CN105880496B - 一种数字化无结晶器异形坯连铸装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数字化无结晶器异形坯连铸装置，属于冶金行业连铸生产技术领域。本发明的数字化无结晶器异形坯连铸装置，包括中间包、浸入式水口、与计算机连接的坯壳生成机构，该坯壳生成机构用于在浸入式水口出口处周围堆焊出坯壳。坯壳生成机构包括机械臂、焊头、金属丝和金属丝圈，焊头位于机械臂的自由端，机械臂围绕浸入式水口的出口处设置，金属丝缠绕设置在可转动的金属丝圈上，金属丝的伸出端与焊头连接。本发明可生产断面尺寸为不规则的异形坯，既发挥传统工艺的批量化低成本的工业大生产优势，又具有新时代的数字化和智能化新技术特点，是一种近终形连铸技术。

Description

一种数字化无结晶器异形坯连铸装置

技术领域

本发明属于冶金行业连铸生产技术领域，更具体地说，涉及一种数字化无结晶器异形坯连铸装置。

背景技术

随着连铸技术的发展，采用方(圆)坯连铸机生产条形产品，采用厚度150～250mm连铸板坯生产板材的技术已逐渐成熟，但存在着从铸坯至最终产品之间加工量大、工序复杂、能耗大、生产周期长、成本较高以及劳动强度大等问题，即采用现有连铸机生产出来的铸坯与实际的成品之间存在较大的结构、尺寸差异。

针对上述问题，现有技术中已提出近终形连铸技术，近终形连铸技术的一系列优点正好弥补了上述不足，是当今国际冶金界的一个热点。接近最终产品形状、尺寸的连铸技术称为近终形连铸技术，主要包括：薄板坯连铸技术、薄带连铸技术、异形坯连铸技术等，它是对传统连铸工艺的一次重大革新。近终形连铸技术能将连铸、轧制，甚至热处理融为一体，设备投资减少、生产工序简化、生产周期缩、产品成本显著降低，且产品质量不亚于传统工艺。虽然现有近终形连铸技术的出现是一个重大的技术革新，但其仍需要结晶器来使得钢液形成初生坯壳，同时生产不同断面尺寸的铸坯需要使用不同类型的结晶器，为了保证生产的连续性、稳定性，生产车间常常需要准备多个不同断面的结晶器备件。而且，能够生产的铸坯断面尺寸极为有限，主要为厚度较薄的板坯(极致是生产薄带)、管坯等，另外文献资料中所述的异形坯也是特指H型铸坯，目前尚未有文献报道针对生产其他不规则断面(如凹形)铸坯的近终形连铸技术，即现有近终形连铸技术生产的铸坯，其断面形状仍旧受到各种限制。

当前，能够直接获得不规则零件的技术主要是铸造技术和快速成型技术。铸造技术发展已久，钢液可直接成型，但生产效率太低，适合复杂零件的制造。快速成型技术是二十世纪八十年代后期出现的一项新型加工技术，它集成了现代数控技术、CAD/CAM技术及材料科学等领域的最新成果，可将设计构思自动、快速地转化为具有一定结构和功能的零件原型或直接制造出零件。快速成型技术与传统加工方法相比，可缩短生产周期，实现智能化生产。但在钢材的快速成型方面，由于钢的凝固特点，技术难度很大，成本昂贵，生产效率过低，目前只在航空、军工方面部分应用。

