CN114364471B - 用于连续浇铸金属产品的结晶器以及相应的浇铸方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于连续高速浇铸金属产品(P)的结晶器，该结晶器具有由壁体(14)界定的浇铸腔(13)，壁体(14)对应于边缘(15)彼此连接，并且该结晶器设有冷却装置(16)。

Description

用于连续浇铸金属产品的结晶器以及相应的浇铸方法

技术领域

本发明涉及一种结晶器，用于高速连续浇铸金属产品，例如坯料或类似。

具体地，根据本发明的结晶器能够以远高于已知结晶器的浇铸速度来浇铸坯料，从而提高生产率、保持产品的高质量并且无需结晶器下游的容纳设备。

根据本发明的结晶器特别适用于使用无间断(endless)模式的浇铸和轧制工艺，即，在浇铸和轧制之间无间断。

应当理解，如上所述的结晶器还可以用于其他浇铸和轧制模式，例如坯料到坯料或半无间断(semi-endless)。

背景技术

众所周知，在连续浇铸设备中，浇铸机的核心由结晶器组成，液态金属被引入结晶器中以逐渐凝固，形成固态外壳。

结晶器被管状本体或模具界定，该管状本体或模具由铜或铜合金制成，通过强制循环冷却流体对其进行冷却，该冷却流体通过其与接触冷却流体的结晶器壁体之间的热交换间接地从液态金属中移除热量。该结晶器实施的冷却称为初级冷却。

通过这种热交换，液态金属开始在外部凝固，导致表面皮层的形成，随着产品逐渐接近结晶器出口时，该皮层会变厚。表面皮层的厚度受浇铸速度的影响，而浇铸速度决定金属在结晶器中停留的时间。

在结晶器的出口处，凝固的外壳仍然在其内部包含一些液态金属，沿着浇铸线逐渐继续凝固。

由于浇铸型材的尺寸和浇铸速度增加，因此随着皮层厚度的减小，通常需要在结晶器下游，沿着浇铸机的弯曲段提供一定数量的辊式容纳扇区；轧辊大致围绕浇铸产品的整个分段设置。容纳扇区被配置成防止坯料壁向外膨胀或鼓胀，或所谓的“鼓胀(bulging)”，这是由于结晶器中的液态金属压头施加的铁水静压力所致。这种鼓胀现象主要发生在至少一侧尺寸大于150毫米、浇铸速度大于4.5-5.0米/分钟的正方形或矩形截面的铸坯的情况中。膨胀或鼓胀可能导致裂缝的形成，如果裂缝延伸到外表面，会导致皮层破裂，从而导致液态金属泄漏(漏钢)，从而导致生产中断、污染和设备损坏，以及对工人的潜在危险。如上所述，为了防止这种情况发生，现有技术提出使用组织成扇形是多个容纳轧辊，在外缘包围结晶器下游的正方形或矩形坯料的所有侧边。

容纳轧辊相对于坯料外表面的位置必须进行仔细调整，以便恰当地容置型材的侧边。

由于沿浇铸线进行冷却，必须至少考虑材料的尺寸收缩来调整容纳轧辊的位置，并且需要不过度辊压产品以免使其变形，并且由此避免阻碍其沿着浇铸线行进。事实上，如果出于某种原因，皮层与容纳扇区之间的接触不能以最佳方式进行，则存在皮层可能被挤压或撕裂的确实可能，从而导致潜在的漏钢。

每次发生漏钢时，或者当检测到铸件产品质量的劣化时，例如由于存在内部或表面裂缝，都需要调整容纳轧辊的对齐(alignment)的操作。对齐操作是复杂的，通过专门的操作人员手动停机执行，需要几个小时的工作，从而影响运行维护成本。

再者，容纳扇区的维护需要仓库中有足够的备件，以及相关的管理成本，并且如果发生多次时间上彼此接近的漏钢，则对浇铸机的运行形成制约。

在结晶器的下游，例如在容纳轧辊之间的间隙中，提供设备来冷却坯料，例如输送冷却液的喷嘴，其用于逐步使外壳内的液态金属凝固，直到达到坯料的完全凝固为止。这种冷却称为次级冷却。

在连续浇铸厂中，众所周知的是存在高浇铸速度的需求，以提高浇铸厂的整体生产能力。

众所周知的还有，达到高浇铸速度与多种技术和科技参数的优化相关，因此液态金属部分是在结晶器中凝固。

以上参数主要涉及：

-结晶器的几何和尺寸特性，

-结晶器的刚性，

-结晶器的主要冷却模式，预定时间长度内移除热量的能力的主要决定因素，

-结晶器内壁的润滑方式。

众所周知，在现有技术中，尺寸相对较小的正方形截面坯料，即边长包含在100毫米与150毫米之间，通常能够达到4.5-6.5米/分钟的浇铸速度，而无需在结晶器的下游容置。该速度可以相对于上述值显著地得以提高，同时仍然保证产品质量和工艺的稳定性，前提是采用足够长度的容置设备。事实上，在高浇铸速度下，离开结晶器的皮层更薄且更热，并且在铁水静压力的作用下更趋于“鼓胀”，正如上文描述。

对于更大的正方形截面，例如边长超过170毫米，当浇铸速度更低(例如4.0-4.5米/分钟)时存在容置需求。

正方形截面坯料在平坦壁体的中心面和边缘之间的表面温度也是不均匀的；这种不均匀性存在于结晶器的内部和外部，导致浇铸步骤和/或下游的后续轧制过程中出现缺陷，正如下文解释的。

