CN110548845A - 一种带振动件的连铸旋转支撑辊 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种带振动件的旋转支撑辊。它包括支撑辊辊体(1)、支撑轴(5)、轴端座(8)和基体台架(11)，其中：所述旋转支撑辊包括至少一个振动单元和弹性支撑座(9)；振动单元包括振动箱体(6)和振动件(7)；振动箱体(6)为中空结构，设置在支撑辊辊体(1)内部；振动件(7)由流体动力源驱动沿振动箱体(6)内壁做往复运动，振动件(7)经一凸起的振动头，使铸坯(18)的坯壳受力并产生垂直于铸坯表面的振动。本发明实现连铸坯的晶粒细化，有效改善铸坯质量。
Description
技术领域
本发明属于金属凝固和连续铸造技术领域，特别涉及一种带振动件的连铸旋转支撑辊。
背景技术
随着世界冶金技术的发展，现代连铸技术不断进步，可浇铸钢种不断扩大，一些高合金、高品质特殊钢已经不断在大型钢铁企业连铸生产流程中得以生产。为了解决上述问题，长期以来冶金科技工作者在该技术方面开发形成了许多专利和技术。目前大规模应用于工业化生产的主要有电磁搅拌技术和凝固末端轻压下或铸轧技术。
电磁搅拌器的应用是提高铸坯中心等轴晶率和内部质量的有效方法。但其在使用中也存在一定的缺点，一是电磁搅拌容易使铸坯产生“白亮带”或负偏析带，影响了铸坯性能的均匀性；二是电磁搅拌器穿透金属坯壳后的能量损失大，而且随着连铸坯坯壳的变厚，电磁场穿透金属壳所损失的能量也越大。因此电磁搅拌器对铸坯凝固末端位置的作用效果不如放置在结晶器位置效果明显。
由此也就开发了凝固末端轻压下技术，它是通过机械变形的方法，将未完全凝固的铸坯心部压实，以改善铸坯的心部偏析。但由于铸坯的凝固末端压下受力很大，往往会造成压下裂纹的发生。
近年来，一些新的有效改善铸坯中心的偏析、疏松和缩孔等缺陷的方法出现。例如本申请的申请人在先递交的发明专利‘一种提高连铸坯质量的方法及震动支撑辊装置’(申请号No.200410069058.8，授权公告号CN1256203C)；和‘一种连铸凝固过程中铸坯质量及改善中后期固液两相区流动性的控制装置’CN208116707U，这些文献给出了采用振动的方式给凝固坯壳施加振动力，其目的一方面是要促进坯壳内部凝固前沿树枝晶的折断，增加铸坯的中心等轴晶率；另一方面，是要在凝固的末期改善铸坯中心的偏析、疏松和缩孔等缺陷。但是，上述现有技术都只是提供了技术思路，并没有给出实现上述功能的可行的设备结构方案。
尤其是，在振动支撑辊中以怎样的结构保证其支撑功能前提下，同时实现对凝固坯壳的有效振动成为亟待解决的技术难题。
发明内容
针对上述技术问题，本发明的目的是提供一种带振动件的连铸旋转支撑辊，其内部设置有可控制的振动件，使铸坯的坯壳受力并产生垂直于铸坯表面的振动，实现连铸坯的晶粒细化，有效改善铸坯质量。
为了实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
一种带振动件的连铸旋转支撑辊，包括支撑辊辊体1、支撑轴5、轴端座8和基体台架11，与铸坯18接触的支撑辊辊体1为中空结构，其左右两侧各设有一端盖2，所述端盖2上设有轴承座3。
所述旋转支撑辊进一步包括至少一个振动单元和弹性支撑座9；所述振动单元包括振动箱体6和振动件7；所述振动箱体6为中空结构，设置在支撑辊辊体1内部；所述振动件7由流体动力源驱动沿振动箱体6内壁做往复运动，振动件7经一凸起的振动头，使铸坯18的坯壳受力并产生垂直于铸坯表面的振动。