现有技术中关于连铸工艺的改进已有大量技术方案公开，如专利公开号：CN105033217A，公开日：2015年11月11日，发明创造名称为：一种连铸方法，该申请案公开的连铸方法，利用冷却装置直接对引杆或者金属液凝固形成的连铸坯进行冷却，通过传热作用，使金属液不断地在连铸通孔内连铸坯的凝固前端处凝固，再通过牵引装置不停得拉动连铸坯，使凝固前端始终保持在连铸通孔内，形成稳定的连铸工序。金属液受引杆或者先前凝固的金属的传热作用而在连铸通孔内进行凝固，而不是在结晶器等大型的冷却装置中凝固，因而可降低连铸装置整体占用的空间。但是该申请案的不足之处在于：该申请案中虽然没有安装结晶器，但是其中的连铸通孔实际上是作为结晶器使用的，因此，生产的铸坯断面形状受到连铸通孔断面的限制，而连铸通孔是固定设置在熔池侧壁上的，最终造成该申请案的连铸方法生产的铸坯其断面形状受到限制。

发明内容

1.发明要解决的技术问题

本发明的目的在于克服现有连铸技术中难以生产断面不规则铸坯的不足，提供了一种数字化无结晶器异形坯连铸装置，生产的铸坯断面尺寸不受结晶器的限制，可生产断面尺寸为不规则的异形坯，既发挥传统工艺的批量化低成本的工业大生产优势，又具有新时代的数字化和智能化新技术特点，是一种近终形连铸技术。

2.技术方案

为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

本发明的数字化无结晶器异形坯连铸装置，包括中间包和浸入式水口，还包括与计算机连接的坯壳生成机构，该坯壳生成机构用于在浸入式水口出口处周围堆焊出坯壳。

作为本发明的数字化无结晶器异形坯连铸装置更进一步的改进，所述坯壳生成机构包括机械臂和焊头，焊头位于机械臂的自由端，机械臂围绕浸入式水口的出口处设置。

作为本发明的数字化无结晶器异形坯连铸装置更进一步的改进，还包括金属丝和金属丝圈，金属丝缠绕设置在可转动的金属丝圈上，金属丝的伸出端与焊头连接。

作为本发明的数字化无结晶器异形坯连铸装置更进一步的改进，还包括引流保温管，引流保温管将中间包与焊头相连通。

作为本发明的数字化无结晶器异形坯连铸装置更进一步的改进，所述浸入式水口出口处周围环绕设置有控温线圈，该控温线圈为电磁线圈。

作为本发明的数字化无结晶器异形坯连铸装置更进一步的改进，还包括红外测温仪，该红外测温仪用于对坯壳生成机构堆焊出的坯壳进行测温。

作为本发明的数字化无结晶器异形坯连铸装置更进一步的改进，引锭杆竖直方向设置，引锭杆的顶部固定有钢板。

本发明的数字化无结晶器异形坯连铸装置的使用方法，包括以下步骤：

步骤A：将需要生产的异形坯断面几何尺寸输入至计算机；

步骤B：提升引锭杆将其顶端的钢板置于浸入式水口出口处的正下方；

步骤C：向计算机发出启动指令，计算机控制机械臂和焊头在引锭杆顶端的钢板上堆焊出设定断面几何尺寸的坯壳，同时引锭杆向下移动；

步骤D：将浸入式水口的出口移至上述坯壳的内部，中间包内的钢水通过浸入式水口流入坯壳内，坯壳外侧设置的冷却水喷嘴开始对坯壳进行冷却；

步骤E：通过计算机控制坯壳的纵向生成速度与连铸的拉速相同，维持异形坯的稳定生产。

作为本发明的数字化无结晶器异形坯连铸装置的使用方法更进一步的改进，在异形坯生产过程中，通过控温线圈对生成的坯壳进行加热，维持坯壳外侧的温度T₁＝αT_d，其中：α＝0.6～0.8，T_d为钢液的固相线温度。

作为本发明的数字化无结晶器异形坯连铸装置的使用方法更进一步的改进，步骤C中引锭杆以0.01-0.3m/min的拉速向下移动；步骤E中控制坯壳的纵向生成速度与连铸的拉速在0.01～0.8m/min范围内。

