CN105108086B - 一种带倒角的连铸结晶器窄面动态板 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带倒角的连铸结晶器窄面动态板，所述窄面动态板包括内层的冷却板和外层的支撑板，所述冷却板与所述支撑板形状相适应，且通过固定销连接，两板间形成中空腔体；所述支撑板下部设置振动机构。本发明振动技术的采用，能有效实现钢坯始终紧贴结晶器内壁，而且这种高频振荡还能有效减少拉铸过程中的摩擦力，增加铸坯表面光滑度，从而使结晶器窄边磨损减少，增加铜板寿命，大幅减少了表面裂纹敏感钢种铸坯的表面清理率。

Description

一种带倒角的连铸结晶器窄面动态板

技术领域

本发明涉及金属凝固和连续铸造技术领域，特别是一种带倒角的连铸结晶器窄面动态板。

背景技术

结晶器是连续铸钢中的铸坯成型设备，是连铸机的核心设备之一，其基本功能是利用冷却水通过水冷铜板间接带走钢水中的热量，使钢水在结晶器内连续地形成具有一定厚度和一定强度的坯壳。

随着现代连铸技术不断进步，可浇铸钢种不断扩大，一些高合金、高品质、高裂纹敏感性钢种已经不断在大型钢铁企业连铸生产流程中生产。这其中主要的技术进步之一是大断面铸坯连铸技术的发展——钢材的压缩比增加，钢材的产品质量提高。但铸坯断面的增大带来的不利影响一方面在于铸坯在铸机里需要弯曲、矫直，由此会带来铸坯角部裂纹的增加，另一方面，连铸过程中，结晶器一直处于机械应力与热应力的综合作用下，尤其是在钢水在凝固的过程中，流经连铸结晶器中下部时形成固态钢坯，这一液固转换的变化过程会伴随整体体积的缩小，从而造成钢坯不能与结晶器内壁始终紧贴。

中国专利ZL02214026.3（公告号 CN2547438Y，名称“板坯连铸结晶器窄边铜板”)提供了一种带侧面倒角的结晶器窄面动态板，其倒角尺寸为6～10mm，角度为45度。该专利并未有指出侧面倒角的冷却方式，不利于一个水平面上产品冷却的一致性；CN201744629Y的专利，公开了一种连铸用组合结晶器的窄面动态板，可以保证窄面动态板的侧面倒角区域的冷却效果、避免铸坯角部的裂纹。但是没有足够考虑到钢水在结晶过程中体积的缩小带来的问题，收缩的体积会使得结晶器的下部的钢坯与结晶器窄板的内壁出现导热不良的现象发生。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足，公开了一种有利于钢水在凝固的过程中，钢坯始终紧贴结晶器内壁的带倒角的连铸结晶器窄面动态板。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下所述：一种带倒角的连铸结晶器窄面动态板，所述窄面动态板包括内层的冷却板和外层的支撑板，所述冷却板与所述支撑板形状相适应，且通过固定销连接，两板间形成中空腔体；所述支撑板下部设置振动机构。

所述振动机构包括调频电源、高频旋转电机以及与支撑板外侧壁连接的传动轴，所述传动轴通过偏心轮与所述高频旋转电机的转轴连接。

所述振动机构包括平行振动器以及与所述平行振动器振子连接的传动轴，所述传动轴与所述支撑板的外侧壁连接。

所述振动机构设置压电加速度传感器、电荷放大器和数据采集卡，所述数据采集卡连接信号处理机构。

所述冷却板为铜或铜合金制件，包括大面区和侧面倒角区，所述侧面倒角区倒角角度α为45～60度，侧面倒角的高度H为该窄面动态板整体宽度的34％～55％，所述角度α为侧面倒角区的工作面与窄面动态板侧面之间的夹角。