所述振动件7中间有滑动气密面，将振动箱体6内部分隔为上下两个气密腔室；振动头朝向与铸坯18接触的振动支撑辊辊体1的部分的内壁；所述振动箱体6的左右两侧分别与一支撑轴5的内端固接，两个支撑轴5分别从支撑辊辊体1的两侧的端盖2穿出，并通过轴承4与端盖2的轴承座3配合连接；支撑轴5的外端与轴端座8固定或可转动连接；所述轴端座8通过具有导向装置的弹性支撑座9与基体台架11连接。
所述流体动力源为液体或气体，当为压缩气体时，具有以下气路结构：所述振动箱体6上分别设有上进气孔14、下进气孔15和出气配合孔20；其中，上进气孔14与上腔室连通，下进气孔15与下腔室连通；所述振动件7上分别设有内上腔出气通道21和内下腔出气通道22；所述内上腔出气通道21和内下腔出气通道22的一端分别与上腔室连通和下腔室连通，另一端与出气配合孔20相对应；所述内上腔出气通道21和内下腔出气通道22在振动件7的振动过程中分别与出气配合孔20间歇配合。
所述支撑轴5的内部分别设有第一进气通道12、第二进气通道13和外出气通道16；所述第一进气通道12和第二进气通道13的出气端分别与上进气孔14和下进气孔15连通，第一进气通道12和第二进气通道13的进气端周期性交替进气；所述外出气通道16与出气配合孔20连通。
所述出气配合孔20与上进气孔14和下进气孔15在不同侧，所述外出气通道16与第一进气通道12和第二进气通道13位于不同的支撑轴5上。
所述第一进气通道12和第二进气通道13的进气端通过换向阀17与气源连接。
所述流体动力源为液体或气体，当为压缩气体时，具有以下气路结构：所述振动箱体6的内壁上分别设置有水平的环形进气槽23和环形出气槽24，所述振动件7的左右两侧分别设置有上腔通道25和下腔通道26。
所述上腔通道25和下腔通道26在振动件7的振动过程中，分别与环形进气槽23间歇配合，交替地为上腔室和下腔室供气。
当振动件7运动至最低点时，所述上腔通道25连通上腔室和环形出气槽24，所述下腔通道26连通下腔室和环形进气槽23。
当振动件7运动至最高点时，所述上腔通道25连通上腔室和环形进气槽23，振动件7的滑动气密面将环形出气槽24露出，使得环形出气槽24与下腔室连通。
两个支撑轴5的内部分别设有第一进气通道12和外出气通道16；所述第一进气通道12与环形进气槽23连通，所述外出气通道16与环形出气槽24连通；所述第一进气通道12与气源连接。
所述弹性支撑座9的振动方向垂直于铸坯18的表面。
所述振动件7的往复运动方向与弹性支撑座9的振动方向相同。
所述振动件7的振动头伸出至振动箱体6的外侧，直接敲击与铸坯18接触的支撑辊辊体1的部分的内壁。
所述振动箱体6为封闭结构，所述振动件7的振动头直接敲击振动箱体6的内壁。
所述弹性支撑座9内设置有导向装置和弹性体10，所述弹性体10选自螺旋弹簧、碟簧、板簧19。
所述弹性体10为金属材料或非金属材料制成的有弹性的块体、丝状或板状物体。
所述振动件7的滑动气密部分的垂直于运动方向的截面形状为圆形、椭圆形、正方形、长方形中的一种或几种的组合。
所述流体动力源为气体时，气源的供气压力为0.2～10MPa。
所述振动件7的振动频率为2～5000赫兹，所述支撑辊辊体1的振动幅度为0.001～2.0mm。
所述轴承4为滚动轴承或滑动轴承。
所述支撑辊辊体1与铸坯18接触的工作面宽度L1为铸坯宽度L的30％～100％。
使用时，沿铸坯同一横截面位置上，设置一个或多个所述支撑辊振动铸坯。
使用时，所述支撑辊设置在连铸机结晶器出口的下端，和/或二冷区内，和/或铸坯18的凝固末端。
所述支撑辊辊体1的内部设置有水冷通道。
所述支撑辊辊体1的截面形状为矩形、梯形、台阶形、圆形、凸弧形、凹弧形中的一种或几种的组合。
