CN104722724B - 用于连续铸造的模具及其冷却方法 - Google Patents

Abstract

所公开的是连续铸造模具及其冷却方法。所述模具包括：其内限定铸造空间的模具主体；多个冷却通道，被限定在所述模具主体内以允许冷却水流动经过所述多个冷却通道；以及，冷却单元，被插入所述多个冷却通道以增加冷却水的流速，其中配备冷却单元的冷却通道具有比无冷却单元的冷却通道的直径大的直径。

Description

用于连续铸造的模具及其冷却方法

技术领域

本发明总体上涉及能提高冷却效率的用于连续铸造的模具及其冷却方法。

背景技术

图1是常规连续铸造系统的示意图。

如图中所示，在该连续铸造系统中安装有：位于用于承载熔融钢1的钢包(ladle)10下面的中间包(tundish)30、用于将熔融钢1铸造为特定厚度和宽度的金属段(metalsection)的模具50、以及多个夹送辊(pinch roll)。

此外，提供了：用作通道以导引熔融钢1的护罩水口(shroud nozzle)20、用作通道以将熔融钢1导引进模具50内的浸入式水口(submerged entry nozzle)40、用以调整熔融钢1的量的钢包滑动闸门60和中间包滑动闸门70、以及用以感测被容纳在模具50内的熔融钢的池液位(pool level)的池液位传感器80。

如图2和3中所示，提供了：确定金属段厚度的一对长侧板110、确定金属段宽度的一对短侧板140、以及冷却水流动经过的多个内部冷却通道200。然而，随着连续铸造时间增加，与熔融钢1接触的模具50的表面由于熔融钢1的高温度热量而凸出。凸出表面容易受到外部冲击。

特别地，模具内的熔融池在竖直方向上距离池表面约30mm-100mm深度处具有最高温度，以致于因为到模具的热传导，模具也在相应的位置处具有最大温度。就此而言，如果将模具的短侧板移位以改变金属段的宽度，则在短侧板140和长侧板110之间的位置附近的接触部分相互摩擦，被损坏。

为了解决此问题，常规解决方案是通过扩大冷却通道的直径而增加冷却水量、或通过增加冷却水源的压力，来改善冷却性能。

然而，这样的常规解决方案具有的问题是，所使用的冷却水的量的指数型增长(如果该解决方案被应用到全部的多个连续铸造系统)，且因此维护成本也指数型增长。另外，模具50随着向其施加的压力增加而趋于损坏。

发明内容

因此，本发明是在虑及相关领域中存在的上述问题的情况下做出的，且本发明的一个目的是提供用于连续铸造的模具及其冷却方法，该模具能提高冷却效率同时维持冷却水的量和被施加到模具的压力，从而防止模具的损坏。

提出了提供一个连续铸造模具，该连续铸造模具包括：模具主体，具有被限定在其内的铸造空间；多个冷却通道，被限定在所述模具主体内以允许冷却水流动经过所述多个冷却通道；以及，冷却单元，被插入所述多个冷却通道以增加冷却水的流速，其中配备冷却单元的冷却通道具有比无冷却单元的冷却通道的直径大的直径。

所述冷却单元在长度上比所述冷却通道短以局部地增加所述流速。

所述冷却单元包括一个圆柱形主体部件和两个或更多个叶片部件，所述叶片部件以规则的间隔被周向间隔开且附接到所述主体部件的圆周表面。

所述冷却单元具有一个倒圆锥形末端，所述冷却水在所述冷却通道内首先朝向所述倒圆锥形末端进入。

所述冷却单元具有一个相对的圆锥形末端，所述冷却水在所述冷却通道内沿着所述主体部件从所述相对的圆锥形末端流出。

所述叶片具有相同的形状、长度、宽度以及厚度。

所述叶片具有相同的形状、长度、宽度以及厚度，其中所述长度与所述主体部件的长度相同。

所述配备冷却单元的冷却通道的直径通过下面的公式1计算：

[公式1]

