CN110170641B

CN110170641B - 一种方坯双曲线型浸入式水口及其制作方法

Info

Publication number: CN110170641B
Application number: CN201910482903.0A
Authority: CN
Inventors: 魏国立; 朱青德
Original assignee: Gansu Jiu Steel Group Hongxing Iron and Steel Co Ltd
Current assignee: Gansu Jiu Steel Group Hongxing Iron and Steel Co Ltd
Priority date: 2019-06-04
Filing date: 2019-06-04
Publication date: 2021-05-11
Anticipated expiration: 2039-06-04
Also published as: CN110170641A

Abstract

本发明属于方坯连铸生产技术领域，公开了一种方坯双曲线型浸入式水口及其制作方法，本方法包括设计出双曲线水口、扩孔、加工刀具、加工成双曲线水口、喷涂等步骤，本发明通过将水口的内部双曲线通道形状设计，利用上部曲线截面积逐步缩小的特点，控制了水口上部的空腔体积比例，减少了水口的吸气造成二次氧化的趋势；通过下部曲线截面积逐步扩大的特点，造成钢流分散流下，减少了钢液在结晶器里面的冲击深度，有利于结晶器内钢液流动行为的改善。本发明通过将双曲线顶点位置的通道加工成环状，主要利用钢流多次变径后形成的回流，使中心流股造成扰动，减缓了中心流股的流动速度，控制钢流整体的减速。

Description

一种方坯双曲线型浸入式水口及其制作方法

技术领域

本发明涉及方坯连铸生产技术领域，具体涉及一种方坯双曲线型浸入式水口及其制作方法。

背景技术

在连续铸钢过程中,结晶器内流体的流动特性不仅关系到结晶器的传热、夹杂物的上浮,而且还与铸坯的表面及内部质量有着非常密切的关系。浸入式水口是钢水从中间包进入结晶器的通道,它在保护钢流、防止钢水二次氧化的同时,还改变着钢液在结晶器内的流动状态, 采用结构合理的浸入式水口,使钢液冲击深度减小 ,促进夹杂物在结晶器内上浮, 并使高温区上移,有利于坯壳的均匀生长,为保护渣的熔化提供热量。

衡量连铸结晶器水口结构是否合理 ,除满足使用寿命要求外,重要的是考虑是否建立起了合理的结晶器流场, 保证结晶器内形成均的凝固坯壳。通常从3个方面评价结晶器液面区域钢液流动行为、流股冲击深度和结晶器内钢液循环状况。

目前连铸生产过程，使用的浸入式水口为圆柱型内腔，该水口使用过程存在以下缺陷：1、圆柱型内腔通道上下大小相同，钢水在势能的作用下速度增加，钢流的截面积变小，水口下部通径占比降低，形成抽真空效应，水口吸气后造成钢水二次氧化；2、钢流流经圆柱型内腔后速度增加，钢水在进入结晶器之前具有较大的动能，造成结晶器内的冲击深度增加，导致结晶器液面波动较大，不利于浇注过程的稳定液面控制，会出现结晶器保护渣卷入或者液态保护渣流入不连续等问题，造成卷渣漏钢的事故；3、对质量要求较高的品种钢来说，冲击深度直接影响到电磁搅拌的使用效果，冲击深度增加后电磁搅拌位置偏移，无法击碎凝固前沿的枝晶，造成结晶器电磁搅拌效果变差。

目前随着产品质量要求日益提高，连铸环节需要通过优化水口的相关参数，使相关参数趋向于有利于产品质量提升的方面发展，通过科学的计算和求证，制造出方坯双曲线型水口，为提升方坯铸坯质量起到良好的作用，该技术目前尚属空白。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中浸入式水口中存在的问题，提供了一种结构简单、使用效果显著的方坯双曲线型浸入式水口及其制作方法。