在正方形截面结晶器中，对于弯月面下方的某个部分，在形成的皮层和结晶器的内壁之间可能会出现不受控制的接触状态，其中沿坯料的周边发生不均匀的热交换，这导致正在凝固的皮层厚度的不同。

具体地，正在形成的坯料的每个边缘承受的冷却效果更强烈，因为它在与同一边缘相邻的两侧同时承受冷却效果。因此，与边缘相对应，皮层比在平坦区域中形成得更快，并且边缘中凝固材料更快收缩，但这决定了皮层与结晶器的脱离，从而减少了热交换。

由此越接近边缘，越是接触不良，并且因此可以除热的能力下降，因此液态金属难以凝固。这导致边缘附近的皮层部变薄。

仅举例来说，对于小规格方坯，即边长为100-150毫米，以4.5-6.5米/分钟的速度浇铸，可以估算出结晶器出口处，对应于中心面，皮层厚度为大约11毫米-13毫米，而在边缘附近，皮层厚度则为大约5毫米-7毫米。

在结晶器出口处，由于坯料表面与结晶器壁体之间没有接触，铁水静压力导致坯料侧面向外凸出。由于上面解释的原因，侧面鼓胀所导致的变形集中在皮层已经变薄的边缘附近的区域，并决定了牵引力作用于皮层内部的牵引力，即作用于在边缘附近的凝固前沿，从而触发浇铸方向上的内部裂纹。

这些裂缝，也称为“偏角裂缝”，导致坯料的质量下降，可能导致铸件的变形，例如凸显为菱形，并且在极端情况下，可能到达外表面，导致皮层破裂并造成液态金属的溢出。

在结晶器的出口处提供的次级冷却进一步加重菱形。菱形效果也影响浇铸下游，例如，在轧辊台上，导致阻塞。

再者，随着浇铸速度的增加，这些问题出现的频率增加，这限制了最大可实现的速度并因此限制浇铸机的生产率。

上面描述的现象发生在具有四边(四角形)截面的坯料中，因为这些截面具有90度角部的扁平壁体；而且，当壁体之间的连接半径特别低时，这些现象加重，例如对于这种半径为4-6毫米的小坯料。

正如所述的，在结晶器外侧，坯料沿整个浇铸曲线进行次级冷却，以将从结晶器出来仍具有液体内芯的产品完全凝固。在次级冷却之后，边缘比中心面温度更低，因为它们在边缘的两侧同时接收冷却，并且这可以导致后续轧制步骤中边缘区域中发生缺陷和/或裂缝。

上文参考正方形截面管状结晶器描述的所有问题，到目前为止，仍大大地限制可实现的浇铸速度。

众所周知，与正方形截面产品相比，圆形截面坯料的生成能够减少或免除沿着浇铸线的容置扇区，因此圆形产品更能够自行支撑并且耐受已凝固皮层容纳的液态金属的铁水静压力。

众所周知的还有，圆形产品的浇铸使得浇铸产品横截面的冷却均匀性较高，因为不存在边缘，因此本身是高质量的浇铸产品。

然而，另一方面，由于结晶器的内部锥度，尽管经过研究和优化，圆形产品仍无法达到高浇铸速度，在所有工艺条件下无法实现与浇铸产品完美而恒定的接触，因此在收缩过程中，凝固的皮层倾向于与结晶器壁体自行脱离，降低了热交换的均匀性。

通常，与边长100-150毫米的正方形截面相当的圆形截面是以非常低的浇铸速度浇铸，包括在3至4米/分钟之间。

生产多边形截面的金属材料已公开于如文件JP-A-06.134.550中，其涉及一种坯料连续浇铸的设备，更具体地，涉及具有多边形截面的模具和在模具下方包括多组压力轧辊的支撑设备。

还公开以本申请人名义的申请WO-A-2018/229808，其描述一种连续浇铸方法，其中使用多边形结晶器，并且优化浇铸参数以获得某个生产率而不需要使用扇区以将浇铸金属产品容置在结晶器本身下游。

因此，本发明提出针对上述问题的解决方案，能够达到远高于当前已知的解决方案的浇铸速度，具体地，不仅用于在无间断模式下共轧工艺，因此提高钢厂的生产率。

本发明的目的实际上是要达到高于至少6米/分钟的浇铸速度，最高达到15米/分钟，而无需在结晶器下游以及沿着浇铸曲线使用任何容置设备。

另一个目的是将生产率提高到超过50吨/小时，最高达到150吨/小时。

本发明的另一个目的是获得具有最优表面和内部质量的浇铸产品。

本发明的目的实际上是在确保避免导致皮层破裂的鼓胀现象的前提下生产钢材产品，从而无需在结晶器下游容置坯料的设备。

再者，本发明还旨在消除边缘区域中发生内部裂缝(所谓的“偏角裂缝”)，以及使管状结晶器的整个周边上凝固均匀，从而消除浇铸产品中出现菱形。

本发明的另一个目的是还通过大幅减少维护干预措施来降低投资成本(CAPEX)和运营成本(OPEX)。

本发明的另一个目的是提供一种用于连续浇铸的结晶器，其适用于插入浇铸和轧制设备中，其中相应工序直接衔接并且进行而没有材料流动的中断，即所谓的无间断模式。

申请人已经设计、测试和实施了本发明以克服现有技术的缺点并获得这些和其他目的和优点。

发明内容

本发明在独立权利要求中进行阐述和表征。从属权利要求描述本发明的其他特征或主要发明理念的变体。

本发明的实施例涉及一种结晶器，其具有用于连续高速浇铸钢材产品的特定几何形状、尺寸设置和技术特征，特别为具有小截面的坯料。

根据实施例，一种结晶器设置有八边形横截面并且如已公开的容置在模具中。

下文描述和权利要求中，对于术语“八边形(octagonal)”，仅表示结晶器的截面包括八个边，包括正八边形，即具有相等的边和内角，以及不规则的八角形，其中一些或所有的边和/或角彼此不等。

