CN106862508B - 一种圆弧形窄面铜板结晶器 - Google Patents

一种圆弧形窄面铜板结晶器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及冶金金属凝固与连铸成型领域，特别涉及一种圆弧形窄面铜板结晶器，所述结晶器包括两个一端开有半圆形光滑弧面的窄面铜板(1)和两个平板形宽面铜板(2)，两个所述窄面铜板(1)的半圆形光滑弧面相对，两个宽面铜板(2)相对，所述窄面铜板(1)与宽面铜板(2)组装形成长方体结构；所述窄面铜板(1)与所述宽面铜板(2)之间为相切式光滑连接，两个所述宽面铜板(2)之间的距离与所述窄面铜板(1)半圆形槽的直径相等。本发明所产生的有益效果为：消除结晶器窄面与宽面铜板的接角，均匀连铸凝固坯壳断面四角端部的热应力；优化结晶器的铜板锥度，降低凝固坯壳与铜板间的气隙。

Description

一种圆弧形窄面铜板结晶器
技术领域
本发明涉及冶金金属凝固与连铸成型技术领域，尤其涉及一种圆弧形窄面铜板结晶器。
背景技术
随着连铸技术的不断进步，包括一些高合金、高品质、高裂纹敏感性钢种在内的可浇铸钢种与可浇筑断面不断扩大，极大的促进了冶金工业技术的发展。
近年来大板坯连铸机的铸坯厚度已经达到250～600mm厚度，大矩形坯厚度更是达到500mm。由于结晶器窄、宽面接角处热应力集中，连铸坯角部的冷却热应力集中，铸坯断面的增大带来的不利影响是：弯曲、矫直过程中的应力集中导致铸坯角部裂纹的增加。
目前的解决方法为：1)中国实用新型专利ZL02214026.3，发明创造名称：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铜板，其工作面两边制造有6～10mm×45°的等腰三角形；2)中国实用新型专利号ZL200720089029.7，发明创造名称：一种板坯结晶器提供了一种板坯结晶器内腔矩形截面的四个角为过渡曲面，窄面铜板与宽面铜板的接触面和曲面交界处圆弧倒角圆弧倒角半径为2～10mm，其倒角的曲线形状和尺寸大小都是不变的；3)申请号201110232530.5的发明专利，名称：一种具有漏斗形曲面形状的带倒角结晶器窄边铜板提供了一种结晶器，其窄边铜板与钢水接触的工作面包括中间区域和两侧的两个倒角区域，其中铜板的上部为夹角40°～75°的直边倒角，铜板下部为圆弧倒角，所述工作面为上大下小的漏斗形曲面。
由此可以看出，传统连铸用结晶器除了采用上大下小的锥度，就是采用带有一定倒角，其中倒角面的形式有平面和各种各样的曲面，虽也有考虑到倒角斜面的锥度，即窄面的锥度，但未曾完成或者彻底解决倒角处冷却热应力的集中，并不能进一步降低或消除结晶器倒角面的凝固收缩应用，势必会导致倒角面上冷却效果差，并进一步导致结晶器内的铸坯会产生裂纹。
针对上述技术中存在的缺陷和不足，本发明提出了一种圆弧形窄面铜板结晶器，通过将宽面铜板间距设计为窄面铜板圆弧直径长度，有效降低结晶器角部的热应力集中，增强了倒角面处凝固坯壳的凝固均匀性。
发明内容
鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种圆弧形窄面铜板结晶器，通过将宽面铜板间距设计为窄面铜板圆弧直径长度，有效降低结晶器角部的热应力集中，增强了倒角面处凝固坯壳的凝固均匀性，降低或消除了铸坯边角部裂纹缺陷，提高了宽、窄面铜板的使用寿命。
本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：
