CN104254413A - 用于连续铸造的结晶器 - Google Patents

Abstract

一种用于连续铸造诸如大铸坯或小铸坯(12)的长的金属产品的结晶器，所述结晶器是通过外部冷却套管来冷却的类型，并且，至少在所述结晶器的具有最大热峰值的区域处，存在有被定位在围绕所述弯月面(11)的区域或被定位在紧接弯月面(11)之下处的装置，所述装置被制作在所述结晶器(10)的壁上以调节所述结晶器的壁与铸钢之间的热交换。用于调节热交换的所述装置包括凹陷或凹部(20)，其被制作在所述结晶器(10)的内壁上并且被制作为在最大热峰值的区域附近，而且分布如下：其在单位表面上所占据的总面积朝向底部递减，直到其在距具有所述最大热峰值的区域的某个距离处取消。

Description

用于连续铸造的结晶器

技术领域

本发明涉及用于诸如大铸坯(bloom)或小铸坯(billet)的长的金属产品的连续铸造的结晶器，其通过外部冷却套管冷却。

该结晶器优先适用的大铸坯或小铸坯具有边长等于120mm÷180mm的正方形的截面，或者具有等效截面的矩形。

背景技术

在连续铸造领域，尤其是在铸造大铸坯和小铸坯的情况下，众所周知的是，涉及成品质量的主要问题之一即是菱形变形的缺陷。此外形缺陷的特征在于如下事实：所述产品(例如大铸坯或小铸坯)，尤其对于在高速铸造下的小规格，在铸造机器的凝固下游的端部处不具有精确地等于结晶器的内部截面的外廓，而是呈现出可能在随后的轧制过程中引起问题的长菱形的形状。

如果作为截面的对角线之间的差被测量的菱形变形大于6mm，那么，在第一轧钢机架，阻塞的频率将会增加。

由于结晶器内的热交换缺乏均匀性，所以经常产生这种形状上的缺陷，尤其是在紧接弯月面之下的区域，而这引起，在产品的一侧和另一侧之间和沿着相同侧，外周上的表层的厚度不均匀。这个不均匀性取决于结晶器的非对称性变形，而这本质上又取决于热流的强度。一旦产生，变形就会增加并且不能复原。

此外，与在距离边缘的顶点10mm-30mm处的区域不同，边缘由于大的交换表面而承受相当大的热流。距离边缘的顶点10mm-30mm处的区域因此具有比小铸坯的其余部分的厚度更小的厚度的局部表层。具有不均匀厚度的表层在厚度较小的地方具有薄弱点，表层下的裂缝的形成因此变得频繁，而这可引起折断。

当使用油作为润滑剂而进行自由铸造(free casting)时，这个问题甚至更加严重。另一方面，如果在铸造过程中使用润滑粉末，由于粉末的绝缘作用及其均匀的分布，从而使得菱形变形的程度变弱；然而，与油的使用相比，粉末的使用更加昂贵，因此当生产商品钢材时，使用粉末是不经济的。

此外，随着铸造速度的增加，问题也随之增加，因此这对可获得的最大速度产生了限制，并且因此对铸造机器的生产力产生了限制。

因此菱形变形是由于液态钢和结晶器的内壁之间在弯月面之下的某个区域的不受控制的粘附情况引起的形状缺陷，即，在具有最大热交换时并且在第一表层形成的同时，产生非均匀的热交换，并且因此在小铸坯凝固时沿着小铸坯的外周产生了表层的厚度差别。

为了解决菱形变形的问题，文献US6,024,162提出在结晶器的内壁上制作一系列规则的凹陷，所述凹陷具有使恰在弯月面之下的危险区域的热交换更加均匀的作用。

特别地，确定了弯月面的标示水平面之下20mm至200mm(含端点)的区域，在此区域内制作了规则的成排的凹陷，其是水平凹槽的形式，或圆形的、正方形的或六边形的形状的小的凹部。