申请人已测试过，通过浇铸具有八边形截面的产品，能够达到比已知解决方案更高的浇铸速度，例如6米/分钟，最高达到15米/分钟，同时能够提高产品的固体结构的自行支撑能力，即使是对于非常薄的皮层厚度。

由于这种自行支撑能力，能够完全免去结晶器下游的容置设备。事实上，本发明的一个特征是能够以上述包含在6与15米/分钟之间的速度浇铸具有八边形截面的坯料，而不需提供针对轧辊类型的容置扇区。

由于其几何特性，横截面的八边形形状优化了正方形形截面和圆形截面之间的折衷，抑制了它们各自和相对的缺点并最大化它们各自的优势，使离开结晶器的金属产品具有出色的结构刚性，显著地限制了壁体的变形。

根据一些实施例，该结晶器设有高效率的初级冷却设备，以在结晶器内壁与产品的皮层之间实现高热交换，与弯月面相对应的热流量值大于6MW/平方米，以及最高达到14MW/平方米，并且平均值包含在3MW/平方米与5.5MW/平方米之间。

由于皮层的厚度与减去的热量成比例，因此热交换越大，浇铸速度越大。其他条件相等的情况下，根据本发明的结晶器因此能够增加浇铸速度，由此提高了钢厂的生产率。

冷却设备可以根据不同的构建形式来实现。

根据一种可能的变体，冷却设备包括位于结晶器外侧的夹套，冷却流体在该夹套中循环。

根据另一种可能的解决方案，该冷却设备包括在侧壁厚度中形成的多个纵向通道，这些纵向通道大致平行于结晶器的纵向延伸的方向上延伸。

根据另一变体，该结晶器在其外表面上设有向外且平行于该结晶器的纵向延伸的多个凹槽，这些凹槽被纤维带封闭，例如以聚合树脂浸渍的碳纤维带，以界定冷却通道。

直接在结晶器铜质部件的厚度中形成冷却通道的解决方案，结合由纤维带制成的封闭元件，是特别有利的，因为一方面能够使得冷却液非常靠近要冷却的钢材，另一方面保证了结晶器的高结构刚性。

为了补偿由冷却引起的钢材半成品截面收窄，该结晶器设有单一类型的内部锥度，或者有利地，复式类型或抛物线类型的内部锥度，以确保半成品与结晶器壁体的持续接触。

如果是单一类型的，该结晶器的内部锥度的值包含在0.8％/米与1.5％/米之间。

如果是复式类型或抛物线类型的，则该结晶器的内部锥度的值在弯月面区域包含在2与4％/米之间，在结晶器下部包含在0.2与1.0％/米之间，平均值包含在0.8与1.5％/米之间。

根据本发明，该结晶器具有八边形横截面的腔体，两个相对的壁体之间的距离包含在110毫米与220毫米之间，有利地包含在110毫米与200毫米之间，甚至更有利地包含在120毫米和180毫米之间。

根据本发明的八边形结晶器还具有沿浇铸线确定的长度，该长度可以包含在500毫米与1500毫米之间，优选为包含在600毫米与1200毫米之间并且甚至更优选为包含在780毫米和1100毫米之间。

因此可以看到，与常规使用的结晶器的平均值相比，具有更大的长度，这样能够增加结晶器壁体与钢材之间的接触时间，并且因此能够形成适于该浇铸速度和使用锥度的结晶器出口处的皮层厚度。

申请人已经试验过，为了以高速浇铸并获得良好的产品质量(也适于已轧产品)，有利地使用粉末作为润滑系统并通过浸入式卸料器将液态金属从浇铸盘排放到结晶器。

根据可能的实施例，模具可包括与之集成且设置在结晶器出口端的多个脚辊。

这些脚辊引导浇铸产品的出口，并具有保持铸件在结晶器内居中的功能，使浇铸产品的壁体与结晶器的相应内表面完全接触，从而使所有面上的热交换都是均匀的。

在本发明的可能实施方式中，脚辊连接到模具并且可与模具一体地移动。

鉴于上述方案，因此能够保持浇铸产品的高质量特性，并保持从6米/分钟到15米/分钟的高浇铸速度，从而获得包含在大约50吨/小时到大约150吨/小时之间的高钢厂生产率。

附图说明

通过参考附图的非限制性示例，根据下文对一些实施例的描述，将显见到本发明的这些和其他特征，其中：

图1是可以使用根据本发明的结晶器的连续浇铸设备的示意性横向视图；

图2是沿图1中截面线II-II的剖视图；

图3是图2的变体。

图4是图2的另一个变体；

图5a-5d示意性地示出根据本发明的结晶器的可能横截面形状；

图6是八边形一侧的变形挠度趋势的示意曲线图；

图7是浇铸线的示意图示；

图8是本发明的可能应用的示意图示；

图9a、9b和9c示出将使用正方形截面的结晶器的浇铸与使用等边八边形截面的结晶器的浇铸进行比较的表和两个对应曲线。

为了便于理解，在可能的情况下可能使用相同的附图标记来标识附图中相同的共有元件。应当理解，一个实施例的元件和特征可以方便地并入到其他实施例中而无需进一步阐述。

具体实施方式

现在将详细参考本发明的多种实施例，其一个或多个示例在附图中进行了示出。通过本发明的说明提供每个示例，并且这些示例不应被理解为其限制。例如，作为其一个实施例的一部分示出或描述的特征能够被其他实施例采用或与之关联，以产生另一个实施例。应当理解，本发明应包括所有这些修改和变体。