所述支撑辊适用于方坯、矩形坯、板坯和圆坯。
所述支撑辊的直径D为80～500mm。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明将振动件布置在振动支撑辊辊体内，振动件往复运动的方向与具有导向装置的弹性支撑座的振动导向方向保持相同，都垂直于铸坯的表面。振动件敲击振动支撑辊辊体内壁会产生往复振动，并被施加到与其接触的铸坯上，使铸坯的凝固壳沿厚度方向受力并随之产生振动。该装置可以大量将初生凝固坯壳前沿的树枝晶前端折断，并成为中心等轴晶的来源；也可以对凝固后期的铸坯进行处理，以破碎粗大的中心等轴晶，细化凝固组织。由于采用压缩气体驱动，所以与传统的形核技术相比，更加节能，且便于维护。
附图说明
图1为本发明实施例1的带振动件的连铸旋转支撑辊的结构示意图；
图2为本发明实施例2的采用封闭结构的振动箱体6的结构示意图；
图3为本发明实施例3的采用板簧19的带振动件的连铸旋转支撑辊的结构示意图；
图4为本发明实施例4的无换向阀气路结构的结构示意图
图5为振动件7的一种截面形状示意图；
图6为支撑辊辊体1内具有二个或二个以上的振动箱体6和振动件7的结构示意图；
图7a为沿铸坯同一横截面位置上，设置一个可旋转的振动支撑辊的状态示意图；
图7b为沿铸坯同一横截面位置上，设置两个可旋转的振动支撑辊的状态示意图；
图7c为沿铸坯同一横截面位置上，设置四个可旋转的振动支撑辊的状态示意图；
图8a为截面形状为矩形的支撑辊辊体1的结构示意图；
图8b为截面形状为梯形的支撑辊辊体1的结构示意图。
其中的附图标记为：
1 支撑辊辊体
2 端盖
3 轴承座
4 轴承
5 支撑轴
6 振动箱体
7 振动件
8 轴端座
9 弹性支撑座
10 弹性体
11 基体台架
12 第一进气通道
13 第二进气通道
14 上进气孔
15 下进气孔
16 外出气通道
17 换向阀
18 铸坯
19 板簧
20 出气配合孔
21 内上腔出气通道
22 内下腔出气通道
23 环形进气槽
24 环形出气槽
25 上腔通道
26 下腔通道
L 铸坯宽度
L1 支撑辊与铸坯18接触的工作面宽度
D 支撑辊的直径
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行进一步说明。
实施例1—振动件经振动箱体敲击支撑辊，和带换向阀的气路结构
如图1所示，一种带振动件的连铸旋转支撑辊，包括：支撑辊辊体1、辊体两侧的端盖2、轴承座3、轴承4、支撑轴5、振动箱体6、振动件7、轴端座8、具有导向装置的弹性支撑座9、弹性体10、基体台架11、第一进气通道12、第二进气通道13、上进气孔14、下进气孔15、出气配合孔20、内上腔出气通道21、内下腔出气通道22、外出气通道16和换向阀17。在结构上，支撑辊辊体1与辊体两侧的端盖2采用螺栓和销钉等方式连接，以便于拆卸和维护。支撑轴5与振动箱体6可以采用螺栓和销钉等方式连接，也可以焊接为一体，以提高结构强度。
所述振动件7中间有滑动气密面，将振动箱体6内部分隔为上下两个气密腔室；所述振动箱体6上分别设有上进气孔14、下进气孔15和出气配合孔20；其中，上进气孔14与上腔室连通，下进气孔15与下腔室连通；所述振动件7上分别设有与上腔室连通的内上腔出气通道21和与下腔室连通的内下腔出气通道22；所述内上腔出气通道21和内下腔出气通道22在振动件7的振动过程中分别与出气配合孔20间歇配合；所述支撑轴5的内部分别设有第一进气通道12、第二进气通道13和外出气通道16；所述第一进气通道12和第二进气通道13的出气端分别与上进气孔14和下进气孔15连通，第一进气通道12和第二进气通道13的进气端周期性交替进气；所述外出气通道16与出气配合孔20连通。