这个解决方法(即使其是改进)不能解决问题，一方面由于凹陷的分布与热流的发展不相关联，另一方面，是由于所述凹陷本身使表层下的裂缝以及在高速下和使用油作为润滑剂的自由铸造的更危险的情况下的折断的问题加剧。而且，凹陷减少了在钢和锭模之间交换的热流的总量并且因此减小了在从锭模的出口处的表层的平均厚度。

文献JP8-206786A和JP11-000746A描述了具有凹槽的结晶器，该凹槽基本制作在内壁的中央部以减少在紧接弯月面之下的区域处的热交换。这些解决办法仅部分地减轻了问题，这是因为无论如何其使得对小铸坯的整个外周的热处理欠缺均匀性。

从文献EP1,792,676A1、EP1,795,281A2、GB2,177,331A和JP9-225593A还可知道的是，在结晶器的外壁上制作凹槽。然而，凹槽被提供在结晶器的整个表面上或在其中央区域内，并且凹槽不会与在对应于弯月面的区域操作的其他装置一起有意地使冷却处理均匀化。

申请人已经设计、测试并具体化了本发明以解决现有技术的问题并且如后文所示的获得其他的优点。

发明内容

本发明被阐述并被体现在独立权利要求中，而从属权利要求描述了本发明的其他特征或主要发明构思的变型例。

本发明的一个目的是获得用于连续铸造的结晶器，其允许在产品的整个外周上，特别是在弯月面下面的具有结晶器的壁与铸钢之间的热流的峰值的区域，使热交换均匀化，并因此使钢的凝固均匀化。

本发明的另一个目的是将诸如大铸坯或小铸坯的铸造产品的菱形变形减小至最小，而无需从根本上更改由在外部套管中循环的水冷却的常规结晶器的基本结构并且无需限制铸造速度。

本发明的一个目的是减少表层下的裂缝的形成以及随之发生的在从结晶器的出口处的折断。

根据本发明，用于连续铸造的结晶器具有使得在结晶器的壁与铸钢之间的热流具有峰值的区域内使热交换均匀的装置，如前所述，所述峰值通常在弯月面的水平面上或紧接弯月面之下。

特别地，根据本发明的结晶器具有使得在此区域的热交换均匀的装置，设法减少所述峰值从而能够减小第一表层的厚度上的差别，其中，所述第一表层形成在紧接弯月面之下的区域内。

所述装置具有双重功能，在弯月面之下的区域，在结晶器的壁的内部表面上生成接触阻力，从而使得不是铜和钢之间的所有接触表面都是用于热交换的有用的表面；同时，然而，根据本发明的有利的特征，提出增大接触表面，并且因此增大热交换表面，其对应于结晶器的壁的外部表面并且邻近边缘，从而抵消了表层必须从结晶器的内部表面脱离的倾向。

根据本发明，因此，在第一特征中，结晶器具有制作在结晶器的相应的壁的内部表面上的，特别是制作在相应的表面的基本的中央区域的凹陷或凹部；所述凹陷和凹部具有放入空气的功能，其中空气作用为在液态钢和结晶器之间的绝缘体，因此限制了有用的热交换表面。

所述凹陷或凹部优选地被制作在紧接弯月面的标示水平面之下并且具有如下分布：其在单位表面上所占据的总面积减小，直到其在距所述标示水平面的某个距离处被取消。

由凹陷/凹部所占据的总面积的逐渐减小被制作为遵循并且基本适合于结晶器的内部表面上的温度的强度的发展，这将在下文的说明书中更详细地解释。

与制作在结晶器的内部表面上的凹陷/凹部结合，并且为了也允许在边缘的区域附近的正确的热交换，根据本发明的结晶器包括被制作在其外部表面或表面上的垂直的凹槽，且在邻近边缘的区域处，其垂直延伸大于制作在内部表面上的凹陷/凹部的垂直延伸。

凹槽的功能是增加在壁的端部段处结晶器的壁和液态钢之间的热交换，其中，所述壁的端部段受钢和结晶器之间的缺乏接触的影响。

结晶器的壁的外部表面上的凹槽的存在允许增加热交换表面，并且还减小液态金属和冷却流体之间的距离，所述冷却流体在结晶器的外部表面上流动。具有内部凹陷的区域的起点和具有外部凹槽的区域的终点之间的横向距离如此设定为使得防止热流的突然变化并且因此防止表层下的可能发展成折断的裂缝的增加。