在描述这些实施例之前，还必须阐明本说明书并不局限于应用于使用附图描述的组件的构造和配置的细节。本文描述能够提供其他实施例并且能够以多种其他方式获得或执行。还必须阐明本文使用的短语和术语仅用于描述的目的，并且不能被视为限制。

本发明的实施例涉及一种由附图标记12表示的用于连续浇铸的管型结晶器，且被配置成将引入其内部的液态金属凝固并在出口处产生浇铸产品P。

根据图1，图示了一种连续浇铸设备，整体以附图标记10表示，其中结晶器12以公知的方式与模具11关联且界定浇铸线Z，正在凝固工序中的产品P沿着浇铸线Z运送。

结晶器12具有沿浇铸线Z确定的结晶器长度LM。该结晶器长度LM可以包含在500毫米和1500毫米之间，优选地包含在600毫米与1200毫米之间，更优选包含在780毫米和1100毫米之间。

结晶器12(图2和后续附图)具有浇铸腔13，其具有大致八边形横截面，由八个壁体14界定，八个壁体4彼此连接对应于多个边缘15。

因此，浇铸腔13的横截面将界定结晶器12出口处的浇铸产品P的横截面的形状。由于这个原因，具体与冷却均匀性相关的原因，尽管不是严格要求，优选的是该八边形的形状相对于彼此正交的两个轴是对称的。

具体地，这两个轴分别界定截面的左右对称性和内弧外弧对称性。

图5a-5d示出结晶器12的浇铸腔13的八边形截面的可能实施例。

根据可能的实施例，该结晶器的截面可以是具有正八边形，其边(即壁体)的长度W全部彼此相等以及这些边的夹角(α)也彼此相等且等于135度(图5a)。

根据其他可能的实施例，提出这些边可以具有不同的长度，其中结晶器的最长侧(W_L)和最短边(W_S)之间的长度差可以从5％到20％不等，优选为从5％到10％。

在这些实施例中，该结晶器的截面因此可以具有彼此相对的较短长度W_S的6个边和彼此相对的较长长度W_L的2个边，其中邻边夹角(α)是全部彼此相等为135度，从而使该截面相对于相应轴对称，如图5b中的示例所示。

根据其他可能的变体，其可能示例如图5c所示，该结晶器的截面可以具有全部相等长度(W)的边且设置成形成不同宽度的角(α₁和α₂)，其中如上所述的对角彼此相等为包含在约125度与约145度之间的值，优选为包含在约130度与140度之间的值。

图5d示出图5c中所示的截面的变体，其中该结晶器的截面旋转90°，因此浇铸产品P将具有与图5c中的截面产生的浇铸产品P不同的内弧和外弧边。

边缘15有利地与连接半径连接，连接半径包含在5毫米与25毫米之间，优选为包含在10毫米与15毫米之间。这些连接半径界定热交换远大于壁体的中值的区域。这种交换倾向于使经由液态金属接触在结晶器壁体上形成的固态皮层脱离，并且由此导致恰当的热交换不足，由此导致皮层厚度的局部减少和形成纵向裂缝的风险，还可能导致皮层破损且液态金属泄漏(漏钢)。

另一方面，连接结晶器的壁体的选择，获得浇铸坯料的对应截面形状，有利于后续轧制操作，其中更圆的角部减少或防止了折叠的现象。另一方面，较高的连接半径值对纵向裂缝的形成更敏感，可以通过小心地选择作为截面和锥度的函数的连接半径来进行防止，从而保持皮层与结晶器壁体之间充分接触，以便即使在拐角区中也实现均匀分布的热交换。

根据可能的实施例(图2)，壁体14可以是彼此分开且通过连接装置(例如螺纹连接)与边缘15连接的离散元件。

根据可能的变体(图3和4)，壁体14可以一体式形成或连接在一体中以界定单一本体。

结晶器12的壁体14可以具有相同的厚度，以确保浇铸产品P的冷却均匀，并且有利地具有减小的包含在12至30毫米之间的厚度，以确保结晶器的足够刚性。

结晶器12设置有冷却设备16，也称为初级冷却设备，其配置成使与壁体14接触的液态金属冷却。有利地，这种初级冷却设备是高效率设备，以实现高热交换。

根据一种可能的变体(图2)，冷却设备16包括使结晶器12插入其中的外部夹套29。在外部夹套29和结晶器12之间界定中空空间30，该中空空间在外部包围整个结晶器12并且在使用期间，冷却流体在其中循环。

根据本发明的可能解决方案，冷却设备16(图3和图4)包括与结晶器12相关联且冷却流体在其中循环的冷却通道17。

具体地，根据一个可能的变体(图3)，结晶器12可以在壁体14的厚度中设有多个冷却通道17，这些冷却通道沿着大致平行于结晶器的纵向延伸的方向延伸。

根据另一个变体(图4)，结晶器12在其外表面上设有多个凹槽19，这些凹槽朝向外部开口且平行于结晶器12本身的纵向延伸方向。

根据一种可能的解决方案(图4)，在外表面上涂敷涂层18，以便相对于外部闭合凹槽19并且界定冷却通道17。涂层18可以用纤维带(例如碳的纤维带)制成，围绕浇铸线Z的轴包绕并以聚合物树脂浸渍。