3.有益效果

采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下显著效果：

(1)本发明的数字化无结晶器异形坯连铸装置及其使用方法，生产过程中铸坯断面尺寸是由计算机根据数据模型动态实时控制，可根据具体要求生产任意断面的连铸坯，包括但不限于现有连铸工艺所能生产的各种断面的铸坯，可减少钢铁企业为应对不同产品所准备的不同断面的连铸机数量，并能拓宽铸坯断面品种，实现单台铸机的按需生产与产品个性定制；且不需要传统的保护渣、结晶器及其振动装置，可大幅减少连铸生产设备和相应备件，减小厂房面积及工作人员，降低连铸过程的吨钢资源消耗，大幅降低企业生产成本，同时生产出的铸坯无表面纵裂纹、横裂纹、夹渣等表面缺陷，表面质量稳定，有效增加企业的经济效益。

(2)本发明的数字化无结晶器异形坯连铸装置及其使用方法，生产过程完全由计算机内的数学模型控制，生产高度智能化自动化，金属丝圈不断为机械臂自由端的焊头提供金属丝，坯壳外侧布置的控温线圈根据红外测温仪测量的坯壳温度及计算机的要求自动将坯壳温度控制在设定温度值，使得最终制备的异形坯内部组织结构均匀，结构强度高。

(3)本发明的数字化无结晶器异形坯连铸装置及其使用方法，有机结合了电弧增材制造技术与连铸技术，不改变钢种成分，不需要添加合金元素，不改变中间包生产设备和工艺，铸坯表面质量稳定，对铸坯及设备无污染，对人员无危害，是一项低资源消耗的异形坯连续铸钢的新方法。

附图说明

图1为实施例1的数字化无结晶器异形坯连铸装置的结构示意图；

图2为实施例2的数字化无结晶器异形坯连铸装置的结构示意图；

图3为实施例3的数字化无结晶器异形坯连铸装置的结构示意图；

图4为实施例2的数字化无结晶器异形坯连铸装置的使用方法的流程框图。

示意图中的标号说明：

1、中间包；2、浸入式水口；3、焊头；4、金属丝；5、金属丝圈；6、机械臂；7、支撑辊；8、冷却水喷嘴；9、拉坯辊；10、连铸坯；11、计算机；12、红外测温仪；13、控温线圈；14、引锭杆；15、引流保温管。

具体实施方式

为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。

实施例1

结合图1，本实施例的数字化无结晶器异形坯连铸装置，包括中间包1、浸入式水口2以及与计算机11连接的坯壳生成机构，该坯壳生成机构用于在浸入式水口2出口处周围堆焊出坯壳。坯壳生成机构包括机械臂6、焊头3、金属丝4和金属丝圈5，焊头3位于机械臂6的自由端，机械臂6围绕浸入式水口2的出口处设置。金属丝4缠绕设置在可转动的金属丝圈5上，金属丝4的伸出端与焊头3连接，为焊头3提供堆焊的原料。本实施例中，引锭杆14竖直方向设置，引锭杆14的顶部固定有钢板，浸入式水口2出口的下方依次设有支撑辊7、拉坯辊9，本实施例的数字化无结晶器异形坯连铸装置整体上呈现纵向设置，连铸坯10在引锭杆14的向下移动中沿竖直方向生成，有利于异形坯的高效形成，且提高了制备异形坯的结构尺寸精度。

实施例2

结合图2，本实施例的数字化无结晶器异形坯连铸装置，其结构与实施例1基本相同，其不同之处在于：还包括红外测温仪12和控温线圈13，红外测温仪12用于对坯壳生成机构堆焊出的坯壳进行测温，浸入式水口2出口处周围环绕设置有控温线圈13，该控温线圈13为电磁线圈。

结合图4，本实施例的数字化无结晶器异形坯连铸装置，其使用方法如下，具体包括以下步骤：

步骤A：将需要生产的异形坯断面几何尺寸输入至计算机11，其中，异形坯断面X或Y方向的几何尺寸在50～3000mm；

步骤B：在引锭杆14顶端设置一块平整的不锈钢板(本实施例中采用不锈钢板，该不锈钢板在连铸时可循环使用，不易损坏，方便实现自动开浇)，提升引锭杆14将其顶端的钢板置于浸入式水口2出口处的正下方(即机械臂6围成区域的中部)，调整钢板至水平状态，移动焊头3至钢板中心处；