因此，根据本发明，结晶器具有凹陷/凹部，其制作在壁的内部表面上，其作用是减小热流的峰值；以及凹槽，其制作在外部表面的侧部区域上，其目的是提高接近边缘的区域的热流。这些设置的结合和协作作用允许使得沿着弯月面之下的区域的壁的热流“变平(flatten)”并且变得均匀。

特别地，热流的最佳均匀性的获得是由于下列二者效果的结合：在结晶器的壁的内部表面上且在基本中央区域的凹陷/凹部，和在结晶器的同样的壁的外部表面且基本侧部区域的、邻近边缘的凹槽。这样，两种效果彼此补充和结合，引起了冷却的均匀化的结果，以及因此在小铸坯的整个外周，表层的凝固的均匀化。

所获得的优点是提高了产品在形状上的最终质量、防止正方形的/矩形的截面的菱形变形以及防止可能引起折断的裂缝的形成。

附图说明

本发明的这些和其他特征将通过对实施例的一种形式的以下的描述变得明显，实施例是作为参照附图的实例，其中：

图1示意性地显示了在紧接弯月面之下的区域的等温线的发展；

图2示意性地以截面显示了沿着结晶器的一个表面的、在紧接弯月面之下的区域的热流的发展；

图3a和图3b分别显示了本发明的实施例的第一形式的纵截面和横截面；

图4a和图4b分别显示了本发明的实施例的第二形式的纵截面和横截面。

具体实施方式

用于连续铸造长的产品的结晶器10示意性地显示在图1中，其中附图标记11基本指示液态金属的弯月面的标示线(nominal line)。

在用于诸如大铸坯或小铸坯12的长的产品的这种类型的结晶器10中，结晶器10的内部表面上的等温线(具有相同温度)具有椭圆型或抛物线型的发展，如图1所示的线13和线14。其中，结晶器10为多边形的形状，优选地为四边形的形状，甚至更优选地为矩形的或正方形的形状，并且，结晶器10具有薄壁并通过外部套管而被冷却。

特别地，由附图标记15所指示的区域是具有最大温度的区域，这是由于其对应弯月面的区域；相反地，被包括在两条等温线13和14之间的、由附图标记16所指示的邻近区域具有较低的温度。

在图2中，以剖面的形式显示了沿着结晶器10的一个表面的恰在弯月面11之下的热流的发展；较粗的线17(定性地)显示了热流在传统的结晶器内的发展，其中，在表面的中心具有强峰并且其朝向角落明显地下降，这是由于表层从结晶器10的壁逐渐脱离而引起的。与边缘相对应，热交换再次增加，尽管只是轻微地增加，这是因为边缘通过两侧被冷却。

另一方面，较细的线18代表通过根据本发明的结晶器10所获得的热交换的定性的发展。

如将在下文中更明确地看出的，结晶器10的壁的内部表面上的并且在图3a、图3b、图4a和图4b中被总体地指定为20的凹陷/凹部的存在允许减小壁的中心处的热流，而在外部表面上的被总体指定为30的凹槽的同时且结合的存在，允许增加邻近边缘的区域处的热流。这总体地决定了更加均匀的发展以及随后的具有更均匀厚度的表层的形成。

现在参照图3a和图3b所示的实施例的第一形式，以纵截面和横截面的形式显示根据本发明的用于铸造小铸坯12的结晶器10，并且，在本例中，结晶器10具有正方形的截面。

在本例中，在结晶器10的壁的四个内部表面上具有圆形形状的凹陷或小的盲孔120，按照其在相应的壁的单位表面上所占据的总面积，以朝向底部递减的发展并且逐渐稀疏而分布，从而基本重现在结晶器10的相应的表面上的热流的密度的发展。

特别地，在所示的实例下，在相应表面的基本中央区域，具有三区，其分别地被指示为21a、21b和21c，并且其中，布置在水平排上的孔120的数量相对较小，这是因为孔120相对于结晶器10的壁的中部纵向线X基本对称布置。

