CN111730033B - 一种结晶器腔形结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种结晶器腔形结构，属于金属连续铸造领域。该腔形结构由四块铜板合围成管，其中两块相向设置的铜板为宽面板，另两块相向设置的铜板为窄面板；宽面板为曲面板；沿结晶器浇铸方向，该曲面板的板面呈连续矫直曲线变化；沿结晶器水平方向，该曲面板的板面呈分段函数曲线变化。通过应用连续矫直曲线，使得结晶器在其入口处的曲率不为0，在结晶器的有限长度内，铸坯坯壳整体应变小且恒定，应变速率低，改善了铸坯质量；克服了传统薄板坯结晶器铸坯坯壳在结晶器内应变速率过大的问题，改善了铸坯表面的裂纹缺陷、减少了铸坯对结晶器铜板镀层的磨损，延长了结晶器的使用寿命。

Description

一种结晶器腔形结构

技术领域

本发明属于金属连续铸造领域，具体涉及一种结晶器腔形结构。

背景技术

薄板坯连铸连轧工艺因其具有工艺简化、生产流程短、设备少、节约能源、成材率高等优点，能够更加灵活的面对市场，成为近年来钢铁生产公司的重点投资对象。薄板坯连铸连轧技术与常规连铸技术的最主要差异在于结晶器。众所周知，为了解决结晶器与水口间隙的钢液流动等问题，故将结晶器设计成上大下小的漏斗形，但这样的设计使坯壳在结晶器内受到额外应力而容易产生裂纹缺陷，因此，结晶器的内腔形状曲线则显得格外重要，作为薄板坯连铸核心技术，结晶器的内腔形状曲线设计一直受到业内人士的格外关注。

现有薄板坯漏斗形结晶器技术中，其横向和纵向曲线包括：由多段直线连接而成、直线与圆弧连接而成、由双弧和椭圆形成或多项式曲线组合而成。约束曲线的边界条件包括：曲线端点数值、曲线一阶导数连续、曲线二阶导数连续、曲线三阶导数连续、曲线曲率恒定、曲线曲率变化率最小、曲线曲率变化率恒定等，以求解出最终的曲线方程。

申请号为201910263801.X的中国专利申请《基于缓和曲线的薄板坯漏斗形结晶器宽面铜板及制备方法》，公开了一种基于缓和曲线的漏斗形结晶器腔形曲线，在结晶器的水平方向，曲线表达为

在结晶器的浇注方向，曲线表达为

约束曲线的边界条件则为结晶器出入口的数值等。

申请号为200410015897.1的中国专利申请《一种水冷的金属连铸结晶器》，公开了一种漏斗形结晶器腔形曲线，在结晶器的水平方向，其横截面轮廓曲线的曲线部分方程表达为F(x)＝a₀+a₁x+a₂x²+a₃x³+a₄x⁴+a₅x⁵+a₆x⁶，在结晶器的浇注方向，其纵向截面轮廓曲线的曲线部分方程表达为F(z)＝b₀+b₁z+b₂z²+b₃z³+b₄z⁴+b₅z⁵，约束曲线的边界条件为曲线三阶以上倒数连续等。

《理想薄板坯连铸结晶器内腔宽面部分曲面的获得》一文中，公开了结晶器在浇注方向上采用的曲线为

约束曲线的边界条件为曲线在端点的一阶导和二阶导均为零，且曲率的变化率的最大值最小。

然而，上述曲线均有不足，在纵向方向，或结晶器入口和出口处曲线的曲率为0、或纵向曲线在很短区间内通过圆弧过渡、或无法保证铸坯在纵向应变率恒等，导致铸坯在结晶器内有限长度，一般不超过1200mm，应变速率增大，增加了连铸坯壳在结晶器内的应力应变。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于连续矫直曲线的结晶器腔形结构，以克服薄板坯坯壳在结晶器内应变速率过大的问题。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种结晶器腔形结构，该腔形结构由四块铜板合围成管，其中两块相向设置的铜板为宽面板，另两块相向设置的铜板为窄面板，宽面板的宽度大于窄面板的宽度；宽面板为曲面板；沿结晶器浇铸方向，该曲面板的板面呈连续矫直曲线变化；沿结晶器水平方向，该曲面板的板面呈分段函数曲线变化。