在使用时，支撑辊辊体1与铸坯18接触，并随着铸坯18的运动进行旋转；压缩气体通过换向阀17分别交替经第一进气通道12和上进气孔14，以及第二进气通道13和下进气孔15进入振动箱体6，进而推动振动件7做往复性的周期振动，并使振动件7凸起的头部敲击支撑辊辊体1的内壁。支撑轴5不转动，支撑轴5的一端固接在振动箱体6上，另一端通过轴端座8与具有导向装置的弹性支撑座9连接，然后固定在基体台架11上，见图1。振动件7往复运动的方向与具有导向装置的弹性支撑座9的振动导向方向是相同的，都垂直于铸坯18的表面。振动件7敲击支撑辊辊体1内壁所产生的振动被施加到与其接触的铸坯18上，使铸坯18的凝固壳沿厚度方向受力并产生振动。这种振动可以大量将初生凝固坯壳前沿的树枝晶前端折断，并成为中心凝固等轴晶的来源；也可以对凝固后期的铸坯进行处理，以破碎粗大的中心等轴晶，细化凝固组织。
图1中可见，该连铸旋转支撑辊的具有导向装置的弹性支撑座9内的弹性体10可以是螺旋弹簧、碟簧；弹性体10可以是金属材料的弹簧结构，也可以是如橡胶、塑料且不限于此的非金属材料制成的有弹性的块体、丝状或板状物体。采用弹性体的目的是为了获得一定的振动位移量。
实施例2—振动件直接敲击支撑辊，和带换向阀的气路结构
振动件7的一头可以是露出振动箱体6，并敲击到支撑辊辊体1内壁，以产生振动。也可以将振动箱体6做成封闭的，见图2，振动件7在振动箱体6内做往复周期振动，敲击振动箱体6的前后端盖产生振动力。
实施例3—连铸旋转支撑辊的弹性部件为板簧的结构
参见图3，该连铸旋转支撑辊的弹性部件，也可以是设置在支撑辊整体下方的板簧19的结构。
实施例4—取消换向阀的气路结构
为了简化气路部件，可以取消换向阀，具有以下气路结构：所述振动箱体6的内壁上分别设置有水平的环形进气槽23和环形出气槽24，所述振动件7左右两侧分别设置有上腔通道25和下腔通道26；
所述上腔通道25和下腔通道26在振动件7的振动过程中，分别与环形进气槽23间歇配合，交替地为上腔室和下腔室供气；
当振动件7运动至最低点时，所述上腔通道25连通上腔室和环形出气槽24，所述下腔通道26连通下腔室和环形进气槽23；
当振动件7运动至最高点时，所述上腔通道25连通上腔室和环形进气槽23，振动件7的滑动气密面将环形出气槽24露出，使得环形出气槽24与下腔室连通；
两个支撑轴5的内部分别设有第一进气通道12和外出气通道16；所述第一进气通道12与环形进气槽23连通，所述外出气通道16与环形出气槽24连通；所述第一进气通道12与气源连接。
在垂直于振动件7运动方向的截面上，振动件7的截面形状可以是圆形、正方形、长方形(图中未示)，以及不限于此的其它形状及其组合，如图5所示为长方形与圆弧的组合形状。
设置在支撑辊辊体1内的振动箱体6和振动件7可以是一个，见图1，也可以是二个或二个以上，见图6。
驱动振动件7往复运动的气源的供气压力为0.2～10MPa。振动件7在振动箱体6内做往复振动的频率为2～5000赫兹，可旋转的振动支撑辊的振动幅度为0.001～2.0mm。
使振动件7产生往复振动的方法可以采用换向阀17的设计方法，也可以采用其它气路设计方法。
设置在两侧的端盖2与支撑轴5之间的轴承4，可以是滚动轴承，也可以是滑动轴承，也可以其它的滑动中间体。
振动件7往复运动的方向可以是与具有导向装置的弹性支撑座9的振动导向方向是相同的，都垂直于铸坯的表面；也可以是振动件7往复运动的方向与具有导向装置的弹性支撑座9的振动导向方向不相同。