这样，在壁的单位表面上由凹陷/凹部20占据的总面积以及因此的由它们产生的接触阻力，从紧接弯月面11之下的区域开始，沿着结晶器10向下而逐渐地减小，遵循图2所示的热流的发展并且基本设法适合于热流的发展。

这样，实现了使沿着小铸坯12的全部外周的所述热交换均匀化和尽可能的均匀的效果。

在图3a所示的特定的示例下，孔120是从结晶器10的顶部起100mm至140mm(含端点)的距离l1开始，所述距离l1有利地为120mm至130mm(含端点)，即，在弯月面11之下的大约20mm和30mm之间，其中，弯月面11通常被定位在从顶部算起的大约100mm处。孔120在从结晶器10的顶部算起200mm至500mm(含端点)的距离处结束，这也依赖于结晶器10的整个长度。

在所示的实例中，第一区21a提供了八排，每排均包括8个圆形的孔120，孔120具有可以在4mm至12mm之间变化的直径、可以在0.2mm至0.8mm之间变化的深度、可以在6mm至15mm之间变化的水平间距、以及可以在5mm至15mm之间变化的垂直间距。

孔120的表面不能是过于广大的，这是因为小铸坯12的表面质量将受其影响。孔120的深度也必须减小，从而使得孔120的印记不会留在从结晶器10中退出的小铸坯12的表面上。

在所示的实例中，第二区21b包括具有相同大小和相同水平间距的孔120，但是其数量和分布不同：具有四排孔，每排均包括5个孔且孔被比第一区21a的垂直间距更大的垂直间距分隔。最后，第三区21c包括两排，每一排均包括两个孔120，其具有比第一区21a和第二区21b的孔的水平间距更大的水平间距。

在图3a中所示的描画很明显地仅是示例，其描画了基本中央和对称布置的理念，以及孔120在单位表面上所占据的面积沿着结晶器10的壁逐渐减少，从而适合于热流的发展。

图4a至图4b显示了实施例的另一种可能的形式，其中，圆形的孔120被垂直的凹槽220替代。

如前面所见，垂直的凹槽220也具有分布，在本例中，被划分为四区121a、121b、121c和121d，这基本上重现了在壁的对应部分内的热流的发展，在对应于稍微低于弯月面11的热峰值处，其在单位表面上占据较大面积，然后，当其沿着结晶器10的壁向下移动时减小，直到其在距弯月面11的某个距离处被取消。

根据变型实施例，还可以制作水平凹槽、椭圆孔、大体具有四边形或多边形形状的、以及不规则的、或任何其他适合的形状的孔，从而获得根据所示的分布的凹陷/凹部20。

除了凹陷/凹部20，并且与凹陷/凹部20协作的还有在结晶器10的壁的外部表面上的凹槽30，在图3a和图4a所示的示例中，凹槽30具有基本垂直的发展。

可以从所述附图看出，外部凹槽30与孔120(或凹槽220)从基本相同的高度开始，并且数量增加，在表面的每一侧上，其从3个增加至5个，这与从内部孔的第一区21a至第二区21b(或者从凹槽220的第二区121b至第三区121c)的转变对应。

由于此配置，伴随外部凹槽30与存在于内部表面上的孔/凹槽的配合和组合，当正在形成的小铸坯的表层具有从结晶器10的对应的壁脱离的更大的倾向时，外部凹槽30允许提高侧面处的热交换。

凹槽30可以优选地具有1.5mm至4mm(含端点)的深度、4mm至10mm(含端点)的间距、以及1mm至4mm(含端点)的宽度。

特别地，凹槽30占据铸造步骤中的小铸坯的侧面尺寸的从边缘开始5％至25％(含端点)的区域。例如，如果结晶器10的一侧面具有160mm的尺寸，凹槽30在两侧上占据从边缘开始的8mm至40mm(含端点)的带状区域。

凹槽30可以沿着结晶器10的整个高度继续或可选地可以在之前被打断，如图3a和图4a所示。然而，它们继续，至少直到内部孔20的下水平面，有利地超过内部孔20的位置，从而保持热流的均匀性，并且因此保持在从结晶器10的对应的表面上的锭模的出口处的表层的厚度的均匀性。