所述支撑板为钢板制件，所述中空腔体设置冷却水槽。

所述侧面倒角的高度H为60～90mm。

所述支撑板厚度为140～170mm。

本发明的核心在于通过支撑板下部设置的振动机构，将传统静止的结晶器窄面铜板变为活动板，这是由于钢水在液固转换的变化过程会伴随整体体积的缩小，从而造成钢坯不能与结晶器内壁始终紧贴，而通过小幅度的高频振动，从而使窄边铜板对初成型的钢坯形成一种快速、连续的水平方向上的反复冲击力。

经试验表明，当高频振动的频率高于60Hz时，便会对振动冲击体形成一种持久性的稳定挤压力，而且通过生产过程中的检测与调节，这种挤压力一方面能有效地防止粘接性拉漏，通过振动能够很大程度上使牵拉过程不产生较大的加速度，便于拉伸过程的稳定，另一方面，还可以通过摩擦效果起到剪切作用，得到良好、光滑的铸坯表面。

与此同时，振动轮的振动会对铸坯面作用一个往复的冲击力。每冲击一次，被动振荡的表面就产生一个冲击波，这个冲击波会沿着纵深方向扩散和传播。随着振动轮不断振动，冲击波也将不断产生和持续扩散。材料的颗粒在冲击波的作用下，由静止的初始状态变为运动状态，材料颗粒之间的摩擦力，也由初始的静摩擦状态逐渐进入到动摩擦状态，颗粒在冲击波的作用下产生了运动，造成了颗粒间的初始位置的变化，并且由此产生了相互填充间隙的现象。较大颗粒之间形成的间隙由较小的颗粒所填充，这样就产生了一种稳固效应，在钢水结晶凝固的过程中，通过振动可以有效消除结晶体之间的内摩擦力，并克服结晶颗粒间的粘结力和内聚力，使小颗粒可以有效填充到大的颗粒中，从而形成较为坚固的铸坯表层。

振动机构设置压电加速度传感器、电荷放大器和数据采集卡，数据采集卡连接信号处理机构，振动信号可以经由压电加速度传感器检测，送至电荷放大器，然后由高速数据采集卡将检测到的模拟信号转换为数字信号传送给计算机，信号处理机构的处理程序会对采集到的信号进行处理和显示，从而实现高频振动信号的检测。通过对振动信号进行检测，一方面可以通过对比试验找出振动信号与铸坯表面坚固度的对应关系，另一方面，应当考虑振动对铸坯连铸拉伸的加速度影响，信号处理机构需要与对铸坯拉伸的牵引辊电机连接，找出振动信号与铸坯拉速的对应关系，通过各个因素的协同影响，寻找最佳振幅和最优频率。

本发明设计的连铸结晶器窄面板采用的是动态板结构，由内层的冷却板和外层的支撑板组成，所述冷却板与所述支撑板形状相适应，且通过固定销连接，两板间形成中空腔体，这主要是由于将冷却铜板随钢板一起加工，能够改善铜板的受力状况，使铜板不易变形，厚度为140～170mm的钢板刚度比一体成型的支撑板要大，而且重量较经，具有优越性；采用中空腔式设计为冷却水腔，包括冷却水槽，可以增大冷却水与铜板的接触面，使冷却效果更好。

冷却板为铜或铜合金制件，包括大面区和侧面倒角区，所述侧面倒角区倒角角度α为45～60度，侧面倒角的高度H为该窄面动态板整体宽度的34％～55％，所述角度α为侧面倒角区的工作面与窄面动态板侧面之间的夹角；侧面倒角的角度α为45～60度，如α小于45度，倒角角度小，意味着侧面倒角很尖很长，冷却水道无法对倒角的尖端部分实施很好的冷却，侧面倒角的寿命也会降低；倒角不易过大，理论上最大为90度，但如α大于60度，铸坯变形过程中的应力集中无法消除，会使得倒角失去意义，同样地，如果α小于45度，由于倒角区空间小，难以设置足够数量的冷却小圆孔水道，铸坯角部受到冷却的强度不高导致裂纹的发生，倒角的作用同样难以发挥，在实际实施中，侧面倒角的高度H为60～90mm，这样可以保证倒角冷却效果、避免铸坯角部裂纹，并可提高窄面铜板和侧面倒角的使用寿命和铸坯质量。