一种圆弧形窄面铜板结晶器，所述结晶器包括两个一端开有光滑半圆形弧面的窄面铜板1和两个平板形宽面铜板2，两个所述窄面铜板1的半圆形光滑弧面相对，两个宽面铜板2相对，所述窄面铜板1与宽面铜板2组装形成带有腔体的长方体结构；所述窄面铜板1与所述宽面铜板2之间为相切式光滑连接，两个所述宽面铜板2之间的距离与所述窄面铜板1半圆形槽的直径相等。
将窄面铜板1设计为一端开有光滑半圆形弧面结构，能够达到或消除具有窄、宽接角的原有结晶器因应力集中产生的角部、对角及表面处裂纹；将窄面铜板与宽面铜板设计为相切式光滑连接，能够消除结晶器窄面铜板与宽面铜板的接角，均匀原连铸凝固坯壳端面四角的热应力，消除热应力集中。
进一步的，所述结晶器铜板的锥度范围为0.00～1.00％/m。
结晶器铜板的锥度由结晶器窄面铜板与宽面铜板成倒锥形的非平行对称实现，具有锥度的宽面铜板与窄面铜板一起形成结晶器的锥度，此种锥度与现有结晶器窄面铜板非平行对称分布、宽面铜板平行对称分布的方式相比，不仅可以降低窄面铜板因锥度大引起的磨损严重等问题，而且可以降低宽面铜板与铸坯坯壳间的气隙。
进一步的，所述锥度满足公式
式中：—结晶器的锥度；
ξ—结晶器的上、下缘端面面积之比；
L—结晶器上下缘间的垂直长度，单位是m。
进一步的，所述窄面铜板距结晶器上缘li垂直距离的端面的圆弧直径根据结晶器锥度可分为恒定值与非恒定值，所述窄面铜板的端面的圆弧直径为恒定值时，结晶器锥度等于0，所述窄面铜板的端面的圆弧直径为非恒定值时，结晶器锥度不等于0，对于非恒定值的窄面铜板的端面的圆弧直径，距窄面铜板上缘垂直距离li处的圆弧直径可由下式得到：
式中：Li—距结晶器上缘li垂直距离的窄面铜板的端面的圆弧直径，单位为mm；
L1—结晶器窄面铜板上缘端面的圆弧的直径，单位为mm；
L2—结晶器窄面铜板下缘端面的圆弧的直径，单位为mm；
L—结晶器上下缘端面间的垂直长度，单位为m；
li—距离窄面铜板上缘垂直距离li处，单位mm。
窄面铜板的断面的圆弧直径为窄面截面宽度，结晶器上缘为结晶器入口端，结晶器下缘为结晶器出口端。距离窄面铜板上缘垂直距离li处半圆形弧面的圆弧直径是以距离宽面铜板上缘垂直距离为li处两宽面铜板的垂直间距，圆弧弧线长度为以该间距为直径的圆的周长的一半，窄面铜板圆弧两端与宽面铜板为相切式的光滑连接。
进一步的，所述窄面铜板与宽面铜板的组合方式为组合式或一体式。
组合式是指根据连铸坯断面尺寸的需要，将两块窄面铜板与两块宽面铜板拼成与连铸体断面尺寸相符的腔体断面，形成组合式结晶器；而一体式是指直接将两块窄面铜板与两块宽面铜板一起加工，相当于一个长方体中掏出一个圆弧形长方体后形成一个结晶器腔体。组合式结晶器能够根据连铸坯的需要进行尺寸的更换，能够满足不同断面尺寸连铸坯的要求，有利于提高组合式结晶器的使用效率；一体式结晶器虽然不能更改断面尺寸，但是能够用于某一断面尺寸连铸体，提高了制备过程中的效率。
进一步的，所述组合式分为定断面尺寸和可调断面尺寸。
定断面尺寸是指窄面铜板的断面宽度为定值，同时两窄面铜板之间长度不可调；可调断面尺寸是指窄面铜板能够沿着宽面铜板的长度方向移动，形成一个窄面铜板断面宽度为定值，而两窄面铜板之间长度可调的结晶器。
进一步的，所述窄面铜板与宽面铜板选用的材质为铜基耐磨材料，所述窄面铜板与宽面铜板的工作层敷有镀层，所述镀层的材质是CoNi合金，所述镀层的厚度大于0.03mm。
上述铜基耐磨材料包括纳米铜、Cu-Cr-Zr及Cu-Ag合金等，铜基耐磨材料具有良好的导热性与耐磨性，主要作用是增强铜板的抗磨性，提高铜板寿命；在窄面铜板与宽面铜板的工作层敷有镀层，镀层起到抗磨减磨，提高结晶器铜板的使用寿命的作用。
进一步的，所述窄面铜板与宽面铜板组成的结晶器适用于直结晶器或弧形结晶器。