根据其他解决方案，可以根据以本申请人名义的WO-A-2014/207729中描述的实施例的一个和/或另一个实施例来闭合凹槽19以界定冷却通道17。

有利地，对于所有这些变体，为了最大化热交换，均是将冷却流体与结晶器和液态金属直接接触的内壁之间的距离减少到最小。该距离是沿着与结晶器的轴线垂直的方向上测量的，并且具有包含在8毫米与10毫米之间的值。根据一种可能的解决方案，冷却装置16可以包括未在附图中示出的进给和排空构件，并且被配置成使冷却流体沿冷却通道17循环。

根据本发明，在对应于结晶器12的上方区域的区段中，对应于弯月面的附近，冷却流体的压力包含在6至20巴之间，而在结晶器的下方区域中，大致对应于结晶器的端部，冷却流体的压力包含在2至10巴之间。

在其内部，结晶器具有大致圆锥形延伸，从弯月面区域到结晶器的出口区向下逐渐变窄，以便顺应坯料沿着结晶器逐渐冷却而逐渐收缩，由此界定相对于结晶器的纵向轴线的内壁的斜坡。

锥度的典型测量单位以％/米表示。

众所周知，结晶器可以对应于整个高度具有一个锥度(“单”锥度)，或者它可以从入口截面到出口截面具有锥度值减小的不同沟道或区段(“多个”锥度)，其逐个区段呈阶梯变化，从而界定连续段之间的若干个点处的折线。多锥度的倍数通常是双倍、三倍、四倍。在四倍以上，通常将多锥度界定为“抛物线”锥度，因为折线具有几十个点，并且如近似于在结晶器的内壁的工作公差范围内的锥度的连续变化。

根据本发明，结晶器的内部锥度可以是单一类型的或甚至复式类型或抛物线类型的。

如果是单一类型的，则其锥度的值包含在0.8％/米与1.5％/米之间。

如果是复式类型或抛物线类型的，则其锥度的值在弯月面区域包含在2.0与4.0％/米之间，在结晶器下部包含在0.2与1.0％/米之间，平均值包含在0.8与1.5％/米之间。

由于结晶器的内圆锥形构造，能够将坯料与结晶器的壁体脱离限制到最小，因为坯料的收缩通过中心腔的截面收窄而得以补偿。

与具有相等截面(面积)的正方形坯料相比，具有八边形截面的坯料的优点在于横截面的外表面上的温度更高且平均分布更均匀，尤其相对于边缘的区域而言。与相当的正方形截面相比，边缘和中心面之间的温度差非常低，约为8-15℃，而正方形截面的情况中该温度差为40-65℃。再者，八边形截面的内部区域(或内芯)平均上比正方形截面更热，因此它具有更有利的焓平均值。

八边形坯料在轧制工序中也具有优点：实际上，由于截面的边之间的钝角更加开阔，因此能够更近似于圆形截面，因此轧制步骤期间发生所说的“折叠(laps)”的风险更低，并且由此轧制产品上的缺陷较少。

另外，由于如上所述，八边形坯料的钝角具有更高的温度，因此造成轧缸通道的磨损更少。

有利地，八边形形状还使得结晶器中热交换均匀性更高，尤其是在弯月面正下方的区域中，即，在此情况下热交换最大并且与第一皮层的形成吻合。更高的均匀性转化为在产品的周边更均匀的皮层厚度，包括产品的一侧和另一侧之间以及沿同一侧的皮层厚度。

具有均匀厚度的皮层不易形成皮层下的裂缝，避免导致漏钢。

根据本发明的冷却设备构造成能够在相对较小的距离中，即，在上面界定的结晶器的长度内，交换高热流量。这些热流量大于约6MW/平方米，对应于弯月面，能够最高达到14MW/平方米，而浇铸速度包含在6米/分钟与15米/分钟之间。考虑到平均值，热流量包含在3MW/平方米和5.5MW/平方米之间。

根据可能的解决方案，根据本发明的八边形结晶器被配置成实现高生产率，还根据以本申请人名义的WO-A-2018/229808中描述的方法，即，高于50吨/小时，且最高达到约150吨/小时。

众所周知，在钢厂的熔炉中产生的液态金属从钢包中排出到下方的浇铸盘，并且从此处，液态金属持续排放到结晶器内，直到达到测定的上限水平或弯月面M为止。

浇铸工艺中的一个基本条件是尽可能在静止条件下工作，尤其是弯月面区域中。事实上，弯月面抖动造成下游常见的大多数缺陷，从裂纹到菱形形状。

再者，减小浇铸产品与结晶器内壁之间的摩擦力，是加快浇铸速度并提高产品本身的质量的另一个重要条件。

为此目的，众所周知的，将如粉末或润滑油的润滑材料分发在弯月面上，以将正在形成的皮层与结晶器内壁之间的摩擦降到最小。

与液态金属接触的润滑材料变成液体或蒸汽，并形成介于液态金属12和结晶器的内壁之间的润滑层。

众所周知，液态金属可以通过无导向自由射流或通过卸料器从浇铸盘排放到结晶器中，卸料器的出口端位于弯月面M的水平面下方(浸入式卸料器或SES)。

本申请人已经试验过，为了在静止条件下以高速浇铸并获得良好的产品质量(也适于已轧产品)，有利地使用粉末润滑剂作为结晶器中的润滑系统并通过浸入式卸料器或SES将液态金属从浇铸盘排放到结晶器。

润滑粉末能够实现弯月面上有益的绝缘效果和更均匀的分布。具体地，将这些粉末以合适的量散布在金属熔池，其中它们熔化与液态金属接触，形成表面熔渣，渗入浇铸金属和结晶器铜体之间的间隙，从而确保滑动所需的润滑。