本发明振动技术的采用，能有效实现钢坯始终紧贴结晶器内壁，而且这种高频振荡还能有效减少拉铸过程中的摩擦力，增加铸坯表面光滑度，从而使结晶器窄边磨损减少，增加铜板寿命，大幅减少了表面裂纹敏感钢种铸坯的表面清理率。

附图说明

图1是本发明动态板面的侧视结构示意图。

图2是本发明动态板面的俯视结构示意图。

图3是本发明振动信号采样分析电路结构示意图。

图4是本发明振动频率与铸坯坚固度的对应关系曲线图。

具体实施方式

实施例一

如图1至图4所示，一种带倒角的连铸结晶器窄面动态板，窄面动态板包括内层的冷却板1和外层的支撑板2，冷却板1与支撑板2形状相适应，且通过固定销3连接，两板间形成中空腔体4；支撑板下部设置振动机构5；振动机构包括调频电源、高频旋转电机以及与支撑板外侧壁连接的传动轴6，传动轴通过偏心轮与高频旋转电机的转轴连接；振动机构设置压电加速度传感器、电荷放大器和数据采集卡，数据采集卡连接信号处理机构；冷却板为铜或铜合金制件，包括大面区和侧面倒角区，侧面倒角区倒角角度α为45～60度，侧面倒角的高度H为该窄面动态板整体宽度的34％～55％，角度α为侧面倒角区的工作面与窄面动态板侧面之间的夹角；支撑板为钢板制件，中空腔体设置冷却水槽；侧面倒角的高度H为60～90mm；支撑板厚度为140～170mm。

本方案中的振动机构采用的是高频振动器，这是依靠调频电源将电机频率调制成高速旋转并带动偏心轮做圆周运动，从而产生振动，并通过传动轴将振动传给支撑板，进而传递给整个动态板，高频振动器的最高激振频率为180Hz/s、激振力最大为12KN、振幅最大为2.5mm、最大辐射范围为1.5m，由于振频高、振幅小，在振动形变面上消耗的能量少，激振力强，无失振现象，结构紧凑，使用方便，易损件少。

在具体实施时，可以采用ZKF型高频振动器，体积小，重量轻，并且可以采用快速装卡结构，其固定仅需紧固一个螺丝即可使用，比使用普通外部式振动器节省安装辅助时间75%、节省人力75%，也便于更换与维修，从而减少了维修费用，降低了施工成本。

本发明的核心在于通过支撑板下部设置的振动机构，将传统静止的结晶器窄面铜板变为活动板，这是由于钢水在液固转换的变化过程会伴随整体体积的缩小，从而造成钢坯不能与结晶器内壁始终紧贴，而通过小幅度的高频振动，从而使窄边铜板对初成型的钢坯形成一种快速、连续的水平方向上的反复冲击力。

经试验表明，当高频振动的频率高于60Hz时，便会对振动冲击体形成一种持久性的稳定挤压力，而且通过生产过程中的检测与调节，这种挤压力一方面能有效地防止粘接性拉漏，通过振动能够很大程度上使牵拉过程不产生较大的加速度，便于拉伸过程的稳定，另一方面，还可以通过摩擦效果起到剪切作用，得到良好、光滑的铸坯表面。

与此同时，振动轮的振动会对铸坯面作用一个往复的冲击力。每冲击一次，被动振荡的表面就产生一个冲击波，这个冲击波会沿着纵深方向扩散和传播。随着振动轮不断振动，冲击波也将不断产生和持续扩散。材料的颗粒在冲击波的作用下，由静止的初始状态变为运动状态，材料颗粒之间的摩擦力，也由初始的静摩擦状态逐渐进入到动摩擦状态，颗粒在冲击波的作用下产生了运动，造成了颗粒间的初始位置的变化，并且由此产生了相互填充间隙的现象。较大颗粒之间形成的间隙由较小的颗粒所填充，这样就产生了一种稳固效应，在钢水结晶凝固的过程中，通过振动可以有效消除结晶体之间的内摩擦力，并克服结晶颗粒间的粘结力和内聚力，使小颗粒可以有效填充到大的颗粒中，从而形成较为坚固的铸坯表层。