进一步，连续矫直曲线为：

其中：y_max—在结晶器的z高度位置，结晶器水平截面上的最大厚度的一半，单位mm；

l_m—结晶器长度，单位mm；

z—浇注方向z向的坐标值，单位mm；

单位mm；

W_b—结晶器下口厚度，单位mm；

ΔC—单位长度收缩量；

ΔW—结晶器上口最大宽度的一半，单位mm。

进一步，宽面板沿板面中心左右对称。

进一步，以宽面板的板面中心为界，其一侧的分段函数曲线为：

其中：y—在结晶器的z高度位置，x方向上某一坐标位置所对应的宽面板的厚度的一半，单位mm；

单位mm；

单位mm；

x—水平方向x向的坐标值，单位mm；

C₁、C₂、C₃均为分段函数的边界点。

本发明的有益效果在于：

本发明通过应用连续矫直曲线，使得结晶器在其入口处的曲率不为0，在结晶器的有限长度内，铸坯坯壳整体应变小且恒定，应变速率低，改善了铸坯质量；克服了传统薄板坯结晶器铸坯坯壳在结晶器内应变速率过大的问题，改善了铸坯表面的裂纹缺陷、减少了铸坯对结晶器铜板镀层的磨损，延长了结晶器的使用寿命。而在垂直于浇注方向，采用分段函数可缓解因曲面形式导致的铸坯应力集中，在一定程度上起到了减少裂纹缺陷的作用。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为结晶器腔形结构的三维视图；

图2为结晶器腔形结构的俯视图；

图3为结晶器腔形结构的右视图；

图4为矫直曲线示意图；

图5为结晶器中心厚度沿浇铸方向变化曲线；

图6为厚度变化曲线的曲率沿浇铸方向变化曲线。

附图标记：

宽面板Ⅰ—1、宽面板Ⅱ—2、窄面板Ⅰ—3、窄面板Ⅱ—4、宽面板宽度—W₁、窄面板宽度—W₂。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

请参阅图1～图3，为一种结晶器腔形结构，该腔形结构由四块铜板合围成管，其中两块相向设置的铜板为宽面板，对应记做宽面板Ⅰ1、宽面板Ⅱ2，另两块相向设置的铜板为窄面板，对应记做窄面板Ⅰ3、窄面板Ⅱ4；宽面板Ⅰ1与宽面板Ⅱ2的宽度W₁大于窄面板的宽度W₂；宽面板Ⅰ1、宽面板Ⅱ2为曲面板；沿结晶器浇铸方向，该曲面板的板面呈连续矫直曲线变化；沿结晶器水平方向，该曲面板的板面呈分段函数曲线变化。

通过应用连续矫直曲线，使得结晶器在其入口处的曲率不为0，在结晶器的有限长度内，铸坯坯壳整体应变小且恒定，应变速率低，改善了铸坯质量；克服了传统薄板坯结晶器铸坯坯壳在结晶器内应变速率过大的问题，改善了铸坯表面的裂纹缺陷、减少了铸坯对结晶器铜板镀层的磨损，延长了结晶器的使用寿命。而在垂直于浇注方向，采用分段函数可缓解因曲面形式导致的铸坯应力集中，在一定程度上起到了减少裂纹缺陷的作用。

图4为矫直曲线示意图，将半径为R₀的圆弧段AB、通过BC段的连续矫直曲线过度到直线段CD处，BC段的一般形式为

该式中，y为矫直曲线的y轴坐标，单位mm；x为矫直曲线的x轴坐标，单位mm；s为矫直曲线弧长，单位mm；以弧长s在x轴上的投影长度L代替弧长s进行简化计算，即得

以结晶器入口中心为原点建立空间直角坐标系，其中z轴即为浇铸方向，x轴与y轴所在平面即为垂直于浇铸方向的水平面。如图1所示，AA＇即为本方案所述的沿浇铸方向呈连续矫直曲线变化的曲线，通过坐标变换可得：