步骤C：向计算机11发出启动指令，计算机11根据断面尺寸实时控制机械臂6和焊头3在引锭杆14顶端的钢板上堆焊出设定断面几何尺寸的坯壳(本实施例中，堆焊具体为电弧增材制造技术，电弧增材制造技术是采用电弧作为热源将金属丝材熔化，按设定成形路径在基板上堆积层片，层层堆敷直至金属零件成形的工艺)，生成的坯壳外侧由支撑辊7支撑(机械臂6可围绕浸入式水口2出口处在X、Y、Z方向移动)；需要强调的是，本实施例中堆焊出的坯壳内部是空心的，坯壳的内部在后续步骤中通过钢液填充；具体本实施例中，计算机11控制的坯壳生成机构按程序指令要求移动机械臂6，使得焊头3围绕浸入式水口2出口处连续移动，从而根据异形坯断面几何尺寸先逐点再逐层生成所需坯壳，完成相应坯壳的连续生产，同时引锭杆14以0.01～0.3m/min的拉速缓慢下降(此时引锭杆14的拉速不宜过快，以适应坯壳的纵向生成速度为宜)。坯壳的生产过程为通过电弧加热熔融金属丝4再凝固，坯壳厚度为12～15mm；其中，生成坯壳的原料为金属丝4，该金属丝4成分与所要生产的钢种成分相同或相似。

步骤D：当坯壳纵向长度为500mm时，开浇准备完成，将浸入式水口2的出口移至上述坯壳内部距初生坯壳400mm处，计算机11发出指令提升中间包塞棒，中间包1内的钢水通过浸入式水口2连续流入已生成的坯壳内部并逐渐凝固，坯壳外侧设置的冷却水喷嘴8在坯壳内钢液面以下位置200～500mm范围内开始对坯壳外侧进行喷水冷却，随后进行气雾冷却，气雾冷却的冷却段长度为500～10000mm；

步骤E：通过计算机11控制坯壳的纵向生成速度与连铸的拉速相同，且控制坯壳的纵向生成速度与连铸的拉速在0.01～0.8m/min范围内(当坯壳的纵向生成速度与连铸的拉速过快时，不利于异形坯的稳定成型)，维持异形坯的稳定生产，凝固的连铸坯10(即异形坯)在拉坯辊9的引导下向下运输；在异形坯生产过程中，在坯壳内的钢液面以上10～30mm处，坯壳外侧环绕布置有20～50mm宽的控温线圈13，通过控温线圈13对生成的坯壳进行加热，维持坯壳外侧的温度T₁＝αT_d，其中：α＝0.6～0.8，T_d为钢液的固相线温度。发明人经过实验发现，生成的坯壳需要维持在一定的温度范围内，当坯壳温度过高，坯壳的强度无法保证，从而会对制备的异形坯尺寸精度产生不利影响；当坯壳温度过低，坯壳内的钢液无法与坯壳内侧较好的熔融在一起，导致制备的异形坯内部组织结构不均匀，从而会对制备的异形坯结构强度产生不利影响。为了克服上述问题，发明人经过实验总结发现，通过控温线圈13将坯壳外侧的温度维持在一定范围，能够使得最终制备的异形坯内部组织结构均匀，结构强度高；其中，维持坯壳外侧的温度范围与钢液的成分有关，具体为T₁＝αT_d(α＝0.6～0.8)，T_d为相应钢液的固相线温度。