其中，D*是所述配备冷却单元的冷却通道的直径，f是管的摩擦系数，L是所述冷却通道的长度，K是损耗系数，D是无冷却单元的冷却通道的直径。

所述主体部件的直径通过下面的公式2计算：

[公式2]

其中，Dp是所述主体部件的直径，D*是所述配备冷却单元的冷却通道的直径。

此外，提出了提供一种冷却一个其内限定多个冷却通道的连续铸造模具的方法，所述方法包括：选择所述冷却通道中的至少一个，以及将一个冷却单元插入到所选择的冷却通道中以增加流动经过所选择的冷却通道的冷却水的流速，同时保持所述多个冷却通道的内部压力恒定；

其中配备冷却单元的冷却通道具有比无冷却单元的冷却通道的直径大的直径；

其中所述配备冷却单元的冷却通道的直径通过下面的公式1计算：

[公式1]

其中，D*是所述配备冷却单元的冷却通道的直径，f是管的摩擦系数，L是所述冷却通道的长度，K是损耗系数，D是所述无冷却单元的冷却通道的直径；且

其中所述主体部件的直径通过下面的公式2计算：

[公式2]

其中，Dp是所述主体部件的直径，D*是所述配备冷却单元的冷却通道的直径。

所述流速在所选择的冷却通道上一个局部位置处增加。

本发明提供以下效果。

第一，防止所述模具被损坏，从而使得能够快速铸造。

第二，由于快速铸造，生产力得到改善。

第三，维护成本低。

第四，即使是在模具的短侧板移位时，也防止模具被损坏。

附图说明

本发明的上述和其它目的、特征和优点可根据下面结合附图进行的详细说明得到更加清晰地理解，其中：

图1是常规连续铸造工艺的示意图；

图2是根据本发明的一个实施方案的模具主体的立体图；

图3是沿着图2的线A’-A”截取的常规结构的横截面视图；

图4示出了根据本发明的一个实施方案的冷却单元的前视图和俯视图；

图5是沿着图2的线B’-B”截取的横截面视图；以及

图6是沿着图2的线A’-A”截取的、根据本发明的结构的横截面视图。

具体实施方式

以下，将参考附图描述本发明的示例性实施方案，在此，除非另有提及，在本发明的背景下使用的参考数字指相同的部件。

虽然下面的描述例示本发明的一个优选实施方案，但本发明不限于此，而是可以以多种形式实现。例如，本发明可适合于其他类型的铸造模具，只要模具和熔融钢可通过使用冷却水的流入被冷却。

如图2和图6中所示，根据本发明的一个实施方案的连续铸造模具包括模具主体100、冷却通道200以及冷却单元300。

模具主体100内具有铸造空间，熔融钢1被装载于所述铸造空间内且沿着它向下流动以形成金属段的形状。如图2中示出的，模具主体100由一对长侧板110和一对短侧板140组成，所述一对长侧板110和一对短侧板140限定了所述铸造空间。

所述长侧板110和所述短侧板140被单独可移动地安装以便，连续铸造时，通过使所述短侧板140相对地移位可改变金属段的宽度。

如图5和图6中所示，所述长侧板110和所述短侧板140在其内分别地设置有多个冷却通道200，每个冷却通道在相对的末端上设置有冷却水入口120和冷却水出口130。

冷却水以这样的方式连续地流动经过模具50：冷却水进入入口120，流动经过冷却通道200，且离开出口130，从而冷却被注入的熔融钢同时防止模具50的损坏。

限定在长侧板110和短侧板140内的多个冷却通道200被布置成如下平行构造：其中冷却通道相互不连通，但是一起与在模具主体100外部的单个管相连接，以便冷却通道的内部压力保持恒定。

一些冷却通道200被选择性地配备有冷却单元300以便提高冷却效率。也就是说，其内安装有冷却单元300的冷却通道200，即配备冷却单元的冷却通道，具有用于冷却水流动的减小的空间，增加了冷却水的流速。因此，配备冷却单元的冷却通道周围的模具50的表面可被更有效率地冷却。