这种粉末是碱金属和/或碱土金属的硅酸盐和/或铝硅酸盐的机械混合物，且加入选自无定形石墨、焦炭或炭黑的元素碳。

根据本发明的一方面，在模具11的下游，有利地，没有容置设备来容纳浇铸产品P朝外的变形。事实上，本申请人已经试验过，由于如上所述的结晶器12的尺寸设置和适当的设计，能够在不借助容置扇区的情况下高速浇铸八边形截面并且同时防止浇铸产品P的表皮鼓胀或更糟的漏钢现象。

通过免去现有技术的容置设备，能够免除所要求的周期性调整/对齐的操作，这些操作在时间和成本方面而言都是昂贵的。

根据本发明的可能实施方式，模具11包括多个引导辊，也称为脚辊25，设置在结晶器12的出口端并且是模具11的构成部分。

这些脚辊25引导浇铸产品P的出口，并具有保持铸件在结晶器12内居中的功能，使浇铸产品P的壁体与结晶器12的相应内表面完全接触，从而使所有面上的热交换都是均匀的。

在本发明的可能实施方式中，脚辊25连接到模具11并且可与模具一体地移动。

为此目的，脚辊25可以安装在附接到模具11的共用支撑元件26上。

根据可能的解决方案，脚辊25可以被分组为至少一组脚辊，在图1所示的情况中，分成沿浇铸线Z间隔开的两组脚辊25。在使用期间，每组脚辊25至少部分地包围浇铸产品P的横截面。

每个组的脚辊25位于与浇铸产品P的横截面平行的相同的平面上。

脚辊25直接安装在结晶器12出口的下游。

根据本发明的一个可能实施方式，模具11可包括多组四个脚辊25，包含在1和4组之间，优选为2组。

根据可能的解决方案，脚辊25安装在具有引导长度LG的浇铸线Z的纵向部分中。

引导长度LG可以包含在150毫米与800毫米之间，优选为包含在200毫米与500毫米之间。

根据可能的实施方式，浇铸速度Vc大于6米/分钟，优选为大于6.5米/分钟，并且可以最高达到15米/分钟。

具体地，对于尺寸相当于正方形截面的八边形截面，边长包含在150与200毫米之间，能够达到包含在6到8米/分钟之间的速度，同时对于包含在100和150毫米之间的边，能够达到包含在8至15米/分钟之间的速度。

浇铸速度Vc的这种设置能够实现钢厂的高生产率。

在一些实施例中，机器半径Rm，即浇铸线Z的曲率半径，可以是包含在5米至25米之间的值，优选为包含在7米至20米之间的值，甚至更优选地包含在10米至15米之间的值，甚至更优选地包含在9米与12米之间的值。

在结晶器的出口处，浇铸产品P的皮层的厚度需要使得在液态金属压头的作用下，浇铸产品的横截面的边最多变形预定的挠度“f”。

具体来说，浇铸产品P的边应合理地靠近其端部嵌入的梁，且承受均匀分布的铁水静压力的载荷，如图6所示。该梁的截面为矩形，该矩形具有短边“b”和长边“h”。后者表示梁的弯曲平面中凝固的皮层的厚度。

因此，因此挠度“f”可以通过如下关系来确定：

其中：

-“p”是作用于脚辊25出口处的浇铸产品P上的分布的载荷，并且可以通过如下关系确定：p＝ρ·g·H

其中H(图7)是作用于脚辊25出口处的浇铸产品P的皮层上的液态金属压头的高度。

H还可以被确定为H＝Rm·sin(θ)＝Rm·sin(L/Rm)

-W是正八边形的边长

-E是浇铸材料的弹性模量或杨氏模量

-“I”是由关系定义的抗性截面的表面二次力矩，其中“h”表示凝固的皮层的厚度，其也可以由经验公式/>来表示。

凝固系数K可以根据文献来确定，并且是与浇铸产品P的尺寸和类型相关并且因此与所执行的浇铸工艺相关的可变值。

根据一种可能的解决方案，八边形的每一边的允许变形挠度“f”，即允许的变形，且由于鼓胀效应，小于正八边形边长W的5％，优选地小于3％，更优选地小于1.5％。

变形挠度可以采用绝对项表示，并且在这种情况中，用“F”表示，它以毫米测量，按如下公式得到：F＝f*W。

根据本发明的另一个实施例，设备10包括至少一个引导装置27，在该具体情况中，为两个引导装置27，其被配置成沿着浇铸线Z引导浇铸产品P。

根据本发明的一个可能实施例，每个引导装置27包括至少一对引导辊28，在该具体情况中仅为一对，分别位于浇铸产品P的内弧边和外弧边上。

引导装置27安装在固定位置，并且被配置成沿着浇铸线Z引导浇铸产品P。

还提供多个冷却构件32，安装在模具11的下游，并且被配置成冷却浇铸产品P。在模具11出口处对产品执行的这种冷却称为次级冷却，并用于调节浇铸产品中仍为液态内芯的凝固过程。冷却构件32可以包括多个给送喷嘴34，其介于脚辊25与引导辊28之间，并且被配置成给送用于冷却浇铸产品P的液体，例如水或空气水的混合流体(气雾)。

喷嘴出口处的输送压力可以有利地包含在0.5与12巴之间，优选为包含在1和10巴之间，甚至更优选地包含在1.5和9.5巴之间，以确保恰当冷却，并且因此确保浇铸产品P在速度范围6至15米/分钟内恰当地凝固。