通常，由于它们不与液态钢铸件直接接触，并且与其必须执行的功能相关，凹槽30具有比内部孔20的深度更大的深度。

清楚的是，可以对迄今所描述的用于连续铸造的结晶器10做出部件的改进和/或增加，而不脱离本发明的领域和范围。

Claims (13)

1.一种用于连续铸造诸如大铸坯或小铸坯(12)的长的金属产品的结晶器，所述结晶器是通过外部冷却套管来冷却的类型，并且其具有多边形截面形状，所述多边形截面形状优选地为四边形的，甚至更优选地为矩形的或正方形的，其中，有装置存在于紧接弯月面(11)的区域之下处，并且所述装置被制作在所述结晶器(10)的壁上，以调节所述结晶器的壁与铸钢之间的热交换，其特征在于，调节热交换的所述装置包括凹陷或凹部(20)和垂直的凹槽(30)，所述凹陷或凹部(20)被制作在所述结晶器(10)的壁的内部表面上并且分布如下：其在单位表面上所占据的总面积朝向底部递减，直到其在离所述弯月面(11)的某个距离处取消，所述垂直的凹槽(30)被制作在结晶器(10)的壁的外部表面上，其处于邻近多边形截面的边缘的区域中，其垂直延伸等于或大于所述凹陷/凹部的垂直延伸。

2.根据权利要求1所述的结晶器，其特征在于，所述凹陷或凹部(20)从距结晶器的顶部100mm至140mm的距离处开始并且在200mm至500mm的距离处结束，所述100mm至140mm的距离包括100mm和140mm，并且所述200mm至500mm的距离包括200mm和500mm。

3.根据权利要求1或2所述的结晶器，其特征在于，所述垂直的凹槽占据如下区域，所述区域在铸造步骤中小铸坯的侧面尺寸的从相应的边缘开始的5％和25％之间，含5％和25％。

4.根据以上的任何一项权利要求所述的结晶器，其特征在于，所述凹陷或凹部(20)包括小的盲孔(120)。

5.根据以上的任何一项权利要求所述的结晶器，其特征在于，所述凹陷或凹部(20)包括垂直的凹槽(220)。

6.根据以上的任何一项权利要求所述的结晶器，其特征在于，所述凹陷或凹部(20)包括水平的凹槽、椭圆形孔、大体为四边形形状或多边形的、甚至不是规则形状的或任何其他适合的形状的孔。

7.根据以上的任何一项权利要求所述的结晶器，其特征在于，所述凹陷或凹部(20)分布在至少两个不同的区(21a、21b、21c；121a、121b、121c和121d)内，其中，在每个区内，在每单位表面上，水平排上存在的所述凹陷或凹部(20)的数量基本相同，但是，从具有最大热峰值的区域开始，朝向所述结晶器(10)的底部，在从一个区到另一个区减少。

8.根据以上的任何一项权利要求所述的结晶器，其特征在于，所述凹陷或凹部(20)被布置为相对于所述结晶器(10)的壁的中部纵向线(X)基本对称。

9.根据以上的任何一项权利要求所述的结晶器，其特征在于，所述凹陷或凹部(20)具有大约是0.8mm的最大深度。

10.根据权利要求3和7所述的结晶器，其特征在于，所述垂直的凹槽(30)与所述凹陷或凹部(20)从基本相同的高度开始，并且对应于所述凹陷或凹部(20)从第一区至第二区的转变，所述垂直的凹槽(30)的数量也随着从第一区至第二区的转变而增加。

11.根据权利要求3所述的结晶器，其特征在于，所述凹槽(30)具有1.5mm至4mm的深度，该深度包含1.5mm和4mm。

12.根据权利要求3所述的结晶器，其特征在于，所述凹槽(30)至少延伸越过所述凹陷或凹部(20)的位置。

13.根据权利要求3所述的结晶器，其特征在于，所述凹槽(30)具有4mm至10mm的间距以及1mm至4mm的宽度，所述间距包括4mm和10mm，所述宽度包括1mm和4mm。