也可以将轴端座8改为旋转轴承座，并使支撑轴5可以转动。
支撑辊与铸坯接触的工作面宽度L1为60～1500mm，它可以比铸坯的宽度L小，也可以比铸坯的宽度L大。
使用时，沿铸坯同一截面位置上，可以只用一个可旋转的振动支撑辊振动铸坯，见图7a，也可以使用多个可旋转的振动支撑辊振动铸坯，见图7b和图7c。
支撑辊辊体1的截面形状可以是矩形的，见图8a，也可以是梯形的(见图8b)、台阶形、圆形、凸弧形、凹弧形中的一种或几种的组合，或不限于此的其它形状。
支撑辊可以放置在连铸机结晶器出口的下端，也可以放置在二冷区内或铸坯的凝固末端。
为了提高支撑辊辊体1的使用寿命，可以在支撑辊辊体1的内部设置水冷通道。
驱动该支撑辊振动的动力源可以是气体，也可以是液体。
支撑辊适用于方坯、矩形坯、板坯、圆坯以及其它形状的铸坯。支撑辊的直径D为80～500mm。
Claims (22)
1.一种带振动件的连铸旋转支撑辊，包括支撑辊辊体(1)、支撑轴(5)、轴端座(8)和基体台架(11)，与铸坯(18)接触的支撑辊辊体(1)为中空结构，其左右两侧各设有一端盖(2)，所述端盖(2)上设有轴承座(3)，其特征在于：
所述旋转支撑辊进一步包括至少一个振动单元和弹性支撑座(9)；所述振动单元包括振动箱体(6)和振动件(7)；所述振动箱体(6)为中空结构，设置在支撑辊辊体(1)内部；所述振动件(7)由流体动力源驱动沿振动箱体(6)内壁做往复运动，振动件(7)经一凸起的振动头，使铸坯(18)的坯壳受力并产生垂直于铸坯表面的振动；
所述振动件(7)中间有滑动气密面，将振动箱体(6)内部分隔为上下两个气密腔室；振动头朝向与铸坯(18)接触的振动支撑辊辊体(1)的部分的内壁；所述振动箱体(6)的左右两侧分别与一支撑轴(5)的内端固接，两个支撑轴(5)分别从支撑辊辊体(1)的两侧的端盖(2)穿出，并通过轴承(4)与端盖(2)的轴承座(3)配合连接；支撑轴(5)的外端与轴端座(8)固定或可转动连接；所述轴端座(8)通过具有导向装置的弹性支撑座(9)与基体台架(11)连接。
2.根据权利要求1所述的支撑辊，其特征在于：所述流体动力源为液体或气体，当为压缩气体时，具有以下气路结构：所述振动箱体(6)上分别设有上进气孔(14)、下进气孔(15)和出气配合孔(20)；其中，上进气孔(14)与上腔室连通，下进气孔(15)与下腔室连通；所述振动件(7)上分别设有内上腔出气通道(21)和内下腔出气通道(22)；所述内上腔出气通道(21)和内下腔出气通道(22)的一端分别与上腔室连通和下腔室连通，另一端与出气配合孔(20)相对应；所述内上腔出气通道(21)和内下腔出气通道(22)在振动件(7)的振动过程中分别与出气配合孔(20)间歇配合；
所述支撑轴(5)的内部分别设有第一进气通道(12)、第二进气通道(13)和外出气通道(16)；所述第一进气通道(12)和第二进气通道(13)的出气端分别与上进气孔(14)和下进气孔(15)连通，第一进气通道(12)和第二进气通道(13)的进气端周期性交替进气；所述外出气通道(16)与出气配合孔(20)连通。
3.根据权利要求2所述的支撑辊，其特征在于：所述出气配合孔(20)与上进气孔(14)和下进气孔(15)在不同侧，所述外出气通道(16)与第一进气通道(12)和第二进气通道(13)位于不同的支撑轴(5)上。
4.根据权利要求2所述的支撑辊，其特征在于：所述第一进气通道(12)和第二进气通道(13)的进气端通过换向阀(17)与气源连接。