如图4中所示，冷却单元300包括一个圆柱形主体部件310和两个或更多个叶片部件320，所述叶片部件以规则的间隔被周向间隔开且附接到主体部件310的圆周表面。

叶片320优选地具有相同的形状、长度、宽度和厚度，以便当冷却水流动经过配备冷却单元的冷却通道时维持恒定的流速，且特别地，叶片的长度优选地被形成为与主体部件310的长度相同。

虽然例示出四个叶片320被周向等距地附接到主体部件310，但是此实施方案可根据本发明适于的情况而改变为各种形式。例如，可通过使叶片320变厚而增加冷却水的流速。

如果冷却单元300和冷却通道200具有相同的长度，存在于冷却水和模具50的内壁之间的压力以及存在于冷却水和冷却单元300之间的压力增加，从而导致冷却水的流入及流速的减少。

因此，有效的是，冷却单元300被形成为短于冷却通道，以便冷却单元被局部地放置于冷却通道200内。

然而，如果相对短的冷却单元300被局部地放置在相对长的冷却通道200内，流动经过无冷却单元的空间的冷却水当与冷却单元300接触时将遇到阻力。另外，当流动经过配备冷却单元的冷却通道的冷却水离开冷却单元且到达无冷却单元的空间时，冷却水的流速急剧地减小。

为了防止此问题，冷却单元300优选地在入口侧具有一个倒圆锥形的末端且在出口侧具有一个圆锥形末端。

同时，如图6中所示，当一些冷却通道200被选择性地配备有冷却单元300时，优选的是，被插入了冷却单元300的冷却通道200的直径大于无冷却单元的冷却通道200的直径。

由于形成于模具主体100内的冷却通道具有平行的构造，不管冷却通道200的直径如何，施加到单独的冷却通道的压力是恒定的。然而，当一些冷却通道200被选择性地配备有冷却单元300时，如果所有的冷却通道具有相同的直径，被插入到冷却通道200内的冷却单元300充当逆着冷却水流的阻力，使得冷却水沿着其流动困难，导致经过配备有冷却单元300的冷却通道200的冷却水的流入的减少。

冷却水的流入的减少还引起流速的减小，结果提供不利的影响。

因此，优选的是，改变配备冷却单元的冷却通道200的直径以便防止流动经过该冷却通道的冷却水的流入及流速的减小。

当配备冷却单元的冷却通道200的直径被改变时，将相对于无冷却单元的冷却通道200的直径的相关关系纳入考虑是重要的。在此，配备冷却单元的冷却通道的直径优选地通过下面的公式1计算：

[公式1]

其中，D*是配备冷却单元的冷却通道的直径，f是管的摩擦系数，L是冷却通道的长度，K是损耗系数，D是无冷却单元的冷却通道的直径。

此处，管的摩擦系数f根据管的材料、粗糙度、压力、腐蚀状态、使用的水的种类等等来确定，对于连续铸造模具50通常假定为0.03。此外，损耗系数K根据管的曲率、阀系数、计量表个数等等来确定，对于连续铸造模具50通常假定为0.1-0.3。

在一些冷却通道200(每个冷却通道具有12mm的直径和1m的长度)被选择性地配备有冷却单元300的情况下，根据公式1，配备冷却单元的(或进行配备的)冷却通道200的直径(D*)可以为1.2D-1.9D。

即，配备冷却单元的冷却通道200的直径是无冷却单元的冷却通道200的直径的1.2倍-1.9倍大，其对应于约14.3mm-23.1mm的数字范围。

同时，当配备冷却单元的冷却通道200的直径改变时，重要的是，考虑到配备冷却单元的冷却通道的改变的直径，确定冷却单元300的主体部件310的直径。这可通过下面的公式2计算：

[公式2]

其中，Dp是主体部件的直径，D*是配备冷却单元的冷却通道的直径。

当通过将从公式1求得的冷却通道200的直径(为约14.3mm-约23.1mm)代入公式2中计算主体部件310的直径时，主体部件310的直径可以为约10.1mm-约16.3mm。