振动机构设置压电加速度传感器、电荷放大器和数据采集卡，其具体采样分析电路结构示意图如图3所示，数据采集卡连接信号处理机构，振动信号可以经由压电加速度传感器检测，送至电荷放大器，然后由高速数据采集卡将检测到的模拟信号转换为数字信号传送给计算机，信号处理机构的处理程序会对采集到的信号进行处理和显示，从而实现高频振动信号的检测。通过对振动信号进行检测，一方面可以通过对比试验找出振动信号与铸坯表面坚固度的对应关系，另一方面，应当考虑振动对铸坯连铸拉伸的加速度影响，信号处理机构需要与对铸坯拉伸的牵引辊电机连接，找出振动信号与铸坯拉速的对应关系，通过各个因素的协同影响，寻找最佳振幅和最优频率。

压电加速度传感器可以采用LC0158T型，其灵敏度为30.0mV/g，量程为166g,分辨率为0.0007g，频率范围为1～15000Hz（±10%），谐振频率为46KHz，激励电压为18～30Vdc；电荷电压滤波积分放大器是一个具有深度负反馈的高增益电荷放大电路，它将输入电荷信号变成与之成正比的电压信号，可选用BZ2105-4型，主要技术参数如下：电荷输入范围：0.1pC～50000pC，电压输入范围：0.1Vp～5Vp，电压输出范围：-5V~5V。电荷增益：0.001、0.01、0.1、1、10五档，电压增益：1、10、102、103、104五档。所选高速采集卡主要技术参数如下，分辨率：12位，4通道，连续实时传输32Mbytes/s，触发采样率20MS/s/CH,硬件FIFO:256M，输入范围：-5V~5V，传输接口USB2.0高速屏蔽线，可选用FCFR-USB9825B-20型。

振动信号的采样过程，包括信号适调和A/D转换两个过程。影响振动信号采集精度的因素包括采集方式、采样频率、量化精度三个因素。采样方式不同，采集信号的精度不同，而采样频率则受制于信号最高频率，量化精度则取决于A/D转换的位数，一般采用12位，部分系统采用16位甚至24位。采样定理帮助确定合理的采样间隔△t以及合理的采样长度T，保障采样所得的数字信号能真实地代表原来的连续信号x(t)，因此采样频率的选择必须符合采样定理要求。FCFR-USB9825采集卡分辨率为12位，提供了4个采集通道，提供2种触发源包括外触发和软件触发，4种采集模式包括连续采集，后触发采集，延时触发采集，连续触发采集。驱动文件提供了底层驱动程序库的用户级函数接口封装所用的动态库，驱动程序函数接口输入库以及函数调用头文件。动态库文件提供了一系列简单函数，帮助用户完成设置和读数操作，实现实时采集和实时处理。

本发明设计的连铸结晶器窄面板采用的是动态板结构，由内层的冷却板和外层的支撑板组成，所述冷却板与所述支撑板形状相适应，且通过固定销连接，两板间形成中空腔体，这主要是由于将冷却铜板随钢板一起加工，能够改善铜板的受力状况，使铜板不易变形，厚度为140～170mm的钢板刚度比一体成型的支撑板要大，而且重量较经，具有优越性；采用中空腔式设计为冷却水腔，包括冷却水槽，可以增大冷却水与铜板的接触面，使冷却效果更好。

冷却板为铜或铜合金制件，包括大面区和侧面倒角区，所述侧面倒角区倒角角度α为45～60度，侧面倒角的高度H为该窄面动态板整体宽度的34％～55％，所述角度α为侧面倒角区的工作面与窄面动态板侧面之间的夹角；侧面倒角的角度α为45～60度，如α小于45度，倒角角度小，意味着侧面倒角很尖很长，冷却水道无法对倒角的尖端部分实施很好的冷却，侧面倒角的寿命也会降低；倒角不易过大，理论上最大为90度，但如α大于60度，铸坯变形过程中的应力集中无法消除，会使得倒角失去意义，同样地，如果α小于45度，由于倒角区空间小，难以设置足够数量的冷却小圆孔水道，铸坯角部受到冷却的强度不高导致裂纹的发生，倒角的作用同样难以发挥，在实际实施中，侧面倒角的高度H为60～90mm，这样可以保证倒角冷却效果、避免铸坯角部裂纹，并可提高窄面铜板和侧面倒角的使用寿命和铸坯质量。