本实施例的数字化无结晶器异形坯连铸装置及其使用方法，生产过程完全由计算机11内的数学模型控制，生产高度智能化自动化，金属丝圈5不断为机械臂6自由端的焊头3提供金属丝4，坯壳外侧布置的控温线圈13根据红外测温仪12测量的坯壳温度及计算机11的要求自动将坯壳温度控制在设定温度值，使得最终制备的异形坯内部组织结构均匀，结构强度高。生产出的铸坯按计算机11设定的定尺自动切割，当钢液浇注完成后，停止坯壳的生成，铸坯从下方完全出来后，阶段性生产完成。

本实施例的数字化无结晶器异形坯连铸装置及其使用方法，生产过程中铸坯断面尺寸是由计算机11根据数据模型动态实时控制，可根据具体要求生产任意断面的连铸坯，包括但不限于现有连铸工艺所能生产的各种断面的铸坯，可减少钢铁企业为应对不同产品所准备的不同断面的连铸机数量，并能拓宽铸坯断面品种，实现单台铸机的按需生产与产品个性定制；且不需要传统的保护渣、结晶器及其振动装置，可大幅减少连铸生产设备和相应备件，减小厂房面积及工作人员，降低连铸过程的吨钢资源消耗，大幅降低企业生产成本，同时生产出的铸坯无表面纵裂纹、横裂纹、夹渣等表面缺陷，表面质量稳定，有效增加企业的经济效益。

本实施例的数字化无结晶器异形坯连铸装置及其使用方法，有机结合了电弧增材制造技术与连铸技术，不改变钢种成分，不需要添加合金元素，不改变中间包生产设备和工艺，铸坯表面质量稳定，对铸坯及设备无污染，对人员无危害，是一项低资源消耗的异形坯连续铸钢的新方法。

本实施例采用数字化和智能化的方式实现不规则断面铸坯低成本高效率的生产，既发挥传统工艺的批量化低成本的工业大生产优势，又具有新时代的数字化和智能化新技术特点，生产过程为智能化控制，高度自动化，占地面积小，操作人员少，可有效降低成本，是一种近终形连铸技术。

实施例3

结合图3，本实施例的数字化无结晶器异形坯连铸装置，其结构与实施例1基本相同，其不同之处在于：本实施例中不包括金属丝4和金属丝圈5，而是包括引流保温管15，引流保温管15将中间包1与焊头3相连通，引流保温管15的外部包裹耐火材料。本实施例中，可通过引流保温管15将中间包1内的钢液直接引流到焊头3上，直接为焊头3的堆焊提供原料，确保制备的异型坯内部组织结构均匀，提高其强度。

以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种数字化无结晶器异形坯连铸装置，包括中间包(1)和浸入式水口(2)，其特征在于：还包括与计算机(11)连接的坯壳生成机构，该坯壳生成机构用于在浸入式水口(2)出口处周围堆焊出坯壳；

所述坯壳生成机构包括机械臂(6)和焊头(3)，焊头(3)位于机械臂(6)的自由端，机械臂(6)围绕浸入式水口(2)的出口处设置；

引锭杆(14)竖直方向设置，引锭杆(14)的顶部固定有钢板。

2.根据权利要求1所述的数字化无结晶器异形坯连铸装置，其特征在于：所述坯壳生成机构还包括金属丝(4)和金属丝圈(5)，金属丝(4)缠绕设置在可转动的金属丝圈(5)上，金属丝(4)的伸出端与焊头(3)连接。

3.根据权利要求1所述的数字化无结晶器异形坯连铸装置，其特征在于：所述坯壳生成机构还包括引流保温管(15)，引流保温管(15)将中间包(1)与焊头(3)相连通。

4.根据权利要求1所述的数字化无结晶器异形坯连铸装置，其特征在于：所述浸入式水口(2)出口处周围环绕设置有控温线圈(13)，该控温线圈(13)为电磁线圈。

5.根据权利要求4所述的数字化无结晶器异形坯连铸装置，其特征在于：还包括红外测温仪(12)，该红外测温仪(12)用于对坯壳生成机构堆焊出的坯壳进行测温。