为了达到上述目的，本发明采用一下技术方案：

一种方坯双曲线型浸入式水口包括水口碗部，水口碗部的底部设有水口圆柱体，水口圆柱体包括水口外壁以及设置在水口外壁内的水口通道，水口通道包括与水口碗部贯通的水口直通道以及与水口直通道底部连通的双曲线通道，且在双曲线通道的中部设有减速环。

一种方坯双曲线型浸入式水口的制作方法，包括以下步骤：

步骤1）：设计出双曲线水口的总长L、水口圆柱体的外径R₁、水口碗部的外径R₂、水口直通道的直径r₁、水口碗部的内径r₂、双曲线通道的最小通径r₃，根据上部水口直通道的直径r₁、双曲线通道的最小通径r₃选用水口加工钻具；

步骤2）：以外径为R₁mm的直通圆柱形水口为坯料，使用r₃为直径的钻具对坯料进行钻孔，完成后使用r₁为直径的钻具对水口直通道的位置进行扩孔，水口直通道的长度为水口碗部向下h/3；

步骤3）：以双曲线通道的最小通径r₃的1/2为双曲线的a，以水口长度L的1/3为双曲线的b加工刀具坯料；并在顶点位置连续加工三个直径为最小通径r₃/2的圆弧，圆弧的高度为最小通径的r₃/6，三个圆弧的圆点全部落在双曲线上，最终完成加工刀头；

步骤4）：使用步骤3）完成的加工刀头，对步骤2）中的完成的粗加工产品进行加工，以水口轴线、以水口圆柱体距离水口碗部2h/3处为中心双向旋转车削，最终加工成双曲线水口；

步骤5）：加工完成后对于产品进行探伤及减速环位置处的抗氧化喷涂，完成后即为成品；

进一步地，步骤3）中所述的双曲线水口专用加工刀头的刀柄长度在加工双曲线内腔上侧的圆弧时比加工双曲线内腔下侧的圆弧时的刀柄长度延长1/3L。

进一步地，步骤5）中减速环的位置处喷涂使用的材料为六方氮化硼。

本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：

本发明通过水口内腔形状的优化，解决了圆柱型内腔水口抽真空吸气和冲击深度过深的两大问题。

圆柱型内腔水口的通道通径相同，钢流在势能的作用下速度增加，下部钢流的截面积变小，通道内空腔体积增加，在钢流流动的作用下形成抽真空效应，造成钢水二次氧化。

钢流从中包到结晶器流动的过程中，在势能的作用下动能增加，对结晶器内钢水的的冲击深度加深，不利于夹杂物上浮，易造成卷渣漏钢；冲击深度加深后，结晶器表面的活跃度下降，钢渣界面的温度下降，不利于保护渣液渣层保持，会出现结晶器固态保护渣卷入或者液态保护渣流入不连续等问题。

通过计算侵入式水口碗部及中部的钢流速度，确定了水口的上口及2/3处最小通径的截面积尺寸，通过水口内腔尺寸的变化，减少了通道内空腔的体积，避免了水口的抽真空效应，减缓了钢水的二次氧化。

通过双曲线顶点位置的环状设置，造成钢流贴近水口壁钢液的回流，钢液在回流扰动作用下，流动速度明显减缓，有效的控制了该位置的钢液流速。

钢液流过减速环位置后，水口下部截面积逐步增加，钢液流下时较直通圆柱型更加分散，中心流股减弱，整体的流动速度明显减小。钢流分散进入结晶器后有利于成分均匀和温度均匀；温度均匀后有利于坯壳均匀的形成及保护渣三层结构的保持，减少了由于温度不均匀造成内外部缺陷。冲击深度减小后，夹杂物的穿透深度减少，更加有利于夹杂物的上浮；高温区随着冲击深度减小后上移后，对于坯壳凝固速度提升有利，可有效增加坯壳在结晶器下口的厚度。