这种倒角结构的采用以及具体角度的实施，相比传统平面式窄板，可以通过多组实验数据的对比得到直观测试：

采用相同材质的结晶器铜板分别采用传统无倒角式加工和本发明倒角加工的结构形式，分别测试钢坯的裂纹情况、边角开裂率和使用寿命，获得的实验数据如表1所示：

名称	裂纹率%	边角开裂率%	使用寿命（万吨）
				传统工艺	12～15	13～16	3～6
本发明倒角工艺	0.8～1.3	0.6～1.5	8～12

表1

注：本组实验测试为生产180～280毫米不锈钢板获得的数据，连续对500套设备进行测试获得的平均范围值。

由上表可以看出虽然采用相同材质结晶器铜板均应用在生产180～280毫米厚度的不锈钢连铸结晶器中，经过500套设备连续不断的生产获得平均数值可以看出，本发明不仅减少了裂纹率而且边角开裂率与使用寿命也得到了极大的提升且未过多增加成本。

实施例二

一种带倒角的连铸结晶器窄面动态板，窄面动态板包括双层结构,由内层的冷却板和外层的支撑板组成，冷却板与支撑板形状相适应，且通过固定销连接，两板间形成中空腔体；支撑板下部设置振动机构；振动机构包括平行振动器以及与平行振动器振子连接的传动轴，传动轴与支撑板的外侧壁连接；振动机构设置压电加速度传感器、电荷放大器和数据采集卡，数据采集卡连接信号处理机构；冷却板为铜或铜合金制件，包括大面区和侧面倒角区，侧面倒角区倒角角度α为45～60度，侧面倒角的高度H为该窄面动态板整体宽度的34％～55％，角度α为侧面倒角区的工作面与窄面动态板侧面之间的夹角；支撑板为钢板制件，中空腔体设置冷却水槽；侧面倒角的高度H为60～90mm；支撑板厚度为140～170mm。

本发明的核心在于通过支撑板下部设置的振动机构，将传统静止的结晶器窄面铜板变为活动板，这是由于钢水在液固转换的变化过程会伴随整体体积的缩小，从而造成钢坯不能与结晶器内壁始终紧贴，而通过小幅度的高频振动，从而使窄边铜板对初成型的钢坯形成一种快速、连续的水平方向上的反复冲击力。

经试验表明，当高频振动的频率高于60Hz时，便会对振动冲击体形成一种持久性的稳定挤压力，而且通过生产过程中的检测与调节，这种挤压力一方面能有效地防止粘接性拉漏，通过振动能够很大程度上使牵拉过程不产生较大的加速度，便于拉伸过程的稳定，另一方面，还可以通过摩擦效果起到剪切作用，得到良好、光滑的铸坯表面。

与此同时，振动轮的振动会对铸坯面作用一个往复的冲击力。每冲击一次，被动振荡的表面就产生一个冲击波，这个冲击波会沿着纵深方向扩散和传播。随着振动轮不断振动，冲击波也将不断产生和持续扩散。材料的颗粒在冲击波的作用下，由静止的初始状态变为运动状态，材料颗粒之间的摩擦力，也由初始的静摩擦状态逐渐进入到动摩擦状态，颗粒在冲击波的作用下产生了运动，造成了颗粒间的初始位置的变化，并且由此产生了相互填充间隙的现象。较大颗粒之间形成的间隙由较小的颗粒所填充，这样就产生了一种稳固效应，在钢水结晶凝固的过程中，通过振动可以有效消除结晶体之间的内摩擦力，并克服结晶颗粒间的粘结力和内聚力，使小颗粒可以有效填充到大的颗粒中，从而形成较为坚固的铸坯表层。

