外壁有一定升角的螺旋形凹槽(5)，外套(2)内设有螺旋状导流板(4)，冷却水在内套(1)与外套(2)之间呈螺旋上升状流动；所述升角为10°～60°的螺旋升角；所述导流板(4)根据结晶器高度的不同设置为1～5层；
所述螺旋状凹槽(5)的螺旋升角为α，结晶器高度为H，螺旋线长度L，α＝arcsin(H/L)；
其中螺旋线长度L选取标准为：结晶器直径1500mm≤L≤2000mm；2000mm≤L≤2800mm； 2800mm≤L≤3500mm；
所述结晶器内套(1)外直径为D，螺旋状凹槽(5)条数为χ，螺旋状凹槽(5)的开口宽度为T，其中χ＝πD sinα/(2T)。
2.按照权利要求1所述电渣熔铸高效散热结晶器，其特征在于：所述凹槽(5)的截面是矩形或三角形。
3.按照权利要求1所述电渣熔铸高效散热结晶器，其特征在于：所述结晶器内套(1)的铜板厚度选取标准为：当结晶器直径铜板厚度为10～18mm；铜板厚度为18～25mm； 铜板厚度为25～30mm。
4.按照权利要求1所述电渣熔铸高效散热结晶器，其特征在于：所述螺旋状凹槽(5)开口宽度为T，相邻两螺旋状凹槽(5)中心间距为S，螺旋状凹槽(5)深度为h，内套(1)铜板厚度为δ，则螺旋状凹槽(5)加工尺寸按以下公式选取：
1)、h＝2/5×δ；
2)、S＝2T。
5.按照权利要求1所述电渣熔铸高效散热结晶器，其特征在于：结晶器高度＜500mm时，导流板层数为1，每层3块导流板；结晶器高度500～1000mm时，导流板层数为2，每层4块导流板；结晶器高度大于1000且小于等于1500mm时，导流板层数为3，每层4块导流板；结晶器高度＞1500mm时，导流板层数为5，每层6块导流板。
6.按照权利要求1所述电渣熔铸高效散热结晶器，其特征在于：所述结晶器下方设有进水管，上方设有出水管，且进出水管通径为1.5寸，水管数量与结晶器直径的关系为：
时，设有2个进水管和2个出水管；
设有4个进水管和4个出水管；
设有6个进水管和6个出水管。
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