本发明通过将水口的内部双曲线通道形状设计，利用上部曲线截面积逐步缩小的特点，控制了水口上部的空腔体积比例，减少了水口的吸气造成二次氧化的趋势；通过下部曲线截面积逐步扩大的特点，造成钢流分散流下，减少了钢液在结晶器里面的冲击深度，有利于结晶器内钢液流动行为的改善。

本发明通过将双曲线顶点位置的通道加工成环状，主要利用钢流多次变径后形成的回流，使中心流股造成扰动，减缓了中心流股的流动速度，控制钢流整体的减速。

本发明的双曲线型侵入式水口采用长寿命水口机加工环节的产品为坯料，只需要增加机加工环节的车削环节，不需要改变原料及整体的制造工艺，易于在现有生产工艺条件下实现；使用双曲线型侵入式水口，可有效控制水口吸气现象，避免钢水在中包到结晶器的二次氧化；通过双曲线型内腔及环形变径，造成中心流股的扰动，减缓了钢流整体的流速，对于提高连铸坯内外部质量，具有重要的指导意义，具体如下：

本发明的双曲线型侵入式水口采用长寿命水口机加工环节的产品为坯料，只需要增加机加工环节的车削环节，不需要改变侵入式水口原料配方及现有的制造工艺，易于在现有生产工艺条件下实现批量生产；

双曲线型侵入式水口使用后，利用上部曲线截面积逐步缩小的特点，控制了水口上部的空腔体积比例，减少了水口的吸气造成二次氧化的趋势；

（3）双曲线型侵入式水口使用后，通过下部曲线截面积逐步扩大的特点，造成钢流分散流下，减少了钢液在结晶器里面的冲击深度，有利于结晶器内钢液流动行为的改善；

（4）双曲线型侵入式水口使用后，冲击深度减小，夹杂物的穿透深度减少，更加有利于夹杂物的上浮；高温区随着冲击深度减小后上移后，对于坯壳凝固速度提升有利，可有效增加坯壳在结晶器下口的厚度；

（5）双曲线型侵入式水口使用后，钢液流下时较直通圆柱型更加分散，中心流股减弱，钢流分散进入结晶器后有利于成分均匀和温度均匀；温度均匀后有利于坯壳均匀的形成及保护渣三层结构的保持，减少了由于温度不均匀造成内外部缺陷。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明尺寸标识示意图。

图3为本发明粗加工水口效果示意图。

图4为本发明双曲线加工刀头示意图。

附图标记含义如下：1. 水口碗部；2. 水口圆柱体；3. 减速环；4. 双曲线通道；5.水口直通道；6. 水口外壁。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种方坯双曲线型浸入式水口，包括水口碗部1，水口碗部1的底部设有水口圆柱体2，水口圆柱体2包括水口外壁6以及设置在水口外壁6内的水口通道，水口通道包括与水口碗部1贯通的水口直通道5以及与水口直通道5底部连通的双曲线通道4，且在双曲线通道4的中部设有减速环3，水口碗部1、水口圆柱体2、为一体加工而成。

一种方坯双曲线型浸入式水口的制作方法，包括以下步骤：（以具体的数据为例进行说明）

步骤1）：设计出双曲线水口的总长L取565mm、水口圆柱体2的外径R₁取Ø80mm、水口碗部1的外径R₂取Ø105mm、水口直通道5的直径r₁取Ø25mm、水口碗部1的内径r₂取Ø85mm、双曲线通道4的最小通径r₃取Ø20mm，根据水口直通道5的直径r₁为Ø25mmmm、双曲线通道4的最小通径r₃取Ø20mm，选用总长L为565mm、水口圆柱体2的外径R₁为Ø80mm、水口碗部1的外径R₂取Ø105mm、水口碗部1的内径r₂取Ø85mm的长寿命水口机加工前的坯料为原料；选用水口加工钻具。

通过能量守恒定律，确定水口直通道5的直径，作为初次机加工的穿孔的直径。中包到水口碗部距离为250mm，水口碗部到水口2/3处距离为377mm，铸机最高拉速按照3.3m/min计算，经计算水口2/3处的钢水流速为3.47m/s，水口Ø=21.2mm，为了保证后续加工的减速环效果，该位置取值为20mm；（见图2）。