即，当无冷却单元的冷却通道200的直径是12mm时，配备冷却单元的冷却通道200的直径被确定为具有范围14.3mm-23.1mm，且因此冷却单元300的主体部件310的直径被确定为具有范围10.1mm-16.3mm，以便获得改善配备冷却单元的冷却通道的冷却率的效果，同时维持流入所有冷却通道200的冷却水的恒定流速。

当使用公式1和公式2计算和形成冷却通道200的直径以及冷却单元300的主体部件310的直径时，配备冷却单元的冷却通道200的压头(pressure head)和无冷却单元的冷却通道200的压头保持恒定，这可根据公式3确认：

[公式3]

其中，D*是配备冷却单元的冷却通道的直径，f是管的摩擦系数，L是冷却通道的长度，K是损耗系数、D是无冷却单元的冷却通道的直径、v是冷却水的流速(m/s)，g是重力加速度(m/s²)。

在公式3中，左侧指示无冷却单元的冷却通道200的压头，且右侧指示配备冷却单元的冷却通道200的压头。即，当将从公式1求得的值代入公式3时，可以确认，配备冷却单元的冷却通道200的压头与无冷却单元的冷却通道200的压头是相同的。

此外，可以从公式4确认，配备冷却单元的冷却通道200的流速与无冷却单元的冷却通道200的流速是相同的：

[公式4]

其中，D*是配备冷却单元的冷却通道的直径，v是冷却水的流速(m/s)。

在公式4中，左侧指示无冷却单元的冷却通道200的流速，而右侧指示配备冷却单元的冷却通道200的流速。即，当将从公式2求得的值代入公式4时，可确认，配备冷却单元的冷却通道200的流速与无冷却单元的冷却通道200的流速是相同的。

当具有通过公式2计算出的直径的冷却单元300被插入具有通过公式1计算出的直径的冷却通道200时，应当注意，虽然流动经过配备冷却单元的冷却通道的冷却水的流速增加，但是这样的流速增加不是对于整个该冷却通道发生，而是仅仅发生在该冷却通道的放置了冷却单元300的部分。

因此，为了使用最少数量的冷却单元300获得最大化冷却效果，优选的是，冷却单元被插入放置在如下位置周围的冷却通道内：长侧板110与短侧板140相互接触的位置，即，竖直地距离模具内的池液位一介于约30mm和约100mm之间的距离的位置，如本发明的背景中描述的。

以此方式，冷却单元300被放置在传导热最高的位置处，以使得，即使当短侧板140在连续铸造中相对地移位时，也可防止模具的表面被损坏。

此外，为了最大化长侧板110和短侧板140的冷却效果，所有的冷却通道200应设置(配备)有冷却单元300。

现在将描述根据本发明的冷却其内限定多个冷却通道的连续铸造模具的方法。

为了有效地冷却用于连续铸造的模具50，优选的，选择冷却通道200中的至少一个，且增加流动经过所选择的冷却通道的冷却水的流速，同时保持多个冷却通道200的内部压力恒定。

维持全部冷却通道200的恒定内部压力允许流入经过所有冷却通道200的冷却水有相同的流速。

如果增加流速的冷却通道的内部压力不同于其他冷却通道200的内部压力，则冷却水的流入量相互不同，引起诸如不平衡冷却和冷却水的过度使用的问题。

此外，优选的，冷却通道200中的至少一个被选择使得，流动经过所选择的冷却通道的冷却水的流速以如下方式增加：流速在所选择的冷却通道上一个局部位置处增加。

这样的在冷却通道的局部部分——而不是在冷却通道的所有部分——的冷却水流速的选择性增加，可改善对热集中部分的冷却效果。

虽然为了例示目的已描述本发明的优选实施方案，但本领域技术人员应当理解，在不背离所附的权利要求所披露的本发明的范围和精神的情况下，各种修改、补充以及替换是可行的。

Claims (9)