进一步的，所述结晶器适用于厚度为10～600mm的连铸板坯。
本发明有益效果如下：
(1)本发明一种圆弧形窄面铜板结晶器能够有效消除结晶器窄面与宽面铜板的接角，均匀连铸凝固坯壳断面四角端部的热应力；
(2)本发明一种圆弧形窄面铜板结晶器能够优化结晶器的铜板锥度，降低凝固坯壳与铜板间的气隙；
(3)本发明一种圆弧形窄面铜板结晶器能够降低或消除结晶器倒角面的凝固收缩应用，进而降低结晶器内的铸坯产生裂纹，并可以有效降低单一锥度结晶器的铜板磨损。
附图说明
图1为一种圆弧形窄面铜板结晶器时的整体结构示意图；
图2为一种圆弧形窄面铜板结晶器时的整体俯视图；
图3为一种圆弧形窄面铜板结晶器时窄面铜板结构示意图；
图4为一种圆弧形窄面铜板结晶器时窄面铜板的俯视图；
图5为一种圆弧形窄面铜板结晶器时窄面铜板的剖面图；
图6为一种圆弧形窄面铜板结晶器时窄面铜板的左视图；
图7为一种圆弧形窄面铜板结晶器时窄面铜板剖面的正视图；
图8为一种圆弧形窄面铜板结晶器的一体式式整体结构示意图；
图9为一种圆弧形窄面铜板结晶器的一体式式整体俯视图；
图中，1-有锥度直结晶器窄面铜板；2-有锥度直结晶器宽面铜板；3-结晶器窄面铜板上面；4-结晶器窄面铜板下面；5-结晶器窄面铜板上面圆弧半径R1；6-结晶器窄面铜板下面圆弧半径R2；7-结晶器窄面铜板上面圆弧到窄面铜板外缘距离L上；8-结晶器窄面铜板下面圆弧到窄面铜板外缘距离L下；9-结晶器窄面铜板上面圆弧到窄面铜板外缘距离L上与结晶器窄面铜板下面圆弧到窄面铜板外缘距离L下之差ΔL，10-一体式结晶器入口端面；11-一体式结晶器入口端面铜板内边缘；12-一体式结晶器出口端面；13-一体式结晶器出口端面铜板内边缘；14-结晶器入口宽度；15-结晶器出口宽度；16-结晶器宽面长度；17-结晶器出口长度；18-结晶器入口长度。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。
如图1、2所示，为本发明一种圆弧形窄面铜板结晶器时的结构示意图，其中，该结晶器由两个一端开有光滑半圆形弧面结构窄面铜板1与两个宽面铜板2组成，窄面铜板1上开半圆形光滑弧面结构，其中窄面铜板1与宽面铜板2的连接方式为光滑相切，窄面铜板1的光滑弧面结构的直径与两个宽面铜板2之间的距离相等。
如图3-7所示，为本发明一种圆弧形窄面铜板结晶器时的结构示意图，锥度不为0时，按照实际需要情况中对锥度的要求，窄面铜板1的上缘圆弧半径R1较下缘圆弧半径R2长ΔR，结晶器窄面铜板上面圆弧到窄面铜板外缘距离L上较结晶器窄面铜板下面圆弧到窄面铜板外缘距离L下短ΔL，这样做的目的，一方面是为了满足凝固坯壳在结晶器内自上而下运动过程中凝固收缩的需要；另一方面是为了加强坯壳与结晶器铜板之间的传热，提高凝固坯壳厚度的均匀性。
如图8、图9所示，为本发明一种圆弧形窄面铜板结晶器的一体式结构示意图，窄面铜板与宽面铜板为一体式的腔形结构，其中结晶器宽面与窄面的过渡方式为光滑相切；锥度为零时为入口端面与出口端面相同的腔体；锥度不为零时，窄面方向上缘圆弧半径R1较下缘圆弧半径R2长ΔR，入口端面圆弧到窄面铜板外缘距离L上较结晶器窄面铜板出口端圆弧到窄面铜板外缘距离L下短ΔL，ΔR与ΔL的变化共同满足结晶器锥度的需要。