对于次级冷却的强度，必须确保合适的特定水流量，例如可量化为每公斤铸钢1.2-2.5升，优选为1.7-2.1升/公斤，而冷却密度(1分钟/每平方米)要求在浇铸机的上部更高一些，此处浇铸产品的温度更高，冷却水蒸发更强，皮层仍比较薄，由此帮助液态内芯的热传递。

通过适当地选择喷嘴的数量和它们的冷却液喷射的趋势，能够实现横截面周边的温度的均匀性。有利地，提供对浇铸产品P的前侧和后侧之间的喷嘴喷射的选择性控制，以增加后侧的喷射，以便补偿前侧上凹进区域中的不流动现象。

为了实现浇铸产品P沿着浇铸线的纵向方向上的温度均匀性，执行沿着浇铸机的总喷射和/或冷却密度分布的动态控制，以将浇铸产品P的表面温度保持基本恒定，包含在900-1200℃的范围内，优选地包含在1,000-1,100℃范围内。该温度受到多种参数的影响，例如浇铸产品的横截面尺寸、浇铸速度、液态钢的过热温度、模具中的热交换的量值和钢水的化学成分。浇铸产品P的表面温度通过合适的凝固模型计算，该模型考虑如下因素：

-钢材的化学成分；

-钢材对热梯度的敏感性(横向或纵向方向上可能的内部或表面裂缝)；

-浇铸机的几何形状特性；

-预期的浇铸速度；

-预期的冶金长度。

为此目的，次级冷却系统由不同的喷嘴区域组成，这些喷嘴区域由水和/或水-空气(在“气雾”的情况中)的扇形阀控制，在浇铸机的上部可以包括位于前侧和后侧的喷嘴，而在下部，可以区分正面和背面。这些阀门只能控制一些喷嘴，以便具有多于一个主动冷却命令。

到目前为止所描述的结晶器可以有利地安装在其中浇铸线直接对轧制线进料、例如采用无间断模式的钢厂中，从而大大地减少或甚至消除中间加热的需求，因为浇铸速度更快和浇铸产品的温度更高。

根据可能的实施方式(图8)，上文描述的结晶器还能够安装在设有用于生产钢坯的多条浇铸线的钢厂100中。

钢厂100可以包括第一轧制线101，第一轧制线直接地与第一浇铸线对接，并且被配置成以例如无间断模式轧制浇铸产品(共轧)。

该钢厂还可以包括平行于第一浇铸线的附加浇铸线，该附加浇铸线通过位于浇铸线下游的输送板102对第二轧制线103以直接热装模式的给料。

用于快速加热坯料的感应加热装置104可以直接设在第一轧制线101和/或第二轧制线103的上游。

为了突出说明使用具有上述特征的结晶器而获得的优点，图9a、图9b和9c示出比较表和比较主要浇铸参数的两个曲线图，没有容置设备，分别对应于相等截面(面积)的正方形和八边形

该结晶器的长度设定为1000毫米，有效冷却长度为880毫米。

对于相当正方形的边，考虑的是包含在100毫米与200毫米之间的长度。

可以看到，没有容置设备，在正方形的情况中需要采用慢很多的浇铸速度，由此降低了生产率。值得注意的是，与相当的正方形相比，在八边形的情况中，与不同浇铸速度相关的持续时间远远更短。如果基于上述结晶器的特征浇铸八边形坯料，则热流量也远远更大。

显然，在未背离本发明领域和范围的前提下，可以对前文描述的结晶器进行修改和/或增设部件。

再有显然，尽管本发明是参考一些具体示例来描述的，但是本领域技术人员肯定能够实现许多其他等效形式的结晶器10和方法，其具有如权利要求所阐述的特性，并因此全部涵盖在由此定义的保护领域内。

Claims (25)

1.一种用于连续浇铸金属产品的结晶器，所述结晶器被配置成以6米/分钟至15米/分钟的浇铸速度浇铸产品，所述结晶器具有浇铸腔(13)，液态金属被浇铸到所述浇铸腔(13)中，所述浇铸腔由壁体(14)界定，所述壁体(14)与边缘(15)相对应地彼此连接，并且所述结晶器设有与所述壁体(14)相关联的初级冷却装置(16)，其中，所述液态金属的上限界定弯月面(M)，其特征在于，所述浇铸腔(13)具有八边形状的横截面，且两个相对壁体之间的距离包含在110毫米与220毫米之间，并且长度“LM”包含在500毫米和1500毫米之间，并且所述浇铸腔在所述弯月面(M)区域中具有单一类型的包含在0.8％/米与1.5％/米之间的向下收敛的锥度，或复式或抛物线类型的包含在2％/米与4％/米之间的向下收敛的锥度，并且在所述结晶器的下部中包含在0.2％/米与1.0％/米之间，以及其特征在于，所述初级冷却装置(16)被配置成：对应于所述弯月面(M)产生的热流量大于6MW/平方米以及最高达到14MW/平方米，以及平均值包含在3MW/平方米与5.5MW/平方米之间，并且其特征在于，冷却流体与接触所述液态金属的结晶器的内部壁体之间的距离的值在8mm和10mm之间，所述距离是沿着与结晶器的轴线垂直的方向上测量的。

2.根据权利要求1所述的结晶器，其特征在于，所述壁体(14)的厚度包含在12毫米与30毫米之间，并且通过边缘(15)与连接半径连接，所述连接半径包含在5毫米与25毫米之间。