其中：y_t为A点的y轴坐标，单位mm；

y_t为A＇点的y轴坐标，单位mm；

l_m为结晶器长度，单位mm；

z为(浇注方向)z轴的坐标值，单位mm；

A′O′为结晶器出口(下口)厚度的一半，单位mm，该参数一般已知，用

表示；

AO为结晶器入口(上口)厚度的一半，单位mm，该参数与钢冷却过程中的自然收缩相关，收缩系数一般取固定值ΔC，收缩量从A到A＇逐步增加，一般表示为

R为连续矫直曲线起点半径，即曲线AA＇在A点的曲率半径，单位mm；

由此可知，连续矫直曲线可表示为：

该式中的y_max是不同高度位置结晶器最大厚度的一半，即在结晶器的z高度位置，结晶器水平截面上的最大厚度的一半，单位mm。

当z＝0时，

由此可以推导出矫直曲线半径R，

单位mm；其中的ΔW为结晶器上口最大宽度一半，该参数一般已知，单位mm。

优选的，宽面板沿板面中心左右对称。即参照图1、图2，宽面板Ⅰ1与宽面板Ⅱ2关于yoz所在平面左右对称。

以宽面板的板面中心为界，即以yoz所在平面为界，yoz所在平面右侧的宽面板Ⅰ1在垂直于浇注方向上，曲线呈分段函数变化。

如图2所示，该分段函数分为4个区间，分别为AB、BC、CD、DE，不同区间的y值由不同的函数所表示。

对于OB＇区间：y＝y_max，——(0)。

对于B＇C＇区间，任意y＝PP＇，根据相似三角形定理可知ΔB′KO″与ΔPP′K相似，则：

其中：KP′＝x-OB′-B′K，——(2)；

B′O″＝BO″-BB′＝r-y_max，——(3)；

联立式(4)和式(5)，可得

联立式(1)、(2)、(3)与式(6)，可得：

对于C＇D＇区间：任意y＝QQ′＝O′D′-O′D″＝r-rcosβ，——(8)；

且

联立(8)和式(9)，可得

对于D＇E＇区间：y为“结晶器出口(下口)厚度的一半”与“自然收缩量”之和，即

综合式(0)、(7)、(10)与(11)，即可将该分段函数y由以下关系式表示：

其中：y为x和z的函数，其是在结晶器的z高度位置，x方向上某一坐标位置所对应的宽面板的厚度的一半，单位mm；

r是中变变量，根据三角形相似原理，ΔO′D′N相似于ΔO″B′N，由此可知：

即

sinγ²+cosγ²＝1，——(15)；

联立式(12)至式(15)可得：

单位mm；

ΔE是中变变量，

单位mm；

x为x向的坐标值，单位mm；

C₁为分段函数的边界点，即图2中的B＇点；C₁可以为0，即表示该段直线段可以不存在；

C₂为分段函数的边界点，即图2中的C＇点；

C₃为分段函数的边界点，即图2中的D＇点；x≥C₃的直线段可以不存在。

以下通过具体实施例来验证说明：

某钢厂薄板坯结晶器，由四块铜板围合而成，两块为宽面板，两块为窄面板，其中，宽面板的板面为曲面。该结晶器出口大小为100mm×1300mm，长度l_m＝1200mm，上口最大宽度ΔW＝181.8mm，单位长度收缩量ΔC＝0.003，下口厚度W_b＝100mm。

则

则

该宽面板沿板面中心左右对称。以宽面板的板面中心为界，沿垂直于浇注方向，其右侧呈分段函数变化：其中C₁＝AB＝90mm；C₂＝AC＝270mm，C₃＝AD＝450mm；

则

则

则

通过计算得到该结晶器铜板表面曲面，其结晶器中心厚度沿着浇铸方向变化曲线如图5所示，曲率变化情况如图6所示，从图6可知，该曲率在结晶器上口为0.00016，可以大幅减小铸坯坯壳在结晶器内的应变和应变率，且在结晶器内铸坯应变恒定；下口曲率为0，与后面的导向段相切；提高了铸坯质量。

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，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.一种结晶器腔形结构，该腔形结构由四块铜板合围成管，其中两块相向设置的铜板为宽面板，另两块相向设置的铜板为窄面板，宽面板的宽度大于窄面板的宽度；其特征在于：宽面板为曲面板；沿结晶器浇铸方向，该曲面板的板面呈连续矫直曲线变化；沿结晶器水平方向，该曲面板的板面呈分段函数曲线变化；

连续矫直曲线为：

其中：y_max-在结晶器的z高度位置，结晶器水平截面上的最大厚度的一半，单位mm；

l_m-结晶器长度，单位mm；

z-浇注方向z向的坐标值，单位mm；

单位mm；

W_b-结晶器下口厚度，单位mm；

ΔC-单位长度收缩量；

ΔW-结晶器上口最大宽度的一半，单位mm。

2.根据权利要求1所述的结晶器腔形结构，其特征在于：宽面板沿板面中心左右对称。

3.根据权利要求2所述的结晶器腔形结构，其特征在于：以宽面板的板面中心为界，其一侧的分段函数曲线为：

其中：y-在结晶器的z高度位置，x方向上某一坐标位置所对应的宽面板的厚度的一半，单位mm；

单位mm；

单位mm；

x-水平方向x向的坐标值，单位mm；

C₁、C₂、C₃均为分段函数的边界点。

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