本发明制备了一个的圆弧形窄面铜板结晶器，其中，结晶器入口宽度为500mm、入口长度为2250mm、锥度为0.8％、结晶器长度为1250mm，根据公式和则该结晶器的宽面宽度为1250mm、出口宽度为495.96mm、出口长度为2241.92mm，窄面方向上缘圆弧半径R1较下缘圆弧半径R2长1.01mm，入口端面圆弧到窄面铜板外缘距离L上较结晶器窄面铜板出口端圆弧到窄面铜板外缘距离L下短1.01mm，距离上缘500mm处断面宽度(即圆弧直径)为498.38mm，同时，本发明所制备结晶器的窄面铜板与宽面铜板均采用Cu-Cr-Zr合金，且在窄面铜板与宽面铜板的工作层敷有0.035mm厚度的镀层，镀层的材质是CoNi合金，本发明所制备的圆弧形窄面铜板结晶器有效降低了凝固坯壳与铜板之间的气隙，使用铜基耐磨材料有效提高了结晶器的导热性与耐磨性，提高了铜板寿命；在窄面铜板与宽面铜板的工作层敷有镀层，镀层起到抗磨减磨，提高结晶器铜板的使用寿命的作用，同时本发明制备的结晶器有效消除了凝固坯壳断面四角的应力集中现象。
综上所述，本发明提供了一种圆弧形窄面铜板结晶器，通过改变连铸结晶器铜板的形状，尤其是窄面铜板的形状，达到降低甚至消除原有结晶器因具有窄、宽接角而使应力集中产生的角部、对角及表面等处裂纹的效果；消除结晶器窄面铜板与宽面铜板的接角，均匀原连铸凝固坯壳断面四角的热应力，消除热应力集中；优化结晶器的铜板锥度，降低凝固坯壳与铜板间的气隙。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种圆弧形窄面铜板结晶器，其特征在于，所述结晶器包括两个一端开有光滑半圆形弧面的窄面铜板(1)和两个平板形宽面铜板(2)，两个所述窄面铜板(1)的半圆形光滑弧面相对，两个宽面铜板(2)相对，所述窄面铜板(1)与宽面铜板(2)组装形成带有腔体的长方体结构；所述窄面铜板(1)与所述宽面铜板(2)之间为相切式光滑连接，两个所述宽面铜板(2)之间的距离与所述窄面铜板(1)半圆形槽的直径相等；
所述结晶器铜板的锥度大于0.00％/m且小于或等于1.00％/m；
所述窄面铜板的上缘圆弧半径较下缘圆弧半径长，所述结晶器窄面铜板上面圆弧到窄面铜板外缘距离较结晶器窄面铜板下面圆弧到窄面铜板外缘距离短；
所述窄面铜板(1)与宽面铜板(2)的组合方式为组合式，将两块窄面铜板(1)与两块宽面铜板(2)拼成与连铸体断面尺寸相符的腔体断面，形成组合式的结晶器；或者，所述窄面铜板(1)与宽面铜板(2)的组合方式为一体式，将两块窄面铜板(1)与两块宽面铜板(2)一起加工，一个长方体中掏出一个圆弧形长方体后形成一体式结晶器。
2.根据权利要求1所述的一种圆弧形窄面铜板结晶器，其特征在于，所述锥度满足公式
式中：▽—结晶器的锥度；
ξ—结晶器的上、下缘端面面积之比；
L—结晶器上下缘间的垂直长度，单位是m。
3.根据权利要求2所述的一种圆弧形窄面铜板结晶器，其特征在于，距窄面铜板上缘垂直距离li处的圆弧直径可由下式得到：
式中：Li—距结晶器上缘li垂直距离的窄面铜板的端面的圆弧直径，单位为mm；
L1—结晶器窄面铜板上缘端面的圆弧的直径，单位为mm；
L2—结晶器窄面铜板下缘端面的圆弧的直径，单位为mm；
L—结晶器上下缘端面间的垂直长度，单位为m；
li—距离窄面铜板上缘垂直距离li处，单位mm。
4.根据权利要求1所述的一种圆弧形窄面铜板结晶器，其特征在于，所述组合式分为定断面尺寸和可调断面尺寸。
5.根据权利要求4所述的一种圆弧形窄面铜板结晶器，其特征在于，所述窄面铜板与宽面铜板选用的材质为铜基耐磨材料，所述窄面铜板与宽面铜板的工作层敷有镀层，所述镀层的材质是CoNi合金，所述镀层的厚度大于0.03mm。
6.根据权利要求5所述的一种圆弧形窄面铜板结晶器，其特征在于，所述窄面铜板与宽面铜板组成的结晶器适用于直结晶器或弧形结晶器。
7.根据权利要求6所述的一种圆弧形窄面铜板结晶器，其特征在于，所述结晶器适用于厚度为10～600mm的连铸板坯。
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