与实施例一的不同之处在于：本方案的振动机构采用的是平行振动器，振动机构包括平行振动器以及与平行振动器振子连接的传动轴，传动轴与支撑板的外侧壁连接，平板振动器的主要优点在于可以不考虑轴承承受轴向力，使用时，电动机应呈水平状态，利用电动机振子所产生的惯性力的水平分力自行移动的，操作时仅控制移动的方向即可；同时，振动机构在固定使用时，需及时检查是否有裂缝和松动现象，并对其进行及时修补或重新紧固，振动机构可以在具有缓冲弹簧的减振基座上，弹簧本体便具有良好的减振性能。

本方案通过对振动信号进行检测，一方面可以通过对比试验找出振动信号与铸坯表面坚固度的对应关系，另一方面，应当考虑振动对铸坯连铸拉伸的加速度影响，信号处理机构需要与对铸坯拉伸的牵引辊电机连接，找出振动信号与铸坯拉速的对应关系，通过各个因素的协同影响，寻找最佳振幅和最优频率。

首先考虑振动信号与铸坯表面坚固度的对应关系，试验中振动频率从40Hz延伸至85Hz，振幅从0.05mm至1.8mm，坚固度选择传统连铸钢坯的坯壳硬度为1，以百分比差值代表当前坚固度的提高值，正值代表提高，负值代表降低，可以如表2所示，振动频率与坚固度的对应关系图，如图4所示。

表2

由表中可知，振动频率过大或过小，对于铸坯表面坚固度的提升会起到反效果，最优方案应该在60Hz延伸至80Hz之间，对应振幅在0.12mm至0.15mm之间。

振动信号与铸坯拉速的对应关系，如表3所示，通过试验列出在振动频率一定的前提下，所得到最优铸坯时的最佳拉速。

振动频率 Hz	振幅 mm	拉速 m/min
			45	0.05	1.0
50	0.07	1.1
			55	0.10	1.1
60	0.12	1.4
			65	0.13	1.6
70	0.14	1.8
			75	0.15	1.6
80	0.15	1.5
			85	0.15	1.1

表3

由上述试验可知，振动机构的频率选取在70Hz左右，振幅0.14mm，其所对应的铸坯坚固度和拉速可以达到一个最优值，最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种带倒角的连铸结晶器窄面动态板，其特征在于：所述窄面动态板包括内层的冷却板和外层的支撑板，所述冷却板与所述支撑板形状相适应，且通过固定销连接，两板间形成中空腔体；所述支撑板下部设置振动机构；所述振动机构包括调频电源、高频旋转电机以及与支撑板外侧壁连接的传动轴，所述传动轴通过偏心轮与所述高频旋转电机的转轴连接，所述振动机构设置压电加速度传感器、电荷放大器和数据采集卡，所述数据采集卡连接信号处理机构，振动信号经由压电加速度传感器检测，送至电荷放大器，然后由数据采集卡将检测到的模拟信号转换为数字信号传送给计算机，信号处理机构的处理程序会对采集到的信号进行处理和显示；所述冷却板为铜或铜合金制件，包括大面区和侧面倒角区，所述侧面倒角区倒角角度α为45～60度，侧面倒角的高度H为该窄面动态板整体宽度的34％～55％，所述角度α为侧面倒角区的工作面与窄面动态板侧面之间的夹角；所述振动机构包括平行振动器以及与所述平行振动器振子连接的传动轴，所述传动轴与所述支撑板的外侧壁连接。

2.如权利要求1所述的带倒角的连铸结晶器窄面动态板，其特征在于：所述支撑板为钢板制件，所述中空腔体设置冷却水槽。

3.如权利要求2所述的带倒角的连铸结晶器窄面动态板，其特征在于：所述侧面倒角的高度H为60～90mm。

4.如权利要求2所述的带倒角的连铸结晶器窄面动态板，其特征在于：所述支撑板厚度为140～170mm。