1.一种连续铸造模具，包括：

模具主体，具有被限定在其内的铸造空间；

多个冷却通道，被限定在所述模具主体内以允许冷却水流动经过所述多个冷却通道；以及

冷却单元，被插入所述多个冷却通道以增加所述冷却水的流速，

其中配备冷却单元的冷却通道具有比无冷却单元的冷却通道的直径大的直径；

其中所述配备冷却单元的冷却通道的直径通过下面的公式1计算：

[公式1]

<mrow> <mi>D</mi> <mo>*</mo> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mi>f</mi> <mi>L</mi> </mrow> <mrow> <mo>(</mo> <mi>f</mi> <mi>L</mi> <mo>-</mo> <mn>4</mn> <mi>K</mi> <mi>D</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mfrac> <mi>D</mi> </mrow>

其中，D*是所述配备冷却单元的冷却通道的直径，f是管的摩擦系数，L是所述冷却通道的长度，K是损耗系数，D是所述无冷却单元的冷却通道的直径；且

其中所述冷却单元的主体部件的直径通过下面的公式2计算：

[公式2]

<mrow> <msub> <mi>D</mi> <mi>p</mi> </msub> <mo>=</mo> <msqrt> <mn>0.5</mn> </msqrt> <mi>D</mi> <mo>*</mo> </mrow>

其中，Dp是所述主体部件的直径，D*是所述配备冷却单元的冷却通道的直径。

2.根据权利要求1所述的连续铸造模具，其中所述冷却单元在长度上比所述冷却通道短，以局部地增加所述流速。

3.根据权利要求1或2所述的连续铸造模具，其中所述冷却单元包括两个或更多个叶片部件，所述叶片部件以规则的间隔被周向间隔开且附接到所述主体部件的圆周表面。

4.根据权利要求3所述的连续铸造模具，其中所述冷却单元具有一个倒圆锥形末端，所述冷却水在所述冷却通道内首先朝向所述倒圆锥形末端进入。

5.根据权利要求3所述的连续铸造模具，其中所述冷却单元具有一个相对的圆锥形末端，所述冷却水在所述冷却通道内沿着所述主体部件从所述相对的圆锥形末端流出。

6.根据权利要求3所述的连续铸造模具，其中所述叶片具有相同的形状、长度、宽度以及厚度。

7.根据权利要求3所述的连续铸造模具，其中所述叶片具有相同的形状、长度、宽度以及厚度，其中所述长度与所述主体部件的长度相同。

8.一种冷却一个其内限定多个冷却通道的连续铸造模具的方法，所述方法包括：选择所述冷却通道中的至少一个，以及将一个冷却单元插入到所选择的冷却通道中以增加流动经过所选择的冷却通道的冷却水的流速，同时保持所述多个冷却通道的内部压力恒定；

其中配备冷却单元的冷却通道具有比无冷却单元的冷却通道的直径大的直径；

其中所述配备冷却单元的冷却通道的直径通过下面的公式1计算：

[公式1]

<mrow> <mi>D</mi> <mo>*</mo> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mi>f</mi> <mi>L</mi> </mrow> <mrow> <mo>(</mo> <mi>f</mi> <mi>L</mi> <mo>-</mo> <mn>4</mn> <mi>K</mi> <mi>D</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mfrac> <mi>D</mi> </mrow>

其中，D*是所述配备冷却单元的冷却通道的直径，f是管的摩擦系数，L是所述冷却通道的长度，K是损耗系数，D是所述无冷却单元的冷却通道的直径；且

其中所述冷却单元的主体部件的直径通过下面的公式2计算：

[公式2]

<mrow> <msub> <mi>D</mi> <mi>p</mi> </msub> <mo>=</mo> <msqrt> <mn>0.5</mn> </msqrt> <mi>D</mi> <mo>*</mo> </mrow>

其中，Dp是所述主体部件的直径，D*是所述配备冷却单元的冷却通道的直径。

9.根据权利要求8所述的方法，其中所述流速在所选择的冷却通道上一个局部位置处增加。