步骤2）：以外径为R₁为Ø80mm的直通圆柱形水口为坯料，使用r₃为Ø20mm为直径的钻具对坯料进行钻孔，完成后使用r₁=Ø25mm为直径的钻具对水口直通道5的位置进行扩孔，水口直通道5的长度为水口碗部1底部向下180mm。

步骤3）：以双曲线通道4的最小通径r₃的1/2为双曲线的a，以水口长度L=565mm的1/3为双曲线的b加工刀具坯料；可得出刀具加工的标准双曲线

，并在顶点位置连续加工三个直径为最小通径r₃/2的圆弧，圆弧的高度为最小通径的r₃/6，三个圆弧的圆点全部落在双曲线上，最终完成加工刀头（图4）。

步骤4）：使用步骤3）完成的加工刀头，对步骤2）中的完成的粗加工产品进行加工，以水口轴线、以水口圆柱体2距离水口碗部1的2h/3处即距水口碗部1的底部为360mm处为中心双向旋转车削，最终加工成双曲线水口。（如图3）双曲线水口专用加工刀头的刀柄在加工双曲线内腔上侧的圆弧时比加工双曲线内腔下侧的圆弧时的刀柄长度延长1/3L，即188mm。

步骤5）：加工完成后对于产品进行探伤及减速环3位置处的抗氧化喷涂，完成后即为成品,喷涂使用的材料为六方氮化硼。

Claims

1.一种方坯双曲线型浸入式水口的制作方法，其特征是，包括以下步骤：

步骤1）：设计出双曲线水口的总长L、水口圆柱体（2）的外径R₁、水口碗部（1）的外径R₂、水口直通道（5）的直径r₁、水口碗部（1）的内径r₂、双曲线通道（4）的最小通径r₃，根据上部水口直通道（5）的直径r₁、双曲线通道（4）的最小通径r₃，选用水口加工钻具；

步骤2）：以外径为R₁mm的直通圆柱形水口为坯料，使用r₃为直径的钻具对坯料进行钻孔，完成后使用r₁为直径的钻具对水口直通道（5）的位置进行扩孔，水口直通道（5）的长度为水口碗部（1）向下h/3；

步骤3）：以双曲线通道（4）的最小通径r₃的1/2为双曲线的a，以水口长度L的1/3为双曲线的b加工刀具坯料；并在顶点位置连续加工三个直径为最小通径r₃/2的圆弧，圆弧的高度为最小通径的r₃/6，三个圆弧的圆点全部落在双曲线上，最终完成加工刀头；

步骤4）：使用步骤（3）完成的加工刀头，对步骤（2）中的完成的粗加工产品进行加工，以水口轴线、以水口圆柱体（2）距离水口碗部（1）2h/3处为中心双向旋转车削，最终加工成双曲线水口；

步骤5）：加工完成后对于产品进行探伤及减速环（3）位置处的抗氧化喷涂，完成后即为成品。

2.根据权利要求1所述的一种方坯双曲线型浸入式水口的制作方法，其特征是：所述步骤（3）中所述的双曲线水口专用加工刀头的刀柄长度在加工双曲线内腔上侧的圆弧时比加工双曲线内腔下侧的圆弧时的刀柄长度延长1/3L。

3.一种根据权利要求2所述的制作方法制成的方坯双曲线型浸入式水口，其特征是：包括水口碗部（1），水口碗部（1）的底部设有水口圆柱体（2），水口圆柱体（2）包括水口外壁（6）以及设置在水口外壁（6）内的水口通道，水口通道包括与水口碗部（1）贯通的水口直通道（5）以及与水口直通道（5）底部连通的双曲线通道（4），且在双曲线通道（4）的中部设有减速环（3），且减速环（3）的位置处喷涂有六方氮化硼层。