3.根据权利要求1或2所述的结晶器，其特征在于，所述壁体(14)具有相等的尺寸，并且所述壁体(14)之间的所有夹角的值均为135°。

4.根据权利要求1或2所述的结晶器，其特征在于，仅相对的壁体(14)具有相等的尺寸，存在较大长度(W_L)的至少一个长壁体和较短长度(WS)的至少一个短壁体，以及所述壁体(14)之间的所有夹角的值均为135°。

5.根据权利要求4所述的结晶器，其特征在于，最长壁体与最短壁体(14)之间的长度差在5％到20％之间的范围。

6.根据权利要求1或2所述的结晶器，其特征在于，所述长度“LM”包含在600毫米与1200毫米之间。

7.根据权利要求1或2所述的结晶器，其特征在于，所述边缘(15)具有连接半径，所述连接半径包含在10毫米与15毫米之间。

8.根据权利要求1或2所述的结晶器，其特征在于，所述结晶器在其外表面上包括多个凹槽(19)，所述多个凹槽朝向外侧开口且与所述结晶器(12)本身的纵向延伸平行，所述多个凹槽被配置成接纳冷却液体。

9.根据权利要求8所述的结晶器，其特征在于，所述结晶器在其外表面上包括涂层(18)，所述涂层适于相对于外侧闭合所述凹槽(19)并界定冷却通道(17)。

10.根据权利要求9所述的结晶器，其特征在于，所述涂层(18)由浸渍有聚合物树脂的纤维带制成。

11.根据权利要求1或2所述的结晶器，其特征在于，所述结晶器包括在所述结晶器(12)壁体的厚度中形成的冷却通道(17)，所述冷却通道被配置为接纳冷却流体。

12.一种连续浇铸设备，包括模具(11)和根据前面权利要求中任一项所述的结晶器(12)，其中，所述模具(11)包括脚辊(25)，所述脚辊(25)设置在所述结晶器(12)的出口处，对应于引导长度“LG”，所述引导长度包含在150毫米与800毫米之间，其中，所述模具(11)出口处的浇铸产品P借助于多个引导辊(28)沿着浇铸线Z行进，所述多个引导辊设在所述脚辊(25)的正下游且沿着包含在5米与25米之间的机器半径Rm。

13.根据权利要求12所述的设备，其特征在于，使用粉末润滑剂实现所述结晶器(12)的内部壁体(14)的润滑。

14.根据权利要求13所述的设备，其特征在于，所述粉末润滑剂是碱金属和/或碱土金属的硅酸盐和/或铝硅酸盐的机械混合物，且加入选自无定形石墨、焦炭或炭黑的元素碳。

15.根据权利要求12至14中任一项所述的设备，其特征在于，所述冷却流体与接触所述液态金属的所述壁体(14)之间的距离的值包含在8毫米与10毫米之间。

16.根据权利要求12至14中任一项所述的设备，其特征在于，对应于所述弯月面附近的冷却流体的压力包含在6巴与20巴之间，并且在与端部对应的区域中，冷却流体的压力包含在2巴与10巴之间。

17.根据权利要求12至14中任一项所述的设备，其特征在于，所述冷却装置(16)被配置成交换包含在6MW/平方米与10MW/平方米之间的热流量。

18.根据权利要求12至14中任一项所述的设备，其特征在于，所述机器半径Rm的值包含在7米与20米之间。

19.根据权利要求12至14中任一项所述的设备，其特征在于，所述引导长度“LG”包含在200毫米与500毫米之间。

20.一种钢厂(100)，包括根据权利要求12至19中任一项所述的连续浇铸设备(10)以及与所述连续浇铸设备(10)对接连接的至少一个轧制线(101、103)。

21.根据权利要求20所述的钢厂(100)，其特征在于，所述连续浇铸设备(10)和所述轧制线被配置成以无间断模式运行。

22.一种用于连续浇铸金属产品(P)的方法，以获得包含在50吨/小时与150吨/小时之间的生产率，包括：

-提供根据权利要求1至11中任一项所述的结晶器；

-在所述结晶器的出口处提供脚辊(25)；

-在所述脚辊(25)的正下游提供引导辊(28)，以便界定机器半径Rm，所述机器半径Rm的值包含在5米和25米之间；

-在所述结晶器中对应于所述弯月面提供初级冷却，所述初级冷却的热流量值大于6MW/平方米以及最高达到14MW/平方米，并且平均值包含在3MW/平方米与5.5MW/平方米之间；

-以6米/分钟与15米/分钟之间的浇铸速度进行浇铸；

其中，在对应于所述结晶器(12)的上方区域的区段中，对应于所述弯月面的附近，冷却流体的压力包含在6至20巴之间；而在所述结晶器(12)的下方区域中，对应于所述结晶器(12)的端部，冷却流体的压力包含在2至10巴之间。

23.根据权利要求22所述的方法，其特征在于，提供连续铸造的所述产品(P)在轧制线(101、103)中以无间断模式进行轧制，即在连续浇铸与轧制之间没有间断。

24.根据权利要求22或23所述的方法，其特征在于，出口处的输送压力在0.5与12巴之间，以确保恰当冷却，并且确保浇铸产品P在速度范围6至15米/分钟内恰当地凝固，并且次级冷却的强度由每公斤铸钢1.2-2.5升的水流速度所限定，同时冷却密度在浇铸机的上部更高，此处浇铸产品的温度更高，冷却水蒸发更强，皮层仍比较薄，由此利于液态内芯的热传递。

25.采用根据权利要求12至19中任一项所述的连续浇铸设备(10)获得的浇铸产品P，其特征在于，横截面的每个边因鼓胀效应在所述结晶器外侧的变形挠度相对于所述边的长度W小于5％。