5.根据权利要求1所述的支撑辊，其特征在于：所述流体动力源为液体或气体，当为压缩气体时，具有以下气路结构：所述振动箱体(6)的内壁上分别设置有水平的环形进气槽(23)和环形出气槽(24)，所述振动件(7)的左右两侧分别设置有上腔通道(25)和下腔通道(26)；
所述上腔通道(25)和下腔通道(26)在振动件(7)的振动过程中，分别与环形进气槽(23)间歇配合，交替地为上腔室和下腔室供气；
当振动件(7)运动至最低点时，所述上腔通道(25)连通上腔室和环形出气槽(24)，所述下腔通道(26)连通下腔室和环形进气槽(23)；
当振动件(7)运动至最高点时，所述上腔通道(25)连通上腔室和环形进气槽(23)，振动件(7)的滑动气密面将环形出气槽(24)露出，使得环形出气槽(24)与下腔室连通；
两个支撑轴(5)的内部分别设有第一进气通道(12)和外出气通道(16)；所述第一进气通道(12)与环形进气槽(23)连通，所述外出气通道(16)与环形出气槽(24)连通；所述第一进气通道(12)与气源连接。
6.根据权利要求1所述的支撑辊，其特征在于：所述弹性支撑座(9)的振动方向垂直于铸坯(18)的表面。
7.根据权利要求1所述的支撑辊，其特征在于：所述振动件(7)的往复运动方向与弹性支撑座(9)的振动方向相同。
8.根据权利要求1所述的支撑辊，其特征在于：所述振动件(7)的振动头伸出至振动箱体(6)的外侧，直接敲击与铸坯(18)接触的支撑辊辊体(1)的部分的内壁。
9.根据权利要求1所述的支撑辊，其特征在于：所述振动箱体(6)为封闭结构，所述振动件(7)的振动头直接敲击振动箱体(6)的内壁。
10.根据权利要求1所述的支撑辊，其特征在于：所述弹性支撑座(9)内设置有导向装置和弹性体(10)，所述弹性体(10)选自螺旋弹簧、碟簧、板簧(19)。
11.根据权利要求9所述的支撑辊，其特征在于：所述弹性体(10)为金属材料或非金属材料制成的有弹性的块体、丝状或板状物体。
12.根据权利要求1所述的支撑辊，其特征在于：所述振动件(7)的滑动气密部分的垂直于运动方向的截面形状为圆形、椭圆形、正方形、长方形中的一种或几种的组合。
13.根据权利要求1所述的支撑辊，其特征在于：所述流体动力源为气体时，气源的供气压力为0.2～10MPa。
14.根据权利要求1所述的支撑辊，其特征在于：所述振动件(7)的振动频率为2～5000赫兹，所述支撑辊辊体(1)的振动幅度为0.001～2.0mm。
15.根据权利要求1所述的支撑辊，其特征在于：所述轴承(4)为滚动轴承或滑动轴承。
16.根据权利要求1所述的支撑辊，其特征在于：所述支撑辊辊体(1)与铸坯(18)接触的工作面宽度L1为铸坯宽度L的30％～100％。
17.根据权利要求1所述的支撑辊，其特征在于：使用时，沿铸坯同一横截面位置上，设置一个或多个所述支撑辊振动铸坯。
18.根据权利要求1所述的支撑辊，其特征在于：使用时，所述支撑辊设置在连铸机结晶器出口的下端，和/或二冷区内，和/或铸坯(18)的凝固末端。
19.根据权利要求1所述的支撑辊，其特征在于：所述支撑辊辊体(1)的内部设置有水冷通道。
20.根据权利要求1所述的支撑辊，其特征在于：所述支撑辊辊体(1)的截面形状为矩形、梯形、台阶形、圆形、凸弧形、凹弧形中的一种或几种的组合。
21.根据权利要求1所述的支撑辊，其特征在于：所述支撑辊适用于方坯、矩形坯、板坯和圆坯。
22.根据权利要求1所述的支撑辊，其特征在于：所述支撑辊的直径D为80～500mm。
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